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JP2017152523A - Power semiconductor element and power semiconductor module using the same - Google Patents

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JP2017152523A JP2016033047A JP2016033047A JP2017152523A JP 2017152523 A JP2017152523 A JP 2017152523A JP 2016033047 A JP2016033047 A JP 2016033047A JP 2016033047 A JP2016033047 A JP 2016033047A JP 2017152523 A JP2017152523 A JP 2017152523A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power semiconductor element having a SiC-SBD structure, in which surge current tolerance can be improved without causing energization degradation or recovery loss.SOLUTION: A power semiconductor element includes a Schottky barrier diode composed of silicon carbide and has, in an active region where a forward current flows, a Schottky electrode 15, an n-type impurity region 11 constituting a Schottky region 12 between the Schottky electrode and the impurity region, a p-type impurity region 2p+type semiconductor region 18 connected electrically with the Schottky electrode, and constituting a PN junction between it and the n-type impurity region, and a cathode electrode 3 connected electrically with the n-type impurity region. The PN junction starts conduction when a forward current in a range of 2-3 times of the rated current flows.SELECTED DRAWING: Figure 9

Description

本発明は、半導体材料として炭化珪素を用いるパワー半導体素子およびそれを用いるパワー半導体モジュールに関する。   The present invention relates to a power semiconductor element using silicon carbide as a semiconductor material and a power semiconductor module using the same.

インバータに代表される電力変換機器の中で、パワー半導体素子は整流機能やスイッチング機能をもつ主要な構成部品として使われている。パワー半導体素子の半導体材料として現在はシリコンが主流であるが、物性に優れる炭化珪素(SiC)の採用が始まっている。   Among power conversion devices represented by inverters, power semiconductor elements are used as main components having a rectifying function and a switching function. Silicon is currently the mainstream semiconductor material for power semiconductor elements, but silicon carbide (SiC), which has excellent physical properties, has begun to be used.

SiCは、シリコンよりも絶縁破壊電界強度が一桁高く高電圧用途に適する。さらに、所望の素子耐電圧に対して、半導体層の厚さを薄くできるので、素子の抵抗を下げられる。また、SiCは、熱伝導率がシリコンの3倍であり、かつ高温でも半導体の性質を失いにくいので、原理的に温度上昇に強い。これらにより、SiCは、パワー半導体素子の半導体材料に適している。   SiC has a dielectric breakdown field strength that is an order of magnitude higher than that of silicon, and is suitable for high voltage applications. Furthermore, since the thickness of the semiconductor layer can be reduced with respect to a desired device withstand voltage, the resistance of the device can be lowered. In addition, SiC has a thermal conductivity three times that of silicon and hardly loses the properties of a semiconductor even at high temperatures, so that it is resistant to temperature rise in principle. Accordingly, SiC is suitable as a semiconductor material for power semiconductor elements.

インバータなどにおいては、パワー半導体素子が搭載されるパワー半導体モジュールが適用される。図2は、一般的なパワー半導体モジュールの構成を模式的に示す組図である。樹脂ケース25内に、スイッチング素子26と整流素子27を搭載する絶縁回路基板22が格納される。絶縁回路基板どうしは、外部端子を備える配線電極によって電気的に接続される。スイッチング素子26と整流素子27の内,整流素子である環流ダイオードをシリコンダイオードからSiCダイオードに置き換えたSiCハイブリッドモジュールの開発が先行している。整流素子はスイッチング素子に比べて構造と動作が単純で素子開発を進めやすいこと,またスイッチング損失を大幅に低減できるメリットが明確なことが理由にある。   In an inverter or the like, a power semiconductor module on which a power semiconductor element is mounted is applied. FIG. 2 is a set diagram schematically showing a configuration of a general power semiconductor module. An insulating circuit board 22 on which the switching element 26 and the rectifying element 27 are mounted is stored in the resin case 25. The insulated circuit boards are electrically connected to each other by a wiring electrode having an external terminal. Among the switching element 26 and the rectifying element 27, development of a SiC hybrid module in which a free-wheeling diode, which is a rectifying element, is replaced with a SiC diode from a silicon diode has been advanced. The reason is that the rectifying element has a simple structure and operation compared to the switching element, facilitates the development of the element, and clearly shows the merit of greatly reducing the switching loss.

このような,SiCハイブリッドモジュールとして,定格3.3kVといった高耐圧仕様のパワー半導体モジュールでは,高耐圧のスイッチング素子であるシリコン(Si)のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)と,環流ダイオードであるSiCのSBD(Schottky Barrier Diode)とが逆並列に接続されるアーム回路が樹脂ケース内に格納される。   As such a SiC hybrid module, in a power semiconductor module with a high breakdown voltage rating of 3.3 kV, a silicon (Si) IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) which is a high breakdown voltage switching element and a SiC diode which is a freewheeling diode. An arm circuit to which an SBD (Schottky Barrier Diode) is connected in antiparallel is stored in a resin case.

ユニポーラ素子であるSBDは、バイポーラ素子であるPNダイオードと異なり、素子内において少数キャリアが蓄積されない。このため、アーム回路のスイッチング動作時にリカバリ電流がほとんど流れないので、パワー半導体モジュールにおいて発生するスイッチング損失を大幅に低減できる。しかし、SBDにおいては、耐圧を高めるためにドリフト層の厚みを増すと素子抵抗が高くなるため電力損失が増大する。特に一般的なSiのSBDは、電力損失の増大が過大となるため、高電圧分野への適用が難しい。これに対し、SiCのSBDは、SiのSBDよりもドリフト層を大幅に薄くできるので、ユニポーラ素子でありながらも600V〜3.3kVといった高電圧領域まで適用することができる。   Unlike the PN diode that is a bipolar element, the SBD that is a unipolar element does not accumulate minority carriers in the element. For this reason, since a recovery current hardly flows during the switching operation of the arm circuit, the switching loss generated in the power semiconductor module can be greatly reduced. However, in SBD, when the thickness of the drift layer is increased in order to increase the withstand voltage, the element resistance increases and the power loss increases. In particular, a general Si SBD has an excessive increase in power loss and is difficult to apply to the high voltage field. On the other hand, since the SBD of SiC can make the drift layer much thinner than the SBD of Si, it can be applied up to a high voltage region of 600 V to 3.3 kV even though it is a unipolar element.

SBDはオフ状態におけるリーク電流がPNダイオードよりも大きくなりやすい。これは、PN接合のバリアハイトよりもショットキー接合のバリアハイトの方が低いことによる。SBDのリーク電流を低減するために、例えば特許文献1に記載されるような、JBS(Junction Barrier Controlled Schottky)構造や、特許文献2および特許文献3に記載されるMPS(Merged PiN Schottky)構造が知られている。   In SBD, the leakage current in the off state tends to be larger than that of the PN diode. This is because the barrier height of the Schottky junction is lower than the barrier height of the PN junction. In order to reduce the leakage current of SBD, for example, a JBS (Junction Barrier Controlled Schottky) structure as described in Patent Document 1 and an MPS (Merged PiN Schottky) structure described in Patent Document 2 and Patent Document 3 are used. Are known.

ここで、従来例である単純構造を有するSiCのSBDの断面を図4に示し、従来例であるJBS構造を有するSiCのSBDの断面を図5に示す。図4および図5において、5はn+型のSiC基板であり、10はSiCからなるn−型SiCエピタキシャル層(ドリフト層)である。図5に示すJBS構造のSBDは、n−型SiCエピタキシャル層10表面のn型不純物領域1中にp型不純物領域2が形成される。オフ状態では図5のカソード電極3が正電位となるためpn接合4は逆バイアスされ、pn接合4の接合界面から延びる空乏層がショットキー接合9表面の電界を緩和するため、リーク電流が低減される。   FIG. 4 shows a cross section of a SiC SBD having a simple structure as a conventional example, and FIG. 5 shows a cross section of a SiC SBD having a JBS structure as a conventional example. 4 and 5, 5 is an n + type SiC substrate, and 10 is an n − type SiC epitaxial layer (drift layer) made of SiC. In the SBD having the JBS structure shown in FIG. 5, p-type impurity region 2 is formed in n-type impurity region 1 on the surface of n − -type SiC epitaxial layer 10. In the off state, the cathode electrode 3 in FIG. 5 is at a positive potential, so that the pn junction 4 is reverse-biased, and the depletion layer extending from the junction interface of the pn junction 4 relaxes the electric field on the surface of the Schottky junction 9, thereby reducing leakage current. Is done.

なお、上記MPS構造における接合構造は、図5に示す接合構造と同様であり、JBS構造と同様にリーク電流が低減される。但し、MPS構造においては、p型不純物領域2の不純物濃度を増加すると共に、これによりp型不純物領域2とアノード電極6との接続をオーミック接触にするか、あるいはオーミック接触に近づける。このため、順バイアス時に、p型不純物領域2からn−型SiCエピタキシャル層10内に少数キャリアが注入され、伝導度変調により抵抗が下がる。このため、高温時の導通損失が低減できるとともに、サージ電流耐量が向上する。   The junction structure in the MPS structure is the same as the junction structure shown in FIG. 5, and the leakage current is reduced as in the JBS structure. However, in the MPS structure, the impurity concentration of the p-type impurity region 2 is increased, and thereby the connection between the p-type impurity region 2 and the anode electrode 6 is brought into ohmic contact or close to ohmic contact. For this reason, at the time of forward bias, minority carriers are injected from the p-type impurity region 2 into the n − -type SiC epitaxial layer 10, and the resistance decreases due to conductivity modulation. For this reason, the conduction loss at high temperature can be reduced, and the surge current resistance can be improved.

なお、特許文献2に記載される技術においては、サージ耐量を向上するためにp+型不純物領域のパターン幅を15μm以上とすることで、少数キャリアが注入されて伝導度変調を起こす電圧を低下させる。   In the technique described in Patent Document 2, the p + type impurity region has a pattern width of 15 μm or more in order to improve surge resistance, thereby reducing the voltage that causes conductivity modulation by injecting minority carriers. .

また、特許文献3に記載される技術においては、JBS構造およびMPS構造において、p型不純物領域が、濃度が1×1017cm−3以上1×1022cm−3以下であるp型不純物元素と、p型不純物元素に対する濃度比が0.33より大きく1.0より小さなn型不純物元素とを組み合わせて形成される。これにより、アノード電極とp型不純物領域との間のコンタクト抵抗が低減され、サージ電流耐量が向上する。 In the technique described in Patent Document 3, in the JBS structure and the MPS structure, the p-type impurity element has a p-type impurity region having a concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 22 cm −3 or less. And an n-type impurity element whose concentration ratio to the p-type impurity element is greater than 0.33 and smaller than 1.0. Thereby, the contact resistance between the anode electrode and the p-type impurity region is reduced, and the surge current resistance is improved.

従来例であるJBS構造を有するSiCのSBDの平面パターンを図6に示す。図6に示すように、ショットキー接合が形成される複数の直線状のn型不純物領域(アクティブ領域)1が、長手方向をそろえて互いに平行かつ等間隔に配置される。すなわち、本従来例の平面パターンは、いわゆるラインアンドスペースパターンである。なお、n型不純物領域1は、図5におけるn−型SiCエピタキシャル層10の一部である。また、図6に示すように、n型不純物領域(1)は、p型不純物領域2に囲まれる。上述したように、p型不純物領域2は非導通領域となるので、n型不純物領域1およびp型不純物領域2を含む活性領域における実効的な導通領域の面積は、活性領域の面積よりもp型不純物領域2の面積分だけ減少する。このため、図4の単純構造のSBDよりも抵抗が増加する。   FIG. 6 shows a planar pattern of a SiC SBD having a JBS structure as a conventional example. As shown in FIG. 6, a plurality of linear n-type impurity regions (active regions) 1 in which Schottky junctions are formed are arranged in parallel with each other at equal intervals along the longitudinal direction. That is, the planar pattern of the conventional example is a so-called line and space pattern. N-type impurity region 1 is a part of n − type SiC epitaxial layer 10 in FIG. As shown in FIG. 6, the n-type impurity region (1) is surrounded by the p-type impurity region 2. As described above, since p-type impurity region 2 is a non-conducting region, the effective area of the conductive region in the active region including n-type impurity region 1 and p-type impurity region 2 is larger than the area of the active region. It decreases by the area of the type impurity region 2. For this reason, resistance increases compared with SBD of the simple structure of FIG.

このような抵抗増加を抑える技術が、特許文献1に開示されている。本技術を適用した従来例であるJBS構造を有するSiCのSBDの断面を図7に示す。図7に示すように、p型不純物領域2近傍で、n型不純物領域11のキャリア濃度をイオン注入により増加させる。このようなn型不純物領域11すなわち電流拡散層により、狭窄した電流経路12の抵抗が低減されると共に、p型不純物領域2の直下部にまで電流経路を拡げることができる。このため、図4の単純構造のSBDとほぼ同程度まで導通損失を低減できる。   A technique for suppressing such an increase in resistance is disclosed in Patent Document 1. FIG. 7 shows a cross section of a SiC SBD having a JBS structure, which is a conventional example to which the present technology is applied. As shown in FIG. 7, in the vicinity of the p-type impurity region 2, the carrier concentration of the n-type impurity region 11 is increased by ion implantation. By such an n-type impurity region 11, that is, a current diffusion layer, the resistance of the narrowed current path 12 is reduced, and the current path can be expanded to a position immediately below the p-type impurity region 2. Therefore, the conduction loss can be reduced to almost the same level as the SBD having the simple structure shown in FIG.

国際公開第2011/151901号International Publication No. 2011/151901 特開2011−151208号公報JP 2011-151208 A 特開2014−187115号公報JP 2014-187115 A

上記のように、SiC製のSBD(以下、「SiC−SBD」と記す)により、リカバリ特性に優れるユニポーラ素子のSBDが高電圧領域まで適用可能となり、さらにJBS構造の適用によりリーク電流が低減され、SiC−SBDの実用性が向上する。ただし、SiC−SBDにはシリコン製のPNダイオード(以下、「Si−PND」と記す)よりもサージ電流耐量が低いという問題がある。   As described above, the SBD made of SiC (hereinafter referred to as “SiC-SBD”) makes it possible to apply the SBD of a unipolar element excellent in recovery characteristics up to a high voltage region, and further, the leakage current is reduced by applying the JBS structure. The practicality of SiC-SBD is improved. However, SiC-SBD has a problem that the surge current withstand capability is lower than that of a silicon PN diode (hereinafter referred to as “Si-PND”).

サージ電流耐量は、ダイオードの順方向電流が、通常の使用条件から許容される最大値(定格値)を大幅に超えた場合であっても破壊しない限界の通電電流(非繰り返し条件下)であり、Si−PNDでは概略、定格電流の10倍程度は許容する。これに対し、単純構造のSiC−SBD(図4)のサージ電流耐量はSi−PNDの半分以下である。サージ電流耐量は、図5〜7に示すようなJBS構造のSiC−SBDにおいてさらに低下する。   The surge current withstand capability is the limit of the energizing current (under non-repetitive conditions) that does not break even when the forward current of the diode significantly exceeds the maximum value (rated value) allowed under normal operating conditions. The Si-PND generally allows about 10 times the rated current. On the other hand, the surge current resistance of the SiC-SBD having a simple structure (FIG. 4) is less than half that of the Si-PND. The surge current withstand capability is further reduced in a SiC-SBD having a JBS structure as shown in FIGS.

また、MPS構造のSiC−SBDでは、順バイアス時にp型不純物領域2から少数キャリアを注入するので、高温におけるオン電圧(V)の増大が抑えられ、サージ電流耐量の低下が抑えられる。しかしながら、SiCでMPS構造を導入すると、少数キャリアの注入により基底面転位(Basal Plane Dislocation:BPD)などの結晶欠陥が拡張する通電劣化や、少数キャリア注入によりスイッチング時のリカバリ損失が生じるという問題が新たに発生する。また、上述したような特許文献3に記載される技術、すなわち、アノード電極とp型不純物領域との間のコンタクト抵抗を低減してサージ電流耐量を向上する技術についても、MPS構造と同様の問題がある。 Further, in the SiC-SBD having the MPS structure, since minority carriers are injected from the p-type impurity region 2 at the time of forward bias, an increase in on-voltage (V F ) at a high temperature can be suppressed, and a decrease in surge current resistance can be suppressed. However, when the MPS structure is introduced with SiC, there are problems such as deterioration of energization in which crystal defects such as basal plane dislocation (BPD) expand due to minority carrier injection and recovery loss during switching due to minority carrier injection. Newly occurs. In addition, the technique described in Patent Document 3 as described above, that is, the technique for reducing the contact resistance between the anode electrode and the p-type impurity region and improving the surge current withstand capability, is the same problem as the MPS structure. There is.

さらに、パワー半導体モジュールを構成するために、MPS構造のSiCダイオードチップを複数並列に接続すると、次に説明するような問題が生じる。   Further, when a plurality of MPS-structured SiC diode chips are connected in parallel to constitute a power semiconductor module, the following problem arises.

図8は、半導体基体の導電型がn型であるMPS構造のSiC−SBDの順方向電流電圧(IV)特性の一例を示す。順方向電圧がショットキーバリアのビルトイン電圧を超えると、電流が流れ始め、IV特性の傾きはほぼ直線的である(図8中の矢印37)。この時、SBDの順方向特性が現れており、PN接合は導通していない。すなわちn型領域中への少数キャリア(ホール)注入は実質的に起きていない。さらに、電圧が上昇して、PN接合部にその内蔵電位を超える電圧が印加されるとPN接合からホールが注入されるため、電流値が急に増大する(図8中の矢印38)。回路的にはSBDとPNDが並列接続された状態のため、素子抵抗の低いPNDが導通を開始するため、ダイオード全体の抵抗が低下し、電圧ドロップ(図8中の矢印44)が現れる場合もある。   FIG. 8 shows an example of forward current voltage (IV) characteristics of an SiC-SBD having an MPS structure in which the conductivity type of the semiconductor substrate is n-type. When the forward voltage exceeds the built-in voltage of the Schottky barrier, current starts to flow and the slope of the IV characteristic is almost linear (arrow 37 in FIG. 8). At this time, the forward characteristic of the SBD appears and the PN junction is not conductive. That is, minority carrier (hole) injection into the n-type region does not substantially occur. Further, when the voltage rises and a voltage exceeding the built-in potential is applied to the PN junction, holes are injected from the PN junction, and the current value suddenly increases (arrow 38 in FIG. 8). Since SBD and PND are connected in parallel in terms of circuit, PND having a low element resistance starts to conduct, so that the resistance of the entire diode is lowered and a voltage drop (arrow 44 in FIG. 8) may appear. is there.

このとき、複数のダイオードチップが並列接続されていると、最初にPN接合が導通したダイオードチップに電流が集中するため、このダイオードチップが破壊しやすくなる。従って、MPS構造のSiC−SBDを用いても、パワー半導体モジュールとしては、サージ耐量が必ずしも向上しない。   At this time, if a plurality of diode chips are connected in parallel, the current concentrates on the diode chip in which the PN junction is first conducted, and this diode chip is likely to be destroyed. Therefore, even if the SiC-SBD having the MPS structure is used, the surge withstand capability is not necessarily improved as a power semiconductor module.

そこで、本発明は、SiC−SBD構造を有し、通電劣化やリカバリ損失の発生を伴うことなくサージ電流耐量を向上できるパワー半導体素子を提供する。   Therefore, the present invention provides a power semiconductor element having a SiC-SBD structure and capable of improving surge current resistance without energization deterioration and generation of recovery loss.

さらに、本発明は、SiC−SBD構造を有するパワー半導体素子が並列接続され、かつサージ耐量が向上できるパワー半導体モジュールを提供する。   Furthermore, the present invention provides a power semiconductor module in which power semiconductor elements having a SiC-SBD structure are connected in parallel and surge resistance can be improved.

上記課題を解決するために、本発明によるパワー半導体素子は、炭化珪素からなるショットキーバリアダイオードを備えるものであって、順方向電流が流れるアクティブ領域において、第1電極と、第1電極との間にショットキー接合部を構成する第1導電型の第1半導体領域と、第1電極に電気的に接続され、第1半導体領域との間にPN接合部を構成する第2導電型の第2半導体領域と、第1半導体領域に電気的に接続される第2電極と、を有し、定格電流の2倍より大きく3倍以下の範囲の順方向電流が流れると、PN接合部が導通を開始する。   In order to solve the above-described problem, a power semiconductor device according to the present invention includes a Schottky barrier diode made of silicon carbide, and includes an active region in which a forward current flows, and includes a first electrode and a first electrode. A first conductivity type first semiconductor region that forms a Schottky junction therebetween, and a second conductivity type second semiconductor that is electrically connected to the first electrode and forms a PN junction between the first semiconductor region Two semiconductor regions and a second electrode electrically connected to the first semiconductor region, and when a forward current in a range greater than twice the rated current and less than three times flows, the PN junction becomes conductive To start.

また、上記課題を解決するために、本発明によるパワー半導体モジュールは、炭化珪素からなるショットキーバリアダイオードを備える複数のパワー半導体素子を有し、複数のパワー半導体素子が並列接続されるものであって、パワー半導体素子は、順方向電流が流れるアクティブ領域において、第1電極と、第1電極との間にショットキー接合部を構成する第1導電型の第1半導体領域と、第1電極に電気的に接続され、第1半導体領域との間にPN接合部を構成する第2導電型の第2半導体領域と、第1半導体領域に電気的に接続される第2電極と、を有し、複数のパワー半導体素子の各々は、単独でPN接合部が導通する場合に流れる電流が、パワー半導体素子単独のサージ耐量よりも小さくなるように、PN接合部が導通する場合に流れる電流は、パワー半導体素子の素子抵抗によって制限される。   In order to solve the above problems, a power semiconductor module according to the present invention includes a plurality of power semiconductor elements each including a Schottky barrier diode made of silicon carbide, and the plurality of power semiconductor elements are connected in parallel. In the active region where forward current flows, the power semiconductor element includes a first conductivity type first semiconductor region that forms a Schottky junction between the first electrode and the first electrode, and a first electrode. A second conductive type second semiconductor region that is electrically connected and forms a PN junction with the first semiconductor region; and a second electrode that is electrically connected to the first semiconductor region. Each of the plurality of power semiconductor elements is used when the PN junction is conducted such that the current flowing when the PN junction is conducted independently is smaller than the surge withstand capability of the power semiconductor element alone. Current is limited by the element resistance of the power semiconductor device.

本発明によれば、定格電流の2倍より大きく3倍以下の範囲の順方向電流が流れると、PN接合部が導通を開始するので、通電劣化やリカバリ損失の発生を伴うことなくサージ電流耐量を向上できる。   According to the present invention, when a forward current in a range greater than twice the rated current and less than or equal to three times flows, the PN junction starts to conduct, so that the surge current withstand capability without energization deterioration or occurrence of recovery loss. Can be improved.

また、本発明によれば、単独でPN接合が導通する場合に流れる電流が、パワー半導体素子単独のサージ耐量よりも小さくなるように、PN接合部が導通する場合に流れる電流は、パワー半導体素子の素子抵抗によって制限されるので、パワー半導体モジュールのサージ耐量が向上する。   In addition, according to the present invention, the current that flows when the PN junction is conducted is reduced so that the current that flows when the PN junction is conducted alone is smaller than the surge resistance of the power semiconductor device alone. Therefore, the surge withstand capability of the power semiconductor module is improved.

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。   Problems, configurations, and effects other than those described above will become apparent from the following description of embodiments.

本発明の実施例1であるパワー半導体素子の平面パターンを示す。The plane pattern of the power semiconductor element which is Example 1 of this invention is shown. 一般的なパワー半導体モジュールの構成を模式的に示す組図である。It is an assembly figure showing typically composition of a general power semiconductor module. 図11の半導体パワーモジュールによって構成される回路構成例を示す。12 shows a circuit configuration example constituted by the semiconductor power module of FIG. 従来例である単純構造を有するSiC−SBDの断面を示す。The cross section of SiC-SBD which has a simple structure which is a prior art example is shown. 従来例であるJBS構造を有するSiC−SBDの断面を示す。The cross section of SiC-SBD which has a JBS structure which is a prior art example is shown. 従来例であるJBS構造を有するSiC−SBDの平面パターンを示す。The plane pattern of SiC-SBD which has a JBS structure which is a prior art example is shown. 特許文献1の技術を適用したSiC−SBDの断面を示す。The cross section of SiC-SBD to which the technique of patent document 1 is applied is shown. MPS構造のSiC−SBDの順方向電流電圧特性例を示す。The example of the forward direction current voltage characteristic of SiC-SBD of a MPS structure is shown. 実施例1のパワー半導体素子の縦方向断面を示す。The longitudinal direction cross section of the power semiconductor element of Example 1 is shown. 実施例1のSiC−SBDが用いられるパワー半導体モジュールにおける絶縁回路基板のレイアウト構成を示す。The layout structure of the insulated circuit board in the power semiconductor module in which SiC-SBD of Example 1 is used is shown. 図10の絶縁回路基板を備える半導体モジュールの構成を示す組図である。It is a set figure which shows the structure of a semiconductor module provided with the insulated circuit board of FIG. 本実施例1のSiC−SBDの順方向電流電圧特性例を示す。The example of the forward direction current voltage characteristic of SiC-SBD of the present Example 1 is shown. 通電状態でのキャリアの流れを模式的に示す。The carrier flow in the energized state is schematically shown. 電流電圧特性変化時におけるキャリアの流れを模式的に示す。A carrier flow at the time of a current voltage characteristic change is shown typically. 本実施例1のSiC−SBDの電流電圧特性、ショットキーダイオード部の電流電圧特性およびPNダイオード部の電流電圧特性を示す。The current-voltage characteristics of the SiC-SBD of the first embodiment, the current-voltage characteristics of the Schottky diode section, and the current-voltage characteristics of the PN diode section are shown. 本実施例1におけるp型不純物領域のライン幅とIPNの関係を示す。The relationship between the line width of the p-type impurity region and IPN in Example 1 is shown. 本発明の実施例2であるパワー半導体素子におけるn型不純物領域のドナー濃度とホールの注入が開始される電流の関係を示す。The relationship between the donor density | concentration of the n-type impurity area | region in the power semiconductor element which is Example 2 of this invention, and the electric current which starts injection | pouring of a hole is shown. n型不純物領域の電気抵抗を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the electrical resistance of an n-type impurity region. 並列接続されるSiC−SBDを示す模式的な等価回路図である。It is a typical equivalent circuit diagram which shows SiC-SBD connected in parallel. 寄生抵抗が付加されたSiC−SBDの平面図である。It is a top view of SiC-SBD to which parasitic resistance was added.

本発明の一実施形態である、パワー半導体素子は、SiCからなるショットキーバリアダイオードを備えるものであって、順方向電流が流れるアクティブ領域において、第1電極と、第1電極との間にショットキー接合部を構成する第1導電型の第1半導体領域と、第1電極に電気的に接続され、第1半導体領域との間にPN接合部を構成する第2導電型の第2半導体領域と、第1半導体領域に電気的に接続される第2電極と、を有する。本実施形態におけるショットキーバリアダイオードはMPS構造を備えている。なお、好ましくは、第2導電型の第2半導体領域は、第1領域と、第1領域内に位置し、第1領域よりも不純物濃度の高い第2領域と、を有する。第1領域はJBS構造として機能し、第2領域は少数キャリアの注入に寄与する。   A power semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes a Schottky barrier diode made of SiC, and in an active region in which a forward current flows, is shot between the first electrode and the first electrode. The second conductivity type second semiconductor region which is electrically connected to the first electrode and which forms the PN junction between the first conductivity type first semiconductor region constituting the key junction and the first electrode. And a second electrode electrically connected to the first semiconductor region. The Schottky barrier diode in this embodiment has an MPS structure. Preferably, the second conductivity type second semiconductor region includes a first region and a second region located in the first region and having a higher impurity concentration than the first region. The first region functions as a JBS structure, and the second region contributes to minority carrier injection.

第1電極、第1導電型の第1半導体領域、第2導電型の第2半導体領域、第2電極は、後述する実施例において、それぞれ、ショットキー電極15を含むアノード電極6、n+型SiC基板5とn−型SiCエピタキシャル層10とn型不純物領域11を含むn型の半導体領域、p型不純物領域2(第1領域)およびp+型不純物領域18(第2領域)を含むp型の半導体領域、カソード電極3に相当する。   The first electrode, the first conductivity type first semiconductor region, the second conductivity type second semiconductor region, and the second electrode are the anode electrode 6 including the Schottky electrode 15 and the n + type SiC, respectively, in the examples described later. An n-type semiconductor region including substrate 5, n − -type SiC epitaxial layer 10 and n-type impurity region 11, p-type impurity region 2 (first region), and p-type impurity region 18 (second region). The semiconductor region corresponds to the cathode electrode 3.

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。なお、以下の説明において、n−,n,n+は半導体の導電型がn型であり、この順に不純物濃度およびキャリア濃度が相対的に高いことを示す。また、p−,p,p+は半導体の導電型がp型であり、この順に不純物濃度およびキャリア濃度が相対的に高いことを示す。   In each figure, the same reference numerals indicate the same constituent elements or constituent elements having similar functions. In the following description, n−, n, and n + indicate that the conductivity type of the semiconductor is n-type, and the impurity concentration and the carrier concentration are relatively high in this order. Further, p−, p, and p + indicate that the conductivity type of the semiconductor is p-type, and the impurity concentration and the carrier concentration are relatively high in this order.

図1は、本発明の実施例1であるパワー半導体素子の平面パターンを示す。本実施例1のパワー半導体素子はMPS構造を有するn型のSiC−SBDであり、図1はアノード側の平面パターンを示す。   FIG. 1 shows a planar pattern of a power semiconductor element that is Embodiment 1 of the present invention. The power semiconductor element of Example 1 is an n-type SiC-SBD having an MPS structure, and FIG. 1 shows a planar pattern on the anode side.

図1に示すように、本実施例のSiC−SBDは、電流が流れるアクティブ領域1と、アクティブ領域1を囲み、電圧阻止状態においてチップ外周部の電界を緩和して所望の耐圧を確保する周縁領域13とを有する。周縁領域13における、アクティブ領域1との境界部7には、いわゆるJTE構造(Junction Termination Extension)を構成するp型不純物領域が設けられる。なお、図1中に記載される二本の破線の内、内側の破線内の領域がアクティブ領域1であり、二本の破線の間の領域が周縁領域13である。   As shown in FIG. 1, the SiC-SBD of the present embodiment surrounds the active region 1 through which current flows and the active region 1, and relaxes the electric field at the outer periphery of the chip in a voltage blocking state to ensure a desired breakdown voltage. Region 13. A p-type impurity region constituting a so-called JTE structure (Junction Termination Extension) is provided at the boundary portion 7 with the active region 1 in the peripheral region 13. Of the two broken lines shown in FIG. 1, the area within the inner broken line is the active area 1, and the area between the two broken lines is the peripheral area 13.

アクティブ領域1においては、複数の直線状のショットキー領域12が、長手方向をそろえて互いに平行かつ等間隔に配置される。すなわち、SiC−SBDのアノード側主表面において、複数の直線状のショットキー領域12は、いわゆるラインアンドスペースパターンをなす。また、複数のショットキー領域12の各々の周囲には、ショットキー領域12に接するようにp型不純物領域2が設けられる。p型不純物領域2内には、p型不純物領域2よりも不純物濃度が高い、複数の直線状のp+型不純物領域18が設けられる。複数の直線状のp+型不純物領域18は、長手方向をそろえて互いに平行かつ等間隔に配置される。従って、複数の直線状p+型不純物領域18は、ショットキー領域12と同様にラインアンドスペースパターンをなす。さらに、各p+型不純物領域18は隣り合うショットキー領域12の間に位置し、p+型不純物領域18の直線状パターンとショットキー領域12の直線状パターンは交互にかつ互いに平行に配置される。   In the active region 1, a plurality of linear Schottky regions 12 are arranged in parallel with each other at equal intervals along the longitudinal direction. That is, on the main surface on the anode side of the SiC-SBD, the plurality of linear Schottky regions 12 form a so-called line and space pattern. A p-type impurity region 2 is provided around each of the plurality of Schottky regions 12 so as to be in contact with the Schottky region 12. In the p-type impurity region 2, a plurality of linear p + -type impurity regions 18 having an impurity concentration higher than that of the p-type impurity region 2 are provided. The plurality of linear p + type impurity regions 18 are arranged in parallel with each other at equal intervals along the longitudinal direction. Accordingly, the plurality of linear p + -type impurity regions 18 form a line and space pattern as with the Schottky region 12. Further, each p + -type impurity region 18 is located between adjacent Schottky regions 12, and the linear pattern of p + -type impurity region 18 and the linear pattern of Schottky region 12 are alternately arranged in parallel with each other.

図9は、図1に示す実施例1のパワー半導体素子の縦方向断面を示す。   FIG. 9 shows a longitudinal section of the power semiconductor element of Example 1 shown in FIG.

図9に示すように、n+型SiC基板5に、n+型SiC基板5よりも不純物濃度が低いn−型SiCエピタキシャル層10が縦方向に接する。n−型SiCエピタキシャル層10の厚さは、定格耐圧3.3kVの場合、30μm程度である。複数のショットキー領域12を含むアクティブ領域において、n−型SiCエピタキシャル層10には、n−型SiCエピタキシャル層10よりも不純物濃度が高いn型不純物領域11が縦方向に接する。p型不純物領域2はn型不純物領域11内に位置し、p+型不純物領域18はp+型不純物領域2内に位置する。p型不純物領域2とn型不純物領域11とは互いに接するので、p型不純物領域2とn型不純物領域11はpn接合を構成する。アノード側表面からのn型不純物領域11の深さ、すなわちn−型SiCエピタキシャル層10とn型不純物領域11の接合部の深さは、p型不純物領域2とn型不純物領域11のpn接合部の深さよりも深い。n型不純物領域11は、前述の従来例(図7)における電流拡散層に相当する。従って、従来例と同様に、ショットキー領域12における狭窄した電流通路の抵抗が低減されると共に、電流の流れる領域が、横方向に広がり抵抗が低減するため、導通損失が低減できる。   As shown in FIG. 9, an n− type SiC epitaxial layer 10 having an impurity concentration lower than that of the n + type SiC substrate 5 is in contact with the n + type SiC substrate 5 in the vertical direction. The thickness of the n− type SiC epitaxial layer 10 is about 30 μm when the rated breakdown voltage is 3.3 kV. In the active region including the plurality of Schottky regions 12, the n − type SiC epitaxial layer 10 is in contact with the n type impurity region 11 having a higher impurity concentration than the n − type SiC epitaxial layer 10 in the vertical direction. P type impurity region 2 is located in n type impurity region 11, and p + type impurity region 18 is located in p + type impurity region 2. Since p-type impurity region 2 and n-type impurity region 11 are in contact with each other, p-type impurity region 2 and n-type impurity region 11 form a pn junction. The depth of the n-type impurity region 11 from the anode side surface, that is, the depth of the junction between the n − -type SiC epitaxial layer 10 and the n-type impurity region 11 is determined by the pn junction between the p-type impurity region 2 and the n-type impurity region 11. Deeper than the depth of the part. N-type impurity region 11 corresponds to the current diffusion layer in the above-described conventional example (FIG. 7). Accordingly, as in the conventional example, the resistance of the narrow current path in the Schottky region 12 is reduced, and the current flowing region is expanded in the lateral direction to reduce the resistance, so that the conduction loss can be reduced.

アノード側主表面において、ショットキー電極15がn型不純物領域11並びにp型不純物領域2およびp+型不純物領域18p+型不純物領域18に接触する。これによりn型不純物領域11とショットキー電極15との間にショットキー接合が構成される。さらに、ショットキー電極15上にはアノード電極16が、ショットキー電極15の表面を覆うように設けられる。また、カソード側主表面において、カソード電極3が、アクティブ領域から周縁領域にわたってn+型SiC基板5に接触する。なお、アノード電極6は、後述するパワー半導体モジュールなどにおいて配線接続用の端子となる。アノード電極6とカソード電極3の間に順方向電圧が与えられると、ショットキー接合が順バイアスされ、n型不純物領域11が導通領域となって、SiC−SBDは順方向電流通電状態となる。ここで、本実施例においては、ショットキー接合のバリアハイトが、p型不純物領域2とn型不純物領域11によって構成されるpn接合のバリアハイトよりも低いため、順方向電圧が印加されると、まずショットキー領域12に電流が流れ、順方向電圧がある閾値電圧を超えてpn接合にバリアハイトを超える電圧がかかるとpn接合部にも電流が流れる。   On the anode-side main surface, Schottky electrode 15 is in contact with n-type impurity region 11, p-type impurity region 2 and p + -type impurity region 18 p + -type impurity region 18. As a result, a Schottky junction is formed between the n-type impurity region 11 and the Schottky electrode 15. Further, an anode electrode 16 is provided on the Schottky electrode 15 so as to cover the surface of the Schottky electrode 15. Further, on the cathode-side main surface, the cathode electrode 3 contacts the n + -type SiC substrate 5 from the active region to the peripheral region. The anode electrode 6 serves as a wiring connection terminal in a power semiconductor module or the like to be described later. When a forward voltage is applied between the anode electrode 6 and the cathode electrode 3, the Schottky junction is forward biased, the n-type impurity region 11 becomes a conduction region, and the SiC-SBD enters a forward current conduction state. Here, in this embodiment, since the barrier height of the Schottky junction is lower than the barrier height of the pn junction constituted by the p-type impurity region 2 and the n-type impurity region 11, when a forward voltage is applied, When a current flows through the Schottky region 12 and a forward voltage exceeds a certain threshold voltage and a voltage exceeding the barrier height is applied to the pn junction, a current also flows through the pn junction.

また、アノード電極6とカソード電極3の間に逆方向電圧が与えられると、ショットキー接合が逆バイアスされて、SiC−SBDは阻止状態になる。このとき、p型不純物領域2とn型不純物領域11の間のpn接合から延びる空乏層がショットキー接合を覆うのでショットキー接合部の電界を緩和する。これにより、リーク電流が低減されると共に、高電圧を阻止することができる。   Further, when a reverse voltage is applied between the anode electrode 6 and the cathode electrode 3, the Schottky junction is reverse-biased, and the SiC-SBD enters a blocking state. At this time, since the depletion layer extending from the pn junction between the p-type impurity region 2 and the n-type impurity region 11 covers the Schottky junction, the electric field at the Schottky junction is relaxed. Thereby, the leakage current is reduced and a high voltage can be prevented.

アクティブ領域の外側の周縁領域において、n−型SiCエピタキシャル層10のアノード側表面部に、p型不純物領域13によってJTE(Junction Termination Extension)構造が構成される。p型不純物領域13は、アクティブ領域の外周(図1の符号7の領域に相当)において、n型不純物領域11に接触する。JTE構造により、SiC−SBDのチップ終端部の電界が緩和されるので、所望の高耐圧が確保できる。周縁領域において、JTE構造よりも外側のチップ外周部においては、n−型SiCエピタキシャル層10のアノード側表面に設けられるn+型不純物領域からなるチャネルストッパ14が設けられる。なお、JTE構造およびチャネルストッパ14は、アノード側主表面において、環状パターンを有する。   In the peripheral region outside the active region, a JTE (Junction Termination Extension) structure is formed by the p-type impurity region 13 on the anode side surface of the n − -type SiC epitaxial layer 10. The p-type impurity region 13 is in contact with the n-type impurity region 11 on the outer periphery of the active region (corresponding to the region denoted by reference numeral 7 in FIG. 1). Since the electric field at the end of the SiC-SBD chip is relaxed by the JTE structure, a desired high breakdown voltage can be ensured. In the peripheral region, a channel stopper 14 made of an n + type impurity region provided on the anode side surface of the n− type SiC epitaxial layer 10 is provided on the outer periphery of the chip outside the JTE structure. The JTE structure and the channel stopper 14 have an annular pattern on the anode side main surface.

図10は、本実施例のSiC−SBDが用いられるパワー半導体モジュールにおける絶縁回路基板のレイアウト構成を示す。   FIG. 10 shows a layout configuration of an insulating circuit board in a power semiconductor module in which the SiC-SBD of this embodiment is used.

本絶縁回路基板22は、セラミック絶縁基板と、その表面上に接合される、導体層からなる左右対称な回路パターンを有する。回路パターン上には、シリコン(Si)からなるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)23が4チップ、およびSiC−SBD24が10チップ搭載され、左右対称に配置さる。各IGBT23のチップ裏面側に設けられるコレクタ電極と、各SiC−SBD24のチップ裏面側に設けられるカソード電極が回路パターンに電気的に接合される。各IGBT23のチップ表面側に設けられるエミッタ電極と、各SiC−SBD24のチップ表面側に設けられるアノード電極は、金属ワイヤ53を介して回路パターンに電気的に接続される。回路パターンにおける主端子コンタクト52には、配線電極が接合される。   The insulated circuit board 22 has a symmetrical circuit pattern composed of a ceramic insulated substrate and a conductor layer bonded on the surface thereof. On the circuit pattern, 4 chips of IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 23 made of silicon (Si) and 10 chips of SiC-SBD 24 are mounted and arranged symmetrically. A collector electrode provided on the chip back surface side of each IGBT 23 and a cathode electrode provided on the chip back surface side of each SiC-SBD 24 are electrically joined to the circuit pattern. The emitter electrode provided on the chip surface side of each IGBT 23 and the anode electrode provided on the chip surface side of each SiC-SBD 24 are electrically connected to the circuit pattern via the metal wire 53. A wiring electrode is joined to the main terminal contact 52 in the circuit pattern.

なお、図10において、絶縁回路基板の右半分については、金属ワイヤ53の記載を省略している。   In FIG. 10, the metal wire 53 is not shown in the right half of the insulated circuit board.

図11は、図10の絶縁回路基板を備える半導体モジュールの構成を示す組図である。本パワー半導体モジュールは、パワー半導体素子として、スイッチング素子であるシリコンのIGBTおよびSiC−SBDを搭載するSiCハイブリッドモジュールである。   FIG. 11 is a set diagram illustrating a configuration of a semiconductor module including the insulated circuit board of FIG. This power semiconductor module is a SiC hybrid module in which silicon IGBT and SiC-SBD, which are switching elements, are mounted as power semiconductor elements.

図11に示すように、本パワー半導体モジュールにおいては、絶縁回路基板22が、複数個、すなわち4個、樹脂ケース25内に格納される。なお、絶縁回路基板22は、樹脂ケース底部に接着される放熱用金属基板上に接着されても良い。複数の絶縁回路基板に、外部端子を備える配線電極21が接続される。従って、配線電極21も樹脂ケース内に収納される。樹脂ケース25内には、樹脂ケース内の各部材の保護や絶縁のために図示されないゲル状樹脂が充填され、蓋が取り付けられる。配線電極21が有する外部端子は、蓋を通って樹脂ケース25の外部に取り出される。なお、IGBT、SiC−SBDおよび絶縁基板の個数は、パワー半導体モジュールとしての所望の電流特性や電圧特性に応じて設定される。   As shown in FIG. 11, in the power semiconductor module, a plurality of, that is, four, insulating circuit boards 22 are stored in a resin case 25. The insulated circuit board 22 may be bonded onto a heat dissipation metal substrate that is bonded to the bottom of the resin case. A wiring electrode 21 having external terminals is connected to the plurality of insulated circuit boards. Therefore, the wiring electrode 21 is also accommodated in the resin case. The resin case 25 is filled with a gel resin (not shown) for protecting and insulating each member in the resin case, and a lid is attached. The external terminal of the wiring electrode 21 is taken out of the resin case 25 through the lid. The numbers of IGBTs, SiC-SBDs, and insulating substrates are set according to desired current characteristics and voltage characteristics as the power semiconductor module.

図3は、図11の半導体パワーモジュールによって構成される回路構成の一例を示す。図3に示すように、IGBTとSiC−SBDの逆並列回路が二組構成される。なお、図10に示す一枚の絶縁回路基板においては一つの逆並列回路が構成され、このような絶縁回路基板を複数個(例えば、2個)用いて、半導体パワーモジュールの一組の逆並列回路が構成される。ここで、複数個の絶縁回路基板上構成される逆並列回路が、配線電極21によって樹脂ケース25内において並列接続されると共に、外部配線を接続するための外部端子(G:ゲート端子、E:エミッタ端子、C:コレクタ端子)が取り出される。   FIG. 3 shows an example of a circuit configuration constituted by the semiconductor power module of FIG. As shown in FIG. 3, two sets of anti-parallel circuits of IGBT and SiC-SBD are configured. Note that one insulating circuit board shown in FIG. 10 constitutes one antiparallel circuit, and a plurality of (for example, two) such insulating circuit boards are used to form a set of semiconductor power modules. A circuit is constructed. Here, anti-parallel circuits configured on a plurality of insulated circuit boards are connected in parallel in the resin case 25 by the wiring electrodes 21 and external terminals (G: gate terminals, E: for connecting external wirings). Emitter terminal, C: collector terminal) is taken out.

以下、本実施例のSiC−SBDの動作について、図12〜15を用いて説明する。   Hereinafter, the operation of the SiC-SBD of the present embodiment will be described with reference to FIGS.

図12は、本実施例のSiC−SBDの順方向電流電圧(IV)特性の一例を示す。   FIG. 12 shows an example of forward current voltage (IV) characteristics of the SiC-SBD of this example.

順方向電圧を0Vから増加させると、ショットキーバリアのビルトイン電圧(図12の符号30参照)を超える電圧値から実質的に順方向電流が流れ出し、その後は微分抵抗がほぼ一定の傾きをもって電圧に比例して電流が増加する。このような特性は、SiC−SBDがユニポーラ素子であり、本実施例では電子のみが電流キャリアとなることに起因する。すなわちこの時、ショットキー接合部およびPN接合部の内、実質、ショットキー接合部のみが導通している。電流が増加すると、自己発熱による温度上昇により素子抵抗が増加するため、電流電圧特性の傾きが直線的な傾きから乖離して上に凸の曲線状となり、電圧に対して電流は緩やかに増加する(図12中の矢印31参照)。本実施例の場合、一般的なユニポーラ素子と同様に、通電状態(図12の矢印30〜31)の素子抵抗は絶対温度の2.5〜3乗に比例して増加するので、高温では電圧降下が大きくなる。   When the forward voltage is increased from 0V, a forward current substantially flows out from a voltage value exceeding the Schottky barrier built-in voltage (see reference numeral 30 in FIG. 12), and thereafter, the differential resistance becomes a voltage with a substantially constant slope. The current increases proportionally. Such characteristics are caused by the fact that SiC-SBD is a unipolar element, and in this embodiment, only electrons become current carriers. That is, at this time, only the Schottky junction is substantially conductive among the Schottky junction and the PN junction. When the current increases, the element resistance increases due to the temperature rise due to self-heating, so the slope of the current-voltage characteristic deviates from the linear slope and becomes a convex curve, and the current increases slowly with respect to the voltage. (See arrow 31 in FIG. 12). In the case of the present embodiment, as in a general unipolar element, the element resistance in the energized state (arrows 30 to 31 in FIG. 12) increases in proportion to the absolute temperature of 2.5 to the third power. The descent increases.

図13は、上記通電状態でのキャリアの流れを模式的に示す。図13に示すように、ショットキー接合部からの電子の流れ33が電流を構成している。   FIG. 13 schematically shows the carrier flow in the energized state. As shown in FIG. 13, the electron flow 33 from the Schottky junction constitutes a current.

さらに電圧が高くなると、図12に示すように(図12の矢印32参照)、電流電圧特性が大きく変化し、電流が急に増大する。この時の素子内の状態を図14に示す。   When the voltage further increases, as shown in FIG. 12 (see arrow 32 in FIG. 12), the current-voltage characteristic changes greatly, and the current suddenly increases. The state in the element at this time is shown in FIG.

図14は、電流電圧特性変化時におけるキャリアの流れを模式的に示す。ショットキー領域部からの電子の流れ33に加えて、p+型不純物領域から注入されるホールの流れ34も電流を構成するようになる。ここで、ホールの注入が開始される電流および電圧を、それぞれIPNおよびVPNとする。SiC−SBDにVPN以上の電圧が印加されると、PN接合部において最も電位が高くなるパターン中央部でPN接合部が導通し、ホールの注入が開始される。 FIG. 14 schematically shows the flow of carriers when the current-voltage characteristic changes. In addition to the electron flow 33 from the Schottky region, the hole flow 34 injected from the p + -type impurity region also forms a current. Here, the current and voltage at which hole injection is started are I PN and V PN , respectively. When a voltage equal to or higher than V PN is applied to the SiC-SBD, the PN junction becomes conductive at the center of the pattern where the potential is highest at the PN junction, and hole injection is started.

ホール注入開始後の素子抵抗が、ショットキー領域にのみ電流が流れる通電状態よりも大きく低下する場合には、図12に示すように(矢印32)、順方向電圧が一旦低下する電圧ドロップ(スナップバック)が見られる。その後の電流電圧特性においては、大電流域で比較的低抵抗なPNダイオードとしての特性が支配的となるため、微分抵抗が連続的に変化するPNダイオードとしての電流電圧特性(図12の矢印35参照)に遷移する。   When the element resistance after the start of hole injection is significantly lower than the energized state in which current flows only in the Schottky region, as shown in FIG. 12 (arrow 32), a voltage drop (snap) that temporarily decreases the forward voltage. Back) is seen. In the subsequent current-voltage characteristics, the characteristics as a PN diode having a relatively low resistance in a large current region dominate. Therefore, the current-voltage characteristics as a PN diode whose differential resistance changes continuously (arrow 35 in FIG. 12) Transition to Reference).

図15に、本実施例のSiC−SBDの電流電圧特性(実線36)、このSiC−SBDにおけるショットキーダイオード部の電流電圧特性(破線37)およびPNダイオード部の電流電圧特性(点線38)を示す。自己発熱による計測誤差が無いとすると、SiC−SBDの電流電圧特性から、直線的なショットキーダイオード部の電流電圧特性を引けばPNダイオード部の電流電圧特性、すなわちPN接合部の導通の様子が判り、PN接合部の導通の様子を考慮して、ホールの注入が開始される電流および電圧(IPN,VPN)を設定することができる。なお、後述するように、(IPN,VPN)は、PN接合部の局所的な電位およびショットキー領域の電位に依存するので、p型半導体領域2のパターン寸法や、n型不純物領域11の電気抵抗すなわち不純物濃度によって制御できる。 FIG. 15 shows the current-voltage characteristics (solid line 36) of the SiC-SBD of this example, the current-voltage characteristics of the Schottky diode part (broken line 37), and the current-voltage characteristics (dotted line 38) of the PN diode part in this SiC-SBD. Show. If there is no measurement error due to self-heating, subtracting the linear Schottky diode current-voltage characteristics from the SiC-SBD current-voltage characteristics, the current-voltage characteristics of the PN diode section, that is, the PN junction conduction state As can be seen, the current and voltage (I PN , V PN ) at which hole injection is started can be set in consideration of the conduction state of the PN junction. As will be described later, since (I PN , V PN ) depends on the local potential of the PN junction and the potential of the Schottky region, the pattern size of the p-type semiconductor region 2 and the n-type impurity region 11 Can be controlled by the electrical resistance of the substrate, that is, the impurity concentration.

以下、(IPN,VPN)の設定について説明する。 Hereinafter, the setting of (I PN , V PN ) will be described.

(IPN,VPN)の値をある範囲に設定することにより、ホールの注入に伴う通電劣化現象を防止しつつ、PNダイオード部を動作させることによりサージ耐量を向上することができる。本発明者の検討によれば、PN接合が導通開始する電流値IPNの値を、定格電流の2倍よりも大きくかつ3倍以下の範囲に設定する。 By setting the values of (I PN , V PN ) within a certain range, surge resistance can be improved by operating the PN diode portion while preventing the deterioration of energization due to hole injection. According to the study of the present inventors, the value of the current value IPN at which the PN junction starts to conduct is set in a range larger than twice the rated current and not larger than three times.

パワー半導体モジュールの定格電流は連続通電を許容する最大の電流値として定義するが、通常、パルス幅1ms以下の繰り返しパルス通電であれば、定格電流の2倍までの電流値が許容される。定格電流の2倍を超える電流値の許容値は、非繰り返しのサージ電流に対して設定される。従って、IPNを定格電流の2倍を超える値に設定すれば、通常の繰り返し動作条件下では、PNダイオード部は実質動作しないので、通電劣化現象を防止できる。また、IPNをあまり高い電流値とすると、PNダイオード部よりもサージ耐量が低いショットキーダイオード部が損傷する。本発明者らの検討によれば、ショットキーダイオード部のサージ耐量は、定格の3倍までは確保できる。従って、IPNを定格電流の2倍を超えて3倍以下の電流値に設定することにより、通電劣化を伴わずに、サージ耐量を向上することができる。本発明者の検討によれば、少なくとも定格電流の6倍から10倍のサージ耐量が得られる。なお、通常の通電状態では、PNダイオード部は動作しないので、スイッチング時のリカバリ損失を低減できる。 The rated current of the power semiconductor module is defined as the maximum current value that allows continuous energization, but normally, if the repeated pulse energization has a pulse width of 1 ms or less, a current value up to twice the rated current is allowed. An allowable value of a current value exceeding twice the rated current is set for a non-repetitive surge current. Therefore, if I PN is set to a value exceeding twice the rated current, the PN diode section does not substantially operate under normal repetitive operating conditions, so that a current deterioration phenomenon can be prevented. Further, if I PN is set to a very high current value, the Schottky diode part having a surge resistance lower than that of the PN diode part is damaged. According to the study by the present inventors, the surge resistance of the Schottky diode part can be secured up to three times the rating. Therefore, by setting the I PN to the current value of 3 times or less than twice the rated current, without energization degradation, thereby improving the surge resistance. According to the inventor's study, a surge withstand capability of at least 6 to 10 times the rated current can be obtained. In a normal energized state, the PN diode portion does not operate, so that recovery loss during switching can be reduced.

ここで、素子の定格電流値は、電力損失をP、熱抵抗をRth、接合温度をT、環境温度をTambとするとP×Rth=T−Tambという関係にある接合温度Tの上限Tjmaxが、予め決められたパッケージでの最高許容温度(通常は125℃ないし150℃)を超えないように設定される。例えば、3.3kVのSiC−SBDを用いたパワー半導体モジュールの場合、素子の損失特性やパッケージの熱抵抗、使用する環境温度にも依存するが、定格電流値は、電流密度で規格化して、概ね100A/cm以上175A/cm以下の範囲となる。このとき、SiC−SBDのサージ耐量は、素子の通電損失による発熱と過渡的な排熱量のバランスで決まる温度が、熱暴走が起きる限界温度に達することで制限される。このため、サージ耐量は、素子電流密度、過渡熱抵抗、環境温度の影響を受けて、定格電流の3倍以上から6倍の範囲内の電流値となる。 Here, the rated current value of the element is a junction temperature having a relationship of P × R th = T j −T amb where P is a power loss, R th is a thermal resistance, T j is a junction temperature, and T amb is an environmental temperature. The upper limit T jmax of T j is set so as not to exceed the maximum allowable temperature (usually 125 ° C. to 150 ° C.) in a predetermined package. For example, in the case of a power semiconductor module using a 3.3 kV SiC-SBD, the rated current value is normalized by the current density, although it depends on the loss characteristics of the element, the thermal resistance of the package, and the ambient temperature used. It becomes approximately 100A / cm 2 or more 175A / cm 2 or less. At this time, the surge withstand capability of the SiC-SBD is limited when the temperature determined by the balance between the heat generated by the energization loss of the element and the transient exhaust heat amount reaches the limit temperature at which thermal runaway occurs. For this reason, the surge resistance is affected by the element current density, the transient thermal resistance, and the environmental temperature, and becomes a current value in the range of 3 times to 6 times the rated current.

上述したように、本発明者の検討によれば、IPNを定格の2倍よりも大きくかつ3倍以下の電流値に設定することで、MPS構造を有するSiC−SBDにおける通電劣化の防止とサージ耐量向上が両立できる。 As described above, according to the study of the present inventors, by setting the I PN to large and 3 times or less of the current value than twice the nominal, and preventing energization degradation in SiC-SBD having the MPS structure Both surge resistance can be improved.

次に、IPNの具体的設定手段について説明する。 Next, detailed setting means I PN.

図16は、本実施例におけるp型不純物領域2のライン幅(Line width)とIPNの関係をしめす。ここで、ライン幅は、図9の断面図におけるp型不純物領域2の幅寸法39に相当する。なお、n型不純物領域11の不純物濃度を電流拡散層として好ましい3×1015atoms/cm(実線)および2×1016atoms/cm(破線)とする。なお、本発明者の検討によれば、これらの不純物濃度の値は、特に、耐圧3.3kV級のSiC−SBDに対して好適である。また、図16において、縦軸はIPNを定格電流Iで規格化した値を示す。 Figure 16 is a line width of the p-type impurity region 2 in the present embodiment (Line width) and shows the I PN relationship. Here, the line width corresponds to the width dimension 39 of the p-type impurity region 2 in the cross-sectional view of FIG. Note that the impurity concentration of the n-type impurity region 11 is 3 × 10 15 atoms / cm 3 (solid line) and 2 × 10 16 atoms / cm 3 (broken line), which are preferable for the current diffusion layer. According to the study of the present inventor, these impurity concentration values are particularly suitable for a SiC-SBD having a breakdown voltage of 3.3 kV. Further, in FIG. 16, the vertical axis represents the value normalized by the rated current I 0 to I PN.

図16に示すように、p型不純物領域のライン幅が広くなると、ショットキー電極15からp型不純物領域2の幅方向中央までの経路における、n型不純物領域11の電位降下量が大きくなるために、p型不純物領域2とn型不純物領域11が構成するPN接合にかかる電圧が高くなる。このため、p型不純物領域2のライン幅を広げるとPN接合が導通しやすくなる。従って、図16のような関係に基づき、p型不純物領域2のライン幅によってIPNを所望の範囲、すなわち定格電流の2倍より大きく3倍以下の電流値に設定できる。図16の関係に基づけば、本実施例においては、ライン幅を1.5μm以上10μm以下の範囲40として、n型不純物領域11の不純物濃度を3×1015atoms/cm以上2×1016atoms/cm以下の範囲内で適宜設定すれば、IPNを定格電流の2倍より大きく3倍以下の電流値に設定できる。本発明者の検討によれば、耐圧3.3kV級の場合、他の特性(耐圧、オン電圧など)とのバランスを考慮すると、一例として、p型不純物領域2のライン幅を7μmに設定し、n型不純物領域11の不純物濃度を2×1016atoms/cm程度に最適化することが好ましい。 As shown in FIG. 16, when the line width of the p-type impurity region is increased, the potential drop amount of the n-type impurity region 11 in the path from the Schottky electrode 15 to the center in the width direction of the p-type impurity region 2 is increased. In addition, the voltage applied to the PN junction formed by the p-type impurity region 2 and the n-type impurity region 11 increases. For this reason, when the line width of the p-type impurity region 2 is widened, the PN junction becomes easy to conduct. Therefore, based on the relationship as shown in FIG. 16, the IPN can be set to a desired range, that is, a current value greater than twice the rated current and less than three times depending on the line width of the p-type impurity region 2. Based on the relationship of FIG. 16, in this embodiment, the line width is in the range 40 of 1.5 μm to 10 μm, and the impurity concentration of the n-type impurity region 11 is 3 × 10 15 atoms / cm 3 to 2 × 10 16. be appropriately set in atoms / cm 3 or less of the range, can be set I PN to 3 times the current value greater than twice the rated current. According to the study by the present inventor, in the case of a breakdown voltage of 3.3 kV class, considering the balance with other characteristics (breakdown voltage, ON voltage, etc.), as an example, the line width of the p-type impurity region 2 is set to 7 μm. The impurity concentration of the n-type impurity region 11 is preferably optimized to about 2 × 10 16 atoms / cm 3 .

p型不純物領域2の形状は、ライン&スペースパターンに限らず、正多角形等の幾何学的形状でも良い。この場合も、IPNは、ショットキー電極からp型不純物領域の中央までの経路における、n型不純物領域11の電位降下量に依存する。従って、本実施例と同様に、所定のパターン寸法によってIPNを所望の値に設定できる。なお、ライン&スペースパターンの場合は、均一なパターンを容易に製作できるので、IPNを精度よく設定できる。 The shape of the p-type impurity region 2 is not limited to a line & space pattern, and may be a geometric shape such as a regular polygon. Also in this case, IPN depends on the amount of potential drop in the n-type impurity region 11 in the path from the Schottky electrode to the center of the p-type impurity region. Therefore, as in the present embodiment, the IPN can be set to a desired value with a predetermined pattern dimension. In the case of the line & space pattern, since a uniform pattern can be easily manufactured, the IPN can be set with high accuracy.

図17は、本発明の実施例2であるパワー半導体素子におけるn型不純物領域11のドナー濃度Nとホールの注入が開始される電流IPNの関係を示す。ここで、p型不純物領域2のライン幅(Line width)をパラメータとしている。また、図17において、縦軸はIPNを定格電流Iで規格化した値(IPN/I)を示す。なお、本実施例2のパワー半導体素子は、MPS構造を有するn型のSiC−SBDであり、その接合構造(縦構造)や平面パターンは実施例1と同様である。n型半導体領域にはp型のカウンタードープ等は行っていない。カウンタードープによりn型半導体領域中にp型不純物が存在する場合は、図17の縦軸Nを、p型不純物のアクセプタ濃度Nとn型不純物領域のドナー濃度Nの差分N−Nに置き換えれば良い。 FIG. 17 shows the relationship between the donor concentration N D of the n-type impurity region 11 and the current I PN at which hole injection is started in the power semiconductor element that is Embodiment 2 of the present invention. Here, the line width of the p-type impurity region 2 is used as a parameter. In FIG. 17, the vertical axis indicates a value (I PN / I 0 ) obtained by normalizing I PN with the rated current I 0 . Note that the power semiconductor element of Example 2 is an n-type SiC-SBD having an MPS structure, and its junction structure (vertical structure) and planar pattern are the same as those of Example 1. No p-type counter doping or the like is performed on the n-type semiconductor region. If p-type impurities are present in the n-type semiconductor region by counter-doped, the vertical axis N D in FIG. 17, a donor concentration of the acceptor concentration N A and the n-type impurity region of the p-type impurity N D of the difference N D - it may be replaced with N A.

実施例1について説明したように、IPNは、上部電極(ショットキ電極)からPN接合中央部までの経路におけるn型不純物領域11の電位降下量に依存する。従って、IPNは、同経路におけるn型不純物領域11の電気抵抗に依存する。 As described for Example 1, I PN depends from the upper electrode (Schottky electrode) to the potential drop amount of n-type impurity region 11 in route to the PN junction central portion. Therefore, IPN depends on the electric resistance of the n-type impurity region 11 in the same path.

図18は、n型不純物領域の電気抵抗を模式的に示す断面図である。本図18に示すようにアノード電極6とn型不純物領域(電流拡散層)の接触部、すなわちショットキー電極(図示省略)から、p型不純物領域の底部までの経路における縦方向の抵抗と、それ経路に続く、p型不純物領域の中央部までの経路における横方向抵抗との直列抵抗45がIPNの大きさに影響する。なお、実施例1のように、IPNを設定するためにp型不純物領域の幅を変えることは、図18における横方向抵抗を変えることに相当する。 FIG. 18 is a cross-sectional view schematically showing the electrical resistance of the n-type impurity region. As shown in FIG. 18, the vertical resistance in the path from the contact portion of the anode electrode 6 and the n-type impurity region (current diffusion layer), that is, the Schottky electrode (not shown) to the bottom of the p-type impurity region, The series resistance 45 with the lateral resistance in the path up to the center of the p-type impurity region following the path affects the magnitude of IPN . Note that changing the width of the p-type impurity region to set IPN as in Example 1 corresponds to changing the lateral resistance in FIG.

n型半導体領域の不純物濃度が高いと電流キャリアが増えて図18における抵抗45の抵抗値が低くなるため、PN接合部の電位が上がらず、PN接合部が導通しにくくなる。従って、図17のような関係に基づき、n型半導体領域の不純物濃度によってIPNを所望の範囲、すなわち定格電流の2倍より大きく3倍以下の電流値に設定できる。図17の関係に基づけば、本実施例2においては、n型半導体領域の不純物濃度を2×1015atoms/cm以上3×1016atoms/cm以下の範囲内41として、p型不純物領域のライン幅を1.5μm以上10μmの範囲内で適宜設定すれば、IPNを定格電流の2倍より大きく3倍以下の電流値に設定できる。本発明者の検討によれば、耐圧3.3kV級の場合、他の特性(耐圧、オン電圧など)とのバランスを考慮すると、一例として、n型不純物領域の不純物濃度を2×1016atoms/cmとして、p型半導体領域のライン幅を7μm程度に最適化することが好ましい。 When the impurity concentration of the n-type semiconductor region is high, current carriers increase and the resistance value of the resistor 45 in FIG. 18 decreases, so that the potential of the PN junction does not increase and the PN junction becomes difficult to conduct. Therefore, based on the relationship as shown in FIG. 17, the IPN can be set to a desired range, that is, a current value larger than twice the rated current and not larger than three times depending on the impurity concentration of the n-type semiconductor region. Based on the relationship shown in FIG. 17, in Example 2, the impurity concentration of the n-type semiconductor region is set to 41 within a range of 2 × 10 15 atoms / cm 3 or more and 3 × 10 16 atoms / cm 3 or less. by appropriately setting the line width of the area in a range of 10μm or 1.5 [mu] m, can be set I PN to 3 times the current value greater than twice the rated current. According to the inventor's study, in the case of a breakdown voltage of 3.3 kV class, considering the balance with other characteristics (breakdown voltage, on-voltage, etc.), as an example, the impurity concentration of the n-type impurity region is 2 × 10 16 atoms. It is preferable to optimize the line width of the p-type semiconductor region to about 7 μm as / cm 3 .

なお、n型不純物領域を設けずに、n−型SiCエピタキシャル層10のn型不純物濃度を図17の関係に基づいて設定することにより、IPNを設定しても良い。 Note that without providing the n-type impurity region, by setting based on the n-type impurity concentration of the n- type SiC epitaxial layer 10 in relation of Figure 17, it may be set I PN.

次に、本発明の実施例3として、SiC−SBDを搭載するパワー半導体モジュールについて説明する。なお、本実施例3のパワー半導体モジュールは、図10に示すような絶縁回路基板を有すると共に、図11に示すような全体構成を有する。   Next, a power semiconductor module on which SiC-SBD is mounted will be described as a third embodiment of the present invention. The power semiconductor module of Example 3 has an insulating circuit board as shown in FIG. 10 and an overall configuration as shown in FIG.

本実施例3においては、MPS構造を有するSiC−SBDチップが、絶縁回路基板上で複数個(図10では10個)並列接続される。さらに、本実施例3のパワー半導体モジュールは、このような絶縁回路基板を、複数枚(図11では4枚)搭載し、これら複数枚の絶縁回路基板がパワー半導体モジュール内において電気的に並列接続される。従って、パワー半導体モジュール内においては、40〜60個(図11では40個)というような多数のSiC−SBDチップが並列接続される。   In the third embodiment, a plurality (10 in FIG. 10) of SiC-SBD chips having an MPS structure are connected in parallel on the insulating circuit board. Furthermore, the power semiconductor module of the third embodiment has a plurality of such insulated circuit boards (four in FIG. 11) mounted thereon, and the plurality of insulated circuit boards are electrically connected in parallel in the power semiconductor module. Is done. Therefore, in the power semiconductor module, a large number of SiC-SBD chips such as 40 to 60 (40 in FIG. 11) are connected in parallel.

並列接続される複数のSiC−SBDにおいて素子特性のばらつきがあると、パワー半導体モジュールにサージ電流が流れる場合、先にPN接合部が導通するSiC−SBDにサージ電流が集中する。この場合、SiC−SBDの並列数に応じた所望のサージ耐量を得ることができない。特に、図12や図15に示すように、電流電圧特性がスナップバック特性という一種の負性抵抗特性を示す場合には、過度に電流が集中しやすい。   If there is variation in element characteristics among a plurality of SiC-SBDs connected in parallel, when a surge current flows through the power semiconductor module, the surge current concentrates on the SiC-SBD in which the PN junction portion is first conducted. In this case, the desired surge withstand according to the number of parallel SiC-SBDs cannot be obtained. In particular, as shown in FIG. 12 and FIG. 15, when the current-voltage characteristic shows a kind of negative resistance characteristic called a snapback characteristic, the current tends to be excessively concentrated.

そこで、本実施例3においては、先行してPN接合部が導通するSiC−SBDが、他のSiC−SBDのPN接合部が導通するまでの間、サージ電流によって破壊されないようにする。その手段について、以下、説明する。   Therefore, in the third embodiment, the SiC-SBD in which the PN junction portion conducts in advance is prevented from being destroyed by the surge current until the PN junction portion of another SiC-SBD is conducted. The means will be described below.

本実施例3においては、並列接続される複数のSiC−SBDの各々は、単独でPN接合が導通する場合に流れる電流が、パワー半導体素子単独のサージ耐量よりも小さくなるように、PN接合が導通する場合に流れる電流が、素子抵抗によって制限される。   In the third embodiment, each of the plurality of SiC-SBDs connected in parallel has a PN junction so that the current flowing when the PN junction alone is conducted is smaller than the surge withstand capability of the power semiconductor element alone. The current that flows when conducting is limited by the element resistance.

図19は、並列接続されるSiC−SBDを示す模式的な等価回路図である。PN接合部が導通を開始する前のSiC−SBD1〜mの素子抵抗を、それぞれR〜Rとする。この場合の素子抵抗は、ショットキー接合部のみが導通し、ユニポーラ動作している時の素子抵抗に相当する。簡単のため、R=R=…=Rとおく。ここで、SiC−SBD1のPN接合部が先行して通電を開始し、その素子抵抗がRからR/nに低下する。なお、PN接合が導通開始する直前の状態を状態Aと表記し、PN接合部が導通した後を状態Bと表記する。従って、以下において電圧などの電気的量を示す記号の添え字A,Bは、その電気的量が状態Aおよび状態Bのいずれにおけるものであるかを示す。 FIG. 19 is a schematic equivalent circuit diagram showing SiC-SBDs connected in parallel. The element resistance before the SiC-SBD1~m the PN junction begins to conduct, respectively to R 1 to R m. The element resistance in this case corresponds to the element resistance when only the Schottky junction is conducted and the unipolar operation is performed. For simplicity, R 1 = R 2 =... = R m is set. Here, PN junction of SiC-SBD 1 starts energizing ahead, the element resistance decreases from R 1 to R 1 / n. Note that a state immediately before the PN junction starts to conduct is denoted as state A, and a state after the PN junction is rendered conductive is denoted as state B. Accordingly, in the following, the suffixes A and B indicating the electrical quantity such as voltage indicate whether the electrical quantity is in the state A or the state B.

パワー半導体モジュールの主要な用途であるインバータ等では、電流一定とみて良いので、状態A,Bで、m個のSiC−SBDmの並列接続にかかる電圧を各々V,Vとすると、電流Iは式(1)のように表わされる。 In an inverter or the like which is a main application of a power semiconductor module, it may be considered that the current is constant. Therefore, in the states A and B, when the voltages applied to the parallel connection of m SiC-SBDm are V A and V B , the current I Is expressed as in equation (1).

I=V/RallA=V/RallB … (1)
ここで、抵抗RallAおよびRallBは並列接続抵抗であり、それぞれ式(2)および(3)によって表わされる。
I = V A / R allA = V B / R allB (1)
Here, the resistors R allA and R allB are parallel connection resistors, and are represented by the equations (2) and (3), respectively.

allA=R/m … (2)
allB=1/{(R1/n)-1+(m−1)R1 -1}=R/(n+m−1) … (3)
式(1)〜(3)から、PN接合の導通前後における、並列接続されるSiC−SBD全体の電圧VおよびVには式(4)で表わされる関係がある。
R allA = R 1 / m (2)
R allB = 1 / {(R 1 / n) −1 + (m−1) R 1 −1 } = R 1 / (n + m−1) (3)
Relationship from equation (1) to (3), before and after the conduction of the PN junction, the voltage V A and V B of the whole SiC-SBD is connected in parallel of the formula (4).

=mV/(n+m−1) … (4)
従って、SiC−SBD1のPN接合導通前後における電流値I1AおよびI1Bには式(5)で表わされる関係がある。
V B = mV A / (n + m−1) (4)
Therefore, the current values I 1A and I 1B before and after the PN junction conduction of SiC-SBD 1 have a relationship represented by Expression (5).

1B=mnI1A/(n+m−1) … (5)
ここで、先行してPN接合が導通するSiC−SBD1のサージ耐量が、定格電流をIとしてSPN×Iとする。すなわち、SiC−SBD1に流れる電流が定格電流のSPN倍を超えると、SiC−SBD1は単独でサージ破壊する。また、PN接合が導通を開始する電流値が定格電流IのSSBD倍であるとする。さらに、SPNとSSBDの比を、式(6)で示すように、rと定義する。
I 1B = mnI 1A / (n + m−1) (5)
Here, the surge withstand capability of SiC-SBD 1 in which the PN junction conducts in advance is assumed to be S PN × I 0 where the rated current is I 0 . That is, when the current flowing through the SiC-SBD 1 exceeds the SPN times the rated current, the SiC-SBD 1 is subjected to surge breakdown alone. Further, it is assumed that the current value at which the PN junction starts to conduct is S SBD times the rated current I 0 . Furthermore, the ratio of SPN and S SBD is defined as r, as shown in equation (6).

PN/SSBD=r … (6)
SiC−SBD1が単独でサージ破壊しないために、SiC−SBD1のPN接合導通後の電流値I1Bは式(7)で表わされる条件を満足する。
SPN / S SBD = r (6)
For SiC-SBD 1 does not surge breakdown alone, the current value I 1B after PN junction conduction SiC-SBD 1 satisfies the condition represented by the formula (7).

1B<SPN×I … (7)
またI1Aは式(8)で表される。
I 1B < SP N × I 0 (7)
Further, I 1A is represented by the formula (8).

1A=SSBD×I … (8)
式(5)〜(8)より、nの条件について式(9)が得られる。
I 1A = S SBD × I 0 (8)
From Expressions (5) to (8), Expression (9) is obtained for the condition of n.

n<r×(m−1)/(m−r) (但し、m>r) … (9)
式(9)において、並列数mを無限大にすると式(10)が得られる。
n <r × (m−1) / (m−r) (where m> r) (9)
In the equation (9), when the parallel number m is infinite, the equation (10) is obtained.

n<r … (10)
すなわち、いかなる並列数であっても、式(10)が満たされていれば、先行してPN接合が導通したSiC−SBD1の電流は単独サージ耐量の範囲内になるので、SiC−SBD1は破壊しない。また、並列数mに対して、式(9)が満たされていれば、SiC−SBD1は破壊しない。
n <r (10)
In other words, the current of SiC-SBD1 in which the PN junction is conducted first is within the range of the single surge withstand capability as long as equation (10) is satisfied at any parallel number. do not do. Moreover, if Formula (9) is satisfy | filled with respect to the parallel number m, SiC-SBD1 will not destroy.

本実施例3では、実施例1,2のSiC−SBDを適用すればr=3/10(SPN=10,SSBD=3)であり、また並列数mが40であるから、式(9)よりn<3.54となる。すなわち、SiC−SBD1のPN接合導通後の素子抵抗が、導通前の素子抵抗Rに対して、R/3.54より大きければ、先行してPN接合が導通する時におけるSiC−SBD1の単独サージ破壊が防止できる。 In the third embodiment, if the SiC-SBD of the first and second embodiments is applied, r = 3/10 (S PN = 10, S SBD = 3), and the parallel number m is 40. From 9), n <3.54. That is, if the element resistance after PN junction conduction of SiC-SBD1 is larger than R / 3.54 with respect to the element resistance R before conduction, the single surge of SiC-SBD1 when the PN junction conducts in advance. Destruction can be prevented.

本実施例3のパワー半導体モジュールにおいては、複数個(m個)のSiC−SBDが電気的に並列接続され、かつ各SiC−SBDのPN接合導通後の素子抵抗の下限値(Rmin)が、導通前の素子抵抗Rに対して、R/rよりも大(Rmin>R/r)であるか、もしくは、R×(m−r)/{r×(m−1)}より大(Rmin>R×(m−r)/{r×(m−1)})である。これにより、先行して導通するSiC−SBDの単独サージ破壊を防止されるので、パワー半導体モジュールのサージ電流耐量が向上する。 In the power semiconductor module of the third embodiment, a plurality (m) of SiC-SBDs are electrically connected in parallel, and the lower limit value (R min ) of the element resistance after the PN junction conduction of each SiC-SBD is , Larger than R / r (R min > R / r) or larger than R × (m−r) / {r × (m−1)} with respect to the element resistance R before conduction. (R min > R × (m−r) / {r × (m−1)}). Thereby, since the single surge destruction of SiC-SBD which conducts in advance is prevented, the surge current withstand capability of the power semiconductor module is improved.

なお、実施形態1,2のSiC−SBDを適用することにより、サージ耐量が高く且つリカバリ損失が小さなパワー半導体モジュールが得られる。   In addition, by applying the SiC-SBD of Embodiments 1 and 2, a power semiconductor module having a high surge resistance and a small recovery loss can be obtained.

PN接合導通後のSiC−SBDの素子抵抗は、次のような手段で増大できる。   The element resistance of SiC-SBD after PN junction conduction can be increased by the following means.

一つの増大手段として、アクティブ領域全体に対して、PNダイオード部を構成するp+型不純物領域の面積を制限する。例えば、前述の図9に示すp+型半導体領域18の面積を、ショットキー接合部を構成するn型半導体領域11の面積の1/10以下に制限する。PN接合導通前のショットキーダイオード部の素子抵抗Rに対して、純粋なPNダイオードの素子抵抗は、サージ電流のような大電流が流れる状態では1/5以下となり得るため、上述のようなPN接合導通後の素子抵抗の制約を考慮すると、p+型半導体領域18の面積をショットキー領域12(図9)に対し、1/10以下に制限することにより、並列接続時の単独サージ破壊が防止される。なお、p+型不純物領域から注入されるホールがSiC−SBDチップの平面方向にも空間的に拡がって流れるため、好ましくは、p+型半導体領域18の面積をショットキー領域12(図9)に対し1/15以下とする。   As one increase means, the area of the p + type impurity region constituting the PN diode portion is limited with respect to the entire active region. For example, the area of the p + type semiconductor region 18 shown in FIG. 9 is limited to 1/10 or less of the area of the n type semiconductor region 11 constituting the Schottky junction. Since the element resistance of a pure PN diode can be 1/5 or less in a state where a large current such as a surge current flows with respect to the element resistance R of the Schottky diode portion before PN junction conduction, the PN as described above Considering the restriction of element resistance after junction conduction, by limiting the area of the p + type semiconductor region 18 to 1/10 or less with respect to the Schottky region 12 (FIG. 9), single surge breakdown during parallel connection can be prevented. Is done. Since holes injected from the p + type impurity region spatially expand in the plane direction of the SiC-SBD chip and flow, preferably the area of the p + type semiconductor region 18 is larger than that of the Schottky region 12 (FIG. 9). 1/15 or less.

また、他の素子抵抗増大手段として、PNダイオード部に寄生抵抗を付加する。このような増大手段について、図20を用いて説明する。   As another element resistance increasing means, a parasitic resistance is added to the PN diode portion. Such increasing means will be described with reference to FIG.

図20は、寄生抵抗が付加されたSiC−SBDの平面図である。   FIG. 20 is a plan view of a SiC-SBD to which parasitic resistance is added.

図20が示すように、ライン状パターンを有するp型不純物領域2中に、p型不純物領域2の長手方向に沿って複数のp+型不純物領域18が断続的に設けられる。このようなSiC−SBDにおいて、順方向電流は、上部の電極とオーミック接触をするp+型半導体領域18から、その周囲のp型半導体領域2内に拡がりつつ(図20中の矢印42参照)、PN接合を通過して下層のn型半導体領域11へと流れる。ここで、p型不純物領域2の電気抵抗は金属電極よりも大きいため、p型不純物領域2がPNダイオード部に対する寄生抵抗となる。   As shown in FIG. 20, a plurality of p + type impurity regions 18 are intermittently provided along the longitudinal direction of the p type impurity region 2 in the p type impurity region 2 having a line pattern. In such a SiC-SBD, the forward current spreads from the p + type semiconductor region 18 in ohmic contact with the upper electrode into the surrounding p type semiconductor region 2 (see arrow 42 in FIG. 20). It flows through the PN junction to the lower n-type semiconductor region 11. Here, since the electric resistance of the p-type impurity region 2 is larger than that of the metal electrode, the p-type impurity region 2 becomes a parasitic resistance to the PN diode portion.

等価回路的には、PNダイオード部の素子抵抗にp型不純物領域2による寄生抵抗が直列に接続される。寄生抵抗の大きさは、p型不純物領域2の長手方向において隣り合うp+型不純物領域18間の距離43によって設定される。例えば、本発明者の検討によれば、距離43を5μm以上とすると、素子抵抗を増大するために有効な寄生抵抗が得られる。   In terms of an equivalent circuit, a parasitic resistance due to the p-type impurity region 2 is connected in series to the element resistance of the PN diode portion. The magnitude of the parasitic resistance is set by the distance 43 between the p + type impurity regions 18 adjacent in the longitudinal direction of the p type impurity region 2. For example, according to the study of the present inventor, when the distance 43 is 5 μm or more, a parasitic resistance effective for increasing the element resistance can be obtained.

なお、ライン&スペースパターンに限らず他の幾何学的パターンを有するSiC−SBDのついても、PNダイオード部の素子抵抗を上述のような制約条件のもとで大きくすることにより、複数個並列接続される場合の単独サージ破壊を防止することができる。   For SiC-SBDs having other geometric patterns as well as line & space patterns, a plurality of devices can be connected in parallel by increasing the element resistance of the PN diode part under the above-mentioned constraints. In this case, it is possible to prevent single surge destruction.

なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。   In addition, this invention is not limited to the Example mentioned above, Various modifications are included. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.

たとえば、SiC−SBDは、n型に限らず、p型でもよい。この場合、上記実施例における、各半導体領域の導電型が反転される。   For example, SiC-SBD is not limited to n-type but may be p-type. In this case, the conductivity type of each semiconductor region in the above embodiment is reversed.

1 アクティブ領域
2 p型不純物領域
3 カソード電極
4 PN接合
5 n+型SiC基板
6 アノード電極
9 ショットキー接合部
10 n−型SiCエピタキシャル層
11 n型不純物領域
12 ショットキー領域
13 周縁領域
14 チャネルストッパ
15 ショットキー電極
18 p+型半導体領域
21 配線電極
22 絶縁回路基板
23 IGBT
24 SiC−SBD
25 樹脂ケース
26 スイッチング素子
27 整流素子
50 エミッタセンス端子の回路パターン
51 ゲート端子の回路パターン
52 主端子コンタクト
53 ワイヤボンディング
1 active region 2 p-type impurity region 3 cathode electrode 4 PN junction 5 n + type SiC substrate 6 anode electrode 9 Schottky junction 10 n− type SiC epitaxial layer 11 n-type impurity region 12 Schottky region 13 peripheral region 14 channel stopper 15 Schottky electrode 18 p + type semiconductor region 21 wiring electrode 22 insulating circuit board 23 IGBT
24 SiC-SBD
25 Resin case 26 Switching element 27 Rectifier element 50 Emitter sense terminal circuit pattern 51 Gate terminal circuit pattern 52 Main terminal contact 53 Wire bonding

Claims (10)

炭化珪素からなるショットキーバリアダイオードを備えるパワー半導体素子において、
前記パワー半導体素子は、順方向電流が流れるアクティブ領域において、
第1電極と、
前記第1電極との間にショットキー接合部を構成する第1導電型の第1半導体領域と、
前記第1電極に電気的に接続され、前記第1半導体領域との間にPN接合部を構成する第2導電型の第2半導体領域と、
前記第1半導体領域に電気的に接続される第2電極と、
を有し、
定格電流の2倍より大きく3倍以下の範囲の前記順方向電流が流れると、前記PN接合部が導通を開始することを特徴とするパワー半導体素子。
In a power semiconductor element including a Schottky barrier diode made of silicon carbide,
In the active region where the forward current flows, the power semiconductor element,
A first electrode;
A first semiconductor region of a first conductivity type constituting a Schottky junction with the first electrode;
A second semiconductor region of a second conductivity type electrically connected to the first electrode and forming a PN junction with the first semiconductor region;
A second electrode electrically connected to the first semiconductor region;
Have
The power semiconductor device according to claim 1, wherein the PN junction starts to conduct when the forward current in a range greater than twice and less than or equal to three times the rated current flows.
請求項1に記載のパワー半導体素子において、
前記ショットキー接合部および前記第2半導体領域の平面パターンがラインアンドスペースパターンであることを特徴とするパワー半導体素子。
The power semiconductor device according to claim 1,
A power semiconductor element, wherein a planar pattern of the Schottky junction and the second semiconductor region is a line and space pattern.
請求項2に記載のパワー半導体素子において、
前記第2半導体領域の前記平面パターンにおける線幅が1.5μm以上かつ10μm以下であることを特徴とするパワー半導体素子。
The power semiconductor device according to claim 2,
A power semiconductor element having a line width of 1.5 μm or more and 10 μm or less in the planar pattern of the second semiconductor region.
請求項2に記載のパワー半導体素子において、
前記第1半導体領域の不純物濃度が2×1015atoms/cm以上かつ3×1016atoms/cm以下であることを特徴とするパワー半導体素子。
The power semiconductor device according to claim 2,
The power semiconductor element, wherein an impurity concentration of the first semiconductor region is 2 × 10 15 atoms / cm 3 or more and 3 × 10 16 atoms / cm 3 or less.
請求項4に記載のパワー半導体素子において、
前記第2半導体領域の前記平面パターンにおける線幅が1.5μm以上かつ10μm以下であることを特徴とするパワー半導体素子。
The power semiconductor element according to claim 4,
A power semiconductor element having a line width of 1.5 μm or more and 10 μm or less in the planar pattern of the second semiconductor region.
炭化珪素からなるショットキーバリアダイオードを備える複数のパワー半導体素子を有し、前記複数のパワー半導体素子が並列接続されるパワー半導体モジュールにおいて、
前記パワー半導体素子は、順方向電流が流れるアクティブ領域において、
第1電極と、
前記第1電極との間にショットキー接合部を構成する第1導電型の第1半導体領域と、
前記第1電極に電気的に接続され、前記第1半導体領域との間にPN接合部を構成する第2導電型の第2半導体領域と、
前記第1半導体領域に電気的に接続される第2電極と、
を有し、
前記複数のパワー半導体素子の各々は、単独で前記PN接合が導通する場合に流れる電流が、パワー半導体素子単独のサージ耐量よりも小さくなるように、前記PN接合が導通する場合に流れる電流が、前記パワー半導体素子の素子抵抗によって制限されることを特徴とするパワー半導体モジュール。
In a power semiconductor module having a plurality of power semiconductor elements comprising a Schottky barrier diode made of silicon carbide, wherein the plurality of power semiconductor elements are connected in parallel,
In the active region where the forward current flows, the power semiconductor element,
A first electrode;
A first semiconductor region of a first conductivity type constituting a Schottky junction with the first electrode;
A second semiconductor region of a second conductivity type electrically connected to the first electrode and forming a PN junction with the first semiconductor region;
A second electrode electrically connected to the first semiconductor region;
Have
Each of the plurality of power semiconductor elements has a current flowing when the PN junction is conducted so that a current flowing when the PN junction is conducted alone is smaller than a surge resistance of the power semiconductor element alone, The power semiconductor module is limited by an element resistance of the power semiconductor element.
請求項6に記載されるパワー半導体モジュールにおいて、
前記パワー半導体素子の並列数がmであり、
前記パワー半導体素子単独のサージ耐量が定格電流IのSPN倍、かつPN接合部が導通を開始する時の電流が定格電流SSBDとし、SPNとSSBDの比をr(=SPN/SSBD)とすると、
前記PN接合部が導通する場合の前記素子抵抗の下限値Rminと前記PN接合部が導通を開始する時の前記素子抵抗の値Rとの間に、Rmin > R×(m−r)/{r×(m−1)}という関係があることを特徴とするパワー半導体モジュール。
In the power semiconductor module according to claim 6,
The parallel number of the power semiconductor elements is m,
S PN multiple of the power semiconductor element rated current I 0 is the surge resistance of the sole, and current is the rated current S SBD when the PN junction begins to conduct, the ratio of S PN and S SBD r (= S PN / S SBD )
Between the lower limit value R min of the element resistance when the PN junction portion conducts and the value R of the element resistance when the PN junction portion starts conduction, R min > R × (m−r) / {R × (m−1)} relationship, a power semiconductor module characterized by
請求項6に記載されるパワー半導体モジュールにおいて、
前記パワー半導体素子単独のサージ耐量が定格電流IのSPN倍、かつPN接合部が導通を開始する時の電流が定格電流SSBDとし、SPNとSSBDの比をr(=SPN/SSBD)とすると、
前記PN接合部が導通する場合の前記素子抵抗の下限値Rminと前記PN接合部が導通を開始する時の前記素子抵抗の値Rとの間に、Rmin > R/rという関係があることを特徴とするパワー半導体モジュール。
In the power semiconductor module according to claim 6,
S PN multiple of the power semiconductor element rated current I 0 is the surge resistance of the sole, and current is the rated current S SBD when the PN junction begins to conduct, the ratio of S PN and S SBD r (= S PN / S SBD )
There is a relationship of R min > R / r between the lower limit value R min of the element resistance when the PN junction portion conducts and the value R of the element resistance when the PN junction portion starts conduction. A power semiconductor module.
請求項6に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記第2半導体領域は、
第1領域と、
前記第1領域内に位置し、前記第1領域よりも不純物濃度の高い第2領域と、
を有し、
前記第2領域の面積が、前記第1半導体領域の面積の十分の一以下であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 6, wherein
The second semiconductor region is
A first region;
A second region located within the first region and having a higher impurity concentration than the first region;
Have
The power semiconductor module, wherein an area of the second region is one tenth or less of an area of the first semiconductor region.
請求項6に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記第2半導体領域は、
第1領域と、
前記第1の領域内に位置し、前記第1領域よりも不純物濃度の高い複数の第2領域と、
を有し、
隣り合う前記第2領域の距離が5μm以上であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
The power semiconductor module according to claim 6, wherein
The second semiconductor region is
A first region;
A plurality of second regions located in the first region and having a higher impurity concentration than the first region;
Have
A power semiconductor module, wherein a distance between adjacent second regions is 5 μm or more.
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