本发明专利技术提供一种半导体元件，其可以经由沟道层而进行晶体管动作与二极管动作。在以源极电极(150)的电位为基准的栅极电极(165)的电位Vgs是0伏特时，借助体区域(130)的一部分与沟道层(150)之间的pn结，在沟道层(150)的至少一部分形成在整个厚度方向上被耗尽化的厚度为Dc的耗尽层，并且在体区域(130)的一部分形成距离pn结的接合面的厚度为Db的耗尽层。在将宽带隙半导体的介电常数设为εs，将绝缘膜(160)的介电常数及厚度分别设为εi及Di，将Dc与Db之和设为Ds，将二极管的启动电压的绝对值设为Vf0时，满足Ds＜Di·εs/(εi(2/Vf0-1))。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及半导体元件。尤其涉及用于高耐压、大电流的宽带隙半导体元件(功率半导体器件)。
技术介绍
根据现有的功率电子技术，在电压变换电路等中在进行高耐压/大电流控制时，一般而言使用Si半导体元件。尤其是，作为被用作电压变换电路的开关的Si晶体管，采用可控制高耐压/大电流、且导通(ON)电阻小的IGBT(绝缘栅型双极性晶体管)。也可以说在600V以上的耐压、IOA以上的电流的控制中必须采用具有纵型结构的Si-IGBT。在该纵型Si-IGBT的元件结构中，包含对电流进行0N/0FF切换的栅极在内的元件的上面的结构与作为绝缘栅极的金属-绝缘体-半导体场效应晶体管 (MISFET =Metal-Insulator-Miconductor FET)的栅极沟道部分相同，通常作成与纵型的 DIMISFET(双注入(double-implant)MISFET)结构同等的结构。图7(a)的剖视图示出Si半导体元件(Si-IGBT或者MISFET) 1100的构成。半导体元件1100由硅(Si)半导体构成，在为IGBT的情况下具有在P型的Si基板110 (MISFET的情况下为n+Si基板)之上层叠了 η—漂移层120的结构。如图7(b)的俯视图所示，在η—漂移层120的上部的一部分形成有ρ体区域130，在从与基板的主面垂直的上方向看到的ρ体区域130的俯视图中成为内部的区域的上部形成有ρ体接触区域132与η+源极区域140。在ρ体接触区域132及η+源极区域140之上形成有源极电极145。在ρ体区域 130的表面具有沟道区域151，进而在沟道区域151之上形成有栅极绝缘膜160及栅极电极 165。在从与基板的主面垂直的上方向看到的俯视图中，存在漂移层120的表面未形成ρ体区域130的η区域。将漂移层120中的夹持ρ体区域130的部分称为JFET区域121。进而，在Si基板110的背面形成有漏极电极170。另外，在为IGBT的情况下，源极电极145、 漏极电极170分别成为发射极电极、集电极电极。切换动作指的是在按照漏极电极170成为正侧的电位、源极电极145成为负侧的电位的方式施加DC电压的情况下，根据被施加在源极电极145-栅极电极165之间的电压可以对电流进行0N/0FF。沟道区域151按照栅极电极165侧成为正的方式在源极电极 145-栅极电极165之间施加了阈值电压以上的电压的情况下被耗尽化，进而成为反转区域。此时，经由沟道区域151，电子能够从源极区域140向JFET区域121移动，由此流过电流。在源极电极145-栅极电极165之间未施加电压的情况下(提供OV的栅极电位的情况下)，P体区域130的表面并不是电子能够移动的状态。因此，源极区域140与JFET区域 121之间不会有电流流动，作为晶体管而为截止(OFF)状态。在栅极电位为OV的情况下将晶体管为截止的状态称为“常截止(normally-off) ”，作为要求在不经意的情况下绝对不会有电流流动的安全动作的高耐压的功率器件而言，是被强烈要求的特性。在此，考虑流过大电流的情况，图7(c)所示，有时附加沟道层150。通过向ρ体区域130与栅极绝缘膜160的界面导入n_沟道层150，从而可以降低伴随于电子移动的电阻4(导通电阻)。基于该η—沟道层150的导入而引起的导通电阻降低和所述常截止动作存在权衡(trade-off)的关系，故要求严格的沟道层的设计。如上所述，切换动作是对漏极电极170施加正侧的DC电压、对源极电极145施加负侧的DC电压时的动作。在施加了相反的DC电压(对漏极电极170施加负的DC电压，对源极电极145施加正的DC电压)时，MISFET进行二极管动作。该状况是由以下原因导致的通过MISFET1100的ρ体区域130与η—漂移层120之间的ρη结而形成体二极管180。也就是说，源极电极145因为经由ρ体接触区域132而与ρ体区域130进行欧姆接合，所以若施加相反的DC电压(对漏极电极170施加负的电压，对源极电极145施加正的电压)，则在源极电极145与漏极电极170之间流过体二极管180的ρη结的正向电流。也就是说，在对漏极电极170施加了正的电压、对源极电极145施加了负的电压的情况下，纵型的MISFET1100作为由栅极电极165的电位控制的开关而动作，在对漏极电极170施加了负的电压、对源极电极145施加了正的电压的情况下，纵型的MISFET1100作为二极管而动作。在流过二极管的正向电流的情况下，产生Si半导体的内部(built-in)电压(约IV)以上的电压。在将根据直流电压而输出交流电流的称为逆变器的电力变换电路中，例如在为与电动机的绕组等的具备电感分量的L负载(感应负载)对应的输出的情况下，有时施加与开关动作时相反的电压，还有时流过上述体二极管的正向电流。再有，在Si半导体中，利用图7(c)的纵型的MISFET的结构，专利技术了可以进行二极管动作的伪肖特基二极管(Pseudo-khottky Diode)(专利文献1)。虽然该元件进行与对漏极电极170施加了负的电压、对源极电极145施加了正的电压时的二极管动作同等的动作，但是被设计为电流主要流过沟道层150而非体二极管180。关于沿着与晶体管动作时流过的电流的方向相反的方向而在沟道层150中流过的电流，在按照漏极电极170成为负、源极电极145成为正的方式施加了电压的情况下，即使为Si半导体的内部电压(约IV)以下的电压，电流也可以开始流动，可以设计为电流不通过体二极管。在上述的纵型MISFET或伪肖特基二极管中，沟道层的设计也与MOS界面的设计相关联，原理复杂，是基于庞大的实际测量数据而得到的经验进行的设计。以往，采用厚度为0. Iym以上、浓度为η型且为2 X IO17CnT3以下的沟道层。再有，作为相关联技术，专利文献2中公开了利用Si的MOS型二极管，专利文献3中公开了利用SiC的MOS型晶体管。现有技术文献专利文献专利文献1 美国专利第5818084号说明书专利文献2 日本特开2009-065185号公报专利文献3 日本特表2010-509771号公报
技术实现思路
专利技术要解决的技术问题如上所述，若将用于高耐压、大电流的Si半导体元件(功率器件)的MISFET、IGBT作为切换元件来使用，并制作逆变器等的电力变换电路，则例如在为与电动机的绕组等的L负载对应的输出的情况下，需要与上述切换元件并联地附加二极管。这是因为在切换电路中，需要在被施加了与原来的切换动作时相反的极性的电压的状态下流过电流。在此，具有 600V以上的耐压的二极管因为通常的肖特基二极管的耐压较低而需要利用pn结二极管。 在Pn 二极管中流过电流的期间内，少数载流子从pn结向二极管的η—漂移层注入。若在该二极管动作之后立刻施加反向偏置的电压，则因为长寿命的少数载流子的关系，所以恢复时间变长，产生大的恢复电流，涉及到损耗增大，成为技术问题了。为了缩短少数载流子的寿命，虽然可以进行由粒子线照射等的结晶缺陷导入而引起的重新结合的促进，但是并未达到解决技术问题的程度，即并未达到使恢复时间足够小且损耗不会成为问题的程度。再有，在电流少的情况下，若取代现有的pn结二极管而采用上述的伪肖特基二极管，则因本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：北畠真，内田正雄，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：
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