[发明专利]半导体元件、半导体装置以及功率变换器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体元件。尤其涉及使用于高耐压、大电流用的碳化硅半导体元件(功率半导体器件)。此外，本发明涉及具备碳化硅半导体元件的半导体装置以及功率变换器。

背景技术

与硅(Si)相比，碳化硅(silicon carbide：SiC)是能带隙大的高硬度的半导体材料，应用于功率元件、耐环境元件、高温工作元件、高频元件等各种半导体装置中。其中，向半导体元件、整流元件等的功率元件的应用受到关注。使用了SiC的功率元件具有与Si功率元件相比能够大幅降低功率损失等的优点。此外，SiC功率元件发挥这种特性，与Si功率元件相比能够实现更小型的半导体装置。

使用了SiC的功率元件中，代表性的半导体元件是金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor：MISFET)。以下，有时将SiC的MISFET简单地称为“SiC-FET”。金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：MOSFET)是MISFET的一种。若向SiC的pn结流过顺向电流，则由于基底面位错而层叠缺陷增大这样的SiC固有的问题已被报道。在将SiC-FET作为开关元件，例如，用于对电动机等负载进行驱动控制的功率变换器等的情况下，产生该问题。在使用SiC-FET作为进行同步整流型控制的功率变换器的开关元件的情况下，如后面详细说明的那样，在SiC-FET为截止状态下需要流过“回流电流”。作为该回流电流的路径，使用SiC-FET中固有的pn结。这种pn结存在于构成SiC-FET的半导体元件的内部，因为发挥二极管的功能，所以被称为“体二极管(body diode)”。若将SiC-FET中固有的pn结二极管(体二极管)用作回流二极管，则对作为pn结的体二极管顺向地流过电流。考虑在这种电流流过SiC的pn结时，通过体二极管的双极性动作而SiC-FET的结晶劣化(＝层叠缺陷增大)会发展(例如，专利文献1、非专利文献1、2)。

若SiC-FET的结晶劣化发展，则体二极管的ON电压有可能上升。此外，在将体二极管用作回流二极管时，由于pn结二极管的双极性动作，在二极管从导通状态(on state)转移到截止状态(off state)时，流过反向恢复电流。反向恢复电流引起恢复损失，还导致开关速度的降低。

为了解决由于将体二极管用作回流二极管而产生的这种问题，提出了将作为电子部件的回流二极管元件与SiC-FET反并联连接，对回流二极管元件流过回流电流(例如专利文献2)。

图1示出具有回流二极管元件的典型的逆变器电路1000的结构。

逆变器电路1000是用于驱动电动机等负载1500的电路，具备由SiC-FET构成的多个半导体元件1100。在逆变器电路1000中，回流二极管元件1200与半导体元件1100通过反并联连接。通过半导体元件1100流过导通电流(I_F)，通过回流二极管元件1200流过回流电流(I_R)。由串联连接的2个半导体元件1100构成一组，对于直流电源2000并联地设置了3个组。各半导体元件1100的栅极电位由控制器来控制。

图2(a)示出半导体元件(SiC-FET)1100的结构。半导体元件1100由碳化硅(SiC)半导体构成，具有在n⁺基板(SiC基板)110上层叠了n^-漂移层120的构造。在n^-漂移层120的上部形成有p体区130，在p体区130的上部形成有p体接触区132和n⁺源极区140。而且，在p体接触区132以及n⁺源极区140上形成有源极电极145。

在n-漂移层120、p体区130以及n⁺源极区140的表面，形成有沟道外延层150。进而，在沟道外延层150上形成有栅极绝缘膜160以及栅极电极165。在沟道外延层150中的与p体区130的上表面接触的部分，形成沟道区。在n⁺基板110的背面形成有漏极电极170。

在半导体元件1100中内置了体二极管180。即，通过p体区130和n^-漂移层120之间的pn结，形成了体二极管180。

因为SiC是宽能带隙半导体，所以体二极管180在室温下的接通电压(turn-on voltage)Vf比较高为3V左右(约2.7V)，损失较大。