專利名稱：半導(dǎo)體裝置以及使用該半導(dǎo)體裝置的電力變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置以及使用該半導(dǎo)體裝置的電力變換裝置，特別是涉及具有 續(xù)流二極管(Flywheel Diode)的半導(dǎo)體裝置以及使用該半導(dǎo)體裝置的電力變換裝置。
背景技術(shù)：
在近年來的節(jié)能或新能源的電力變換裝置中，使用很多的逆變器或轉(zhuǎn)換器，而為 了實現(xiàn)低碳社會，它們的特別普及是必不可少的。圖19示出對電動機950進(jìn)行可變速 控制以實現(xiàn)節(jié)能的逆變器的例子。使用作為功率半導(dǎo)體的一種的IGBTansulated Gate BipolarTransistor，絕緣柵雙極型晶體管)700，將來自直流電源Vcc的電能轉(zhuǎn)換成期望頻 率的交流，使電動機950的轉(zhuǎn)速為可變速。電動機950為三相電動機，具有U相910、V相 911和W相912的輸入。在接通集電極連接到正極側(cè)的電源端子900的IGBT 700(以下稱 為上臂的IGBT)的柵極電路800時，U相910的輸入電力被供給。另一方面，為了停止U相 910的輸入電力，只要斷開該柵極電路800即可。通過重復(fù)該操作，能夠向電動機950供給 期望頻率的電力。
在IGBT 700上，與IGBT 700反向并聯(lián)地連接有續(xù)流二極管600。例如在上臂的 IGBT 700斷開了的情況下，續(xù)流二極管600通過使在該IGBT 700中流動的電流換向到續(xù) 流二極管600，釋放存儲在電動機950的線圈中的能量，其中續(xù)流二極管600與發(fā)射極連接 到負(fù)極側(cè)的電源端子901的IGBT 700(以下稱為下臂的IGBT)反向并聯(lián)。如果再次接通 上臂的IGBT 700，則下臂的續(xù)流二極管600變?yōu)榉菍?dǎo)通狀態(tài)，通過上臂的IGBT 700向電動 機950供給電力。這樣，續(xù)流二極管600根據(jù)IGBT 700的接通、斷開來重復(fù)非導(dǎo)通和導(dǎo)通， 因此為了通過使逆變器高效化、小型化和低成本化而促進(jìn)其普及，需要降低續(xù)流二極管600 的導(dǎo)通損耗。因此，需要減小電流在續(xù)流二極管600中流動時的續(xù)流二極管600中的正向 電壓降。在具有幾百V以上的額定電壓的功率半導(dǎo)體中，一般來說，為了減小正向電壓降， 使用Pn 二極管，該pn 二極管使用了能夠通過注入電荷來提高傳導(dǎo)率的硅。
另一方面，如果上臂的IGBT 700重復(fù)地接通、斷開，則下臂的續(xù)流二極管600在正 向時蓄積的電荷被吐出，從而形成反向恢復(fù)電流并重疊在上臂的IGBT 700的導(dǎo)通電流上。 該反向恢復(fù)電流在直流電源Vcc、寄生電感920、高電位側(cè)900、上臂的IGBT 700、下臂的續(xù) 流二極管600、低電位側(cè)901的閉合電路中流動，在該開關(guān)時，使上臂的IGBT 700的導(dǎo)通損 耗增加，使下臂的續(xù)流二極管600產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗。另外，如果該反向恢復(fù)電流的電流變 化率(di/dt)大，則在與寄生電感920 (L)之間產(chǎn)生過量的跳起電壓(LXdi/dt)，并且如果 該跳起電壓超過IGBT 700或續(xù)流二極管600的額定電壓，則逆變器會產(chǎn)生故障。
這樣，如果在續(xù)流二極管600中使用pn 二極管，則雖然能夠降低正向電壓、減小導(dǎo) 通損耗，但卻增加了反向恢復(fù)損耗、產(chǎn)生了跳起電壓。對于pn 二極管而言，作為電荷的注入 少并且反向恢復(fù)電流極小的二極管，有肖特基二極管，但硅中的正向電壓極大，在處理大電 流的逆變器中損耗會增加。最近，使用碳化硅(SiC)來代替硅的肖特基二極管受到關(guān)注，但 由于其結(jié)晶質(zhì)量差、制造工藝難且大口徑化還沒有普及到碳化硅，因此成本高、無法使逆變5器或轉(zhuǎn)換器低價格化，從而其普及有限。
圖20是專利文獻(xiàn)1中記載的、復(fù)合了使用硅的pn 二極管和肖特基二極管的現(xiàn)有 的續(xù)流二極管。半導(dǎo)體基體1具有與n+層13進(jìn)行了歐姆連接11的陰極電極2，n+層13 上的η—層14與深ρ層形成pn結(jié)15。另一方面，η"層14夾著淺ρ層與電極3形成肖特基 結(jié)16。電極3與深ρ層進(jìn)行歐姆連接，促進(jìn)來自深ρ層的電荷(空穴)的注入。這樣，利 用電極3來結(jié)合pn結(jié)和肖特基結(jié)，從而與僅有pn 二極管的情況或僅有肖特基二極管的情 況相比，可以增減電荷的注入，并且不會明顯地增大正向電壓，也不會明顯地增大反向恢復(fù) 電流，并且能夠減小反向恢復(fù)電流的電流變化率di/dt，能夠改善導(dǎo)通損耗或開關(guān)損耗的降 低、跳起電壓的抑制之間的權(quán)衡(tradeoff)特性關(guān)系。
但是，在圖20的二極管中，進(jìn)一步注入電荷并減小正向電壓降會使反向恢復(fù)特性 惡化，相反，如果抑制電荷的注入改善反向恢復(fù)特性，則存在正向電壓變大且損耗上升的問 題，很難通過該結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步改善續(xù)流二極管的特性。
專利文獻(xiàn)1 日本特許第259(^84號公報發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的技術(shù)問題
本發(fā)明的目的是，明顯地改善利用現(xiàn)有的續(xù)流二極管無法實現(xiàn)的、正向電壓降的 減小和反向恢復(fù)電流的減小之間的權(quán)衡關(guān)系，同時減小續(xù)流二極管的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損 耗，并且通過減小反向恢復(fù)電流的電流變化率di/dt來明顯地抑制跳起電壓。
解決技術(shù)問題的技術(shù)手段
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于
將直流電源、開關(guān)功率器件、續(xù)流二極管串聯(lián)連接；
上述續(xù)流二極管具有肖特基結(jié)，具有作為肖特基二極管動作的區(qū)域和pn結(jié)，并且 具有作為Pn 二極管動作的區(qū)域；
該半導(dǎo)體裝置具有進(jìn)行控制的單元，該進(jìn)行控制的單元進(jìn)行控制，使得電流在上 述續(xù)流二極管中正向流動時，至少pn 二極管動作，而在上述續(xù)流二極管反向恢復(fù)時，主要 是肖特基二極管動作。
進(jìn)而，本發(fā)明在半導(dǎo)體裝置中，其特征在于上述進(jìn)行控制的單元是絕緣柵。
進(jìn)而，本發(fā)明在半導(dǎo)體裝置中，其特征在于上述絕緣柵與上述開關(guān)功率器件的門 信號同步，該門信號在將開關(guān)功率器件從斷開切換到接通之前，控制上述續(xù)流二極管的上 述絕緣柵，以從至少在上述pn 二極管中正向流動電流的動作模式切換到以上述肖特基二 極管為主地流動電流的動作模式。
進(jìn)而，本發(fā)明在半導(dǎo)體裝置中，其特征在于上述絕緣柵與上述開關(guān)功率器件的門 信號同步，該門信號在將開關(guān)功率器件從接通切換到斷開之前，控制續(xù)流二極管的上述絕 緣柵，使得至少上述Pn 二極管正向地流動電流。
進(jìn)而，本發(fā)明在半導(dǎo)體裝置中，其特征在于上述續(xù)流二極管具有半導(dǎo)體基體， 具有一對主表面；第1導(dǎo)電型的第1半導(dǎo)體層，在該半導(dǎo)體基體的一個主表面露出；第2導(dǎo) 電型的第2半導(dǎo)體層，在上述半導(dǎo)體基體的另一個主表面露出并且與上述第1半導(dǎo)體層相 接；肖特基電極，位于上述半導(dǎo)體基體的另一個主表面，與上述第1半導(dǎo)體層相接并形成肖6特基結(jié)；絕緣柵，跨過上述第2導(dǎo)電型的第2半導(dǎo)體層和上述肖特基電極；陽極電極，與上 述肖特基電極低電阻地電連接；以及陰極電極，與上述第1半導(dǎo)體層低電阻地接觸。
進(jìn)而，本發(fā)明在半導(dǎo)體裝置中，其特征在于在上述肖特基電極與上述第1半導(dǎo)體 層之間，具有濃度比上述第2半導(dǎo)體層的雜質(zhì)濃度低的第2導(dǎo)電型的第3半導(dǎo)體層。
進(jìn)而，本發(fā)明在半導(dǎo)體裝置中，其特征在于上述續(xù)流二極管具有半導(dǎo)體基體， 具有一對主表面；第1導(dǎo)電型的第1半導(dǎo)體層，在該半導(dǎo)體基體的一個主表面露出；第2導(dǎo) 電型的第2半導(dǎo)體層，在上述半導(dǎo)體基體的另一個主表面露出并且與上述第1半導(dǎo)體層相 接；肖特基電極，位于上述半導(dǎo)體基體的另一個主表面，與上述第1半導(dǎo)體層相接并形成肖 特基結(jié)；第2導(dǎo)電型的第4半導(dǎo)體層，在上述肖特基電極的與上述第2半導(dǎo)體層相對的一 側(cè)，設(shè)置在與上述第1半導(dǎo)體層之間；絕緣柵，至少跨過該第4半導(dǎo)體層和上述第2半導(dǎo)體 層；陽極電極，與上述肖特基電極低電阻地電連接；以及陰極電極，與上述第1半導(dǎo)體層低 電阻地接觸。
進(jìn)而，本發(fā)明在半導(dǎo)體裝置中，其特征在于在上述肖特基電極與上述第1半導(dǎo)體 層之間，具有濃度比上述第2半導(dǎo)體層的雜質(zhì)濃度低的第2導(dǎo)電型的第5半導(dǎo)體層。
進(jìn)而，本發(fā)明在半導(dǎo)體裝置中，其特征在于通過對上述絕緣柵的柵電極施加負(fù)的 電壓，將上述肖特基電極與上述第2半導(dǎo)體層電連接。
進(jìn)而，本發(fā)明在半導(dǎo)體裝置中，其特征在于上述續(xù)流二極管具有半導(dǎo)體基體， 具有一對主表面；第1導(dǎo)電型的第1半導(dǎo)體層，在該半導(dǎo)體基體的一個主表面露出；第2導(dǎo) 電型的第2半導(dǎo)體層，在上述半導(dǎo)體基體的另一個主表面露出并且與上述第1半導(dǎo)體層相 接；第1導(dǎo)電型的第6半導(dǎo)體層，形成在該第2半導(dǎo)體層內(nèi)；進(jìn)行短路的單元，將該第6半導(dǎo) 體層與上述第2半導(dǎo)體層電氣短路；肖特基電極，位于上述半導(dǎo)體基體的另一個主表面，與 上述第1半導(dǎo)體層相接并形成肖特基結(jié)；絕緣柵，跨過該肖特基電極、上述第2半導(dǎo)體層和 上述第6半導(dǎo)體層；陽極電極，與上述肖特基電極低電阻地電連接；以及陰極電極，與上述 第1半導(dǎo)體層低電阻地接觸。
進(jìn)而，本發(fā)明在半導(dǎo)體裝置中，其特征在于在上述肖特基電極與上述第1半導(dǎo)體 層之間，具有濃度比上述第2半導(dǎo)體層的雜質(zhì)濃度低的第2導(dǎo)電型的第3半導(dǎo)體層。
進(jìn)而，本發(fā)明在半導(dǎo)體裝置中，其特征在于上述續(xù)流二極管具有半導(dǎo)體基體， 具有一對主表面；第1導(dǎo)電型的第1半導(dǎo)體層，在該半導(dǎo)體基體的一個主表面露出；第2導(dǎo) 電型的第2半導(dǎo)體層，在上述半導(dǎo)體基體的另一個主表面露出并且與上述第1半導(dǎo)體層相 接；第1導(dǎo)電型的第6半導(dǎo)體層，形成在該第2半導(dǎo)體層內(nèi)；進(jìn)行短路的單元，將該第6半 導(dǎo)體層與上述第2半導(dǎo)體層電氣短路；肖特基電極，位于上述半導(dǎo)體基體的另一個主表面， 與上述第1半導(dǎo)體層相接并形成肖特基結(jié)；第2導(dǎo)電型的第3半導(dǎo)體層，在該肖特基電極與 上述第1半導(dǎo)體層之間，濃度比上述第2半導(dǎo)體層的雜質(zhì)濃度低；第1導(dǎo)電型的第7半導(dǎo)體 層，在該第3半導(dǎo)體層與上述肖特基電極之間；絕緣柵，在上述另一個主表面至少跨過該第 7半導(dǎo)體層、上述第3半導(dǎo)體層、上述第1半導(dǎo)體層、上述第2半導(dǎo)體層和上述第6半導(dǎo)體 層；陽極電極，與上述肖特基電極低電阻地電連接；以及陰極電極，與上述第1半導(dǎo)體層低 電阻地接觸。
進(jìn)而，本發(fā)明在半導(dǎo)體裝置中，其特征在于上述第3半導(dǎo)體層與上述第2半導(dǎo)體 層相接。
進(jìn)而，本發(fā)明在半導(dǎo)體裝置中，其特征在于通過對上述絕緣柵的柵電極施加正的 電壓，將上述肖特基電極與上述第2半導(dǎo)體層電連接。
進(jìn)而，本發(fā)明在半導(dǎo)體裝置中，其特征在于某一個半導(dǎo)體層的帶隙小于其它半導(dǎo) 體層的帶隙。
進(jìn)而，本發(fā)明在半導(dǎo)體裝置中，其特征在于開關(guān)功率器件是IGBTansulated Gate Bipolar ^Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)。
本發(fā)明還提供一種電力變換裝置，其特征在于使用上述半導(dǎo)體裝置中的任意一 個。
發(fā)明效果
根據(jù)本發(fā)明，通過使續(xù)流二極管具有現(xiàn)有技術(shù)沒有的、用于切換pn 二極管和肖特 基二極管的單元，從而在流動正向電流時，能夠使電流在正向電壓小的pn 二極管中流動， 而在反向恢復(fù)時，能夠在反向恢復(fù)電流小的肖特基二極管中進(jìn)行反向恢復(fù)，因此能夠降低 續(xù)流二極管的正向電壓，減小反向恢復(fù)損耗，因而能夠提供損耗明顯小的半導(dǎo)體裝置以及 使用該半導(dǎo)體裝置的電力變換裝置。另外，能夠降低反向恢復(fù)電流，并使其電流變化率di/ dt極小，因此可以提供與寄生電感之間產(chǎn)生的跳起電壓也明顯減小的半導(dǎo)體裝置以及使用 該半導(dǎo)體裝置的電力變換裝置。


圖1示出本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。
圖2示出本發(fā)明的優(yōu)選驅(qū)動序列。
圖3示出本發(fā)明與現(xiàn)有的二極管的正向特性。
圖4示出本發(fā)明與現(xiàn)有的二極管的反向恢復(fù)特性。
圖5示出本發(fā)明的一個實施例。
圖6示出本發(fā)明的絕緣柵下的半導(dǎo)體層的能帶圖。
圖7示出在圖6中向柵電極施加負(fù)電壓的情況下的能帶圖。
圖8示出本發(fā)明的另一驅(qū)動序列。
圖9示出本發(fā)明的另一實施例。
圖10示出本發(fā)明的另一實施例。
圖11示出本發(fā)明的另一實施例。
圖12示出本發(fā)明的另一實施例。
圖13示出本發(fā)明的絕緣柵下的半導(dǎo)體層的另一能帶圖。
圖14示出在圖13中向柵電極施加正電壓的情況下的能帶圖。
圖15示出本發(fā)明的另一驅(qū)動序列。
圖16示出本發(fā)明的另一實施例。
圖17示出本發(fā)明的另一實施例。
圖18示出本發(fā)明的另一實施例。
圖19示出電力變換裝置的一例。
圖20示出現(xiàn)有的實施例。
(附圖標(biāo)記說明)
1、101、102、103、104、105、106、107、108 半導(dǎo)體基體
2:陰極電極
3 陽極電極
4 絕緣物
11 半導(dǎo)體基體的一個主表面
12 半導(dǎo)體基體的另一個主表面
13、151,162 -M+B
14 η層
15 pn結(jié)
16 肖特基結(jié)
30 肖特基電極
100續(xù)流二極管
110柵電極
114:柵絕緣膜
152>161 :p+ 層
160層
300電極
600續(xù)流二極管
700JGBT
800柵極電路
900、901、910、911、912 電路的接點
920寄生電感
950電動機具體實施方式
以下利用附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施例。
圖1示出應(yīng)用了本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置以及使用它的電力變換裝置的一例。在圖1 中，示出一對上下臂的電力變換裝置。本發(fā)明的特征在于，續(xù)流二極管100在功能上分為pn 二極管和肖特基二極管，并且具有對它們進(jìn)行選擇的門。將上述續(xù)流二極管100稱為門控 型二極管。利用門控型二極管100，在導(dǎo)通時使pn 二極管動作，在反向恢復(fù)時使其作為肖特 基二極管工作，從而有效利用兩者的優(yōu)點，實現(xiàn)導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)損耗的減小和跳起電 壓的抑制，同時實現(xiàn)明顯的低損耗化和低噪聲化。
在圖2中，與IGBT 700的柵極波形一起示出門控型二極管100的門的驅(qū)動序列。 首先，說明圖2左端的pn 二極管處于正向?qū)顟B(tài)的情況。在該情況下，IGBT 700的柵極 至少在即將接通之前處于斷開狀態(tài)，在IGBT 700的柵極即將接通之前，切換門控型二極管 100的門，從pn 二極管導(dǎo)通變?yōu)樾ぬ鼗O管導(dǎo)通的狀態(tài)，預(yù)先準(zhǔn)備反向恢復(fù)。在IGBT 700 的柵極導(dǎo)通時，肖特基二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此電荷的蓄積與Pn 二極管相比明顯減少， 從而能夠大幅度地減小反向恢復(fù)電流。接著，在IGBT 700即將斷開之前，通過將門控型二 極管100的門從肖特基二極管切換到pn 二極管，預(yù)先準(zhǔn)備導(dǎo)通時正向電壓的降低。在斷開后，在pn 二極管導(dǎo)通之后，在IGBT 700即將再次接通之前切換到肖特基二極管。通過重復(fù) 上述操作，可以有效利用Pn 二極管和肖特基二極管的優(yōu)點，實現(xiàn)導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)損耗 的減小和跳起電壓的抑制，同時實現(xiàn)明顯的低損耗化和低噪聲化。
以額定電壓3. 3kV的二極管為例，利用圖3的正向特性和圖4的反向恢復(fù)特性示 出上述效果。在圖20所示的現(xiàn)有的二極管1中，如3所示，可知正向電壓比pn 二極管動作 時的門控型二極管100大，從而導(dǎo)通損耗大。另一方面，在圖4的反向恢復(fù)特性中，肖特基 二極管動作時的門控型二極管100的反向恢復(fù)電流與現(xiàn)有二極管相比明顯小，另外在該電 流到達(dá)峰值之后，衰減時的電流變化率di/dt也極小。由此可知，可以同時實現(xiàn)導(dǎo)通損耗和 反向恢復(fù)損耗的減小和跳起電壓的抑制。
圖5是具有圖1所示的電路特性的一個優(yōu)選實施例。半導(dǎo)體基體101由η+層13、 η_層14、多個ρ+層17等構(gòu)成，ρ+層17和η_層14形成pn結(jié)15。在ρ+層17之間設(shè)置肖特 基電極30，在肖特基電極30與η_層14之間形成肖特基結(jié)16。在半導(dǎo)體基體101的露出η+ 層的一個主表面形成陰極電極2，與η+層13低電阻地進(jìn)行歐姆接觸。在另一個主表面12， 以跨過肖特基電極30和ρ+層17的方式形成由柵絕緣膜114、柵電極110構(gòu)成的絕緣柵。另 外，以與肖特基電極30低電阻地接觸、并且被柵電極與絕緣膜4絕緣分離的方式形成陽極 電極3。另外，雖然ρ+層17在圖5的截面圖中分離，但也可以在芯片周邊等處連結(jié)。
接下來，使用圖6和圖7說明圖5的本實施例的動作原理，并且使用圖8說明其驅(qū) 動序列。圖6是示出沒有對柵電極110施加電位而處于熱平衡狀態(tài)的情況的能帶圖。通過 P+層17與η_層14的pn結(jié)15、以及肖特基電極30與n_層14的肖特基結(jié)16，p+層17與 肖特基電極30被電氣分離。在該狀態(tài)下向柵電極110施加負(fù)電位時的能帶圖為圖7。柵 絕緣膜114的正下方的η—層14表面進(jìn)行了 ρ反轉(zhuǎn)。空穴通過隧道電流等從肖特基二極管 30流入反轉(zhuǎn)層，ρ+層17與肖特基電極30電氣短路。在圖5的門控型二極管處于正向狀態(tài) 的情況下，電流從肖特基電極經(jīng)由反轉(zhuǎn)層流向P+層17，空穴從ρ+層17注入n_層14，促進(jìn) η—層的傳導(dǎo)率調(diào)制。其結(jié)果是，半導(dǎo)體基體101的正向電壓降劇減，導(dǎo)通損耗明顯變小。另 一方面，如果去掉柵電極110的電位，則反轉(zhuǎn)層消失，從肖特基電極30到ρ+層17的電流被 切斷。不再有來自P+層30的空穴的注入，蓄積的電荷減少。在該狀態(tài)下，如果使半導(dǎo)體基 體101反向恢復(fù)，則反向恢復(fù)電流變得極小，可以同時實現(xiàn)圖4所示的反向恢復(fù)損耗的降低 和電流變化率di/dt的減小。
為了實現(xiàn)這樣的特性，優(yōu)選具有圖8所示的驅(qū)動序列。在門控型二極管處于正向 導(dǎo)通狀態(tài)時，向門控型二極管的柵電極Iio施加負(fù)電位，使pn結(jié)15動作。在IGBT即將接 通之前去掉門控型二極管的柵極電位，使反轉(zhuǎn)層消失，切換到肖特基二極管的模式，實現(xiàn)反 向恢復(fù)時的低損耗和低噪聲。在IGBT為導(dǎo)通狀態(tài)下，在門控型二極管為反向阻斷狀態(tài)時， 至少利用肖特基二極管來阻斷電壓，在中途向門控型二極管的柵電極110施加負(fù)電位，準(zhǔn) 備下一次IGBT斷開時的門控制型二極管的正向偏壓。由此，門控型二極管的pn結(jié)15可以 順利地向正向狀態(tài)轉(zhuǎn)移。
圖9是如圖20的淺ρ層那樣在圖5的肖特基結(jié)16與靠近肖特基結(jié)16的n_層14 之間設(shè)置了濃度比P+層17低的p—層160的本發(fā)明的一個實施例。p—層160的方塊載流子 (sheet carrier)濃度優(yōu)選為5X1012/cm2以下。由此，p_層160與n_層14之間的擴散電 位也增加并且容易耗盡，肖特基勢壘的寬度變厚，能夠防止肖特基結(jié)處的漏電流的增加。另外，利用P—層160，在向柵電極110施加了負(fù)電位的情況下，p—層160的部分與n_層14進(jìn) 行了反轉(zhuǎn)的情況相比成為更高濃度的P+層，因此，電流容易流過肖特基結(jié)16，能向ρ+層17 供給更多的電流。結(jié)果是，正向電流增加，正向電壓降低。
圖10是在肖特基電極30的兩端新設(shè)置了 P+層161的本發(fā)明的一個實施例。為了 使經(jīng)由圖5的肖特基電極30與ρ反轉(zhuǎn)層之間的肖特基結(jié)16的電流的流動更加低電阻化， 設(shè)置了 P+層161。由此，在向柵電極110施加了負(fù)電位的情況下，能夠更可靠地以低電阻將 肖特基電極30與ρ+層17短路。其結(jié)果是，能夠減小正向電壓。
圖11是組合了圖9和圖10的一個實施例。通過p—層160，能夠減少肖特基結(jié)16 的反向阻斷狀態(tài)下的漏電流，利用P+層161，可以可靠地以低電阻實現(xiàn)肖特基電極30與P+ 層17的ρ反轉(zhuǎn)層的短路。
到圖11為止使用ρ反轉(zhuǎn)層作為對肖特基電極與P+層進(jìn)行切換的單元，但圖12是 使用了 η反轉(zhuǎn)層的本發(fā)明的變形例。在P+層152的端部的柵電極側(cè)設(shè)置η+層151，以跨過 η+層151和肖特基電極30的方式形成絕緣柵110。ρ層171與η+層151經(jīng)由ρ+層152在 電極300處短路。如果向絕緣柵110施加正電位，則與柵絕緣膜114相接的ρ層171進(jìn)行 η反轉(zhuǎn)，η—層14進(jìn)行η蓄積，肖特基電極30與ρ層171低電阻地短路。由此，能夠形成由 P層171、η_層14、η+層13構(gòu)成的ρη 二極管，在正向時實現(xiàn)低的正向電壓。
圖13和圖14示出圖12的柵電極110下的表面12的能帶圖。圖13示出柵電極 110上沒有電位的情況下的熱平衡狀態(tài)。圖14是在柵電極110上施加了正電位的情況。通 過在η—層14上形成η型蓄積層，在ρ層171上形成η型反轉(zhuǎn)層，電子(用(-)標(biāo)記)通過 肖特基勢壘，從而使肖特基電極30與ρ層171短路。肖特基結(jié)與ρη結(jié)的切換功能及其低 損耗化、低噪聲化的效果與圖11以前的實施例相同，但是由于能夠利用η溝道層使肖特基 電極30與ρ層171短路，因此與ρ溝道層的圖11以前的情況相比，能夠低電阻地連接。圖 15示出其驅(qū)動序列。因為能夠通過施加正電位來進(jìn)行切換，因此具有能夠共用門控型二極 管的門電路的電源與IGBT的柵極電路的電源的優(yōu)點。
圖16是在圖12的肖特基電極的周圍如圖9所示地設(shè)置了 p—層160的本發(fā)明的 另一實施例。通過設(shè)置P—層160，能夠防止肖特基結(jié)16中的反向阻斷狀態(tài)下的漏電流的增 加。
圖17是以在絕緣柵110所處的肖特基電極30端側(cè)設(shè)置了 η+層162為特征的本 發(fā)明的另一實施例。通過設(shè)置η+層162，在向柵電極施加正電位、ρ—層171進(jìn)行了反轉(zhuǎn)的情 況下，電子更容易通過肖特基結(jié)16，從而經(jīng)由進(jìn)行了 η反轉(zhuǎn)的ρ層160與η+層162而低電 阻地相連。其結(jié)果是，具有能夠進(jìn)一步降低正向電壓的效果。
圖18是圖17的變形例。ρ_層160與ρ層171不一定要利用η_層14分離，即使 如圖18所示地接觸也具有與圖17同樣的效果。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性
根據(jù)本發(fā)明，在半導(dǎo)體裝置或逆變器等電力變換裝置的續(xù)流二極管的正向、反向 狀態(tài)下，通過具有現(xiàn)有技術(shù)沒有的、用于切換ρη 二極管和肖特基二極管的單元，在流動正 向電流時，能夠使電流在正向電壓小的ρη 二極管中流動，而在反向恢復(fù)時，能夠在反向恢 復(fù)電流小的肖特基二極管中進(jìn)行反向恢復(fù)，因此可以降低續(xù)流二極管的正向電壓，減小反 向恢復(fù)損耗，從而能夠提供損耗明顯小的半導(dǎo)體裝置以及電力變換裝置。另外，能夠減小反向恢復(fù)電流，并使其電流變化率di/dt極小，因此能夠使與寄生電感之間產(chǎn)生的跳起電壓 也明顯減小。其結(jié)果是，即使不使用高成本的SiC，通過使用了硅的續(xù)流二極管就能夠使半 導(dǎo)體裝置或逆變器裝置等電力變換裝置高效化、低成本化，從而能夠促進(jìn)電力變換裝置的 普及，推進(jìn)面向低碳社會的節(jié)能或新能源。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于將電源、開關(guān)功率器件、續(xù)流二極管串聯(lián)連接；上述續(xù)流二極管具有肖特基結(jié)，具有作為肖特基二極管動作的區(qū)域和pn結(jié)，并且具有 作為Pn 二極管動作的區(qū)域；該半導(dǎo)體裝置具有進(jìn)行控制的單元，該進(jìn)行控制的單元進(jìn)行控制，使得電流在上述續(xù) 流二極管中正向流動時，至少pn 二極管動作，而在上述續(xù)流二極管反向恢復(fù)時，主要是肖 特基二極管動作。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于 上述進(jìn)行控制的單元是絕緣柵。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述絕緣柵與上述開關(guān)功率器件的門信號同步，該門信號在將開關(guān)功率器件從斷開切 換到接通之前，控制上述續(xù)流二極管的上述絕緣柵，以從至少在上述pn 二極管中正向流動 電流的動作模式切換到以上述肖特基二極管為主地流動電流的動作模式。
4.如權(quán)利要求2或3所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述絕緣柵與上述開關(guān)功率器件的門信號同步，該門信號在將開關(guān)功率器件從接通切 換到斷開之前，控制續(xù)流二極管的上述絕緣柵，使得至少上述pn 二極管正向地流動電流。
5.如權(quán)利要求1 4中任意一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于 上述續(xù)流二極管具有半導(dǎo)體基體，具有一對主表面；第1導(dǎo)電型的第1半導(dǎo)體層，在該半導(dǎo)體基體的一個主表面露出； 第2導(dǎo)電型的第2半導(dǎo)體層，在上述半導(dǎo)體基體的另一個主表面露出并且與上述第1 半導(dǎo)體層相接；肖特基電極，位于上述半導(dǎo)體基體的另一個主表面，與上述第1半導(dǎo)體層相接并形成 肖特基結(jié)；絕緣柵，跨過上述第2導(dǎo)電型的第2半導(dǎo)體層和上述肖特基電極； 陽極電極，與上述肖特基電極低電阻地電連接；以及 陰極電極，與上述第1半導(dǎo)體層低電阻地接觸。
6.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于在上述肖特基電極與上述第1半導(dǎo)體層之間，具有濃度比上述第2半導(dǎo)體層的雜質(zhì)濃 度低的第2導(dǎo)電型的第3半導(dǎo)體層。
7.如權(quán)利要求1 4中任意一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于 上述續(xù)流二極管具有半導(dǎo)體基體，具有一對主表面；第1導(dǎo)電型的第1半導(dǎo)體層，在該半導(dǎo)體基體的一個主表面露出； 第2導(dǎo)電型的第2半導(dǎo)體層，在上述半導(dǎo)體基體的另一個主表面露出并且與上述第1 半導(dǎo)體層相接；肖特基電極，位于上述半導(dǎo)體基體的另一個主表面，與上述第1半導(dǎo)體層相接并形成 肖特基結(jié)；第2導(dǎo)電型的第4半導(dǎo)體層，在上述肖特基電極的與上述第2半導(dǎo)體層相對的一側(cè)，設(shè)置在與上述第1半導(dǎo)體層之間；絕緣柵，至少跨過該第4半導(dǎo)體層和上述第2半導(dǎo)體層； 陽極電極，與上述肖特基電極低電阻地電連接；以及 陰極電極，與上述第1半導(dǎo)體層低電阻地接觸。
8.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于在上述肖特基電極與上述第1半導(dǎo)體層之間，具有濃度比上述第2半導(dǎo)體層的雜質(zhì)濃 度低的第2導(dǎo)電型的第5半導(dǎo)體層。
9.如權(quán)利要求5 8中任意一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于通過對上述絕緣柵的柵電極施加負(fù)電壓，將上述肖特基電極與上述第2半導(dǎo)體層電連接。
10.如權(quán)利要求1 4中任意一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于 上述續(xù)流二極管具有半導(dǎo)體基體，具有一對主表面；第1導(dǎo)電型的第1半導(dǎo)體層，在該半導(dǎo)體基體的一個主表面露出； 第2導(dǎo)電型的第2半導(dǎo)體層，在上述半導(dǎo)體基體的另一個主表面露出并且與上述第1 半導(dǎo)體層相接；第1導(dǎo)電型的第6半導(dǎo)體層，形成在該第2半導(dǎo)體層內(nèi)； 進(jìn)行短路的單元，將該第6半導(dǎo)體層與上述第2半導(dǎo)體層電氣短路； 肖特基電極，位于上述半導(dǎo)體基體的另一個主表面，與上述第1半導(dǎo)體層相接并形成 肖特基結(jié)；絕緣柵，跨過該肖特基電極、上述第2半導(dǎo)體層和上述第6半導(dǎo)體層； 陽極電極，與上述肖特基電極低電阻地電連接；以及 陰極電極，與上述第1半導(dǎo)體層低電阻地接觸。
11.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于在上述肖特基電極與上述第1半導(dǎo)體層之間，具有濃度比上述第2半導(dǎo)體層的雜質(zhì)濃 度低的第2導(dǎo)電型的第3半導(dǎo)體層。
12.如權(quán)利要求1 4中任意一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于 上述續(xù)流二極管具有半導(dǎo)體基體，具有一對主表面；第1導(dǎo)電型的第1半導(dǎo)體層，在該半導(dǎo)體基體的一個主表面露出； 第2導(dǎo)電型的第2半導(dǎo)體層，在上述半導(dǎo)體基體的另一個主表面露出并且與上述第1 半導(dǎo)體層相接；第1導(dǎo)電型的第6半導(dǎo)體層，形成在該第2半導(dǎo)體層內(nèi)； 進(jìn)行短路的單元，將該第6半導(dǎo)體層與上述第2半導(dǎo)體層電氣短路； 肖特基電極，位于上述半導(dǎo)體基體的另一個主表面，與上述第1半導(dǎo)體層相接并形成 肖特基結(jié)；第2導(dǎo)電型的第3半導(dǎo)體層，在該肖特基電極與上述第1半導(dǎo)體層之間，濃度比上述第 2半導(dǎo)體層的雜質(zhì)濃度低；第1導(dǎo)電型的第7半導(dǎo)體層，在該第3半導(dǎo)體層與上述肖特基電極之間；絕緣柵，在上述另一個主表面，至少跨過該第7半導(dǎo)體層、上述第3半導(dǎo)體層、上述第1 半導(dǎo)體層、上述第2半導(dǎo)體層和上述第6半導(dǎo)體層； 陽極電極，與上述肖特基電極低電阻地電連接；以及 陰極電極，與上述第1半導(dǎo)體層低電阻地接觸。
13.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于 上述第3半導(dǎo)體層與上述第2半導(dǎo)體層相接。
14.如權(quán)利要求10 13中任意一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于通過對上述絕緣柵的柵電極施加正電壓，將上述肖特基電極與上述第2半導(dǎo)體層電連接。
15.如權(quán)利要求7 9中任意一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述第4半導(dǎo)體層、權(quán)利要求10 14中的上述第6半導(dǎo)體層、權(quán)利要求12 14中的 上述第7半導(dǎo)體層中的至少某一個半導(dǎo)體層的帶隙小于其它半導(dǎo)體層的帶隙。
16.如權(quán)利要求1 15中任意一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于 開關(guān)功率器件是IGBT即絕緣柵雙極型晶體管。
17.一種電力變換裝置，其特征在于使用權(quán)利要求1 16中任意一項所述的半導(dǎo)體裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體裝置以及使用該半導(dǎo)體裝置的電力變換裝置。現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是，電力變換裝置中使用的使用現(xiàn)有的pn結(jié)的續(xù)流二極管，由于將使用壽命控制得較短，因此正向電壓大且導(dǎo)通損耗大。另外，在反向恢復(fù)時反向恢復(fù)電流大且開關(guān)損耗大，電力變換裝置的損耗大。本發(fā)明在正向電流流動時，使電流在正向電壓小的pn二極管中流動，而在反向恢復(fù)時在反向恢復(fù)電流小的肖特基二極管中進(jìn)行反向恢復(fù)。另外，本發(fā)明具有pn二極管與肖特基二極管的切換單元。由于降低了續(xù)流二極管的正向電壓并且減小了反向恢復(fù)損耗，因此可以提供損耗小的半導(dǎo)體裝置以及使用該半導(dǎo)體裝置的電力變換裝置。
文檔編號H01L29/861GK102034817SQ20101025453
公開日2011年4月27日 申請日期2010年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者森睦宏 申請人:株式會社日立制作所