(57)【要約】【課題】Ｓｉ−ＦＲＤでは、蓄えられた電荷量Ｑｒｒを放出するまでの時間である逆回復時間ｔｒｒが長い問題があり、これを解消するには順方向電圧ＶＦが高くなる問題がある。Ｓｉ−ＳＢＤはデバイス自身の特性として、逆回復時間が短いが、高い降伏電圧のデバイスを実現するには、順方向電圧ＶＦが非常に大きくなってしまう。つまり、Ｓｉ−ＦＲＤ、Ｓｉ−ＳＢＤいずれも、ＶＦ−ｔｒｒ特性は、トレードオフの関係にある。これに対し、ＳｉＣ−ＳＢＤは、順方向電圧ＶＦが低く、逆回復時間ｔｒｒも短いため、ＶＦ−ｔｒｒ特性を改善できる。しかし、ＳｉＣ−ＳＢＤの価格は非常に高価である。【解決手段】  Ｓｉ−ＦＲＤのアノードとＳｉ−ＳＢＤのカソードを直列接続した半導体装置を提供する。Ｓｉ−ＳＢＤのジャンクション容量に蓄積可能な電荷量はＳｉ−ＦＲＤが逆回復時に発生する電荷量と同等以上であり、Ｓｉ−ＳＢＤはＳ−ＦＲＤより降伏電圧を低くする。【選択図】    図１
2011003760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐｎ接合ダイオードと、
ショットキーバリアダイオードを備え、
前記ｐｎ接合ダイオードのアノードと前記ショットキーバリアダイオードのカソードを直列接続したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ショットキーバリアダイオードのジャンクション容量に蓄積可能な電荷量は前記ｐｎ接合ダイオードが逆回復時に発生する電荷量と同等以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ショットキーバリアダイオードは前記ｐｎ接合ダイオードより降伏電圧が低いことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ｐｎ接合ダイオードおよび前記ショットキーバリアダイオードはシリコン半導体基板に形成されることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関し、特に逆回復時間および順方向電圧の低減を実現する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン半導体基板を用いて、スイッチングタイムを高速化したｐｎ接合ダイオードとして、Fast  Recovery  Diode：ＦＲＤ（以下Ｓｉ−ＦＲＤ）が知られている。（例えば特許文献１参照。）
また、シリコン半導体基板を用いたショットキーバリアダイオード（Schottky  Barrier  Diode：ＳＢＤ、以下Ｓｉ−ＳＢＤ）はデバイス自身の特性として、逆回復時間が短いことが知られている。
【０００３】
さらに、次世代デバイスとして、炭化ケイ素基板を用いたＳＢＤ（以下。ＳｉＣ−ＳＢＤ）が市場に投入されつつある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３３５６７９号公報（第２０頁、第３９図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図６は、Ｓｉ−ＦＲＤとＳｉＣ−ＳＢＤのＩＦ＝１０Ａでの、順方向電圧ＶＦ−逆回復時間ｔｒｒ特性を示す図である。
【０００６】
Ｓｉ−ＦＲＤでは、順方向から逆方向へのターンオフ時にデバイス中に蓄積された電荷量Ｑｒｒを放出するまでの時間である逆回復時間ｔｒｒを短くする必要があるが、逆回復時間ｔｒｒを短縮すると順方向電圧ＶＦが大きくなる問題がある（図６の点線（トレードオフライン）参照）。
【０００７】
つまり、順方向電圧ＶＦと逆回復時間ｔｒｒの特性（以下、ＶＦ−ｔｒｒ特性）は、図６の如くトレードオフの関係にあり、用途に応じて、いずれかの特性を犠牲にしているのが現状である。また、Ｓｉ−ＳＢＤ逆回復時間ｔｒｒが短いものの、Ｓｉ−ＳＢＤで例えば６００Ｖの降伏電圧のデバイスを実現するには、順方向電圧ＶＦが非常に大きくなってしまうため、Ｓｉ−ＦＲＤと同様の問題が生ずる。
【０００８】
これに対しＳｉＣ−ＳＢＤは、順方向電圧ＶＦが低く、逆回復時間ｔｒｒも短いため、ＶＦ−ｔｒｒ特性を改善できる。しかし、完成したウエハでのＳｉ−ＦＲＤと比較して価格が２０倍以上にもなり非常に高価である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされ、ｐｎ接合ダイオードと、ショットキーバリアダイオードを備え、前記ｐｎ接合ダイオードのアノードと前記ショットキーバリアダイオードのカソードを直列接続することにより解決するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本実施形態によれば、シリコン半導体基板を用いたデバイスでＶＦ−ｔｒｒ特性を改善できる。すなわち、ＦＲＤと、ＦＲＤで逆回復時に発生する電荷量と同等以上の電荷を蓄積できるジャンクション容量を有するＳＢＤを直列接続し、ＦＲＤの逆回復時に発生した電荷量をＳＢＤで吸収させることにより逆回復時間ｔｒｒの高速化を実現できる。
【００１１】
ＦＲＤとＳＢＤを直列接続することによって半導体装置全体の順方向電圧ＶＦは、ＦＲＤの順方向電圧ＶＦＲＤとＳＢＤの順方向電圧ＶＳＢＤの合算となるが、チップサイズを大きくすることでＳｉＣ−ＳＢＤの順方向電圧と同等にできる。チップサイズを大きくしても、同等の順方向電圧特性を有するＳｉＣ−ＳＢＤと比較して安価に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の半導体装置を説明するための回路図である。
【図２】本発明の半導体装置に必要な条件式である。
【図３】本発明の半導体装置を説明するための特性図である。
【図４】本発明の半導体装置と従来技術を比較するための特性図である。
【図５】本発明の半導体装置を説明する概略図である。
【図６】従来技術を説明するための特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施の形態を図１から図５を用いて詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態の半導体装置１０の回路図である。半導体装置１０は、ｐｎ接合ダイオード１１と、ショットキーバリアダイオード１２を有する。
【００１５】
ｐｎ接合ダイオード１１は、例えばｎ型シリコン半導体層表面にｐ型不純物領域を設けた、ｐｎ接合ダイオードである。より詳細には、逆回復時間が早いＦＲＤであり、降伏電圧は一例として４００Ｖである。ショットキーバリアダイオード１２は、例えばＦＲＤ１１と同導電型の、ｎ型シリコン半導体層表面に金属層（例えばＴｉ）を設け、これらをショットキー接合したＳＢＤである。ＳＢＤ１２の降伏電圧はＦＲＤ１１より低く、一例として４０Ｖ程度である。半導体装置１０は、ＦＲＤ１１のアノードＡとＳＢＤ１２のカソードＣＡを直列に接続したものである。
【００１６】
図２は、逆回復期間におけるＦＲＤ１１とＳＢＤ１２の電荷量の関係を示す式であり、本実施形態の半導体装置１０は、この条件を満たすものである。ＳＢＤ１２は、逆方向電圧印加時に所定のジャンクション容量ＣＳＢＤが寄生するが、そのジャンクション容量ＣＳＢＤに蓄積可能な電荷量は、ＦＲＤ１１が逆回復時に発生する電荷量と同等以上とする。
【００１７】
ｄＶ／ｄｔは、ＳＢＤ１２の逆方向電圧印加時に空乏層が広がり始めてから空乏層が広がりきるまでの、逆回復時間ｔｒｒにおける電圧変化率である。ｔｒｒ＿ｓはＳＢＤ１２の逆回復時間ｔｒｒである。Ｑｒｒ,ＦＲＤは、ＦＲＤ１１の逆回復時に発生する電荷量である。
【００１８】
図３は、本実施形態の半導体装置１０を説明するための、概要図である。図３は、半導体装置１０がオンからオフに切り替わる期間の、半導体装置１０の電流Ｉ変化（破線）と、電圧Ｖ変化（実線）を示す図である。
【００１９】
半導体装置１０は、図３においてｔ＝０でオン（順方向電圧印加）からオフ（逆方向電圧印加）に切り替える。ＳＢＤ１２のショットキー接合領域では、電子のみの移動でホールの移動がないためわずかな時間で空乏層が広がり始める。ただし、周辺にたとえばｐ型不純物を拡散したガードリングを有する場合には、順方向電圧印加時に基板に注入された少数キャリア（ホール）を引き抜いた後に、空乏層が広がり始める。
【００２０】
つまり、図３において、ＳＢＤ１２の逆回復期間ｔｒｒ＿ｓはｔ＝Ｔ０からｔ＝Ｔ２までの期間であるが、ＳＢＤ１２に逆方向電圧が印加されて半導体基板に空乏層が広がり始める時間はｔ＝Ｔ１からとなる。後に詳述するが、本実施形態では、ＳＢＤ１２の逆回復時間ｔｒｒ＿ｓが半導体装置１０の逆回復時間ｔｒｒとなるので、図３においては、ＳＢＤ１２の逆回復期間ｔｒｒ＿ｓを逆回復時間ｔｒｒとして示している。
【００２１】
この場合において、逆回復期間ｔｒｒ＿ｓにおける時間ｔ＝Ｔ１から空乏層が広がり切るまでの時間ｔ＝Ｔ２までの電圧変化率がｄＶ／ｄｔである。
【００２２】
逆回復期間中、空乏層は時間ごとに変化する。つまり図２の式に示した、ＳＢＤ１２のジャンクション容量ＣＳＢＤは、より詳細には、ＳＢＤ１２の逆回復期間に印加される電圧によって、広がり始めから広がりきるまで経時的に変化する空乏層によるＳＢＤ１２のジャンクション容量であり、電圧の関数となる。
【００２３】
再び図２を参照して、本実施形態の条件式の左辺は、上記のジャンクション容量ＣＳＢＤと電圧変化率ｄＶ／ｄｔと逆回復時間ｔｒｒ＿ｓの積であり、これは、ＳＢＤ１２が単体で吸収できる電荷量である。そしてこの電荷量を、ＦＲＤ単体の逆回復時に発生する電荷量Ｑｒｒ，ＦＲＤ（右辺）より大きくする。さらに、降伏電圧の低い（例えば４０Ｖ）ＳＢＤ１２のカソードＣＡを、降伏電圧の高い（例えば４００Ｖ）ＦＲＤ１１のアノードＡに直列に接続することにより、ＦＲＤ１１で発生した電荷Ｑｒｒ，ＦＲＤを直ちにＳＢＤ１２で吸収できる。ＳＢＤ１２で吸収することにより、半導体装置１０としての逆回復時間ｔｒｒはＳＢＤ１２で発生する逆回復時間ｔｒｒ＿ｓのみとなるため、逆回復時間ｔｒｒを低減できる。
【００２４】
半導体装置１０に印加される電圧を順方向電圧から逆方向電圧に切り替えると、逆方向電圧はまず、ＳＢＤ１２の両端に印加される。これによりＳＢＤ１２の内部で蓄えられていた電荷Ｑｒｒ，ＳＢＤが放出され、半導体基板に放出された少数キャリア（ホール）がある場合にはそれを引き抜いた後に、空乏層が広がり始める。ＳＢＤ１２のアノード側の測定ポイントでは、ＳＢＤ１２の逆回復時間ｔｒｒ＿ｓが、半導体装置１０の逆回復時間ｔｒｒとして測定される。ＳＢＤ１２は降伏電圧（たとえば４０Ｖ：図３参照）まで空乏層が広がり続ける。
【００２５】
ＳＢＤ１２の降伏電圧を超えると、ＳＢＤ１２は最大限に広がった空乏層を保持したままブレークダウンし、ＳＢＤ１２の降伏電圧を超えた逆方向電圧は、ＦＲＤ１１のみに印加される。
【００２６】
ＦＲＤ１１は逆方向電圧が印加されると、電荷Ｑｒｒ，ＦＲＤを放出し始めるが、その電荷Ｑｒｒ，ＦＲＤはＳＢＤ１２内に広がる空乏層のジャンクション容量に吸収される。本実施形態では、このようにしてＦＲＤ１１で発生した電荷Ｑｒｒ，ＦＲＤが全てＳＢＤ１２のジャンクション容量で吸収できるため、ＳＢＤ１２のアノード側において、半導体装置１０の逆方向電流として測定されることはない。
【００２７】
つまり既述のごとく、半導体装置１０としての逆回復時間ｔｒｒは、ＳＢＤ１２の逆回復時間ｔｒｒ＿ｓとなり、従来より短縮できる。又、半導体装置１０の降伏電圧は、ＦＲＤ１１とＳＢＤ１２の降伏電圧（例えば４００Ｖ＋４０Ｖ：図３参照）を確保できる。
【００２８】
図４は、本実施形態の半導体装置（ＳＢＤ＋ＦＲＤ）１０と、ＳｉＣ−ＳＢＤの特性を比較した結果を示す。ＳｉＣ−ＳＢＤは破線で示し、本実施形態の半導体装置１０を実線で示した。図４（Ａ）は、順方向Ｉ−Ｖ特性を示し、縦軸が順方向電流ＩＦであり、横軸が順方向電圧ＶＦである。
【００２９】
図４（Ｂ）は、順方向電圧ＶＦと逆回復時間ｔｒｒの関係を示し、縦軸が逆回復時間ｔｒｒであり横軸が順方向電圧ＶＦである。逆回復時間の測定条件は、順方向電流ＩＦ＝１０Ａ、ｄＩ／ｄｔ（時間に対する電流の変化率）＝１００Ａ／μｓ、逆方向電圧ＶＲ＝４００Ｖである。
【００３０】
図４（Ｃ）は、順方向電流ＩＦ＝１０Ａにおける順方向電圧ＶＦと、逆回復時間ｔｒｒ、逆回復電流Ｉｒｒ、電荷量Ｑｒｒを比較したものであり、逆回復時間の測定条件は、順方向電流ＩＦ＝１０Ａ、ｄＩ／ｄｔ＝１００Ａ／μｓ、逆方向電圧ＶＲ＝４００Ｖである。
【００３１】
これらより、順方向電圧ＶＦ＝１．５４Ｖ、順方向電流ＩＦ＝１０Ａの場合、ＳｉＣの逆回復時間ｔｒｒは２４ｎｓである。これに対し本実施形態の半導体装置（ＳＢＤ＋ＦＲＤ）１０は、順方向電圧ＶＦが２．９Ｖと高めであるが、逆回復電流Ｉｒｒ、電荷量ＱｒｒはＳｉＣと同程度となり、逆回復時間ｔｒｒも３１ｎｓまで低減している。
【００３２】
しかしながら、図４（Ａ）においてＶＦ＝１．５Ｖのとき、半導体装置（ＳＢＤ＋ＦＲＤ）１０は、ＩＦ＝２Ａで、ＳｉＣのＩＦ＝１０Ａの１／５となっている。
【００３３】
本実施形態の半導体装置１０は、ＦＲＤ１１とＳＢＤ１２の直列接続によって、順方向特性（順方向電圧）では、ＦＲＤ１１の順方向電圧ＶＦ，ＦＲＤとＳＢＤ１２の順方向電圧ＶＦ，ＳＢＤの合算となり、このままでは半導体装置１０全体として順方向電圧ＶＦが増加する。しかしこれは、ＦＲＤ１１およびＳＢＤ１２の動作面積を拡大すれば改善でき、例えば上記の結果から検討すると、現状の５倍にすると、ＳｉＣと同等になると考えられる。
【００３４】
半導体装置１０の動作面積（チップサイズ）を現状の５倍に拡大しても、完成したウエハで比較した場合、ＳｉＣより安価である。
【００３５】
図５は、本実施形態の半導体装置１０の構造を示す概略図である。例えば、表面がアノードＡ、裏面がカソードＣＡのＦＲＤ１１の半導体チップ上にＳＢＤ１２を固着する。ＳＢＤ１２は裏面がカソードＣＡであり、表面がアノードＡであり、ＳＢＤ１２のカソードＣＡと、ＦＲＤ１１のアノードＡが電気的に接続される。
【００３６】
以上、本実施形態では、シリコン半導体基板にＦＲＤ１１とＳＢＤ１２を形成した場合を例に説明したが、炭化珪素（ＳｉＣ）半導体基板であっても同様に実施でき、同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００３７】
１０    半導体装置
１１    ＦＲＤ
１２    ＳＢＤ
【図１】
2011003760.tif 000003
【図２】
2011003760.tif 000004
【図３】
2011003760.tif 000005
【図４】
2011003760.tif 000006
【図５】
2011003760.tif 000007
【図６】
2011003760.tif 000008