(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐圧構造をもつユニポーラ型の三端子半導体装置である絶縁ゲート電界効果トランジスタのドリフト層にショットキーダイオードを形成し、上記絶縁ゲート電界効果トランジスタのソース電極と上記ショットキーダイオードのショットキー電極を分離して形成し、上記絶縁ゲート電界効果トランジスタは、一対のソース領域を橋渡しするように設けられたゲート電極を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体からなる半導体装置。
【請求項２】
耐圧構造をもつユニポーラ型の三端子半導体装置である接合型電界効果トランジスタのドリフト層にショットキーダイオードを形成し、上記接合型電界効果トランジスタのソース電極と上記ショットキーダイオードのショットキー電極を分離して形成し、上記ショットキー電極をＰ型炭化珪素領域の表面以外の箇所に形成したことを特徴とする炭化珪素半導体からなる半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化珪素半導体材料からなる半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の炭化珪素からなる耐圧構造をもつユニポーラ型の三端子半導体装置は、例えば、IEEE ELECTROＮ DEVICE LETTERS, VOL.18, ＮO.3, 1997, Ｐ93に示すように、ショットキーダイオードを内蔵しないものであった。
一般に、絶縁ゲート電界効果トランジスタ、接合型電界効果トランジスタ、静電誘導トランジスタなどの半導体装置をスイッチング装置として用いる場合、電圧の位相と異なる位相をもつ電流を流すために、これらのスイッチング装置がオフになると導通可能となり、オンになると逆方向にバイアスされるように逆並列ダイオードが配置される。
【０００３】
図７は、耐圧構造をもつユニポーラ型の三端子半導体装置として絶縁ゲート電界効果トランジスタを用いた最も一般的な例であり、これを用いて具体的に説明する。図において、１はＮ型炭化珪素ドリフト層、２はＰ型炭化珪素領域、３はドレイン電極、４はソース電極、５はショットキー電極、６はＮ型炭化珪素領域、７はゲート電極、８はゲート絶縁膜、９はＮ型炭化珪素基板である。図における絶縁ゲート電界効果トランジスタをスイッチング動作させる場合、ソース電極４に対してドレイン電極３が正電位となるとき逆方向にバイアスされ、逆にソース電極４に対してドレイン電極３が負電位となるとき順方向にバイアスされるダイオードを、環流ダイオードとして絶縁ゲート電界効果トランジスタに並列に取り付ける。
【０００４】
このように逆並列ダイオードには、これらのスイッチング装置とは別のダイオードが用いられる場合が考えられるが、他の方法として、これらの半導体装置は構造上、装置内部に上記のように動作するＰＮ接合ダイオードが存在するため、この内蔵ＰＮ接合ダイオードが用いられる場合も考えられる。
図７を用いて説明すれば、Ｐ型炭化珪素領域２とＮ型ドリフト層１により形成されるＰＮ接合ダイオードは、ソース電極４に対してドレイン電極３が正電位となるとき逆方向にバイアスされ、逆にソース電極４に対してドレイン電極３が負電位となるとき順方向にバイアスされるため、環流ダイオードとして用いることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これまでの炭化珪素半導体からなる半導体装置をスイッチング装置として用いる場合、上記のような逆並列ダイオードが用いられていた。しかしながら、スイッチング装置とは別にダイオードを用いる場合には、装置の体積が大きくなること、スイッチング装置と逆並列ダイオードの間の配線により、周波数特性に悪影響をおよぼすインピーダンスが増加することなどの問題があった。
また、内蔵ダイオードを逆並列ダイオードとして用いる場合には、この内蔵ダイオードはＰＮ接合をもつため、順方向に電流を流す際に、炭化硅素半導体のバンドギャップに相当する約３ボルトの電圧降下が生じる。この電圧降下は電力損失を生み、素子温度を上昇させること、また、内蔵ダイオードは逆並列ダイオードとして最適化されていないために、良好な特性が得られないことなどの問題があった。
【０００６】
この発明は、上記の問題点を解消するためになされたもので、装置内にショットキーダイオードを組み込み、該ショットキーダイオードをスイッチング動作時の逆並列ダイオードとして用いる炭化珪素半導体からなる半導体装置を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る炭化珪素半導体からなる半導体装置は、耐圧構造をもつユニポーラ型の三端子半導体装置である絶縁ゲート電界効果トランジスタのドリフト層にショットキーダイオードを形成し、上記絶縁ゲート電界効果トランジスタのソース電極と上記ショットキーダイオードのショットキー電極を分離して形成し、上記絶縁ゲート電界効果トランジスタは、一対のソース領域を橋渡しするように設けられたゲート電極を備えたものである。
【０００８】
また、この発明に係る炭化珪素半導体からなる半導体装置は、耐圧構造をもつユニポーラ型の三端子半導体装置である接合型電界効果トランジスタのドリフト層にショットキーダイオードを形成し、上記接合型電界効果トランジスタのソース電極と上記ショットキーダイオードのショットキー電極を分離して形成し、上記ショットキー電極をＰ型炭化珪素領域の表面以外の箇所に形成したものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における炭化珪素半導体からなる半導体装置を示し、図７に示した従来の絶縁ゲート電界効果トランジスタのドリフト層１にショットキー電極を形成したものである。図において、図７と同一符号は同一箇所を示し、その説明は省略する。新たな符号として、５はドリフト層１に形成したショットキー電極である。
ここで、図におけるショットキー電極５とソース電極４を短絡してみる。Ｎ型ドリフト層１にショットキー電極５を形成して得られるショットキーダイオードの整流特性は、ショットキー電極５に対してＮ型ドリフト層１が正電位となるとき逆方向にバイアスされ、ショットキー電極５に対してＮ型ドリフト層１が負電位となるとき順方向にバイアスされる。この整流特性は上記図７に示した従来の絶縁ゲート電界効果トランジスタにおける環流ダイオードに必要な整流特性と同じものである。
このようにショットキー電極５とＮ型ドリフト層１により形成されるショットキーダイオードを、絶縁ゲート電界効果トランジスタに並列に取り付けられた環流ダイオードとして使用可能であることがわかる。
【００１４】
このショットキーダイオードは、Ｎ型ドリフト層１に対してショットキー電極を形成しさえすれば、必要な特性が得られる。このため、ショットキーダイオードを形成する位置としては様々な位置が可能である。また、Ｎ型ドリフト層１に対して加工を施し、その位置にショットキーダイオードを形成することも可能である。
【００１５】
また、ショットキーダイオードを環流ダイオードとして用た場合は、ショットキーダイオードの特徴より、ショットキー電極に用いる金属を適当に選べば、順方向の電圧降下を１ボルト以下の小さな値にすることができ、電力損失を極めて小さく抑えることができる。
【００１６】
環流ダイオードとしてショットキーダイオードを用い、半導体装置に内蔵させた場合の利点は、半導体装置とは別に環流ダイオードを用いた場合に比べ、装置の小型化が可能であること、コストの削減が可能であること、また、配線などによる不必要なインピーダンスが減ることによって、スイッチング周波数を上げることが可能であり、また、意図しない回路の発振や、電磁波ノイズを抑制できることなどにある。
【００１７】
実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２に係る、上記実施の形態１とは異なる縦型絶縁ゲート電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。本実施の形態２では、本発明の特徴であるショットキー電極５を、二つのＰ型領域２に挟まれたＮ型ドリフト層１の表面に形成している。ショットキー電極５の端部をＰ型炭化珪素領域２上に重ねることにより、ショットキーダイオードにおいて漏れ電流、あるいは絶縁破壊が生じる電極周辺部を保護することができる。
また、ショットキー電極５をソース電極４に重ねて電気的に接続することにより、ソース電極とショットキーダイオードの間の不用なインピーダンスを低減することができ、ソース電極の抵抗を低減することも可能である。
【００１８】
実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３に係る、上記実施の形態１，２とは異なる縦型絶縁ゲート電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。実施の形態２におけるショットキー電極５を二つのＰ型領域２にはさまれたＮ型ドリフト層１の表面に形成するかわりに、二つのゲート絶縁膜８の間にショットキー電極５を形成し、ショットキーダイオードを内蔵したものである。
以上のような構成とすることにより、一つのＰ型領域２に対して二ケ所のチャネルを形成することができるため、オン時の抵抗を低減することができる。また、逆バイアス時にショットキー電極５から伸びる空乏層により、ゲート絶縁膜に加わる電界の強度を低減することも可能であり、ゲート絶縁膜を絶縁破壊から保護することもできる。
【００１９】
実施の形態４．
図４は、この発明の実施の形態４に係る、上記実施の形態１〜３とは異なる縦型絶縁ゲート電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。実施の形態２におけるＮ型ドリフト層１の表面にＰ型炭化珪素領域１０を形成し、その表面にショットキー電極５を形成し、ショットキーダイオードを内蔵したものである。
ここに示した構造のショットキーダイオードは、接合障壁ショットキーダイオード、あるいはマージドピンショットキーダイオードと一般に呼ばれており、ショットキーダイオードに比べ逆方向バイアス時の漏れ電流が小さく、順バイアス時の抵抗値が小さいことが知られている。
この発明による半導体装置においては、内蔵ショットキーダイオードを、接合障壁ショットキーダイオード、あるいはマージドピンショットキーダイオードとすることは構造上、デバイス作製が容易である。
【００２０】
なお、上記実施の形態１〜４では、ゲート絶縁膜下のチャネルを炭化珪素基板面に対して平行方向に形成しているが、トレンチ型の絶縁ゲート電界効果トランジスタに対しても、トレンチ側壁あるいはトレンチ底部など、ショットキーダイオードを形成することができる。
【００２１】
実施の形態５．
図５は、この発明の実施の形態５に係る、上記実施の形態１〜４とは異なる接合型電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。本実施の形態５に係る接合型電界効果トランジスタは、ショットキーダイオードを内蔵させた一例であり、Ｎ型ドリフト層１に対し、ショットキー電極５を形成すれば、逆並列に接続された環流ダイオードとして動作させることができる。
【００２２】
実施の形態６．
図６は、この発明の実施の形態６に係る、上記実施の形態１〜５とは異なる静電誘導トランジスタの構成を示す断面図である。本実施の形態６に係る静電誘導トランジスタは、ショットキーダイオードを内蔵させた一例であり、Ｎ型ドリフト層１に対し、ショットキー電極５を形成すれば、逆並列に接続された環流ダイオードとして動作させることができる。
【００２３】
以上のように、実施の形態１〜６のドリフト層はいずれもＮ型層であったが、Ｐ型のドリフト層をもつ、耐圧構造をもったユニポーラ型の三端子半導体装置に対しても、ショットキー電極を形成する金属を適当に選べば、逆並列に接続されたショットキーダイオードを内蔵した半導体装置を得ることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、耐圧構造をもつユニポーラ型の三端子半導体装置のドリフト層に電力損失が小さく、高い周波数で動作するショットキーダイオードを形成したので、装置の小型化、低コスト化、高周波数化、低ノイズ化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施の形態１における縦型絶縁ゲート電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。
【図２】  本実施の形態２における縦型絶縁ゲート電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。
【図３】  本実施の形態３における縦型絶縁ゲート電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。
【図４】  本実施の形態４における縦型絶縁ゲート電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。
【図５】  本実施の形態５における接合型電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。
【図６】  本実施の形態６における静電誘導トランジスタの構成を示す断面図である。
【図７】  従来の絶縁ゲート電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１  Ｎ型炭化珪素ドリフト層、２  Ｐ型炭化珪素領域、３  ドレイン電極、４ソース電極、５  ショットキー電極、６  Ｎ型炭化珪素領域、７  ゲート電極、８  ゲート絶縁膜、９  Ｎ型炭化珪素基板、１０  Ｐ型炭化珪素領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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