JP2004253510A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】リーク電流の増加を抑制できる高耐圧な半導体装置を提供する。
【解決手段】N−型SiCエピタキシャル層2と、N−型SiCエピタキシャル層2とはバンドギャップの異なるN−型ポリシリコン層3とによって形成される第一の接合(ヘテロ接合)と、N−型ポリシリコン層3とショットキー電極4とによって形成される第二の接合(ショットキー接合)とを有し、且つN−型ポリシリコン層3の厚さが、少なくとも第一の接合からN−型ポリシリコン層3へビルトイン電界が及ぶ距離と、第二の接合からN−型ポリシリコン層3へビルトイン電界が及ぶ距離との和より小さくなるように形成された薄膜半導体領域を有する。
【選択図】 図1A high breakdown voltage semiconductor device capable of suppressing an increase in leakage current is provided.
-Type SiC epitaxial layer 2, N - - A N type SiC different band gap epitaxial layer 2 N - first junction formed by the polysilicon layer 3 and the (heterozygous), N - A second junction (Schottky junction) formed by the type polysilicon layer 3 and the Schottky electrode 4, and the thickness of the N − type polysilicon layer 3 is at least N − from the first junction. And a thin-film semiconductor region formed so as to be smaller than the sum of the distance over which the built-in electric field reaches the n - type polysilicon layer 3 from the second junction.
[Selection diagram] Fig. 1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイオードやスイッチ素子等の半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
【非特許文献】「パワーデバイス・パワーICハンドブック 電気学会 高性能高機能パワーデバイス・パワーIC調査専門委員会 編 コロナ社 p.12〜21」。
【0003】
従来の炭化珪素を用いた高耐圧のダイオードを得るための接合としては、上記非特許文献に記載されるPN接合と、ショットキー接合とがある。上記非特許文献では、これらの接合はシリコンを基本に記述してあるが、炭化珪素においても広く適用されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
PN接合を炭化珪素へ適用し、高耐圧を得るためには、深い拡散層を形成する必要があり、そのためにイオン注入による不純物導入が欠かせない。イオン注入を行うと炭化珪素に結晶欠陥が導入されるため、リーク電流が増加するという問題があった。
本発明の目的は、上記課題を解決し、リーク電流の増加を抑制できる高耐圧な半導体装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、第一の半導体材料層と、それとはバンドギャップの異なる第二の半導体材料層によって形成される第一の接合を有し、第二の半導体材料層の厚さが、第一の接合から第二の半導体材料層へビルトイン電界が及ぶ距離より小さくなるように形成された薄膜半導体領域を有するという構成になっている。
【0006】
【発明の効果】
本発明によれば、リーク電流の増加を抑制できる高耐圧な半導体装置を提供することができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
実施の形態1
まず、本発明の実施の形態1について、図1、及び図2に従って説明する。
図1は、本発明の実施の形態1による炭化珪素半導体装置の断面図である。
図1において、N+型のSiC基板1の上に、N−型のSiCエピタキシャル層2を形成することにより、第一導電型であるN型の炭化珪素半導体基体が形成されている。すなわち、炭化珪素半導体基体がSiC基板1とSiCエピタキシャル層2とから構成されている。この炭化珪素半導体基体上、第一主面側すなわちSiCエピタキシャル層2側に、炭化珪素半導体基体とはバンドギャップの異なる第一導電型の半導体材料層として、N−型の多結晶シリコン(以下、ポリシリコンと呼ぶ)からなるN−型ポリシリコン層3が形成され、SiCエピタキシャル層2とN−型ポリシリコン層3との間に第一の接合(以下、へテロ接合と呼ぶ)が形成されている。N−型ポリシリコン層3の上面には、導電体として、ポリシリコンとショットキー接触する金属からなるショットキー電極4が形成され、N−型ポリシリコン層3とショットキー電極4との間に第二の接合(以下、ショットキー接合と呼ぶ)が形成されている。図1から判るように、ヘテロ接合とショットキー接合は、半導体層であるN−型ポリシリコン層3を介して対向するように配置されている。なお、ショットキー電極4は、アノード電極30としての機能も兼ねている。SiC基板1の裏面には、カソード電極31が金属等の導体材料によって形成されている。
【0008】
以下に実施の形態1における炭化珪素半導体装置の具体的な構造、及び動作について、図1中のa点からb点におけるエネルギーバンド構造を用いて説明する。
図2(A)は熱平衡状態、すなわちショットキー電極4、カソード電極31のいずれも接地とした状態におけるエネルギーバンド構造を示している。なお、図2(A)は、N−型ポリシリコン層3の厚さが、ヘテロ接合からN−型ポリシリコン層3へビルトイン電界が及ぶ距離(以下、Xhと呼ぶ)とショットキー接合からN−型ポリシリコン層3へビルトイン電界が及ぶ距離(以下、Xsと呼ぶ)との和(Xh+Xs)より厚い場合におけるエネルギーバンド構造を示している。
SiC及びポリシリコンの電子親和力χSiC、χPoly、ショットキー金属の仕事関数φの差により、熱平衡状態下にあるヘテロ接合界面におけるN−型ポリシリコン層3側には蓄積層、ショットキー接合界面におけるN−型ポリシリコン層3側には空乏層が形成され、ヘテロ接合界面には障壁φh50、ショットキー接合界面には障壁φbn51が形成されている。
また、実施の形態1における構造の場合、ヘテロ接合が形成するダイオードとショットキー接合が形成するダイオードが、同じ極方向で、かつ直列に接続された状態になる。このため、ショットキー電極4に然るべき電圧を印加し、カソード電極31を接地の状態にすると、電子がカソード電極31からSiC基板1、SiCエピタキシャル層2、N−型ポリシリコン層3を経て、ショットキー電極4へと流れる。つまり、ダイオードの順方向特性を示す。
次に、ショットキー電極4を接地、カソード電極31に高電圧を印加した状態、すなわち逆方向電圧印加時の場合、エネルギーバンド構造は図2(B)のように変化する。この際、ヘテロ接合界面に生じた障壁φh50により電子80は遮られ、遮断状態を保持する。また、ヘテロ接合界面に蓄積された電子80によって、電界がシールドされるため、SiCエピタキシャル層2と比較して、N−型ポリシリコン層3には電界が殆ど及ばない。つまり、N−型ポリシリコン層3の電位はショットキー電極4の電位と限りなく等しくなり、接地に近い状態になる。そのため、N−型ポリシリコン層3とショットキー電極4のエネルギーバンド構造は、図2(A)の熱平衡状態と殆ど変わらない。よって、本素子に対して逆方向に高い電圧が印加されても、N−型ポリシリコン層3はブレークダウンを起こさずに遮断状態を保持する。なお、この遮断状態において、蓄積された電子80の一部が、ヘテロ接合界面に生じた障壁φh50をトンネリングする、あるいは乗り越えることで、N−型ポリシリコン層3からSiCエピタキシャル層2へと移動しようとするが、ショットキー接合におけるφbn51により、ショットキー電極4からN−型ポリシリコン層3への電子の供給が遮られるため、ヘテロ接合によるダイオードは擬似的に開放状態になり、N−型ポリシリコン層3からSiCエピタキシャル層2へは殆ど電子が流れない。なお、前述のように、逆方向に高電圧が印加された状態でも、N−型ポリシリコン層3には電界が殆ど及ばないため、所定のショットキー接合によるダイオードの耐圧でも充分に高い耐圧を得ることができる。
ここで、N−型ポリシリコン層3の厚さを、(Xh+Xs)以下にすると、熱平衡状態におけるエネルギーバンドの構造は図2(C)のようになり、薄膜半導体領域が形成され、ヘテロ接合界面の障壁φh50は、図中に示したように第二の接合であるショットキー接合の影響により、図2(A)のバンド構造と比較してΔφh52だけ高くなる。それに伴い、SiCエピタキシャル層2側に形成される空乏層幅が広がり、図2(D)のような逆方向電圧印加時に電子がさらにヘテロ接合界面をトンネリング、あるいは乗り越えにくくなる。すなわち、薄膜半導体領域を形成することにより、さらに遮断性が向上し高い耐圧を得ることができる。なお、順方向の動作は、薄膜半導体領域が形成されていない場合と同じ特性を示す。
前述のように、PN接合を炭化珪素へ適用し、高耐圧を得るためには、深い拡散層を形成する必要があり、そのためにイオン注入による不純物導入が欠かせなかった。イオン注入を行うと炭化珪素に結晶欠陥が導入されるため、リーク電流が増加するという問題があった。ショットキー接合を炭化珪素へ適用し、高耐圧なダイオードを実現するためには、ショットキー電極端部における電界集中を緩和するために、ショットキー電極端部に電界緩和領域として拡散層を形成する必要がある。この拡散層を形成する際にも、イオン注入が用いられるが、炭化珪素の場合、注入後の活性加熱処理に1500℃以上の高温が必要になるため、熱処理中に炭化珪素基板表面が劣化し、劣化した炭化珪素基板表面には良好なショットキー接合が形成できず、高耐圧なダイオードを実現することが難しいという問題があった。本実施の形態1では、高エネルギーのイオン注入による不純物導入が不要なので、このような問題を解決し、リーク電流の増加を抑制できる高耐圧な半導体装置を提供することができる。
すなわち、本実施の形態1の半導体装置は、N−型SiCエピタキシャル層2と、N−型SiCエピタキシャル層2とはバンドギャップの異なるN−型ポリシリコン層3とによって形成される第一の接合(ヘテロ接合)と、N−型ポリシリコン層3とショットキー電極4とによって形成される第二の接合(ショットキー接合)とを有し、且つN−型ポリシリコン層3の厚さが、少なくとも第一の接合からN−型ポリシリコン層3へビルトイン電界が及ぶ距離と、第二の接合からN−型ポリシリコン層3へビルトイン電界が及ぶ距離との和より小さくなるように形成された薄膜半導体領域を有する。
なお、本実施の形態1のN型が特許請求の範囲の第1導電型に、P型が第2導電型に相当する。また、図1のN−型SiCエピタキシャル層2が特許請求の範囲の請求項1の第一の半導体材料層に、N−型ポリシリコン層3が第二の半導体材料層に、ショットキー電極4が導電体に相当する。
また、N−型SiCエピタキシャル層2が第一導電型(本実施の形態1ではN型)からなり、N−型ポリシリコン層3が第一導電型からなり、且つ第二の接合によるビルトイン電界によってN−型ポリシリコン層3に空乏層が形成されるように形成された薄膜半導体領域を有する。
また、本実施の形態1では、導電体が金属であり、第二の半導体材料層であるN−型ポリシリコン層3とショットキー接触する金属である。なお、導電体としての金属材料は、必ずしもN−型ポリシリコン層3とショットキー接触する金属である必要はないが、ショットキー接合における障壁φbnがΔφh52に影響するため、ショットキー接触をする金属を用いた方がよりΔφh52を大きくすることができ、その結果、遮断性の高いダイオードを得ることができる。
また、実施の形態1においては、第二の接合としてショットキー電極4を形成して説明しているが、第二の接合がない場合でも、N−型ポリシリコン層3の厚さをヘテロ接合からN−型ポリシリコン層3へビルトイン電界が及ぶ距離、すなわちXhより薄くすれば、薄膜半導体領域が形成され、図2(C)に示したように障壁φh50は、N−型ポリシリコン層3の厚さがXhより厚い場合と比較してΔφh52だけ高くなり第二の接合がある場合と同様の効果を得ることができる。
すなわち、本実施の形態1では、N−型SiCエピタキシャル層2と、N−型SiCエピタキシャル層2とはバンドギャップの異なるN−型ポリシリコン層3とによって形成される第一の接合(ヘテロ接合)を有し、且つN−型ポリシリコン層3の厚さが、少なくとも第一の接合からN−型ポリシリコン層3へビルトイン電界が及ぶ距離より小さくなるように形成された薄膜半導体領域を有している。
なお、薄膜半導体領域が形成されるN−型ポリシリコン層3の具体的な厚さについては、ショットキー電極4の材質及び有無、N−型ポリシリコン層3の不純物濃度、SiCエピタキシャル層2の濃度によって変化する。例えば、SiCエピタキシャル層2の濃度が1×1016cm−3、N−型ポリシリコン層3の濃度が1×1016cm−3、ショットキー電極4の材質がTiの場合、N−型ポリシリコン層3の厚さは1000Åで十分な効果を得ることができる。
また、第一の半導体材料層にSiC、すなわち炭化珪素を用いることで、より高耐圧な半導体装置を提供することができる。
さらに、第二の半導体材料層にポリシリコンを用いることで、デバイス製造時のエッチングや伝導度制御などのプロセスを簡易化することができる。なお、第二の半導体材料層を、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンの少なくとも1つで構成することにより、同様の効果を得ることができる。
【0009】
実施の形態2
次に、本発明の実施の形態2について、図3に従って説明する。
図3は、本発明の実施の形態2による炭化珪素半導体装置の断面図である。
図3において、N+型のSiC基板1の上に、N−型のSiCエピタキシャル層2を形成することにより、第一導電型であるN型の炭化珪素半導体基体が形成されている。この炭化珪素半導体基体上、第一主面側すなわちSiCエピタキシャル層2側に、炭化珪素半導体基体とはバンドギャップの異なる第一導電型の半導体材料層として、N−型のポリシリコンからなるN−型ポリシリコン層3が形成され、SiCエピタキシャル層2とN−型ポリシリコン層3との間にへテロ接合が形成されている。N−型ポリシリコン層3の上面には、導電体として、半導体材料であるP+型のポリシリコンからなるP+型ポリシリコン層5が形成され、N−型ポリシリコン層3とP+型ポリシリコン層5との間に第二の接合(以下、PN接合と呼ぶ)が形成されている。図から判るように、ヘテロ接合とPN接合は半導体層であるN−型ポリシリコン層3を介して対向するように配置されている。P+型ポリシリコン層5の第一主面側に接するようにアノード電極30が形成されている。SiC基板1の裏面にはカソード電極31が金属等の導体材料によって形成されている。
【0010】
以下に実施の形態2における炭化珪素半導体装置の具体的な動作について説明する。
まず、実施の形態2におけるN−型ポリシリコン層3の厚さが、ヘテロ接合からN−型ポリシリコン層3へビルトイン電界が及ぶ距離、すなわちXhとポリシリコンのPN接合からN−型ポリシリコン層3へビルトイン電界が及ぶ距離(以下、Xpと呼ぶ)との和(Xh+Xp)より厚い場合について説明する。
実施の形態2における構造の場合、ヘテロ接合とPN接合によりN−型ポリシリコン層3のSiCエピタキシャル層2側には蓄積層が、P+型ポリシリコン層5側には空乏層が形成されている。また、ヘテロ接合が形成するダイオードとポリシリコンのPN接合が形成するダイオードが、同じ極方向で、かつ直列に接続された状態になっている。このため、アノード電極30に然るべき電圧を印加し、カソード電極31を接地の状態にすると、電子がカソード電極31からSiC基板1、SiCエピタキシャル層2、N−型ポリシリコン層3、P+型ポリシリコン層5を経て、アノード電極30へと流れる。つまり、ダイオードの順方向特性を示す。
次に、アノード電極30を接地、カソード電極31に高電圧を印加した状態、すなわち逆方向電圧印加時の場合、ヘテロ接合界面に生じた障壁φhにより電子は遮られ、遮断状態を保持する。また、ヘテロ接合界面に蓄積された電子によって、電界がシールドされるため、SiCエピタキシャル層2と比較して、N−型ポリシリコン層3及びP+型ポリシリコン層5には電界が殆ど及ばない。つまり、N−型ポリシリコン層3の電位は、P+型ポリシリコン層5及びアノード電極30の電位と限りなく等しくなり、接地に近い状態になる。そのため、本素子に対して逆方向に高い電圧が印加されても、N−型ポリシリコン層3及びP+型ポリシリコン層5はブレークダウンを起こさずに遮断状態を保持する。なお、この遮断状態において、蓄積された電子の一部が、ヘテロ接合界面に生じた障壁φhをトンネリングする、あるいは乗り越えることで、N−型ポリシリコン層3からSiCエピタキシャル層2へと移動しようとするが、N−型ポリシリコン層3への電子の供給源が存在しないため、ヘテロ接合によるダイオードは擬似的に開放状態になり、N−型ポリシリコン層3からSiCエピタキシャル層2へは殆ど電子が流れない。なお、前述のように、逆方向に高電圧が印加された状態でも、N−型ポリシリコン層3及びP+型ポリシリコン層5には電界が殆ど及ばないため、所定のPN接合によるダイオードの耐圧でも充分に高い耐圧を得ることができる。
ここで、N−型ポリシリコン層3の厚さを、(Xh+Xp)以下にすると薄膜半導体領域が形成され、ヘテロ接合界面の障壁φh50は、第二の接合であるPN接合の影響により、N−型ポリシリコン層3の厚さが(Xh+Xp)以上の場合と比較してΔφh52だけ高くなる。それに伴い、SiCエピタキシャル層2側に形成される空乏層幅が広がり、逆方向電圧印加時にヘテロ接合界面を電子80がトンネリング、あるいは乗り越えにくくなる。すなわち、薄膜半導体領域を形成することにより、さらに遮断性が向上し高い耐圧を得ることができる。なお、順方向の動作は、薄膜半導体領域が形成されていない場合と同じ特性を示す。
【0011】
また、ここで、N−型ポリシリコン層3の代わりに第二導電型の半導体材料であるP−型ポリシリコン層、導電体にポリシリコンよりバンドギャップの大きい第二導電型の半導体材料を用いても同様の効果を得ることができる。すなわち、第一の半導体材料層であるN−型SiCエピタキシャル層2が第一導電型からなり、図示は省略するが、第二の半導体材料層が第二導電型からなり、且つ第二の接合によるビルトイン電界によって第二の半導体材料層に蓄積層が形成されるように形成された薄膜半導体領域を有する構成も可能である。
【0012】
実施の形態3
次に、本発明の実施の形態3について、図4に従って説明する。
図4は、本発明の実施の形態3による炭化珪素半導体装置の断面図である。
図4において、N+型のSiC基板1の上に、N−型のSiCエピタキシャル層2を形成することにより、第一導電型であるN型の炭化珪素半導体基体が形成されている。この炭化珪素半導体基体上、第一主面側すなわちSiCエピタキシャル層2側に、炭化珪素半導体基体とはバンドギャップの異なる第一導電型の半導体材料として、N−型ポリシリコン層3が所定の位置に環状に形成され、SiCエピタキシャル層2とN−型ポリシリコン層3との間にへテロ接合が形成されている。N−型ポリシリコン層3の上面にはN−型ポリシリコン層3と接するように、且つN−型ポリシリコン層3の内側の露出したSiCエピタキシャル層2の第一主面上と接するように、導電体としてN−型ポリシリコン層3とショットキー接触する金属からなるショットキー電極4が形成され、ショットキー接合が形成されている。なお、図から判るようにショットキー電極4はアノード電極30としての機能も兼ねている。すなわち、SiCエピタキシャル層2と接するように形成されたアノード電極30の外周部に接して実施の形態1におけるダイオードが環状に形成されている構造になっている。SiC基板1の裏面にはカソード電極31が金属等の導体材料によって形成されている。
【0013】
以下に実施の形態3における炭化珪素半導体装置の具体的な動作について説明する。
なお、ここでN−型ポリシリコン層3の厚さは薄膜半導体領域が形成されるような厚さ、すなわち(Xh+Xs)以下になっている。
また、N+型SiC基板1とN−型SiCエピタキシャル層2からなる半導体基体と、この半導体基体に接するように形成されたアノード電極30とカソード電極31を有し、アノード電極30と半導体基体との間に、前記薄膜半導体領域を有し、且つ前記薄膜半導体領域に接した導電体であるショットキー電極4とアノード電極30が同電位である。なお、ショットキー電極4はアノード電極30としての機能も兼ねたものと説明したが、要は導電体であるショットキー電極4とアノード電極30とが接続されており、同電位になっている。
まず、アノード電極30に然るべき電圧を印加し、カソード電極31を接地の状態にすると、電子がカソード電極31からSiC基板1、SiCエピタキシャル層2を経て、アノード電極30へと流れ、ダイオードの順方向特性を示す。
次に、アノード電極30を接地、カソード電極31に高電圧を印加した状態、すなわち逆方向電圧印加時の場合、電界が最も集中するアノード電極30の外周部に薄膜半導体領域が配置されているため、アノード電極30のみで構成されるショットキーダイオードと比較して高い遮断性を有している。また、本素子の構造は、薄膜半導体領域がアノード電極30の外周部に環状に配置されたエッジターミネーション領域を配したショットキーダイオードの構造になっているが、従来のエッジターミネーションと異なり、イオン注入及び高温の活性化アニールを用いずに形成することが可能であり、SiCエピタキシャル層2が劣化することもないため、SiCエピタキシャル層2上に良好なショットキー接合を形成することができ、高耐圧なショットキーダイオードを形成することができる。
【0014】
実施の形態4
次に、本発明の実施の形態4について、図5に従って説明する。
図5は、本発明の実施の形態4による炭化珪素半導体装置の断面図である。
図4において、N+型のSiC基板1の上に、N−型のSiCエピタキシャル層2を形成することにより、第一導電型であるN型の炭化珪素半導体基体が形成されている。この炭化珪素半導体基体上、第一主面側すなわちSiCエピタキシャル層2側に、炭化珪素半導体基体とはバンドギャップの異なる第一導電型の半導体材料として、N−型ポリシリコン層3が所定の位置に形成され、SiCエピタキシャル層2とN−型ポリシリコン層3との間にへテロ接合が形成されている。N−型ポリシリコン層3の上面の周辺部を除く内側には、N+型ポリシリコン層15が形成されている。そして、N−型ポリシリコン層3及びN+型ポリシリコン層15と接するように、導電体としてN−型ポリシリコン層3及びN+型ポリシリコン層15とショットキー接触する金属からなるショットキー電極4が形成され、ショットキー接合が形成されている。なお、ショットキー電極4はアノード電極30としての機能も兼ねている。すなわち、N−型ポリシリコン層3及びN+型ポリシリコン層15からなるポリシリコン層の周辺部のみ膜厚を薄く形成されている構造になっている。SiC基板1の裏面にはカソード電極31が金属等の導体材料によって形成されている。N−型ポリシリコン層3の厚さは、ヘテロ接合からN−型ポリシリコン層3へビルトイン電界が及ぶ距離Xhとショットキー接合からN−型ポリシリコン層3へビルトイン電界が及ぶ距離Xsとの和(Xh+Xs)より小さくなっている。このようにN−型ポリシリコン層3及びN+型ポリシリコン層15からなるポリシリコン層の周辺部のみ厚さを薄くすることにより、ポリシリコン層とショットキー電極4との界面の影響が、ポリシリコン/SiCヘテロ接合界面にまで及び、その結果、該ヘテロ接合界面の障壁高さが大きくなる。
【0015】
以下に実施の形態4における炭化珪素半導体装置の具体的な動作について説明する。
まず、アノード電極30に然るべき電圧を印加し、カソード電極31を接地の状態にすると、電子がカソード電極31からSiC基板1、SiCエピタキシャル層2を経て、アノード電極30へと流れ、ダイオードの順方向特性を示す。
次に、アノード電極30を接地、カソード電極31に高電圧を印加した状態、すなわち逆方向電圧印加時の場合、電界が最も集中するアノード電極30の外周部に薄膜半導体領域が配置されているため、アノード電極30のみで構成されるショットキーダイオードと比較して高い遮断性を有している。また、本素子の構造は、薄膜半導体領域がアノード電極30の外周部に環状に配置されたエッジターミネーション領域を配したショットキーダイオードの構造になっているが、従来のエッジターミネーションと異なり、イオン注入及び高温の活性化アニールを用いずに形成することが可能であり、SiCエピタキシャル層2が劣化することもないため、SiCエピタキシャル層2上に良好なショットキー接合を形成することができ、高耐圧なショットキーダイオードを形成することができる。
【0016】
実施の形態5
次に、本発明の実施の形態5について、図6に従って説明する。
図6は本発明の実施の形態5による炭化珪素半導体装置の断面図である。
図6において、N+型のSiC基板1の上に、N−型のSiCエピタキシャル層2を形成することにより、第一導電型であるN型の炭化珪素半導体基体が形成されている。この炭化珪素半導体基体上、第一主面側すなわちSiCエピタキシャル層2側に、所定の位置に所定の間隔をおいて所定の深さを有する溝40(以下、トレンチと呼ぶ)が形成されている。トレンチ40の内部の露出したSiCエピタキシャル層2側には、炭化珪素半導体基体とはバンドギャップの異なる第一導電型の半導体材料として、N−型ポリシリコン層3が形成され、SiCエピタキシャル層2とN−型ポリシリコン層3との間にへテロ接合が形成されている。N−型ポリシリコン層3の上面にはN−型ポリシリコン層3と接するように、且つトレンチ40間の露出したSiCエピタキシャル層2の第一主面上と接するように、導電体としてN−型ポリシリコン層3とショットキー接触する金属からなるショットキー電極4が形成され、ショットキー接合が形成されている。なお、図から判るようにショットキー電極4はアノード電極30としての機能も兼ねている。すなわち、アノード電極30の内部に所定の間隔をおいて実施の形態1におけるダイオードが形成されている構造になっている。SiC基板1の裏面にはカソード電極31が金属等の導体材料によって形成されている。
また、アノード電極30の外周部には実施の形態3の場合と同様、実施の形態1におけるダイオードが環状に配置されている。
【0017】
以下に実施の形態5における炭化珪素半導体装置の具体的な動作について説明する。
なお、ここでN−型ポリシリコン層3の厚さは薄膜半導体領域が形成されるような厚さ、すなわち(Xh+Xs)以下になっている。
本実施の形態5における炭化珪素半導体装置は、実施の形態3における効果に加えて、アノード電極30内部に薄膜半導体領域が所定の間隔で配置されているため、逆方向電圧印加時に薄膜半導体領域がSiCエピタキシャル層2側に形成する空乏層によって電界が緩和されるため、遮断性をより向上することができる。また、所定の間隔で形成されたトレンチ40の内部に薄膜半導体領域を形成しているので極めて高い遮断性を有している。
なお、本素子は、アノード電極30と半導体基体とが接する領域と、薄膜半導体領域とが所定の間隔を置いて隣接して配置され、半導体基体の所定の位置に所定の深さを有するトレンチ40を有し、且つトレンチ40の内部の半導体基体に接するように薄膜半導体領域が形成されている。すなわち、JBS(Junction Barrier−controlled Schottky−diode)構造になっているが、従来のJBSと異なり、イオン注入及び高温の活性化アニールを用いずに形成することが可能であり、SiCエピタキシャル層2が劣化することもないため、SiCエピタキシャル層2上に良好なショットキー接合を形成することができ、高耐圧なショットキーダイオードを形成することができる。
【0018】
実施の形態6
まず、本発明の実施の形態6について、図7に従って説明する。
図7は、本発明の実施の形態6による炭化珪素半導体装置の断面図である。図7は、多数配列された単位セルの外周部における断面構造を示しており、単位セルが2つ連続した構造を示している。
図7において、N+型のSiC基板1の上に、N−型のSiCエピタキシャル層2を形成することにより、第一導電型であるN型の炭化珪素半導体基体が形成されている。この炭化珪素半導体基体上、第一主面側すなわちSiCエピタキシャル層2側に、所定の間隔でトレンチ60が形成されている。SiCエピタキシャル層2の第一主面側の所定の位置には炭化珪素半導体基体とはバンドギャップの異なる半導体材料として、N−型ポリシリコン層3が形成されている。N−型ポリシリコン層3の第一主面側の所定位置には、ソース領域としてN−型ポリシリコン層3に接するようにN+型ポリシリコン層6が形成されている。トレンチ60の側壁部のSiCエピタキシャル層2とN−型ポリシリコン層3とN+型ポリシリコン層6に隣接してゲート絶縁膜7を介して、ゲート電極8が形成されている。ソース領域となるN+型ポリシリコン層6にオーミック接触し、且つN−型ポリシリコン層3とはショットキー接合を形成する金属からなるソース電極9が形成され、SiC基板1の第二主面側にはドレイン電極10が形成されている。ゲート電極8とソース電極9は層間絶縁膜11にて電気的に絶縁されている。
なお、ここでN−型ポリシリコン層3の厚さは薄膜半導体領域が形成されるような厚さ、すなわち(Xh+Xs)以下になっている。
【0019】
以下に実施の形態6における炭化珪素半導体装置の具体的な動作について説明する。
本素子はソース電極9を接地し、ドレイン電極10に正のドレイン電圧を印加して使用する。
この際にゲート電極8が接地されていると、素子の特性は実施の形態1におけるダイオードの逆方向特性と同じ特性を示す。すなわち、ソース電極9とドレイン電極10との間に電流は流れず遮断状態となる。また、N−型ポリシリコン層3の厚さが(Xh+Xs)以下であるため、高い遮断性を有している。
次に、ゲート電極8に然るべき正の電圧を印加すると、ゲート絶縁膜7に隣接したN−型ポリシリコン層3及びSiCエピタキシャル層2に電子が蓄積され、ヘテロ接合界面に形成された障壁φh50を電子がトンネリング、あるいは乗り越えるようになる。その結果、所定のドレイン電圧でソース電極9とドレイン電極10との間に電流が流れる。すなわち導通状態となる。
さらに、ゲート電極8に印加している正の電圧を取り除くと、ゲート絶縁膜7に隣接したN−型ポリシリコン層3及びSiCエピタキシャル層2に電子の蓄積層がなくなり、ヘテロ接合界面における障壁φh50によって遮断状態となる。
本実施の形態6では、半導体装置が、第一の半導体材料層からなる半導体基体の所定の位置に形成されたソース領域であるN+型ポリシリコン層6と、ドレイン領域であるN−型SiCエピタキシャル層2と、駆動領域であるチャネル領域と、これら3つの領域から構成される活性領域を有するスイッチ素子であり、前記薄膜半導体領域が活性領域の外周部に環状に配置され、且つ薄膜半導体領域に接した導電体であるソース電極9とソース領域、もしくは駆動領域とが同電位になっている。なお、薄膜半導体領域が活性領域の内部に少なくとも1箇所は配置されている。
また、本スイッチ素子が、第一導電型の第一の半導体材料層からなる半導体基体と、半導体基体の第一主面に形成された第一の半導体材料層とはバンドギャップが異なる第二の半導体材料層からなるチャネル領域と、チャネル領域の第一主面側に接するように形成されたソース領域と、半導体基体とチャネル領域とソース領域に隣接してゲート絶縁膜7を介して配置されたゲート電極8と、半導体基体の所定の位置に形成されたドレイン領域と、ソース領域に接するように形成されたソース電極9と、ドレイン領域に接するように形成されたドレイン電極10とを有する。
本素子は、ドレイン電圧印加時に電界が最も集中し易い、多数配列された単位セルの外周部にエッジターミネーションとして、実施の形態3と同様な薄膜半導体領域を有しているため、ドレイン電圧印加時の外周部における電界を緩和することができ、高いドレイン耐圧を有している。
また、本素子は導通時のチャネルとなる領域が、N−型ポリシリコン層3であるため、N−型ポリシリコン層3の厚さが(Xh+Xs)以下と極めて薄いことからチャネル抵抗の低減を図ることができ、低オン抵抗を実現できる。
また、半導体基体の第一主面の所定の位置に溝60が形成されている。これにより、集積化に有利なスイッチ素子を形成することができる。
なお、本実施の形態6においては、スイッチ素子として縦型のMOSFETを例に説明したが、ソース領域、ドレイン領域及び駆動領域からなる活性領域を有するスイッチ素子であればいずれでもよく、実施の形態6のみに限定されるものではない。
例えば、MOSFET、JFETなどのユニポーラデバイス、IGBTに代表されるバイポーラデバイス、RESURF構造を有したMOSFETなどの横型のスイッチ素子、いずれのスイッチ素子においても同様の効果を得ることができる。
なお、本発明のいずれの実施の形態においても第一導電型をN型、第二導電型をP型として説明しているが、第一導電型をP型、第二導電型をN型としても同じ効果を得ることができる。
さらに、本発明のいずれの実施の形態においても、第一の半導体材料を炭化珪素、第二の半導体材料をポリシリコンとして説明しているが、いずれも上記半導体材料にのみ限定されるものではない。
例えば、窒化ガリウム、ダイヤモンド、酸化亜鉛などに代表されるワイドギャップ半導体は無論のこと、ゲルマニウム、砒化ガリウム、窒化インジウムなど、いずれの半導体材料においても同様の効果を得ることができる。
また、本発明の主旨を逸脱しない範囲における変形を含むことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1による炭化珪素半導体装置の断面図を示した図
【図2】(A)〜(D)は実施の形態1による炭化珪素半導体装置におけるエネルギーバンド構造を示した図
【図3】本発明の実施の形態2による炭化珪素半導体装置の断面図を示した図
【図4】本発明の実施の形態3による炭化珪素半導体装置の断面図を示した図
【図5】本発明の実施の形態4による炭化珪素半導体装置の断面図を示した図
【図6】本発明の実施の形態5による炭化珪素半導体装置の断面図を示した図
【図7】本発明の実施の形態6による炭化珪素半導体装置の断面図を示した図
【符号の説明】
1…N+型SiC基板、2…N−型SiCエピタキシャル層、3…N−型ポリシリコン層、4…ショットキー電極、5…P−型ポリシリコン層、6…N+型ポリシリコン層、7…ゲート絶縁膜、8…ゲート電極、9…ソース電極、10…ドレイン電極、11…層間絶縁膜、12…溝(トレンチ)、30…アノード電極、31…カソード電極、50…ヘテロ障壁φh、51…ショットキー障壁φbn、52…障壁差Δφh、60…トレンチ(溝)、80…電子。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device such as a diode and a switch element.
[0002]
[Prior art]
[Non-Patent Document] "Power Device / Power IC Handbook, The Institute of Electrical Engineers of Japan, Special Committee for Investigating High-Performance and High-Performance Power Devices / Power ICs, Corona, pp. 12-21"
[0003]
As a conventional junction for obtaining a high breakdown voltage diode using silicon carbide, there are a PN junction and a Schottky junction described in the above-mentioned non-patent document. In the non-patent literature, these junctions are described based on silicon, but are widely applied to silicon carbide.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In order to apply a PN junction to silicon carbide and obtain a high breakdown voltage, it is necessary to form a deep diffusion layer, and for that reason, impurity introduction by ion implantation is indispensable. When ion implantation is performed, a crystal defect is introduced into silicon carbide, which causes a problem that a leak current increases.
An object of the present invention is to solve the above problems and to provide a high withstand voltage semiconductor device capable of suppressing an increase in leakage current.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention has a first junction formed by a first semiconductor material layer and a second semiconductor material layer having a different band gap from the first semiconductor material layer. The semiconductor device has a thin-film semiconductor region formed so that the thickness is smaller than the distance that the built-in electric field reaches from the first junction to the second semiconductor material layer.
[0006]
【The invention's effect】
According to the present invention, a high-breakdown-voltage semiconductor device capable of suppressing an increase in leak current can be provided.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings described below, those having the same functions are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof will be omitted.
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, N + N-
[0008]
Hereinafter, a specific structure and operation of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment will be described using an energy band structure from point a to point b in FIG.
FIG. 2A shows an energy band structure in a thermal equilibrium state, that is, a state where both the Schottky
Due to the difference between the electron affinity of SiC and polysilicon, χSiC, χPoly, and the work function φ of Schottky metal, N at the heterojunction interface under thermal equilibrium condition − Storage layer on the side of the
In the case of the structure according to the first embodiment, the diode formed by the hetero junction and the diode formed by the Schottky junction are connected in the same pole direction and in series. Therefore, when an appropriate voltage is applied to the
Next, when the
Where N − When the thickness of the
As described above, in order to apply a PN junction to silicon carbide and obtain a high breakdown voltage, it is necessary to form a deep diffusion layer, and for this reason, impurity introduction by ion implantation has been indispensable. When ion implantation is performed, a crystal defect is introduced into silicon carbide, which causes a problem that a leak current increases. In order to apply a Schottky junction to silicon carbide and to realize a diode with a high breakdown voltage, a diffusion layer is formed at the end of the Schottky electrode as an electric field relaxation region in order to reduce electric field concentration at the end of the Schottky electrode. There is a need. In forming this diffusion layer, ion implantation is also used. However, in the case of silicon carbide, the active heat treatment after implantation requires a high temperature of 1500 ° C. or more, so that the surface of the silicon carbide substrate deteriorates during the heat treatment. In addition, a good Schottky junction cannot be formed on the surface of the deteriorated silicon carbide substrate, and there is a problem that it is difficult to realize a diode with high breakdown voltage. In the first embodiment, since it is not necessary to introduce impurities by high-energy ion implantation, such a problem can be solved and a high-breakdown-voltage semiconductor device capable of suppressing an increase in leak current can be provided.
That is, the semiconductor device according to the first embodiment has N − Type
The N-type in the first embodiment corresponds to the first conductivity type in the claims, and the P-type corresponds to the second conductivity type. Also, N in FIG. − -Type
Also, N − Type
Further, in the first embodiment, the conductor is metal, and the second semiconductor
In the first embodiment, the
That is, in the first embodiment, N − Type
Note that the N where the thin film semiconductor region is formed − The specific thickness of the
Further, by using SiC, that is, silicon carbide for the first semiconductor material layer, a semiconductor device with higher withstand voltage can be provided.
Furthermore, by using polysilicon for the second semiconductor material layer, processes such as etching and conductivity control during device manufacturing can be simplified. Note that the same effect can be obtained by forming the second semiconductor material layer with at least one of single crystal silicon, polycrystalline silicon, and amorphous silicon.
[0009]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is a sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
In FIG. 3, N + N-
[0010]
Hereinafter, a specific operation of the silicon carbide semiconductor device in the second embodiment will be described.
First, N in
In the case of the structure according to the second embodiment, N − A storage layer on the
Next, when the
Where N − When the thickness of the
[0011]
Here, N − P-type semiconductor material of the second conductivity type instead of the
[0012]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
In FIG. + N-
[0013]
Hereinafter, a specific operation of the silicon carbide semiconductor device in the third embodiment will be described.
Here, N − The thickness of the
Also, N +
First, when an appropriate voltage is applied to the
Next, when the
[0014]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
In FIG. + N-
[0015]
Hereinafter, a specific operation of the silicon carbide semiconductor device according to the fourth embodiment will be described.
First, when an appropriate voltage is applied to the
Next, when the
[0016]
Embodiment 5
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a sectional view of the silicon carbide semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
In FIG. 6, N + N-
Further, the diode according to the first embodiment is annularly arranged on the outer peripheral portion of the
[0017]
Hereinafter, a specific operation of the silicon carbide semiconductor device in the fifth embodiment will be described.
Here, N − The thickness of the
In the silicon carbide semiconductor device according to the fifth embodiment, in addition to the effects of the third embodiment, the thin film semiconductor regions are arranged at predetermined intervals inside
In this element, a region where the
[0018]
First, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 7 is a sectional view of the silicon carbide semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention. FIG. 7 shows a cross-sectional structure of an outer peripheral portion of a large number of arranged unit cells, and shows a structure in which two unit cells are continuous.
In FIG. 7, N + N-
Here, N − The thickness of the
[0019]
Hereinafter, a specific operation of the silicon carbide semiconductor device according to the sixth embodiment will be described.
This device is used by grounding the source electrode 9 and applying a positive drain voltage to the
At this time, when the
Next, when an appropriate positive voltage is applied to the
Further, when the positive voltage applied to the
In the sixth embodiment, the semiconductor device is an N-type source region formed at a predetermined position on a semiconductor substrate made of the first semiconductor material layer. +
Further, the present switch element has a second semiconductor material having a band gap different from that of a semiconductor substrate made of a first semiconductor material layer of the first conductivity type and a first semiconductor material layer formed on a first main surface of the semiconductor substrate. A channel region formed of a semiconductor material layer, a source region formed to be in contact with the first main surface side of the channel region, and a semiconductor substrate, a channel region, and a
This element has a thin-film semiconductor region similar to that in
In this element, the region serving as a channel during conduction is N −
A
In the sixth embodiment, a vertical MOSFET has been described as an example of a switch element. However, any switch element having an active region including a source region, a drain region, and a drive region may be used. It is not limited to only 6.
For example, the same effect can be obtained in any of unipolar devices such as MOSFETs and JFETs, bipolar devices typified by IGBTs, and lateral switch devices such as MOSFETs having a RESURF structure.
In each of the embodiments of the present invention, the first conductivity type is described as N type and the second conductivity type is described as P type. However, the first conductivity type is described as P type, and the second conductivity type is described as N type. Can achieve the same effect.
Furthermore, in any of the embodiments of the present invention, the first semiconductor material is described as silicon carbide, and the second semiconductor material is described as polysilicon, but none of them is limited to the above-described semiconductor material. .
For example, the same effect can be obtained with any semiconductor material such as germanium, gallium arsenide, and indium nitride, as a matter of course, with wide gap semiconductors represented by gallium nitride, diamond, zinc oxide, and the like.
Needless to say, the present invention includes modifications within a range not departing from the gist of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A to 2D show energy band structures in the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment.
FIG. 3 shows a cross-sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows a cross-sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows a cross-sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 shows a cross-sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows a cross-sectional view of a silicon carbide semiconductor device according to a sixth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... N + Type SiC substrate, 2 ... N − Type SiC epitaxial layer, 3 ... N − Type polysilicon layer, 4 ... Schottky electrode, 5 ... P − Type polysilicon layer, 6 ... N + Type polysilicon layer, 7 gate insulating film, 8 gate electrode, 9 source electrode, 10 drain electrode, 11 interlayer insulating film, 12 groove (trench), 30 anode electrode, 31 cathode electrode, 50 ... Hetero barrier φh, 51 ... Schottky barrier φbn, 52 ... Barrier difference Δφh, 60 ... Trench (groove), 80 ... Electron.
Claims (17)
前記第二の半導体材料層の厚さが、少なくとも前記第一の接合から前記第二の半導体材料層へビルトイン電界が及ぶ距離より小さくなるように形成された薄膜半導体領域を有することを特徴とする半導体装置。A first semiconductor material layer and the first semiconductor material layer have a first junction formed by a second semiconductor material layer having a different band gap,
It has a thin film semiconductor region formed such that the thickness of the second semiconductor material layer is at least smaller than the distance that a built-in electric field reaches from the first junction to the second semiconductor material layer. Semiconductor device.
前記第二の半導体材料層と導電体とによって形成される第二の接合とを有し、
且つ前記第二の半導体材料層の厚さが、少なくとも前記第一の接合から前記第二の半導体材料層へビルトイン電界が及ぶ距離と、前記第二の接合から前記第二の半導体材料層へビルトイン電界が及ぶ距離との和より小さくなるように形成された薄膜半導体領域を有することを特徴とする半導体装置。A first junction formed by a first semiconductor material layer and a second semiconductor material layer having a different band gap from the first semiconductor material layer,
Having a second junction formed by the second semiconductor material layer and a conductor,
And the thickness of the second semiconductor material layer is at least the distance over which the built-in electric field extends from the first junction to the second semiconductor material layer, and the built-in electric field from the second junction to the second semiconductor material layer. A semiconductor device having a thin film semiconductor region formed so as to be smaller than a sum of a distance to which an electric field reaches.
前記半導体基体に接するように形成されたアノード電極とカソード電極を有する半導体装置において、
前記アノード電極と前記半導体基体との間に、前記薄膜半導体領域を有し、
且つ前記薄膜半導体領域に接した導電体と前記アノード電極が同電位であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の半導体装置。A semiconductor substrate made of a first semiconductor material layer of a first conductivity type;
In a semiconductor device having an anode electrode and a cathode electrode formed to be in contact with the semiconductor substrate,
Having the thin film semiconductor region between the anode electrode and the semiconductor substrate,
8. The semiconductor device according to claim 1, wherein a conductor in contact with said thin film semiconductor region and said anode electrode have the same potential.
且つ前記溝の内部の半導体基体に接するように前記薄膜半導体領域が形成されていることを特徴とする請求項8乃至10のいずれかに記載の半導体装置。A groove having a predetermined depth at a predetermined position of the semiconductor substrate,
11. The semiconductor device according to claim 8, wherein the thin-film semiconductor region is formed so as to be in contact with a semiconductor substrate inside the trench.
前記薄膜半導体領域が前記活性領域の外周部に環状に配置され、
且つ前記薄膜半導体領域に接した導電体と前記ソース領域、もしくは前記駆動領域とが同電位であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の半導体装置。The semiconductor device is a switch element having a source region, a drain region, a drive region, and an active region formed of the three regions formed at predetermined positions of a semiconductor substrate made of a first semiconductor material layer. Yes,
The thin-film semiconductor region is disposed in an annular shape on an outer peripheral portion of the active region,
8. The semiconductor device according to claim 1, wherein a conductor in contact with said thin film semiconductor region and said source region or said driving region have the same potential.
前記半導体基体の第一主面に形成された前記第一の半導体材料層とはバンドギャップが異なる第二の半導体材料層からなるチャネル領域と、
前記チャネル領域の第一主面側に接するように形成されたソース領域と、
前記半導体基体と前記チャネル領域と前記ソース領域に隣接して絶縁膜を介して配置されたゲート電極と、
前記半導体基体の所定の位置に形成されたドレイン領域と、
前記ソース領域に接するように形成されたソース電極と、
前記ドレイン領域に接するように形成されたドレイン電極とを有するスイッチ素子であることを特徴とする請求項12または13に記載の半導体装置。The switch element, a semiconductor substrate consisting of a first semiconductor material layer of the first conductivity type,
A channel region formed of a second semiconductor material layer having a different band gap from the first semiconductor material layer formed on the first main surface of the semiconductor substrate,
A source region formed to be in contact with the first main surface side of the channel region;
A gate electrode disposed via an insulating film adjacent to the semiconductor substrate, the channel region, and the source region;
A drain region formed at a predetermined position of the semiconductor substrate,
A source electrode formed to be in contact with the source region;
14. The semiconductor device according to claim 12, wherein the switching device has a drain element formed to be in contact with the drain region.
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