JP7632084B2 - Semiconductor Device - Google Patents
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Description
本開示は、半導体装置に関する。 This disclosure relates to a semiconductor device.
互いに並列に接続されたトランジスタ及びダイオードを含む半導体装置に関し、通電劣化を防止することを目的として、トランジスタに内蔵されるボディダイオードの特性を限定した半導体装置が提案されている(例えば特許文献1)。 Regarding semiconductor devices including transistors and diodes connected in parallel, a semiconductor device has been proposed in which the characteristics of the body diode built into the transistor are limited in order to prevent degradation due to electrical conduction (for example, Patent Document 1).
従来の半導体装置では、トランジスタのターンオフ時にダイオードに過剰な電流が流れて、十分に高い誘導負荷(L負荷)アバランシェ耐量が得られないことがある。 In conventional semiconductor devices, excessive current flows through the diode when the transistor is turned off, which can prevent a sufficiently high inductive load (L load) avalanche resistance.
本開示は、誘導負荷アバランシェ耐量を向上できる半導体装置を提供することを目的とする。 The present disclosure aims to provide a semiconductor device that can improve the inductive load avalanche resistance.
本開示の半導体装置は、トランジスタと、前記トランジスタに並列に接続されたショットキーバリアダイオードと、を有し、前記トランジスタは、第1主面を備えた第1半導体基板と、前記第1主面に形成されたゲート電極と、を有し、前記ゲート電極は、前記第1半導体基板の<1-100>に沿った第1方向に延び、前記ショットキーバリアダイオードは、第2主面を備えた第2半導体基板を有し、前記第2半導体基板は、前記第2主面を構成する第1導電型の第1半導体領域と、前記第2主面に形成された第2導電型の第2半導体領域と、を有し、前記第2半導体領域は、前記第2半導体基板の<11-20>に沿った第2方向に延びる。 The semiconductor device disclosed herein includes a transistor and a Schottky barrier diode connected in parallel to the transistor, the transistor includes a first semiconductor substrate having a first main surface and a gate electrode formed on the first main surface, the gate electrode extending in a first direction along the <1-100> of the first semiconductor substrate, the Schottky barrier diode includes a second semiconductor substrate having a second main surface, the second semiconductor substrate includes a first semiconductor region of a first conductivity type constituting the second main surface and a second semiconductor region of a second conductivity type formed on the second main surface, the second semiconductor region extending in a second direction along the <11-20> of the second semiconductor substrate.
本開示によれば、誘導負荷アバランシェ耐量を向上できる。 This disclosure makes it possible to improve the inductive load avalanche resistance.
実施するための形態について、以下に説明する。 The form for implementing this is explained below.
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一又は対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。本明細書中の結晶学的記載においては、個別方位を[]、集合方位を<>、個別面を()、集合面を{}でそれぞれ示している。また結晶学上の指数が負であることは、通常、"-"(バー)を数字の上に付すことによって表現されるが、本明細書中では数字の前に負の符号を付している。
[Description of the embodiments of the present disclosure]
First, the embodiments of the present disclosure will be listed and described. In the following description, the same or corresponding elements are given the same symbols, and the same description will not be repeated. In the crystallographic description in this specification, individual orientations are represented by [], collective orientations by <>, individual planes by (), and collective planes by {}. In addition, when a crystallographic index is negative, it is usually represented by placing a "-" (bar) above the number, but in this specification, a negative sign is placed before the number.
〔1〕 本開示の一態様に係る半導体装置は、トランジスタと、前記トランジスタに並列に接続されたショットキーバリアダイオードと、を有し、前記トランジスタは、第1主面を備えた第1半導体基板と、前記第1主面に形成されたゲート電極と、を有し、前記ゲート電極は、前記第1半導体基板の<1-100>に沿った第1方向に延び、前記ショットキーバリアダイオードは、第2主面を備えた第2半導体基板を有し、前記第2半導体基板は、前記第2主面を構成する第1導電型の第1半導体領域と、前記第2主面に形成された第2導電型の第2半導体領域と、を有し、前記第2半導体領域は、前記第2半導体基板の<11-20>に沿った第2方向に延びる。 [1] A semiconductor device according to one aspect of the present disclosure includes a transistor and a Schottky barrier diode connected in parallel to the transistor, the transistor includes a first semiconductor substrate having a first main surface and a gate electrode formed on the first main surface, the gate electrode extending in a first direction along the <1-100> of the first semiconductor substrate, the Schottky barrier diode includes a second semiconductor substrate having a second main surface, the second semiconductor substrate includes a first semiconductor region of a first conductivity type constituting the second main surface and a second semiconductor region of a second conductivity type formed on the second main surface, the second semiconductor region extending in a second direction along the <11-20> of the second semiconductor substrate.
本半導体装置では、トランジスタ及びショットキーバリアダイオードのアバランシェ状態への移行が同程度の印加電圧で起こることになり、アバランシェ電流のトランジスタ又はダイオードへの集中を抑制し、誘導負荷アバランシェ耐量を向上できる。なお、本開示において、ある方向に沿って延びるとは、厳密に当該方向に平行に延びることだけでなく、当該方向から20°以内で傾斜した方向に平行に延びることも含む。 In this semiconductor device, the transistor and Schottky barrier diode transition to the avalanche state at approximately the same applied voltage, suppressing the concentration of avalanche current in the transistor or diode and improving the inductive load avalanche resistance. In this disclosure, extending along a certain direction does not only mean extending strictly parallel to that direction, but also includes extending parallel to a direction tilted within 20° from that direction.
〔2〕 〔1〕において、前記第1半導体基板の<1-100>と前記第1方向とのなす角度が第1角度であり、前記第2半導体基板の<11-20>と前記第2方向とのなす角度が第2角度であり、前記第1角度は10°以下であり、前記第2角度は10°以下であってもよい。この場合、トランジスタの誘導負荷アバランシェ耐量と、ショットキーバリアダイオードの誘導負荷アバランシェ耐量とを互いにより近づけることができ、アバランシェ電流のトランジスタ又はダイオードへの集中を抑制し、誘導負荷アバランシェ耐量を向上できる。 [2] In [1], an angle between the <1-100> of the first semiconductor substrate and the first direction may be a first angle, an angle between the <11-20> of the second semiconductor substrate and the second direction may be a second angle, the first angle may be 10° or less, and the second angle may be 10° or less. In this case, the inductive load avalanche resistance of the transistor and the inductive load avalanche resistance of the Schottky barrier diode may be brought closer to each other, which may suppress concentration of avalanche current in the transistor or diode and improve the inductive load avalanche resistance.
〔3〕 〔1〕又は〔2〕において、前記トランジスタを複数有し、前記トランジスタが前記ショットキーバリアダイオードに複数並列に接続されていてもよい。この場合、大きな電流を流しやすい。なお、前記トランジスタの数は、例えば、2個でもよく、4個でもよく、6個でもよく、12個でもよい。 [3] In [1] or [2], the transistor may be multiple, and the multiple transistors may be connected in parallel to the Schottky barrier diode. In this case, a large current may easily flow. The number of transistors may be, for example, two, four, six, or twelve.
〔4〕 〔1〕~〔3〕において、前記ショットキーバリアダイオードを複数有し、前記ショットキーバリアダイオードが前記トランジスタに複数並列に接続されていてもよい。この場合、電流を還流させやすい。なお、前記ショットキーバリアダイオードの数は、例えば、2個でもよく、4個でもよく、6個でもよく、12個でもよい。前記トランジスタの数と前記ショットキーバリアダイオードの数とが同じでもよく、異なっていてもよい。 [4] In [1] to [3], the Schottky barrier diode may be multiple, and the Schottky barrier diodes may be connected in parallel to the transistor. In this case, it is easy to return the current. The number of the Schottky barrier diodes may be, for example, two, four, six, or twelve. The number of the transistors and the number of the Schottky barrier diodes may be the same or different.
〔5〕 〔1〕~〔4〕において、上アームと、前記上アームに直列に接続された下アームと、を有し、前記上アームは、前記トランジスタと前記ショットキーバリアダイオードとの第1組み合わせを含み、前記下アームは、前記トランジスタと前記ショットキーバリアダイオードとの第2組み合わせを含んでもよい。この場合、半導体装置を上アーム及び下アームを備えるパワーモジュールに用い、パワーモジュールの誘導負荷アバランシェ耐量を向上できる。 [5] In any one of [1] to [4], the semiconductor device may have an upper arm and a lower arm connected in series to the upper arm, the upper arm including a first combination of the transistor and the Schottky barrier diode, and the lower arm including a second combination of the transistor and the Schottky barrier diode. In this case, the semiconductor device may be used in a power module including an upper arm and a lower arm, and the inductive load avalanche resistance of the power module may be improved.
〔6〕 〔1〕~〔5〕において、前記ショットキーバリアダイオードは、前記第2半導体基板の結晶方位を特定する標識を有してもよい。この場合、第2半導体基板の結晶方位を考慮しながらショットキーバリアダイオードを絶縁基板等に実装しやすくできる。 [6] In [1] to [5], the Schottky barrier diode may have a mark that specifies the crystal orientation of the second semiconductor substrate. In this case, the Schottky barrier diode can be easily mounted on an insulating substrate or the like while taking into account the crystal orientation of the second semiconductor substrate.
〔7〕 〔1〕~〔6〕において、前記第1半導体基板及び前記第2半導体基板は炭化珪素基板であってもよい。炭化珪素は絶縁破壊強度に異方性を有するが、基板の結晶方位に応じた構造とすることで、誘導負荷アバランシェ耐量を向上しやすい。 [7] In [1] to [6], the first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate may be silicon carbide substrates. Silicon carbide has anisotropy in dielectric breakdown strength, but by forming a structure according to the crystal orientation of the substrate, it is easy to improve the inductive load avalanche resistance.
〔8〕 〔1〕~〔7〕において、前記トランジスタは、前記第1方向を長手方向とする複数の第1単位セルを有し、前記ショットキーバリアダイオードは、前記第2方向を長手方向とする複数の第2単位セルを有してもよい。この場合、トランジスタでは、複数の第1単位セルのいずれかで絶縁破壊が生じ、ショットキーバリアダイオードでは、複数の第2単位セルのいずれかで絶縁破壊が生じ、トランジスタ及びショットキーバリアダイオードの両方にアバランシェ電流が流れる。 [8] In [1] to [7], the transistor may have a plurality of first unit cells whose longitudinal direction is the first direction, and the Schottky barrier diode may have a plurality of second unit cells whose longitudinal direction is the second direction. In this case, in the transistor, dielectric breakdown occurs in one of the plurality of first unit cells, and in the Schottky barrier diode, dielectric breakdown occurs in one of the plurality of second unit cells, and an avalanche current flows in both the transistor and the Schottky barrier diode.
〔9〕 〔1〕~〔8〕において、前記トランジスタと前記ショットキーバリアダイオードとの間の絶縁破壊電圧の差が100V以下であってもよい。この場合、特にトランジスタ及びショットキーバリアダイオードの両方にアバランシェ電流が流れやすくできる。 [9] In [1] to [8], the difference in breakdown voltage between the transistor and the Schottky barrier diode may be 100 V or less. In this case, it is particularly easy for an avalanche current to flow through both the transistor and the Schottky barrier diode.
〔10〕 〔1〕~〔9〕において、前記ショットキーバリアダイオードの絶縁破壊電圧が、前記トランジスタの絶縁破壊電圧よりも高くてもよい。この場合、トランジスタの絶縁破壊電圧とダイオードの絶縁破壊電圧との差を小さくしやすい。 [10] In [1] to [9], the breakdown voltage of the Schottky barrier diode may be higher than the breakdown voltage of the transistor. In this case, it is easy to reduce the difference between the breakdown voltage of the transistor and the breakdown voltage of the diode.
〔11〕 〔1〕~〔10〕において、前記トランジスタの絶縁破壊電圧及び前記ショットキーバリアダイオードの絶縁破壊電圧は600V以上であってもよい。この場合、耐圧の向上により、多くの用途に用いやすくできる。 [11] In [1] to [10], the breakdown voltage of the transistor and the breakdown voltage of the Schottky barrier diode may be 600 V or more. In this case, the improved breakdown voltage makes it easier to use in many applications.
[本開示の実施形態の詳細]
以下、本開示の実施形態について詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。本明細書及び図面において、X1-X2方向、Y1-Y2方向、Z1-Z2方向を相互に直交する方向とする。X1-X2方向及びY1-Y2方向を含む面をXY面とし、Y1-Y2方向及びZ1-Z2方向を含む面をYZ面とし、Z1-Z2方向及びX1-X2方向を含む面をZX面とする。便宜上、Z1方向を上方向、Z2方向を下方向とする。また、本開示において平面視とは、Z1側から対象物を視ることをいう。
[Details of the embodiment of the present disclosure]
Hereinafter, the embodiments of the present disclosure will be described in detail, but the present embodiment is not limited thereto. In this specification and drawings, components having substantially the same functional configuration may be denoted by the same reference numerals to avoid redundant description. In this specification and drawings, the X1-X2 direction, the Y1-Y2 direction, and the Z1-Z2 direction are defined as mutually orthogonal directions. A plane including the X1-X2 direction and the Y1-Y2 direction is defined as the XY plane, a plane including the Y1-Y2 direction and the Z1-Z2 direction is defined as the YZ plane, and a plane including the Z1-Z2 direction and the X1-X2 direction is defined as the ZX plane. For convenience, the Z1 direction is defined as the upward direction, and the Z2 direction is defined as the downward direction. In addition, in this disclosure, planar view refers to viewing an object from the Z1 side.
本実施形態は、半導体モジュールに関する。図1は、実施形態に係る半導体モジュールを示す上面図である。図2は、実施形態に係る半導体モジュールを示す回路図である。 This embodiment relates to a semiconductor module. FIG. 1 is a top view showing a semiconductor module according to an embodiment. FIG. 2 is a circuit diagram showing a semiconductor module according to an embodiment.
図1に示すように、実施形態に係る半導体モジュール100は、主として、放熱板121と、筐体122と、P端子101と、N端子102と、O端子103と、第1導電パターン111と、第2導電パターン112と、第3導電パターン113とを有する。半導体モジュール100は、更に、第1トランジスタ200と、第2トランジスタ400と、第1ダイオード300と、第2ダイオード500とを有する。
As shown in FIG. 1, the
放熱板121は、例えば平面視で矩形状の厚さが一様の板状体である。放熱板121の材料は、熱伝導率の高い素材である金属、例えば銅(Cu)、銅合金、アルミニウム(Al)等である。放熱板121は、熱界面材料(thermal interface material:TIM)等を用いて冷却器等に固定される。
The
筐体122は、例えば平面視において枠状に形成されており、筐体122の外形は放熱板121の外形と同等である。筐体122の材料は樹脂等の絶縁体である。筐体122は、互いに対向する一対の側壁部191及び192と、側壁部191及び192の両端をつなぐ一対の端壁部193及び194とを有する。側壁部191及び192はZX平面に平行に配置され、端壁部193及び194はYZ平面に平行に配置されている。側壁部191は側壁部192のY1側に配置され、端壁部193は端壁部194のX1側に配置されている。
The
端壁部193の上面(Z1側の表面)にP端子101及びN端子102が配置され、端壁部194の上面(Z1側の表面)にO端子103が配置されている。例えば、N端子102がP端子101のY2側に配置されている。P端子101、N端子102及びO端子103は、それぞれ金属板から構成されている。
The
筐体122の内側において、放熱板121のZ1側に、絶縁基板123が配置されている。第1導電パターン111、第2導電パターン112及び第3導電パターン113は、絶縁基板123のZ1側の面に設けられている。絶縁基板123のZ2側の面に導電層114(図4、図6、図7、図9、図11及び図12参照)が設けられている。導電層114が、はんだ等の接合材(図示せず)により放熱板121に接合されている。
Inside the
P端子101は第1導電パターン111に電気的に接続され、O端子103は第2導電パターン112に電気的に接続され、N端子102は第3導電パターン113に電気的に接続されている。
The
第1トランジスタ200及び第1ダイオード300は第1導電パターン111の上に設けられている。第1トランジスタ200のドレイン電極233(図4参照)がはんだ等の接合材116(図4参照)を用いて第1導電パターン111に接合されている。第1ダイオード300のカソード電極333(図6及び図7参照)がはんだ等の接合材117(図6及び図7参照)を用いて第1導電パターン111に接合されている。第1トランジスタ200のソース電極232(図4参照)が複数のボンディングワイヤ161により第2導電パターン112に接続されている。第1ダイオード300のアノード電極332(図6及び図7参照)が複数のボンディングワイヤ171により第1トランジスタ200のソース電極232に接続されている。
The
第2トランジスタ400及び第2ダイオード500は第2導電パターン112の上に設けられている。第2トランジスタ400のドレイン電極433(図9参照)がはんだ等の接合材118(図9参照)を用いて第2導電パターン112に接合されている。第2ダイオード500のカソード電極533(図11及び図12参照)がはんだ等の接合材119(図11及び図12参照)を用いて第2導電パターン112に接合されている。第2トランジスタ400のソース電極432(図9参照)が複数のボンディングワイヤ162により第3導電パターン113に接続されている。第2ダイオード500のアノード電極532(図11及び図12参照)が複数のボンディングワイヤ172により第2トランジスタ400のソース電極432に接続されている。
The
図2に示すように、第1トランジスタ200と第2トランジスタ400とがP端子101とN端子102との間に直列に接続され、O端子103が第1トランジスタ200と第2トランジスタ400との間に接続されている。また、第1ダイオード300が第1トランジスタ200に並列に接続され、第2ダイオード500が第2トランジスタ400に並列に接続されている。第1トランジスタ200及び第1ダイオード300を含む上アーム181が構成され、第2トランジスタ400及び第2ダイオード500を含む下アーム182が構成されている。第1トランジスタ200と第1ダイオード300との組み合わせは、第1組み合わせの一例であり、第2トランジスタ400と第2ダイオード500との組み合わせは、第2組み合わせの一例である。
2, the
〔第1トランジスタ200〕
次に、第1トランジスタ200について詳細に説明する。図3は、第1トランジスタ200の単位セルを示す図であり、図4は、第1トランジスタ200を示す断面図である。図4は、図3中のIV-IV線に沿った断面図に相当する。
[First transistor 200]
Next, a detailed description will be given of the
第1トランジスタ200は、主として、炭化珪素基板210と、ゲート電極231と、ソース電極232と、ドレイン電極233とを有する。
The
炭化珪素基板210は、炭化珪素単結晶基板206と、炭化珪素単結晶基板206の上の炭化珪素エピタキシャル層207とを含む。炭化珪素基板210は、主面210Aと、主面210Aとは反対側の主面210Bとを有する。炭化珪素エピタキシャル層207が主面210Aを構成し、炭化珪素単結晶基板206が主面210Bを構成する。炭化珪素基板210の形状は、例えば直方体状である。主面210AはZ1-Z2方向に垂直な面である。<1-100>はY1-Y2方向に平行な方向である。炭化珪素単結晶基板206及び炭化珪素エピタキシャル層207は、例えばポリタイプ4Hの六方晶炭化珪素から構成されている。炭化珪素単結晶基板206は、例えば窒素(N)等のn型不純物を含みn型を有する。炭化珪素基板210は第1半導体基板の一例であり、主面210Aは第1主面の一例である。
The
主面210Aは、(0001)がオフ方向に傾斜した面である。例えば、オフ方向は[11-20]である。例えば、主面210Aは(0001)がオフ方向([11-20])に8°以下のオフ角だけ傾斜した面である。オフ角は、例えば1°以上であってもよいし、2°以上であってもよい。オフ角は、6°以下であってもよいし、4°以下であってもよい。
The
[11-20]は(0001)内の方位である。しかし、主面210Aが(0001)がオフ方向に傾斜した面であるため、[11-20]は主面210A内の方位ではない。X1方向は[11-20]を主面210Aに投影した方位に相当し、X2方向は[-1-120]を主面210Aに投影した方位に相当する。
[11-20] is an orientation within (0001). However, since the
第1トランジスタ200は、活性領域201と、活性領域201の周囲に設けられた終端領域202とを有する。
The
活性領域201において、炭化珪素エピタキシャル層207は、主として、ドリフト領域211と、ボディ領域212と、ソース領域213と、コンタクト領域214と、電界緩和領域215とを有する。
In the
ドリフト領域211は、例えば窒素(N)等のn型不純物を含み、n型の導電型を有する。ドリフト領域211は、主面210Bを構成する。ボディ領域212は、ドリフト領域211に接している。ボディ領域212は、例えばアルミニウム(Al)等のp型不純物を含み、p型の導電型を有する。ソース領域213は、ボディ領域212によってドリフト領域211から隔てられるようにボディ領域212上に設けられている。ソース領域213は、例えば窒素又はリン(P)等のn型不純物を含み、n型の導電型を有する。ソース領域213は、主面210Aの一部を構成する。炭化珪素エピタキシャル層207がドリフト領域211の下にバッファ層を有してもよい。
The
主面210Aに、複数のゲートトレンチ220が設けられている。複数のゲートトレンチ220は、Y1-Y2方向に平行に延び、X1-X2方向に並んで配置されている。ゲートトレンチ220は、側面221と、底面222とにより規定されている。底面222は、側面221に連なっている。側面221は、ソース領域213及びボディ領域212を貫通している。側面221は、ドリフト領域211に至っている。底面222は、ドリフト領域211に位置している。底面222は、主面210Aとほぼ平行である。側面221は、ソース領域213、ボディ領域212及びドリフト領域211により構成されている。底面222は、ドリフト領域211により構成されている。
A plurality of
ゲートトレンチ220内に、側面221及び底面222に接するゲート絶縁膜217が形成されている。ゲート絶縁膜217は、底面222においてドリフト領域211に接している。ゲート絶縁膜217は、側面221においてソース領域213、ボディ領域212及びドリフト領域211に接している。
A
ゲート電極231は、ゲート絶縁膜217上に設けられている。ゲート電極231は、例えば導電性不純物を含むポリシリコンから構成されている。ゲート電極231は、ゲートトレンチ220の内部に配置されている。ゲート電極231は、ソース領域213、ボディ領域212及びドリフト領域211に対面している。複数のゲート電極231は、Y1-Y2方向に平行に延び、X1-X2方向に並んで配置されている。複数のゲート電極231は、<1-100>に沿って延びる。Y1-Y2方向は第1方向の一例である。本実施形態では、炭化珪素基板210の<1-100>と第1方向とのなす第1角度が0°である。
The
コンタクト領域214は、X1-X2方向で隣り合うゲートトレンチ220の間に、各ゲートトレンチ220の側面221から離れて、ソース領域213を貫通し、ボディ領域212に接するように設けられている。コンタクト領域214は、主面210Aの一部を構成する。コンタクト領域214は、例えばアルミニウム等のp型不純物を含み、p型の導電型を有する。
The
電界緩和領域215は、X1-X2方向で隣り合うゲートトレンチ220の間に、各ゲートトレンチ220の側面221から離れて、ボディ領域212から主面210Bに向けて延びるように設けられている。電界緩和領域215は、例えばアルミニウム等のp型不純物を含み、p型の導電型を有する。電界緩和領域215は、下端面215Cと、第1側端面215Aと、第2側端面215Bとを有する。下端面215Cは、XY平面にほぼ平行である。第1側端面215A及び第2側端面215Bは、YZ平面にほぼ平行である。第1側端面215Aが第2側端面215BのX1側にある。下端面215C、第1側端面215A及び第2側端面215Bは、ドリフト領域211に接する。
The electric
ゲートトレンチ220及びゲート電極231を覆うように層間絶縁膜235が設けられている。層間絶縁膜235に、ソース領域213の一部及びコンタクト領域214を露出するコンタクトホール236が形成されている。
An interlayer insulating
ソース電極232は、層間絶縁膜235の上に設けられており、コンタクトホール236を通じて主面210Aに接する。ソース電極232は、ソース領域213及びコンタクト領域214に電気的に接続されている。層間絶縁膜235は、ゲート電極231とソース電極232とを電気的に絶縁している。
The
ドレイン電極233は、主面210Bに接する。ドレイン電極233は、ドリフト領域211に電気的に接続されている。
The
第1トランジスタ200は、ゲートトレンチ220の周期パターンの単位となる複数の第1単位セル203を活性領域201内に含む。複数の第1単位セル203は、Y1-Y2方向を長手方向とし、X1-X2方向に並ぶ。複数の第1単位セル203は、<1-100>に沿って延びる。
The
終端領域202は、例えば平面形状が環状の領域であり、主面210Aの一部を構成する。終端領域202は、例えばアルミニウム等のp型不純物を含み、p型の導電型を有する。
The
第1トランジスタ200では、ソース電極232とドレイン電極233との間に電圧が印加されると、電界緩和領域215の、下端面215Cと第1側端面215Aとが交わる第1隅部216A及び下端面215Cと第2側端面215Bとが交わる第2隅部216Bに電界が集中しやすい。
In the
〔第1ダイオード300〕
次に、第1ダイオード300について詳細に説明する。第1ダイオード300は、JBS(Junction Barrier Schottky)構造を有するショットキーバリアダイオードである。図5は、第1ダイオード300の単位セルを示す図であり、図6及び図7は、第1ダイオード300を示す断面図である。図6は、図5中のVI-VI線に沿った断面図に相当する。図7は、図5中のVII-VII線に沿った断面図に相当する。
[First diode 300]
Next, the
第1ダイオード300は、主として、炭化珪素基板310と、アノード電極332と、カソード電極333とを有する。
The
炭化珪素基板310は、炭化珪素単結晶基板306と、炭化珪素単結晶基板306の上の炭化珪素エピタキシャル層307とを含む。炭化珪素基板310は、主面310Aと、主面310Aとは反対側の主面310Bとを有する。炭化珪素エピタキシャル層307が主面310Aを構成し、炭化珪素単結晶基板306が主面310Bを構成する。炭化珪素基板310の形状は、例えば直方体状である。主面310AはZ1-Z2方向に垂直な面である。<1-100>はY1-Y2方向に平行な方向である。炭化珪素単結晶基板306及び炭化珪素エピタキシャル層307は、例えばポリタイプ4Hの六方晶炭化珪素から構成されている。炭化珪素単結晶基板306は、例えば窒素等のn型不純物を含みn型を有する。炭化珪素基板310は第2半導体基板の一例であり、主面310Aは第2主面の一例である。
The
主面310Aは、(0001)がオフ方向に傾斜した面である。例えば、オフ方向は[11-20]である。例えば、主面310Aは(0001)がオフ方向([11-20])に8°以下のオフ角だけ傾斜した面である。オフ角は、例えば1°以上であってもよいし、2°以上であってもよい。オフ角は、6°以下であってもよいし、4°以下であってもよい。
The
[11-20]は(0001)内の方位である。しかし、主面310Aが(0001)がオフ方向に傾斜した面であるため、[11-20]は主面310A内の方位ではない。X1方向は[11-20]を主面310Aに投影した方位に相当し、X2方向は[-1-120]を主面310Aに投影した方位に相当する。
[11-20] is an orientation within (0001). However, since the
第1ダイオード300は、活性領域301と、活性領域301の周囲に設けられた終端領域302とを有する。
The
活性領域301において、炭化珪素エピタキシャル層307は、主として、n型領域311と、複数のp型領域315とを有する。
In the
n型領域311は、例えば窒素等のn型不純物を含み、n型の導電型を有する。n型領域311は、主面310Bを構成し、主面310Aの一部を構成する。n型領域311は第1半導体領域の一例である。
The n-
複数のp型領域315は、主面310Aに設けられている。p型領域315は、主面310Aの一部を構成する。複数のp型領域315は、X1-X2方向に平行に延び、Y1-Y2方向に並んで配置されている。複数のp型領域315は、<11-20>に沿って延びる。p型領域315は、例えばアルミニウム等のp型不純物を含み、p型の導電型を有する。p型領域315は、下端面315Cと、第1側端面315Aと、第2側端面315Bとを有する。下端面315Cは、XY平面にほぼ平行である。第1側端面315A及び第2側端面315Bは、ZX平面にほぼ平行である。第1側端面315Aが第2側端面315BのY1側にある。下端面315C、第1側端面315A及び第2側端面315Bは、n型領域311に接する。p型領域315は第2半導体領域の一例であり、X1-X2方向は第2方向の一例である。本実施形態では、炭化珪素基板310の<11-20>と第2方向とのなす第2角度が10°以下である。
The multiple p-
アノード電極332は、主面310Aに接する。アノード電極332は、n型領域311及びp型領域315に電気的に接続されている。
The
カソード電極333は、主面310Bに接する。カソード電極333は、n型領域311に電気的に接続されている。
The
第1ダイオード300は、p型領域315の周期パターンの単位となる複数の第2単位セル303を活性領域301内に含む。複数の第2単位セル303は、X1-X2方向を長手方向とし、Y1-Y2方向に並ぶ。複数の第2単位セル303は、<11-20>に沿って延びる。
The
終端領域302は、例えば平面形状が環状の領域であり、主面310Aの一部を構成する。終端領域302は、例えばアルミニウム等のp型不純物を含み、p型の導電型を有する。
The
主面310Aのアノード電極332から露出した部分に、炭化珪素基板310の結晶方位を特定する標識319が設けられていてもよい。標識319は直接的に結晶方位を表示してもよい。例えば[11-20]がどの方向を向いているのかをミラー指数又は三角形等の図形を用いて表示してもよい。また、製品番号の向き等により炭化珪素基板310の結晶方位を間接的に表示してもよい。
A
第1ダイオード300では、アノード電極332とカソード電極333との間に電圧が印加されると、p型領域315の、下端面315Cと第1側端面315Aとが交わる第1隅部316A及び下端面315Cと第2側端面315Bとが交わる第2隅部316Bに電界が集中しやすい。
In the
〔第2トランジスタ400〕
次に、第2トランジスタ400について詳細に説明する。図8は、第2トランジスタ400の単位セルを示す図であり、図9は、第2トランジスタ400を示す断面図である。図9は、図8中のIX-IX線に沿った断面図に相当する。
[Second transistor 400]
Next, a detailed description will be given of the
第2トランジスタ400は、主として、炭化珪素基板410と、ゲート電極431と、ソース電極432と、ドレイン電極433とを有する。
The
炭化珪素基板410は、炭化珪素単結晶基板406と、炭化珪素単結晶基板406の上の炭化珪素エピタキシャル層407とを含む。炭化珪素基板410は、主面410Aと、主面410Aとは反対側の主面410Bとを有する。炭化珪素エピタキシャル層407が主面410Aを構成し、炭化珪素単結晶基板406が主面410Bを構成する。炭化珪素基板410の形状は、例えば直方体状である。主面410AはZ1-Z2方向に垂直な面である。<1-100>はY1-Y2方向に平行な方向である。炭化珪素単結晶基板406及び炭化珪素エピタキシャル層407は、例えばポリタイプ4Hの六方晶炭化珪素から構成されている。炭化珪素単結晶基板406は、例えば窒素等のn型不純物を含みn型を有する。炭化珪素基板410は第1半導体基板の一例であり、主面410Aは第1主面の一例である。
The
主面410Aは、(0001)がオフ方向に傾斜した面である。例えば、オフ方向は[11-20]である。例えば、主面410Aは(0001)がオフ方向([11-20])に8°以下のオフ角だけ傾斜した面である。オフ角は、例えば1°以上であってもよいし、2°以上であってもよい。オフ角は、6°以下であってもよいし、4°以下であってもよい。
The
[11-20]は(0001)内の方位である。しかし、主面410Aが(0001)がオフ方向に傾斜した面であるため、[11-20]は主面410A内の方位ではない。X1方向は[11-20]を主面410Aに投影した方位に相当し、X2方向は[-1-120]を主面410Aに投影した方位に相当する。
[11-20] is an orientation within (0001). However, since the
第2トランジスタ400は、活性領域401と、活性領域401の周囲に設けられた終端領域402とを有する。
The
活性領域401において、炭化珪素エピタキシャル層207は、主として、ドリフト領域411と、ボディ領域412と、ソース領域413と、コンタクト領域414と、電界緩和領域415とを有する。
In the
ドリフト領域411は、例えば窒素等のn型不純物を含み、n型の導電型を有する。ドリフト領域411は、主面410Bを構成する。ボディ領域412は、ドリフト領域411に接している。ボディ領域412は、例えばアルミニウム等のp型不純物を含み、p型の導電型を有する。ソース領域413は、ボディ領域412によってドリフト領域411から隔てられるようにボディ領域412上に設けられている。ソース領域413は、例えば窒素又はリン等のn型不純物を含み、n型の導電型を有する。ソース領域413は、主面410Aの一部を構成する。炭化珪素エピタキシャル層407がドリフト領域411の下にバッファ層を有してもよい。
The
主面410Aに、複数のゲートトレンチ420が設けられている。複数のゲートトレンチ420は、Y1-Y2方向に平行に延び、X1-X2方向に並んで配置されている。ゲートトレンチ420は、側面421と、底面422とにより規定されている。底面422は、側面421に連なっている。側面421は、ソース領域413及びボディ領域412を貫通している。側面421は、ドリフト領域411に至っている。底面422は、ドリフト領域411に位置している。底面422は、主面410Aとほぼ平行である。側面421は、ソース領域413、ボディ領域412及びドリフト領域411により構成されている。底面422は、ドリフト領域411により構成されている。
A plurality of
ゲートトレンチ420内に、側面421及び底面422に接するゲート絶縁膜417が形成されている。ゲート絶縁膜417は、底面422においてドリフト領域411に接している。ゲート絶縁膜417は、側面421においてソース領域413、ボディ領域412及びドリフト領域411に接している。
A
ゲート電極431は、ゲート絶縁膜417上に設けられている。ゲート電極431は、例えば導電性不純物を含むポリシリコンから構成されている。ゲート電極431は、ゲートトレンチ420の内部に配置されている。ゲート電極431は、ソース領域413、ボディ領域412及びドリフト領域411に対面している。複数のゲート電極431は、Y1-Y2方向に平行に延び、X1-X2方向に並んで配置されている。複数のゲート電極431は、<1-100>に沿って延びる。Y1-Y2方向は第1方向の一例である。本実施形態では、炭化珪素基板410の<1-100>と第1方向とのなす第1角度が0°である。
The
コンタクト領域414は、X1-X2方向で隣り合うゲートトレンチ420の間に、各ゲートトレンチ420の側面421から離れて、ソース領域413を貫通し、ボディ領域412に接するように設けられている。コンタクト領域414は、主面410Aの一部を構成する。コンタクト領域414は、例えばアルミニウム等のp型不純物を含み、p型の導電型を有する。
The
電界緩和領域415は、X1-X2方向で隣り合うゲートトレンチ420の間に、各ゲートトレンチ420の側面421から離れて、ボディ領域412から主面410Bに向けて延びるように設けられている。電界緩和領域415は、例えばアルミニウム等のp型不純物を含み、p型の導電型を有する。電界緩和領域415は、下端面415Cと、第1側端面415Aと、第2側端面415Bとを有する。下端面415Cは、XY平面にほぼ平行である。第1側端面415A及び第2側端面415Bは、YZ平面にほぼ平行である。第1側端面415Aが第2側端面415BのX1側にある。下端面415C、第1側端面415A及び第2側端面415Bは、ドリフト領域411に接する。
The electric
ゲートトレンチ420及びゲート電極431を覆うように層間絶縁膜435が設けられている。層間絶縁膜435に、ソース領域413の一部及びコンタクト領域414を露出するコンタクトホール436が形成されている。
An interlayer insulating
ソース電極432は、層間絶縁膜435の上に設けられており、コンタクトホール436を通じて主面410Aに接する。ソース電極432は、ソース領域413及びコンタクト領域414に電気的に接続されている。層間絶縁膜435は、ゲート電極431とソース電極432とを電気的に絶縁している。
The
ドレイン電極433は、主面410Bに接する。ドレイン電極433は、ドリフト領域411に電気的に接続されている。
The
第2トランジスタ400は、ゲートトレンチ420の周期パターンの単位となる複数の第1単位セル403を活性領域401内に含む。複数の第1単位セル403は、Y1-Y2方向を長手方向とし、X1-X2方向に並ぶ。複数の第1単位セル403は、<1-100>に沿って延びる。
The
終端領域402は、例えば平面形状が環状の領域であり、主面410Aの一部を構成する。終端領域402は、例えばアルミニウム等のp型不純物を含み、p型の導電型を有する。
The
第2トランジスタ400では、ソース電極432とドレイン電極433との間に電圧が印加されると、電界緩和領域415の、下端面415Cと第1側端面415Aとが交わる第1隅部416A及び下端面415Cと第2側端面415Bとが交わる第2隅部416Bに電界が集中しやすい。
In the
〔第2ダイオード500〕
次に、第2ダイオード500について詳細に説明する。第2ダイオード500は、JBS構造を有するショットキーバリアダイオードである。図10は、第2ダイオード500の単位セルを示す図であり、図11及び図12は、第2ダイオード500を示す断面図である。図11は、図10中のXI-XI線に沿った断面図に相当する。図12は、図10中のXII-XII線に沿った断面図に相当する。
[Second Diode 500]
Next, the
第2ダイオード500は、主として、炭化珪素基板510と、アノード電極532と、カソード電極533とを有する。
The
炭化珪素基板510は、炭化珪素単結晶基板506と、炭化珪素単結晶基板506の上の炭化珪素エピタキシャル層507とを含む。炭化珪素基板510は、主面510Aと、主面510Aとは反対側の主面510Bとを有する。炭化珪素エピタキシャル層507が主面510Aを構成し、炭化珪素単結晶基板506が主面510Bを構成する。炭化珪素基板510の形状は、例えば直方体状である。主面510AはZ1-Z2方向に垂直な面である。<1-100>はY1-Y2方向に平行な方向である。炭化珪素単結晶基板506及び炭化珪素エピタキシャル層507は、例えばポリタイプ4Hの六方晶炭化珪素から構成されている。炭化珪素単結晶基板506は、例えば窒素等のn型不純物を含みn型を有する。炭化珪素基板510は第2半導体基板の一例であり、主面510Aは第2主面の一例である。
The
主面510Aは、(0001)がオフ方向に傾斜した面である。例えば、オフ方向は[11-20]である。例えば、主面510Aは(0001)がオフ方向([11-20])に8°以下のオフ角だけ傾斜した面である。オフ角は、例えば1°以上であってもよいし、2°以上であってもよい。オフ角は、6°以下であってもよいし、4°以下であってもよい。
The
[11-20]は(0001)内の方位である。しかし、主面510Aが(0001)がオフ方向に傾斜した面であるため、[11-20]は主面510A内の方位ではない。X1方向は[11-20]を主面510Aに投影した方位に相当し、X2方向は[-1-120]を主面510Aに投影した方位に相当する。
[11-20] is an orientation within (0001). However, since the
第2ダイオード500は、活性領域501と、活性領域501の周囲に設けられた終端領域502とを有する。
The
活性領域501において、炭化珪素エピタキシャル層507は、主として、n型領域511と、複数のp型領域515とを有する。
In the
n型領域511は、例えば窒素等のn型不純物を含み、n型の導電型を有する。n型領域511は、主面510Bを構成し、主面510Aの一部を構成する。n型領域511は第1半導体領域の一例である。
The n-
複数のp型領域515は、主面510Aに設けられている。p型領域515は、主面510Aの一部を構成する。複数のp型領域515は、X1-X2方向に平行に延び、Y1-Y2方向に並んで配置されている。複数のp型領域515は、<11-20>に沿って延びる。p型領域515は、例えばアルミニウム等のp型不純物を含み、p型の導電型を有する。p型領域515は、下端面515Cと、第1側端面515Aと、第2側端面515Bとを有する。下端面515Cは、XY平面にほぼ平行である。第1側端面515A及び第2側端面515Bは、ZX平面にほぼ平行である。第1側端面515Aが第2側端面515BのY1側にある。下端面515C、第1側端面515A及び第2側端面515Bは、n型領域511に接する。p型領域515は第2半導体領域の一例である。X1-X2方向は第2方向の一例である。本実施形態では、炭化珪素基板510の<11-20>と第2方向とのなす第2角度が10°以下である。
The multiple p-
アノード電極532は、主面510Aに接する。アノード電極532は、n型領域511及びp型領域515に電気的に接続されている。
The
カソード電極533は、主面510Bに接する。カソード電極533は、n型領域511に電気的に接続されている。
The
第2ダイオード500は、p型領域515の周期パターンの単位となる複数の第2単位セル503を活性領域501内に含む。複数の第2単位セル503は、X1-X2方向を長手方向とし、Y1-Y2方向に並ぶ。複数の第2単位セル503は、<11-20>に沿って延びる。
The
終端領域502は、例えば平面形状が環状の領域であり、主面510Aの一部を構成する。終端領域502は、例えばアルミニウム等のp型不純物を含み、p型の導電型を有する。
The
主面510Aのアノード電極532から露出した部分に、炭化珪素基板510の結晶方位を特定する標識519が設けられていてもよい。標識519は直接的に結晶方位を表示してもよい。例えば[11-20]がどの方向を向いているのかをミラー指数又は三角形等の図形を用いて表示してもよい。また、製品番号の向き等により炭化珪素基板510の結晶方位を間接的に表示してもよい。
A
第2ダイオード500では、アノード電極532とカソード電極533との間に電圧が印加されると、p型領域515の、下端面515Cと第1側端面515Aとが交わる第1隅部516A及び下端面515Cと第2側端面515Bとが交わる第2隅部516Bに電界が集中しやすい。
In the
〔実施形態の作用効果〕
ここで、実施形態の作用効果について説明する。
[Effects of the embodiment]
Here, the effects of the embodiment will be described.
上アーム181では、第1トランジスタ200と第1ダイオード300とが互いに並列に接続されている。一般に、ショットキー接合では、pn接合よりもリーク電流が流れやすい。このため、第1ダイオード300の絶縁破壊電圧が第1トランジスタ200の絶縁破壊電圧よりも低くなりやすい。
In the
また、一般に、炭化珪素は絶縁破壊強度に異方性を有する。例えば、電界の強さが同等であれば、<11-20>に電界が印加された場合と、<1-100>に電界が印加された場合とを比較すると、前者において絶縁破壊が生じやすい。従って、第1トランジスタ200では、ドリフト領域211と電界緩和領域215の第1側端面215A及び第2側端面215Bとのpn接合界面において絶縁破壊が生じやすい。更に、第1トランジスタ200では、<11-20>が主面210Aに非平行であるため、ドリフト領域211と第2側端面215Bのpn接合界面において、ドリフト領域211と第1側端面215Aとのpn接合界面よりも絶縁破壊が生じやすい。一方、第1ダイオード300では、n型領域311とp型領域の第1側端面315Aとのpn接合界面及びn型領域311と第2側端面315Bとのpn接合界面においては、絶縁破壊が生じにくい。
In addition, silicon carbide generally has anisotropy in dielectric breakdown strength. For example, if the strength of the electric field is the same, when the electric field is applied to <11-20>, dielectric breakdown is more likely to occur in the former than when the electric field is applied to <1-100>. Therefore, in the
上述のように、第1トランジスタ200では、ソース電極232とドレイン電極233との間に電圧が印加されると、電界緩和領域215の第1隅部216A及び第2隅部216Bに電界が集中しやすい。また、ゲート電極231及び電界緩和領域215はY1-Y2方向(<1-100>)に平行に延びており、第1隅部216A及び第2隅部216BもY1-Y2方向(<1-100>)に平行に延びている。
As described above, in the
このように、第1トランジスタ200では、第1隅部216A及び第2隅部216Bは、電界集中が生じやすい部分であるとともに、絶縁破壊しやすい部分である。そして、第1隅部216A及び第2隅部216BがY1-Y2方向の広範囲にわたって存在している。従って、第1トランジスタ200では、第1隅部216A及び第2隅部216BがX1-X2方向に平行に延びている場合と比較して、絶縁破壊が生じやすい。
Thus, in the
第1ダイオード300では、アノード電極332とカソード電極333との間に電圧が印加されると、p型領域315の第1隅部316A及び第2隅部316Bに電界が集中しやすい。また、p型領域315はX1-X2方向(<1-100>に垂直な方向)に平行に延びており、第1隅部316A及び第2隅部316BもX1-X2方向(<1-100>に垂直な方向)に平行に延びている。
In the
このように、第1ダイオード300では、第1隅部316A及び第2隅部316Bは、電界集中が生じやすい部分であるが、絶縁破壊しにくい部分である。そして、第1隅部316A及び第2隅部316BがX1-X2方向の広範囲にわたって存在している。従って、第1ダイオード300では、第1隅部316A及び第2隅部316BがY1-Y2方向に平行に延びている場合と比較して、絶縁破壊が生じにくい。
Thus, in the
従って、絶縁破壊に対し、第1トランジスタ200が第1ダイオード300よりも有利であるが、結晶方位の観点からは、第1ダイオード300が第1トランジスタ200よりも有利である。このため、本実施形態では、第1トランジスタ200の絶縁破壊電圧と第1ダイオード300の絶縁破壊電圧との差を小さくできる。従って、第1トランジスタ200のターンオフ等により上アーム181がアバランシェ状態に遷移すると、第1トランジスタ200及び第1ダイオード300の両方で絶縁破壊が生じ、アバランシェ電流が第1トランジスタ200及び第1ダイオード300の両方に流れる。この結果、アバランシェ電流の第1トランジスタ200又は第1ダイオード300への集中を抑制し、上アーム181の誘導負荷アバランシェ耐量を向上できる。
Therefore, the
下アーム182では、第2トランジスタ400と第2ダイオード500とが互いに並列に接続されている。上アーム181と同様に、第2ダイオード500の絶縁破壊電圧が第2トランジスタ400の絶縁破壊電圧よりも低くなりやすい。
In the
また、第2トランジスタ400では、第1トランジスタ200と同様の理由で、第1隅部416A及び第2隅部416Bは、電界集中が生じやすい部分であるとともに、絶縁破壊しやすい部分である。そして、第1隅部416A及び第2隅部416BがY1-Y2方向の広範囲にわたって存在している。従って、第2トランジスタ400では、第1隅部416A及び第2隅部416BがX1-X2方向に平行に延びている場合と比較して、絶縁破壊が生じやすい。
In the
また、第2ダイオード500では、第1ダイオード300と同様の理由で、第1隅部516A及び第2隅部516Bは、電界集中が生じやすい部分であるが、絶縁破壊しにくい部分である。そして、第1隅部516A及び第2隅部516BがX1-X2方向の広範囲にわたって存在している。従って、第2ダイオード500では、第1隅部516A及び第2隅部516BがY1-Y2方向に平行に延びている場合と比較して、絶縁破壊が生じにくい。
In the
従って、絶縁破壊に対し、第2トランジスタ400が第2ダイオード500よりも有利であるが、結晶方位の観点からは、第2ダイオード500が第2トランジスタ400よりも有利である。このため、本実施形態では、第2トランジスタ400の絶縁破壊電圧と第2ダイオード500の絶縁破壊電圧との差を小さくできる。従って、第2トランジスタ400のターンオフ等により下アーム182がアバランシェ状態に遷移すると、第2トランジスタ400及び第2ダイオード500の両方で絶縁破壊が生じ、アバランシェ電流が第2トランジスタ400及び第2ダイオード500の両方に流れる。この結果、アバランシェ電流の第2トランジスタ400又は第2ダイオード500への集中を抑制し、下アーム182の誘導負荷アバランシェ耐量を向上できる。
Therefore, the
上アーム181及び下アーム182のいずれにおいても誘導負荷アバランシェ耐量を向上できるため、半導体モジュール100をパワーモジュールとして使用し、パワーモジュールの誘導負荷アバランシェ耐量を向上できる。
Since the inductive load avalanche resistance can be improved in both the
炭化珪素基板210、310、410及び510が用いられているため、高い絶縁破壊電圧を得やすい。また、上述のように、炭化珪素は絶縁破壊強度に異方性を有するが、基板の結晶方位に応じた構造とすることで、誘導負荷アバランシェ耐量を向上しやすい。
Since
標識319、519が設けられている場合、炭化珪素基板310、510の結晶方位を考慮しながら第1ダイオード300、第2ダイオード500を絶縁基板123等に実装しやすくできる。なお、標識319、519は炭化珪素基板310、510ではなくアノード電極332、532に設けられていてもよい。
When the
本開示において、第1角度は0°でなくてもよいが、好ましくは10°以下であり、より好ましくは5°以下である。第1角度の0°からのずれが大きくなると、ボディ領域212,412のチャネルとして機能する部分における電子のチャネル移動度が低下するおそれがあるためである。
In the present disclosure, the first angle does not have to be 0°, but is preferably 10° or less, and more preferably 5° or less. If the first angle deviates too much from 0°, the channel mobility of electrons in the portion of the
また、第2角度は0°でなくてもよいが、好ましくは10°以下であり、より好ましくは5°以下である。第2角度の0°からのずれが大きくなると、リーク電流が大きくなるおそれがあるためである。 The second angle does not have to be 0°, but is preferably 10° or less, and more preferably 5° or less. If the second angle deviates too much from 0°, there is a risk of a large leakage current.
また、第1角度が10°以下であり、第2角度が10°以下であると、トランジスタの誘導負荷アバランシェ耐量と、ショットキーバリアダイオードの誘導負荷アバランシェ耐量とを互いにより近づけることができる。このため、アバランシェ電流のトランジスタ又はダイオードへの集中を抑制し、誘導負荷アバランシェ耐量を向上しやすい。 Furthermore, when the first angle is 10° or less and the second angle is 10° or less, the inductive load avalanche resistance of the transistor and the inductive load avalanche resistance of the Schottky barrier diode can be brought closer to each other. This makes it easier to suppress the concentration of avalanche current in the transistor or diode and to improve the inductive load avalanche resistance.
複数の第1トランジスタ200が1個の第1ダイオード300に並列に接続されていてもよく、複数の第2トランジスタ400が1個の第2ダイオード500に並列に接続されていてもよい。これらの場合、それぞれ、上アーム181、下アーム182を流れる電流を増加させられる。
Multiple
複数の第1ダイオード300が1個の第1トランジスタ200に並列に接続されていてもよく、複数の第2ダイオード500が1個の第2トランジスタ400に並列に接続されていてもよい。これらの場合、それぞれ、上アーム181、下アーム182において、電流を還流させやすくなる。
Multiple
また、複数の第1トランジスタ200と複数の第1ダイオード300とが互いに並列に接続されていてもよく、複数の第2トランジスタ400と複数の第2ダイオード500とが互いに並列に接続されていてもよい。
In addition, a plurality of
本開示において、半導体基板として窒化ガリウム基板又は酸化ガリウム基板等が用いられてもよい。 In the present disclosure, a gallium nitride substrate or a gallium oxide substrate may be used as the semiconductor substrate.
第1トランジスタ200と第1ダイオード300との間の絶縁破壊電圧の差は、好ましくは100V以下であり、より好ましくは80V以下であり、更に好ましくは60V以下である。絶縁破壊電圧の差が小さいほど、第1トランジスタ200及び第1ダイオード300の両方にアバランシェ電流が流れやすいためである。
The difference in breakdown voltage between the
同様に、第2トランジスタ400と第2ダイオード500との間の絶縁破壊電圧の差は、好ましくは100V以下であり、より好ましくは80V以下であり、更に好ましくは60V以下である。絶縁破壊電圧の差が小さいほど、第2トランジスタ400及び第2ダイオード500の両方にアバランシェ電流が流れやすいためである。
Similarly, the difference in breakdown voltage between the
第1ダイオード300の絶縁破壊電圧が第1トランジスタ200の絶縁破壊電圧よりも高いことが好ましく、第2ダイオード500の絶縁破壊電圧が第2トランジスタ400の絶縁破壊電圧よりも高いことが好ましい。この場合、第1トランジスタ200の絶縁破壊電圧と第1ダイオード300の絶縁破壊電圧との差を小さくしやすく、第2トランジスタ400の絶縁破壊電圧と第2ダイオード500の絶縁破壊電圧との差を小さくしやすい。
It is preferable that the breakdown voltage of the
第1トランジスタ200の絶縁破壊電圧、第1ダイオード300の絶縁破壊電圧、第2トランジスタ400の絶縁破壊電圧及び第2ダイオード500の絶縁破壊電圧は、好ましくは600V以上であり、より好ましくは700V以上であり、更に好ましくは800V以上である。耐圧の向上により、多くの用途に用いることができる。
The breakdown voltage of the
なお、本開示において、絶縁破壊電圧とは、電流密度が10mA/cm2の電流が逆方向に流れるときの電圧をいう。図13は、破壊特性を示す図である。図13の横軸は逆方向電圧を示し、縦軸は逆方向電流の電流密度を示す。図13に示すように、トランジスタ及びショットキーバリアダイオードでは、逆方向電圧の増加につれて逆方向電流が増加し、逆方向電圧がある値を超えると、逆方向電流が急激に増加する。10mA/cm2の電流密度は、概ね、逆方向電流が急激に増加しているときの電圧に対応する。 In the present disclosure, the breakdown voltage refers to the voltage when a current with a current density of 10 mA/ cm2 flows in the reverse direction. FIG. 13 is a diagram showing breakdown characteristics. The horizontal axis of FIG. 13 indicates the reverse voltage, and the vertical axis indicates the current density of the reverse current. As shown in FIG. 13, in a transistor and a Schottky barrier diode, the reverse current increases as the reverse voltage increases, and when the reverse voltage exceeds a certain value, the reverse current increases rapidly. A current density of 10 mA/cm2 roughly corresponds to the voltage when the reverse current increases rapidly.
第1トランジスタ200において、Y1-Y2方向を長手方向とする第1単位セルが、Y1-Y2方向に複数並んでいてもよい。図14は、第1トランジスタ200の変形例の単位セルを示す図である。この変形例では、Y1-Y2方向を長手方向とする複数の第1単位セル204がY1-Y2方向に並んで配置されている。また、Y1-Y2方向に並ぶ複数の第1単位セル204から構成されるグループがX1-X2方向に複数並んで配置されている。
In the
第2トランジスタ400においても、同様に、Y1-Y2方向を長手方向とする第1単位セルが、Y1-Y2方向に複数並んでいてもよい。
Similarly, in the
また、第1ダイオード300において、X1-X2方向を長手方向とする第2単位セルが、X1-X2方向に複数並んでいてもよい。図15は、第1ダイオード300の変形例の単位セルを示す図である。この変形例では、X1-X2方向を長手方向とする複数の第2単位セル304がX1-X2方向に並んで配置されている。また、X1-X2方向に並ぶ複数の第2単位セル304から構成されるグループがY1-Y2方向に複数並んで配置されている。
In the
第2ダイオード500においても、同様に、X1-X2方向を長手方向とする第2単位セルが、X1-X2方向に複数並んでいてもよい。
Similarly, in the
以上、実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。 Although the embodiments have been described in detail above, the invention is not limited to specific embodiments, and various modifications and variations are possible within the scope of the claims.
100:半導体モジュール
101:P端子
102:N端子
103:O端子
111:第1導電パターン
112:第2導電パターン
113:第3導電パターン
114:導電層
116、117、118、119:接合材
121:放熱板
122:筐体
123:絶縁基板
161、162、171、172:ボンディングワイヤ
181:上アーム
182:下アーム
191、192:側壁部
193、194:端壁部
200:第1トランジスタ
201:活性領域
202:終端領域
203、204:第1単位セル
206:炭化珪素単結晶基板
207:炭化珪素エピタキシャル層
210:炭化珪素基板(第1半導体基板)
210A:主面(第1主面)
210B:主面
211:ドリフト領域
212:ボディ領域
213:ソース領域
214:コンタクト領域
215:電界緩和領域
215A:第1側端面
215B:第2側端面
215C:下端面
216A:第1隅部
216B:第2隅部
217:ゲート絶縁膜
220:ゲートトレンチ
221:側面
222:底面
231:ゲート電極
232:ソース電極
233:ドレイン電極
235:層間絶縁膜
236:コンタクトホール
300:第1ダイオード
301:活性領域
302:終端領域
303、304:第2単位セル
306:炭化珪素単結晶基板
307:炭化珪素エピタキシャル層
310:炭化珪素基板(第2半導体基板)
310A:主面(第2主面)
310B:主面
311:n型領域(第1半導体領域)
315:p型領域(第2半導体領域)
315A:第1側端面
315B:第2側端面
315C:下端面
316A:第1隅部
316B:第2隅部
319:標識
332:アノード電極
333:カソード電極
400:第2トランジスタ
401:活性領域
402:終端領域
403:第1単位セル
406:炭化珪素単結晶基板
407:炭化珪素エピタキシャル層
410:炭化珪素基板(第1半導体基板)
410A:主面(第1主面)
410B:主面
411:ドリフト領域
412:ボディ領域
413:ソース領域
414:コンタクト領域
415:電界緩和領域
415A:第1側端面
415B:第2側端面
415C:下端面
416A:第1隅部
416B:第2隅部
417:ゲート絶縁膜
420:ゲートトレンチ
421:側面
422:底面
431:ゲート電極
432:ソース電極
433:ドレイン電極
435:層間絶縁膜
436:コンタクトホール
500:第2ダイオード
501:活性領域
502:終端領域
503:第2単位セル
506:炭化珪素単結晶基板
507:炭化珪素エピタキシャル層
510:炭化珪素基板(第2半導体基板)
510A:主面(第2主面)
510B:主面
511:n型領域(第1半導体領域)
515:p型領域(第2半導体領域)
515A:第1側端面
515B:第2側端面
515C:下端面
516A:第1隅部
516B:第2隅部
519:標識
532:アノード電極
533:カソード電極
100: Semiconductor module 101: P terminal 102: N terminal 103: O terminal 111: First conductive pattern 112: Second conductive pattern 113: Third conductive pattern 114:
210A: Main surface (first main surface)
210B: Main surface 211: Drift region 212: Body region 213: Source region 214: Contact region 215: Electric
310A: Main surface (second main surface)
310B: Main surface 311: n-type region (first semiconductor region)
315: p-type region (second semiconductor region)
315A: first
410A: Main surface (first main surface)
410B: Main surface 411: Drift region 412: Body region 413: Source region 414: Contact region 415: Electric
510A: Main surface (second main surface)
510B: Main surface 511: n-type region (first semiconductor region)
515: p-type region (second semiconductor region)
515A: first
Claims (12)
前記トランジスタに並列に接続されたショットキーバリアダイオードと、
を有し、
前記トランジスタは、
第1主面と、前記第1主面とは反対の第2主面とを備えた第1半導体基板と、
複数のゲート電極と、
を有し、
前記第1半導体基板は、
第1導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域の上に設けられた第2導電型のボディ領域と、
前記ドリフト領域から隔てられるように前記ボディ領域の上に設けられた前記第1導電型のソース領域と、
前記ボディ領域と接続され、少なくとも一部が前記ドリフト領域に接する、複数の前記第2導電型の電界緩和領域と、
を有し、
前記第1主面に、前記ソース領域および前記ボディ領域を貫通して前記ドリフト領域に至る側面と、前記側面と連なる底面とを備えた複数のゲートトレンチが形成され、
前記ゲート電極の少なくとも一部は前記ゲートトレンチの内部にあり、
前記電界緩和領域は、前記第1主面に垂直な上面視で、隣り合う前記ゲートトレンチの間にあり、
前記ゲート電極および前記電界緩和領域は、前記第1半導体基板の<1-100>に沿った第1方向に延び、
前記電界緩和領域は、第1側端面と、前記第1側端面とは反対の第2側端面と、前記第1側端面および前記第2側端面と連なる第1下端面と、を有し、
前記第1側端面、前記第2側端面および前記第1下端面は前記ドリフト領域に接し、
前記ショットキーバリアダイオードは、
第3主面を備えた第2半導体基板を有し、
前記第2半導体基板は、
前記第3主面を構成する前記第1導電型の第1半導体領域と、
前記第3主面に形成された前記第2導電型の第2半導体領域と、
を有し、
前記第2半導体領域は、前記第2半導体基板の<11-20>に沿った第2方向に延び、
前記第2半導体領域は、第3側端面と、前記第3側端面とは反対の第4側端面と、前記第3側端面および前記第4側端面と連なる第2下端面と、を有し、
前記第3側端面、前記第4側端面および前記第2下端面は前記第1半導体領域に接する半導体装置。 A transistor;
a Schottky barrier diode connected in parallel to the transistor;
having
The transistor is
a first semiconductor substrate having a first major surface and a second major surface opposite the first major surface ;
A plurality of gate electrodes;
having
The first semiconductor substrate is
A drift region of a first conductivity type;
a body region of a second conductivity type provided on the drift region;
a source region of the first conductivity type provided on the body region so as to be separated from the drift region;
a plurality of electric field relaxation regions of the second conductivity type connected to the body region and at least a portion of which contacts the drift region;
having
a plurality of gate trenches are formed in the first main surface, the gate trenches having side surfaces penetrating through the source region and the body region to reach the drift region and bottom surfaces continuous with the side surfaces;
at least a portion of the gate electrode is within the gate trench;
the electric field relaxation region is located between adjacent ones of the gate trenches in a top view perpendicular to the first main surface,
the gate electrode and the electric field relief region extend in a first direction along a <1-100> direction of the first semiconductor substrate;
the electric field relaxation region has a first side end surface, a second side end surface opposite to the first side end surface, and a first lower end surface connected to the first side end surface and the second side end surface,
the first side end surface, the second side end surface, and the first lower end surface are in contact with the drift region;
The Schottky barrier diode is
a second semiconductor substrate having a third major surface;
The second semiconductor substrate is
a first semiconductor region of the first conductivity type constituting the third major surface;
a second semiconductor region of the second conductivity type formed on the third major surface;
having
The second semiconductor region extends in a second direction along a <11-20> direction of the second semiconductor substrate ,
the second semiconductor region has a third side end surface, a fourth side end surface opposite to the third side end surface, and a second lower end surface continuous with the third side end surface and the fourth side end surface,
The third end surface, the fourth end surface, and the second bottom end surface are in contact with the first semiconductor region .
前記第2半導体基板の<11-20>と前記第2方向とのなす角度が第2角度であり、
前記第1角度は10°以下であり、
前記第2角度は10°以下である請求項1に記載の半導体装置。 an angle between a <1-100> plane of the first semiconductor substrate and the first direction is a first angle;
an angle between a <11-20> plane of the second semiconductor substrate and the second direction is a second angle;
the first angle is less than or equal to 10 degrees;
The semiconductor device according to claim 1 , wherein the second angle is equal to or smaller than 10°.
前記トランジスタが前記ショットキーバリアダイオードに複数並列に接続されている請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。 The transistor is provided in a plurality of layers.
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a plurality of the transistors are connected in parallel to the Schottky barrier diode.
前記ショットキーバリアダイオードが前記トランジスタに複数並列に接続されている請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の半導体装置。 The Schottky barrier diode includes a plurality of the Schottky barrier diodes,
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein a plurality of the Schottky barrier diodes are connected in parallel to the transistor.
前記上アームに直列に接続された下アームと、
を有し、
前記上アームは、前記トランジスタと前記ショットキーバリアダイオードとの第1組み合わせを含み、
前記下アームは、前記トランジスタと前記ショットキーバリアダイオードとの第2組み合わせを含む請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置。 An upper arm;
A lower arm connected in series to the upper arm;
having
the upper arm includes a first combination of the transistor and the Schottky barrier diode;
The semiconductor device according to claim 1 , wherein the lower arm includes a second combination of the transistor and the Schottky barrier diode.
前記ショットキーバリアダイオードは、前記第2方向を長手方向とする複数の第2単位セルを有する請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の半導体装置。 the transistor has a plurality of first unit cells whose longitudinal direction is the first direction,
8. The semiconductor device according to claim 1, wherein the Schottky barrier diode includes a plurality of second unit cells each having a longitudinal direction aligned in the second direction.
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