專利名稱：半導(dǎo)體元件、半導(dǎo)體裝置及電力變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體元件。特別涉及使用于高耐壓、大電流場合的碳化硅半導(dǎo)體元件(功率半導(dǎo)體器件)。另外，本發(fā)明涉及具備碳化硅半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體裝置及電力變換器。
背景技術(shù)：
碳化硅(silicon carbide :SiC)是與硅(Si)相比帶隙大的高硬度的半導(dǎo)體材料， 被應(yīng)用于功率器件、耐環(huán)境元件、高溫動(dòng)作元件、高頻元件等各種半導(dǎo)體裝置。其中，在半導(dǎo)體元件或整流元件等功率器件中的應(yīng)用備受關(guān)注。使用了 SiC的功率器件與Si功率器件相比，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠大幅度降低功率損耗等。另外，SiC功率器件能靈活應(yīng)用這種特性， 較之Si功率器件能夠?qū)崿F(xiàn)更小型的半導(dǎo)體裝置。使用了 SiC的功率器件之中的代表性半導(dǎo)體元件是金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor :MISFET)。 下面，有時(shí)將SiC的MISFET僅稱為“SiC-FET”。金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor =MOSFET)是 MISi7ET 的一種。當(dāng) SiC的pn結(jié)中流動(dòng)正向電流時(shí)，存在著因基板底面錯(cuò)位導(dǎo)致層疊缺陷增大這一 SiC固有的問題。在將SiC-FET作為開關(guān)元件，例如使用在對(duì)電動(dòng)機(jī)等負(fù)載進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的電力變換器等中的情況下，會(huì)產(chǎn)生上述問題。在作為進(jìn)行同步整流型控制的電力變換器的開關(guān)元件而使用SiC-FET的情況下，如后面的詳細(xì)說明那樣，需要在SiC-FET處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)流動(dòng) “回流電流”。作為該回流電流的路徑，有時(shí)使用SiC-FET內(nèi)在的pn結(jié)。這種pn結(jié)存在于構(gòu)成SiC-FET的半導(dǎo)體元件的內(nèi)部，由于作為二極管發(fā)揮作用，因此稱為“體二極管(body diode) ”。當(dāng)將SiC-FET內(nèi)在的pn結(jié)二極管(體二極管)作為回流二極管使用時(shí)，在作為 pn結(jié)的體二極管中沿正向流動(dòng)電流。當(dāng)該電流流經(jīng)SiC的pn結(jié)時(shí)，認(rèn)為因體二極管的雙極性動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致SiC-FET的結(jié)晶劣化(例如專利文獻(xiàn)1、非專利文獻(xiàn)1、2)。當(dāng)SiC-FET的結(jié)晶劣化時(shí)，體二極管的ON電壓有可能上升。另外，當(dāng)將體二極管作為回流二極管使用時(shí)，因pn結(jié)二極管的雙極性動(dòng)作導(dǎo)致二極管從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)時(shí)，流動(dòng)反向恢復(fù)電流。反向恢復(fù)電流產(chǎn)生恢復(fù)損耗，導(dǎo)致開關(guān)速度下降。為了解決通過將體二極管作為回流二極管使用而產(chǎn)生的這種問題，提出將作為電子元件的回流二極管元件與SiC-FET反向并聯(lián)連接使得在回流二極管元件中流動(dòng)回流電流的方案(例如專利文獻(xiàn)2)。圖1表示具有回流二極管元件的典型的逆變器電路1000的構(gòu)成。逆變器電路1000是用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)等的負(fù)載1500的電路，具備由SiC-FET構(gòu)成的多個(gè)半導(dǎo)體元件1100。在逆變器電路1000中，與半導(dǎo)體元件Iioo反向并聯(lián)地連接著回流二極管元件1200。通過半導(dǎo)體元件1100流動(dòng)導(dǎo)通電流(If)，通過回流二極管元件1200 流動(dòng)回流電流(Ik)。由串聯(lián)連接的兩個(gè)半導(dǎo)體元件1100構(gòu)成了一個(gè)組，相對(duì)于直流電源 2000并聯(lián)設(shè)置三個(gè)組。各半導(dǎo)體元件1100的柵極電位由控制器控制。
圖2(a)示出半導(dǎo)體元件(SiC-FET) 1100的構(gòu)成。半導(dǎo)體元件1100由碳化硅(SiC) 半導(dǎo)體構(gòu)成，具有在n+基板(SiC基板)110上層疊了 η—漂移(drift)層120的構(gòu)造。在 n_漂移層120的上部形成了 ρ體區(qū)域130，在ρ體區(qū)域130的上部形成了 ρ體接觸區(qū)域132 和η+源極區(qū)域140。并且，在ρ體接觸區(qū)域132及η+源極區(qū)域140上形成了源極電極145。在η_漂移層120、ρ體區(qū)域130及η.源極區(qū)域140的表面形成了溝道外延層150。 此外，在溝道外延層150上形成了柵極絕緣膜160及柵極電極165。在溝道外延層150中的與ρ體區(qū)域130的上表面相接的部分形成溝道區(qū)域。在η+基板110的背面形成了漏極電極 170。半導(dǎo)體元件1100中內(nèi)置有體二極管180。S卩，通過P體區(qū)域130與η_漂移層120 之間的Pn結(jié)形成了體二極管180。由于SiC是寬帶隙半導(dǎo)體，因此體二極管180在室溫下的上升電壓Vf在3V附近 (約2. 7V)，比較高，損耗大。圖4表示不同動(dòng)作溫度下的體二極管180的電流電壓特性及上升電壓。關(guān)于體二極管180，根據(jù)表示其電流電壓特性的曲線以切線近似的方式求出的上升電壓Vf，在25°C 約高2. 8V，這樣的高上升電壓的二極管是不實(shí)用的。當(dāng)動(dòng)作溫度變高時(shí)，Vf變小。另外，如前述，當(dāng)將體二極管180作為回流二極管使用時(shí)，存在著半導(dǎo)體元件1100的結(jié)晶劣化，可靠性下降的問題。因此，在逆變器電路1000中，難以用體二極管180代替回流二極管元件1200來使用。另外，作為SiC固有的課題，當(dāng)pn結(jié)中持續(xù)流動(dòng)正向電流時(shí)，SiC的晶體缺陷增大，由此也會(huì)產(chǎn)生損耗增大的問題。體二極管180是pn結(jié)二極管，是雙極性動(dòng)作的元件。在體二極管180處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，流動(dòng)反向恢復(fù)電流，因而產(chǎn)生恢復(fù)損耗。其結(jié)果，由于產(chǎn)生了流動(dòng)反向恢復(fù)電流的期間，因此執(zhí)行半導(dǎo)體元件1100的高速開關(guān)動(dòng)作極其困難。此外，由于開關(guān)損耗增大，因此難以提高開關(guān)頻率。圖2(b)示出的半導(dǎo)體元件1110是使用了 SiC的絕緣柵極型雙極性晶體管 (Insulated Gate Bipolar Transistor :IGBT)。在該半導(dǎo)體元件1110的情況下，無法將體二極管181作為回流二極管使用。這是由于半導(dǎo)體元件1110的基板112是ρ+基板。在半導(dǎo)體元件1110的情況下，除了 ρ體區(qū)域130與n_漂移層120之間的體二極管181之外，還內(nèi)置有基于P+基板112與n_漂移層120之間的pn結(jié)的體二極管182，因此由于存在體二極管182導(dǎo)致無法流動(dòng)回流電流(Ik)。圖17是為了說明圖1中的一部分構(gòu)成而抽出表示的電路圖?；趫D17可知，直流電源2000向電動(dòng)機(jī)等的感應(yīng)性負(fù)載2100提供電力。高邊側(cè)(high side)MISFET H和低邊側(cè)MISFET L串聯(lián)連接。對(duì)高邊側(cè)MISFETH和低邊側(cè)(low side)MISFET L進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的控制器2200輸出高邊側(cè)MISFET H的柵極驅(qū)動(dòng)電壓Vgl和低邊側(cè)MISFET L的柵極驅(qū)動(dòng)電壓 Vg2?？刂破?200與直流電源2000 —起作為對(duì)各MOSFET (半導(dǎo)體元件)的電位進(jìn)行設(shè)定的“電位設(shè)定部”發(fā)揮功能，通過該電位設(shè)定部驅(qū)動(dòng)圖示的半導(dǎo)體裝置。在圖17中，在由箭頭示出的電流II、12沿著箭頭方向流動(dòng)時(shí)具有正值，在沿著與箭頭方向相反的方向流動(dòng)時(shí)具有負(fù)值。
圖18(a) (e)是圖17示出的電路的動(dòng)作波形，是表示在向感應(yīng)性負(fù)載2100流動(dòng)電流時(shí)的各部分的電壓及電流的時(shí)序圖(timing chart)。高邊側(cè)MISFET H的柵極驅(qū)動(dòng)電壓Vgl和低邊側(cè)MISFET L的柵極驅(qū)動(dòng)電壓Vg2被排他性地接通、斷開。另外，為了防止高邊側(cè)MISFET H和低邊側(cè)MISFET L同時(shí)導(dǎo)通導(dǎo)致的短路破壞，在Vgl與Vg2之間設(shè)置空載時(shí)間(dead time) Tdl、Td2。圖18的時(shí)序圖中的初始狀態(tài)表示Vg2接通、在圖17示出的箭頭96的路徑上流動(dòng)電流的狀態(tài)。接著，Vg2斷開，在空載時(shí)間期間Tdl內(nèi)，沿圖17示出的箭頭97的路徑流動(dòng)電流，即在與低邊側(cè)MISFET L反向并聯(lián)連接的回流二極管元件中流動(dòng)電流。此時(shí)，電流Il 表示負(fù)值。在與低邊側(cè)MISFET L反向并聯(lián)連接的回流二極管元件中流動(dòng)電流的狀態(tài)下，如果使高邊側(cè)MISFET H導(dǎo)通，則向與低邊側(cè)MISFET L反向并聯(lián)連接的回流二極管元件施加電壓。該電壓對(duì)于回流二極管元件來說是反向電壓。因此，在圖17示出的箭頭95的路徑上，與低邊側(cè)MISFET L反向并聯(lián)連接的回流二極管元件中流動(dòng)反向恢復(fù)電流之后，與低邊側(cè)MISFET L反向并聯(lián)連接的回流二極管元件截止。更詳細(xì)而言，當(dāng)高邊側(cè)MISFET H導(dǎo)通時(shí)，在該時(shí)刻從高邊側(cè)MISFET H貫通與低邊側(cè)MISFETL反向并聯(lián)連接的回流二極管元件的反向恢復(fù)電流，如峰值電流98所示那樣瞬態(tài)流動(dòng)。該反向恢復(fù)電流不會(huì)流經(jīng)感應(yīng)性負(fù)載 2100，但是如圖17的箭頭95所示那樣，疊加在流經(jīng)高邊側(cè)MISFET H的電流上，成為開關(guān)損耗增大、過電流導(dǎo)致的元件破壞、產(chǎn)生噪聲等的原因。當(dāng)與低邊側(cè)MISFET L反向并聯(lián)連接的回流二極管元件截止時(shí)，在圖17示出的箭頭94的路徑上流動(dòng)電流。然后，Vgl斷開，在空載時(shí)間期間Td2內(nèi)，在圖17示出的箭頭97 的路徑上流動(dòng)電流，即在與低邊側(cè)MISFETL反向并聯(lián)連接的回流二極管元件中流動(dòng)電流。在與低邊側(cè)MISFET L反向并聯(lián)連接的回流二極管元件中流動(dòng)電流的狀態(tài)下，低邊側(cè)MISFET L導(dǎo)通，在圖17示出的箭頭96的路徑上流動(dòng)電路，即在低邊側(cè)MISFET L的溝道中流動(dòng)電流，返回到初始狀態(tài)。此外，在高邊側(cè)MISFET H和低邊側(cè)MISFET L中導(dǎo)通/截止動(dòng)作的時(shí)刻不同，但是由于在高邊側(cè)也產(chǎn)生反向恢復(fù)電流，因此在高邊側(cè)的回流二極管元件中也流動(dòng)電流。下面，參照圖3，對(duì)pn結(jié)二極管的反向恢復(fù)電流進(jìn)行說明。圖3中的曲線(a)及 (b)表示使用了 Si的pn結(jié)二極管(Si-PND)的電流變化的測量結(jié)果。曲線(a)是25°C (Tj =25°C )的結(jié)果，曲線(b)是150°C (Tj = 150°C )的結(jié)果。由曲線(a)及(b)可知，在pn結(jié)二極管中有產(chǎn)生反向恢復(fù)電流的期間，由此會(huì)導(dǎo)致逆變器電路1000的特性劣化(例如妨礙開關(guān)動(dòng)作的高速化及增大開關(guān)損耗)。反向恢復(fù)電流在150°c的曲線(b)比25°C的曲線(a)大，因此溫度越高pn結(jié)二極管特性的劣化程度越高。另一方面，圖3中的曲線(c)表示使用了 SiC的肖特基勢壘二極管(SiC-SBD)的電流變化的測量結(jié)果?？煽闯銮€(c)的情況與曲線(a)及(b)相比反向恢復(fù)電流小。另外，曲線(c)是25°C和150°C的兩個(gè)結(jié)果，因此可知在SiC-SBD中即便在高溫的情況下也幾乎不產(chǎn)生反向恢復(fù)電流。因而，較之Si-PND，作為回流二極管元件1200優(yōu)選使用SiC-SBD?？墒牵琒iC-SBD卻存在著高價(jià)的問題。進(jìn)而，在逆變器電路1000中為了回流電流而增加元件個(gè)數(shù)會(huì)導(dǎo)致電路成本的增大。
(現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn))專利文獻(xiàn)1 JP特開2008-17237號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 JP特開2002499625號(hào)公報(bào)非專利文獻(xiàn)1 荒井和雄、吉田貞史共編、SiC素子O基礎(chǔ)i応用(才一 A社、2003、 P206)非專利文獻(xiàn)2 =Materials Science Forum Vols. 389-393 (2002) pp. 1259-1264

發(fā)明內(nèi)容
(發(fā)明所要解決的課題)專利文獻(xiàn)2公開的SiC半導(dǎo)體裝置，作為“回流二極管元件”而使用了 SiC的SBD。 SBD的上升電壓比SiC-FET的體二極管小。因此，在回流電流小時(shí)，在SBD中流動(dòng)回流電流， 因此不會(huì)在體二極管中流動(dòng)回流電流。可是，當(dāng)作為回流二極管元件而使用SiC的SBD時(shí)，由于碳化硅半導(dǎo)體材料仍是高價(jià)，因此SiC的SBD也是高價(jià)，從而導(dǎo)致電路成本增大。進(jìn)而，在將專利文獻(xiàn)2的SiC-FET 用于電力變換器時(shí)，在體二極管中流動(dòng)回流電流的情況下，SiC-FET的故障率上升，還存在成為可靠性低的電力變換器的問題。另外，因?yàn)榕cSiC-SBD的搭載部分相應(yīng)地元件個(gè)數(shù)變多，因此電力變換器也相應(yīng)變大，與期望小型化及輕量化的電力變換器背道而馳。本發(fā)明鑒于上述情況而提出，其主要目的在于提供一種能夠在不增加元件個(gè)數(shù)的情況下抑制SiC半導(dǎo)體裝置的結(jié)晶劣化，從而能夠確保高可靠性的SiC半導(dǎo)體元件。另外，本發(fā)明的另一目的在于提供一種能夠在降低損耗的同時(shí)進(jìn)行高速動(dòng)作的 SiC半導(dǎo)體元件。(用于解決課題的方案)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置具備包括金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體元件、和對(duì)所述半導(dǎo)體元件的電位進(jìn)行設(shè)定的電位設(shè)定部，所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管具備第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基板；第1導(dǎo)電型的第1碳化硅半導(dǎo)體層，位于所述半導(dǎo)體基板的主面上；第2導(dǎo)電型的體區(qū)域，位于所述第1碳化硅半導(dǎo)體層內(nèi)；第1導(dǎo)電型的源極區(qū)域，位于所述體區(qū)域內(nèi)；第1導(dǎo)電型的第2碳化硅半導(dǎo)體層，位于所述第1碳化硅半導(dǎo)體層上且與所述體區(qū)域以及所述源極區(qū)域的至少一部分相接地形成；所述第2碳化硅半導(dǎo)體層上的柵極絕緣膜；所述柵極絕緣膜上的柵極電極；源極電極，與所述源極區(qū)域接觸； 以及漏極電極，設(shè)置于所述半導(dǎo)體基板的背面，將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述漏極電極的電位定義為Vds，將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位定義為 Vgs，將所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的柵極閾值電壓定義為Vth，將從所述漏極電極流向所述源極電極的電流的流向定義為正向，將從所述源極電極流向所述漏極電極的電流的流向定義為反向，所述電位設(shè)定部在晶體管動(dòng)作ON模式下，通過使以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位Vgs上升至柵極閾值電壓Vth以上，從而經(jīng)由所述第 2碳化硅半導(dǎo)體層使所述漏極電極與所述源極電極之間導(dǎo)通，所述電位設(shè)定部在晶體管動(dòng)作OFF模式下，通過將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位Vgs設(shè)為0伏特以上且小于柵極閾值電壓Vth，從而使所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管作為從所述源極電極經(jīng)由所述第2碳化硅半導(dǎo)體層向所述漏極電極沿所述反向流動(dòng)電流的二極管發(fā)揮作用。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值比由所述體區(qū)域和所述第 1碳化硅半導(dǎo)體層構(gòu)成的體二極管的上升電壓的絕對(duì)值小。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值與所述體二極管的上升電壓之差在0.7伏特以上。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于1. 3伏特。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于1. 0伏特。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于0. 6伏特。本發(fā)明的另一半導(dǎo)體元件包括金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管具備第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基板；第1導(dǎo)電型的第1碳化硅半導(dǎo)體層，位于所述半導(dǎo)體基板的主面上；第2導(dǎo)電型的體區(qū)域，位于所述第1碳化硅半導(dǎo)體層內(nèi)；第1導(dǎo)電型的源極區(qū)域，位于所述體區(qū)域內(nèi)；第1導(dǎo)電型的第2碳化硅半導(dǎo)體層，位于所述第1碳化硅半導(dǎo)體層上且與所述體區(qū)域以及所述源極區(qū)域的至少一部分相接地形成；所述第2碳化硅半導(dǎo)體層上的柵極絕緣膜；所述柵極絕緣膜上的柵極電極；源極電極，與所述源極區(qū)域接觸；以及漏極電極，設(shè)置于所述半導(dǎo)體基板的背面，將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述漏極電極的電位定義為Vds，將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位定義為Vgs，將所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的柵極閾值電壓定義為Vth，將從所述漏極電極流向所述源極電極的電流的流向定義為正向，將從所述源極電極流向所述漏極電極的電流的流向定義為反向，在Vgs > Vth的情況下，所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管經(jīng)由所述第2碳化硅半導(dǎo)體層使所述漏極電極與所述源極電極之間導(dǎo)通，在0伏特< Vgs < Vth的情況下，所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管不沿所述正向流動(dòng)電流，并且在Vds < 0伏特時(shí)作為從所述源極電極經(jīng)由所述第2碳化硅半導(dǎo)體層向所述漏極電極沿所述反向流動(dòng)電流的二極管發(fā)揮作用，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值比由所述體區(qū)域和所述第1碳化硅半導(dǎo)體層構(gòu)成的體二極管的上升電壓的絕對(duì)值小。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值與所述體二極管的上升電壓之差在0.7伏特以上。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于1. 3伏特。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于1. 0伏特。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于0. 6伏特。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述半導(dǎo)體元件用于半導(dǎo)體裝置中，該半導(dǎo)體裝置具備半導(dǎo)體元件，包括具有柵極電極、源極電極、漏極電極及溝道區(qū)域的晶體管；以及電位設(shè)定部， 對(duì)所述柵極電極的電位進(jìn)行設(shè)定，將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述漏極電極的電位定義為Vds，將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位定義為Vgs，將所述晶體管的柵極閾值電壓定義為Vth，將從所述漏極電極流向所述源極電極的電流的流向定義為正向，將從所述源極電極流向所述漏極電極的電流的流向定義為反向，所述電位設(shè)定部在晶體管動(dòng)作ON模式下，通過使以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位Vgs 上升至柵極閾值電壓Vth以上，從而經(jīng)由所述溝道區(qū)域使所述漏極電極與所述源極電極之間導(dǎo)通，所述電位設(shè)定部在晶體管動(dòng)作OFF模式下，通過將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位Vgs設(shè)為0伏特以上且小于柵極閾值電壓Vth，從而使所述晶體管作為從所述源極電極經(jīng)由所述溝道區(qū)域向所述漏極電極沿所述反向流動(dòng)電流的二極管發(fā)揮作用。本發(fā)明的另一半導(dǎo)體元件包括金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管具備第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基板；第1導(dǎo)電型的第1碳化硅半導(dǎo)體層，位于所述半導(dǎo)體基板的主面上；第2導(dǎo)電型的體區(qū)域，位于所述第1碳化硅半導(dǎo)體層內(nèi)；第1導(dǎo)電型的源極區(qū)域，位于所述體區(qū)域內(nèi)；第1導(dǎo)電型的第2碳化硅半導(dǎo)體層，位于所述第1碳化硅半導(dǎo)體層上且與所述體區(qū)域以及所述源極區(qū)域的至少一部分相接地形成；所述第2碳化硅半導(dǎo)體層上的柵極絕緣膜；所述柵極絕緣膜上的柵極電極；源極電極，與所述源極區(qū)域接觸；以及漏極電極，設(shè)置于所述半導(dǎo)體基板的背面，所述第2碳化硅半導(dǎo)體層包括摻入了第1導(dǎo)電型雜質(zhì)的至少一個(gè)雜質(zhì)摻入層，在將所述第2碳化硅半導(dǎo)體層中的雜質(zhì)濃度的平均值設(shè)為N (cm—3)、將厚度設(shè)為d(nm)的情況下，N及d滿足bLgXd'a! 3 ^ N < b0Xd"a0b0 = 1. 349 X IO21a0 = -1. 824bL3 = 2. 399 X IO20ai 3 =-1. 774 的關(guān)系。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，還滿足下述關(guān)系N ^ biXd'a^bi = 2. 188 X IO20,B1 = -1. 683ο在優(yōu)選的實(shí)施方式中，還滿足下述關(guān)系N ^ b0.6Xd"a0.6>bQ 6 = 7· 609X 1020、a0 6 = -1. 881。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，d在5nm以上200nm以下。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，d在IOnm以上IOOnm以下。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，d在20nm以上75nm以下。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述第2碳化硅半導(dǎo)體層是在所述第1碳化硅半導(dǎo)體層上外延生長而形成的層。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述第2碳化硅半導(dǎo)體層是通過對(duì)所述第1碳化硅半導(dǎo)體層進(jìn)行離子注入而形成的層。本發(fā)明的電力變換器具備上述任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件；第1布線，其將電源電壓的至少一部分施加到所述半導(dǎo)體元件的源極電極與漏極電極之間；以及第2布線，其將來自對(duì)所述半導(dǎo)體元件的開關(guān)進(jìn)行控制的控制器的電壓施加到所述半導(dǎo)體元件的柵極電極，所述電力變換器輸出向負(fù)載供給的電力。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，還具備與電源電連接的端子。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，還具備與感應(yīng)性負(fù)載電連接的端子。本發(fā)明的另一半導(dǎo)體裝置具備半導(dǎo)體元件，包括金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管；以及電位設(shè)定部，對(duì)所述半導(dǎo)體元件的電位進(jìn)行設(shè)定，所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管具備第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基板 ’第1導(dǎo)電型的第1碳化硅半導(dǎo)體層，位于所述半導(dǎo)體基板的主面上；第2導(dǎo)電型的體區(qū)域，位于所述第1碳化硅半導(dǎo)體層上；第1導(dǎo)電型的源極區(qū)域，位于所述體區(qū)域上；凹部，貫通所述體區(qū)域以及所述源極區(qū)域，并到達(dá)所述第 1碳化硅半導(dǎo)體層；第1導(dǎo)電型的第2碳化硅半導(dǎo)體層，其包括所述凹部的側(cè)面且與所述體區(qū)域以及所述源極區(qū)域的至少一部分相接地形成；所述第2碳化硅半導(dǎo)體層上的柵極絕緣膜；所述柵極絕緣膜上的柵極電極；源極電極，與所述源極區(qū)域接觸；以及漏極電極，設(shè)置于所述半導(dǎo)體基板的背面，將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述漏極電極的電位定義為 Vds，將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位定義為Vgs，將所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的柵極閾值電壓定義為Vth，將從所述漏極電極流向所述源極電極的電流的流向定義為正向，將從所述源極電極流向所述漏極電極的電流的流向定義為反向，所述電位設(shè)定部在晶體管動(dòng)作ON模式下，通過使以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位Vgs上升至柵極閾值電壓Vth以上，從而經(jīng)由所述第2碳化硅半導(dǎo)體層使所述漏極電極與所述源極電極之間導(dǎo)通，所述電位設(shè)定部在晶體管動(dòng)作OFF模式下，通過將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位Vgs設(shè)為0伏特以上且小于柵極閾值電壓Vth，從而使所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管作為從所述源極電極經(jīng)由所述第2碳化硅半導(dǎo)體層向所述漏極電極沿所述反向流動(dòng)電流的二極管發(fā)揮作用。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值比由所述體區(qū)域和所述第 1碳化硅半導(dǎo)體層構(gòu)成的體二極管的上升電壓的絕對(duì)值小。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值與所述體二極管的上升電壓之差在0.7伏特以上。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于1. 3伏特。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于1. 0伏特。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于0. 6伏特。本發(fā)明的又一半導(dǎo)體元件包括金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管具備第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基板；第1導(dǎo)電型的第1碳化硅半導(dǎo)體層，位于所述半導(dǎo)體基板的主面上；第2導(dǎo)電型的體區(qū)域，位于所述第1碳化硅半導(dǎo)體層上；第1導(dǎo)電型的源極區(qū)域，位于所述體區(qū)域上；凹部，貫通所述體區(qū)域以及所述源極區(qū)域，并到達(dá)所述第1碳化硅半導(dǎo)體層；第1導(dǎo)電型的第2碳化硅半導(dǎo)體層，其包括所述凹部的側(cè)面且與所述體區(qū)域以及所述源極區(qū)域的至少一部分相接地形成；所述第2碳化硅半導(dǎo)體層上的柵極絕緣膜；所述柵極絕緣膜上的柵極電極；源極電極，與所述源極區(qū)域接觸；以及漏極電極，設(shè)置于所述半導(dǎo)體基板的背面，將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述漏極電極的電位定義為Vds，將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位定義為Vgs，將所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的柵極閾值電壓定義為Vth，將從所述漏極電極流向所述源極電極的電流的流向定義為正向，將從所述源極電極流向所述漏極電極的電流的流向定義為反向，在Vgs ^ Vth的情況下，所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管經(jīng)由所述第2碳化硅半導(dǎo)體層使所述漏極電極與所述源極電極之間導(dǎo)通，在0伏特 ^ Vgs < Vth的情況下，所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管不沿所述正向流動(dòng)電流， 并且在Vds < 0伏特時(shí)作為從所述源極電極經(jīng)由所述第2碳化硅半導(dǎo)體層向所述漏極電極沿所述反向流動(dòng)電流的二極管發(fā)揮作用，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值比由所述體區(qū)域和所述第1碳化硅半導(dǎo)體層構(gòu)成的體二極管的上升電壓的絕對(duì)值小。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值與所述體二極管的上升電壓之差在0.7伏特以上。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于1. 3伏特。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于1. 0伏特。

在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于0. 6伏特。所述半導(dǎo)體元件用于半導(dǎo)體裝置中，該半導(dǎo)體裝置具備半導(dǎo)體元件，包括具有柵極電極、源極電極、漏極電極及溝道區(qū)域的晶體管；以及電位設(shè)定部，對(duì)所述半導(dǎo)體元件的電位進(jìn)行設(shè)定，將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述漏極電極的電位定義為Vds，將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位定義為Vgs，將所述晶體管的柵極閾值電壓定義為Vth，將從所述漏極電極流向所述源極電極的電流的流向定義為正向，將從所述源極電極流向所述漏極電極的電流的流向定義為反向，所述電位設(shè)定部在晶體管動(dòng)作ON模式下，通過使以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位Vgs上升至柵極閾值電壓Vth以上，從而經(jīng)由所述溝道區(qū)域使所述漏極電極與所述源極電極之間導(dǎo)通，所述電位設(shè)定部在晶體管動(dòng)作OFF模式下，通過將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位Vgs設(shè)為0伏特以上且小于柵極閾值電壓Vth，從而使所述晶體管作為從所述源極電極經(jīng)由所述溝道區(qū)域向所述漏極電極沿所述反向流動(dòng)電流的二極管發(fā)揮作用。本發(fā)明的又一半導(dǎo)體元件包括金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管具備第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基板；第1導(dǎo)電型的第1碳化硅半導(dǎo)體層，位于所述半導(dǎo)體基板的主面上；第2導(dǎo)電型的體區(qū)域，位于所述第1碳化硅半導(dǎo)體層上；第1導(dǎo)電型的源極區(qū)域，位于所述體區(qū)域上；凹部，貫通所述體區(qū)域以及所述源極區(qū)域，并到達(dá)所述第1碳化硅半導(dǎo)體層；第1導(dǎo)電型的第2碳化硅半導(dǎo)體層，其包括所述凹部的側(cè)面且與所述體區(qū)域以及所述源極區(qū)域的至少一部分相接地形成；所述第2碳化硅半導(dǎo)體層上的柵極絕緣膜；所述柵極絕緣膜上的柵極電極；源極電極，與所述源極區(qū)域接觸；以及漏極電極，設(shè)置于所述半導(dǎo)體基板的背面，所述第2碳化硅半導(dǎo)體層包括摻入了第1導(dǎo)電型雜質(zhì)的至少一個(gè)雜質(zhì)摻入層，在將所述第2碳化硅半導(dǎo)體層中的雜質(zhì)濃度的平均值設(shè)為N(cm—3)、將厚度設(shè)為d(nm)的情況下，N及d滿足下述關(guān)系bL3Xd"aL3^N<b0Xd"a0
b0 = 1. 349 X IO21
a0 = -1· 824
b13 = 2. 399 X IO20
B1 3 = -L 774。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，還滿足下述關(guān)系
N 彡 I3lXcTii1
bi = 2. 188 X IO2ci
al = -1. 683。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，還滿足下述關(guān)系
N ^ b0 6XcTa0 6、
b。6 = 7. 609 X ΙΟ20、
a0 6 = -1.881。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，d在5nm以上200nm以下。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，d在IOnm以上IOOnm以下。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，d在20nm以上75nm以下。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述第2碳化硅半導(dǎo)體層是通過外延生長而形成的層。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述第2碳化硅半導(dǎo)體層是通過離子注入而形成的層。本發(fā)明的另一電力變換器具備上述任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件；第1布線，其將電源電壓的至少一部分施加到所述半導(dǎo)體元件的源極電極與漏極電極之間；以及第2布線， 其將來自對(duì)所述半導(dǎo)體元件的開關(guān)進(jìn)行控制的控制器的電壓施加到所述半導(dǎo)體元件的柵極電極，所述電力變換器輸出向負(fù)載供給的電力。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，還具備與電源電連接的端子。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，還具備與感應(yīng)性負(fù)載電連接的端子。(發(fā)明效果)根據(jù)本發(fā)明，二極管電流流經(jīng)溝道而不是流經(jīng)由pn結(jié)構(gòu)成的體二極管，因此上升電壓比體二極管更低，能降低導(dǎo)通損耗。特別是，在碳化硅半導(dǎo)體這樣的寬帶隙半導(dǎo)體中， 因?yàn)轶w二極管的上升電壓變高，因此更有效。另外，通過盡量減小在溝道中流動(dòng)電流的二極管在室溫(25°C)下的上升電壓，從而能夠?qū)⒅苯邮┘咏o碳化硅半導(dǎo)體的pn結(jié)的電壓確保在小于體二極管的上升電壓0.7V)的電壓，能夠避免在碳化硅半導(dǎo)體的pn結(jié)流動(dòng)正向電流而導(dǎo)致的晶體缺陷增加的問題。進(jìn)而，因?yàn)槭菃螛O性動(dòng)作而不是雙極性動(dòng)作，因此可減輕反向恢復(fù)電流、降低反向恢復(fù)電流損耗、降低開關(guān)損耗、使開關(guān)動(dòng)作高速化。另外，通過使用本元件，從而不需要電力變換電路的回流二極管元件，因此可降低元件個(gè)數(shù)。換而言之，根據(jù)本發(fā)明，基于施加給元件的電極的電壓，能使一個(gè)元件作為MISFET動(dòng)作，或者能作為二極管動(dòng)作。其結(jié)果，可降低電路成本。


圖1是表示典型的逆變器電路1000的構(gòu)成的電路圖。圖2 (a)是半導(dǎo)體元件(SiC-MISFET) 1100的剖視圖，圖2 (b)是半導(dǎo)體元件 (SiC-IGBT)IllO 的剖視圖。圖3是用于對(duì)pn結(jié)二極管的反向恢復(fù)電流進(jìn)行說明的曲線圖。圖4是用于說明SiC體二極管的上升電壓的曲線圖。圖5(a)是示意性表示本發(fā)明的實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體元件100的構(gòu)成的剖視圖， 圖5(b)是半導(dǎo)體元件100的電路略號(hào)。圖6(a)是用于說明溝道區(qū)域55和柵極絕緣膜60的界面中的傳導(dǎo)帶能量分布的剖視圖，(b)及(c)分別表示正向及反向情況下的溝道橫向的傳導(dǎo)帶能量分布的曲線圖。圖7是表示半導(dǎo)體元件100的I-V特性的曲線圖。圖8是表示使用了 Si的MOSFET (比較例)的I-V特性的曲線圖。圖9 (a)及(b)是正向的Vth和反向的VfO的相關(guān)圖。圖IOA是表示在改變了溝道外延層50的厚度、雜質(zhì)濃度的情況下，反向電流的上升電壓VfO的絕對(duì)值(IVfOl)處于規(guī)定范圍的區(qū)域的曲線圖。
圖IOB是表示在改變了溝道外延層50的厚度、雜質(zhì)濃度的情況下，反向電流的上升電壓VfO的絕對(duì)值(IVfOl)處于規(guī)定范圍的區(qū)域的曲線圖。圖IOC是表示在改變了溝道外延層50的厚度、雜質(zhì)濃度的情況下，反向電流的上升電壓VfO的絕對(duì)值(IVfOl)處于規(guī)定范圍的區(qū)域的曲線圖。圖IOD是表示在改變了溝道外延層50的厚度、雜質(zhì)濃度的情況下，反向電流的上升電壓VfO的絕對(duì)值(IVfOl)處于規(guī)定范圍的區(qū)域的曲線圖。圖11是表示使用了本發(fā)明的實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體元件100的電力變換電路200 的構(gòu)成的電路圖。圖12是表示模擬仿真使用的沒有溝道外延層50的半導(dǎo)體元件的構(gòu)造的剖視圖。圖13(a)及(b)分別是由線性刻度及對(duì)數(shù)刻度(半對(duì)數(shù))表示的反向電流的Id-Vd 特性的曲線圖。圖14(a)及(b)是表示反向特性中的溝道橫向傳導(dǎo)帶能量分布的曲線圖。圖15(a)及(b)是表示正向特性中的溝道橫向傳導(dǎo)帶能量分布的曲線圖。圖16是表示溝道界面?zhèn)鲗?dǎo)帶能量的Vgs依存性的曲線圖。圖17是取出了圖1示出的逆變器電路的3相逆變器的1相的電路圖。圖18(a) (e)是表示圖17示出的電路的動(dòng)作波形的圖(時(shí)序圖)。圖19是表示升降壓轉(zhuǎn)換器210的電路圖。圖20是表示升壓轉(zhuǎn)換器220的電路圖。圖21是示意性表示本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100的構(gòu)成的剖視圖。圖22(a) (c)是用于說明半導(dǎo)體元件100的制造方法的工序剖視圖。圖23(a) (c)是用于說明半導(dǎo)體元件100的制造方法的工序剖視圖。圖24(a) (c)是用于說明半導(dǎo)體元件100的制造方法的工序剖視圖。圖25(a) (c)是用于說明半導(dǎo)體元件100的制造方法的工序剖視圖。圖沈是示意性表示本實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體元件100的其他構(gòu)成的剖視圖。圖27(a) (c)是用于說明半導(dǎo)體元件100’的制造方法的工序剖視圖。圖^(a) (c)是用于說明半導(dǎo)體元件100’的制造方法的工序剖視圖。圖29(a)及(b)是用于說明半導(dǎo)體元件100’的制造方法的工序剖視圖。圖30(a)及(b)是用于說明半導(dǎo)體元件100’的制造方法的工序剖視圖。圖31是Si-MOSFET的等效電路。圖32是Si-MOSFET和回流二極管的組合的等效電路。圖33是Si-MOSFET和SiC-SBD的組合的等效電路。圖34是Si-IGBT和回流二極管的組合的等效電路。圖35是示意性表示半導(dǎo)體元件100的變形例的構(gòu)成的剖視圖。圖36是在改變了溝道外延層50的厚度、雜質(zhì)濃度的情況下的正向的Vth和反向的VfO的相關(guān)圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置具備包括MISFET的半導(dǎo)體元件、和對(duì)該半導(dǎo)體元件的電位進(jìn)行設(shè)定的電位設(shè)定部。該半導(dǎo)體元件包括MISFET，其具有作為溝道區(qū)域發(fā)揮功能的碳化硅半導(dǎo)體層，在基板的主面?zhèn)染哂袞艠O電極及源極電極，在基板的背面?zhèn)染哂新O電極。上述電位設(shè)定部以源極電極的電位為基準(zhǔn)，將零以上且小于晶體管的閾值電壓Vth的電位賦予給柵極電極，從而使上述MISFET作為從源極電極經(jīng)由溝道區(qū)域向漏極電流流動(dòng)電流的
二極管進(jìn)行動(dòng)作。另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體元件包括MISFET，其具有作為溝道區(qū)域發(fā)揮功能的碳化硅半導(dǎo)體層，在基板的主面?zhèn)染哂袞艠O電極及源極電極，在基板的背面?zhèn)染哂新O電極。該 MISFET在以源極電極的電位為基準(zhǔn)的柵極電極的電位為零以上且小于晶體管的閾值電壓 Vth的情況下，作為從源極電極經(jīng)由溝道區(qū)域向漏極電極流動(dòng)電流的二極管進(jìn)行動(dòng)作。下面，參照

本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的實(shí)施方式。本發(fā)明并不限定于以下的實(shí)施方式。參照圖5(a)及(b)對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體元件100進(jìn)行說明。圖5(a) 是示意性表示本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100的構(gòu)成的剖視圖。另外，圖5(b)表示本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100的電路略號(hào)。圖5(b)記載的二極管標(biāo)記是指經(jīng)由半導(dǎo)體元件100的溝道區(qū)域流動(dòng)電流的二極管。G表示柵極電極，S表示源極電極，D表示漏極電極。在本說明書中，將以源極電極S的電位為基準(zhǔn)的漏極電極D的電位定義為VdsJf 以源極電極S的電位為基準(zhǔn)的柵極電極G的電位設(shè)為Vgs，將從漏極電極D流向源極電極S 的電流的流向定義為“正向”，將從源極電極S流向漏極電極D的電流的流向定義為“反向”。 另外，電位及電壓的單位都是伏特(V)。本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100是包括MISFET的半導(dǎo)體元件，在規(guī)定條件下MISFET 的溝道區(qū)域發(fā)揮二極管特性。如圖5(a)所示，本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100包括第1導(dǎo)電型的碳化硅半導(dǎo)體基板10、和在基板10的表面IOa上形成的第1導(dǎo)電型的第1碳化硅半導(dǎo)體層20。本實(shí)施方式的碳化硅半導(dǎo)體基板10是η+基板(n+SiC基板)，第1碳化硅半導(dǎo)體層20是n_漂移層。 即，在本實(shí)施方式中，第1導(dǎo)電型為η型，第2導(dǎo)電型為ρ型。η型和ρ型可以彼此互換。另外，“η+”或“η—”的符號(hào)中的上標(biāo)文字的“ + ”或“-”的標(biāo)記表示雜質(zhì)的相對(duì)濃度。“η+”意味著與“η”相比η型雜質(zhì)濃度高，“η—”意味著與“η”相比η型雜質(zhì)濃度低。在第1碳化硅半導(dǎo)體層20形成有第2導(dǎo)電型的體區(qū)域(阱區(qū)域)30。在體區(qū)域 30內(nèi)形成有第1導(dǎo)電型的源極區(qū)域40。本實(shí)施方式的體區(qū)域30為ρ型，源極區(qū)域40為η+ 型。在體區(qū)域30形成有ρ型的接觸區(qū)域32。在源極區(qū)域40上形成有源極電極45。源極電極45形成于η+源極區(qū)域40及ρ接觸區(qū)域32的表面，與η+源極區(qū)域40及ρ接觸區(qū)域 32的雙方電接觸。第1碳化硅半導(dǎo)體層(η_漂移層)20的表面部中的被體區(qū)域30夾持的區(qū)域22作為 JFET(Junction Field-Effect Transistor)區(qū)域發(fā)揮功能。在第1碳化硅半導(dǎo)體層20上，與ρ體區(qū)域30及η+源極區(qū)域40的至少一部分相接地形成有第2碳化硅半導(dǎo)體層50。本實(shí)施方式中的第2碳化硅半導(dǎo)體層50通過在形成有 P體區(qū)域30及η+源極區(qū)域40的η_漂移層20上外延生長而形成。第2碳化硅半導(dǎo)體層50 在位于P體區(qū)域30上方的地方包括溝道區(qū)域55。這里，將該第2碳化硅半導(dǎo)體層50稱為 “溝道外延層”。溝道區(qū)域55的長度(溝道長度)相當(dāng)于圖5 (a)示出的2個(gè)雙向箭頭所示的長度。即，MISFET的“溝道長度”由圖上的ρ體區(qū)域30的上表面(與溝道外延層50相接的表面)的水平方向尺寸規(guī)定。在溝道外延層50上形成有柵極絕緣膜60。在柵極絕緣膜60上形成有柵極電極 65。在基板10的背面IOb形成有漏極電極70。將半導(dǎo)體元件100的MISFET的閾值電壓(正向電流的閾值電壓)設(shè)為Vth。MISFET 在Vgs彡Vth的情況下(晶體管動(dòng)作ON模式)，經(jīng)由溝道外延層50使漏極電極70與源極電極45之間導(dǎo)通(在Vds > OV的情況下，從漏極電極70向源極電極45流動(dòng)導(dǎo)通電流)， 在Vgs < Vth的情況下，作為晶體管而處于截止?fàn)顟B(tài)?？墒?，在該MISFET中，在晶體管動(dòng)作OFF模式下，即便在OV ( Vgs < Vth的情況下，也在Vds < OV時(shí)經(jīng)由溝道外延層50從源極電極45向漏極電極70流動(dòng)電流的二極管發(fā)揮功能。以后，在本說明書中，有時(shí)將經(jīng)由溝道層從源極電極向漏極電極流動(dòng)電流的二極管記為“溝道二極管”。在本說明書中，將從漏極電極70流向源極電極45的流向定義為“正向”，將從源極電極45流向漏極電極70的流向定義為“反向”，因此該二極管流動(dòng)電流的方向?yàn)椤胺聪颉?。以MISFET的溝道區(qū)域?yàn)殡娏髀窂降脑摱O管(溝道二極管)具有如下特性在 Vds > VfO (VfO為負(fù)值)的情況下不流動(dòng)ImA以上的電流，在Vds彡VfO的情況下流動(dòng)ImA 以上的電流。換而言之，流經(jīng)該二極管的電流在Vds > Vf0(Vf0為負(fù)值)時(shí)幾乎為零(小于ImA)，但是如果使Vds從零開始徐徐減小(逐漸增大Vds的絕對(duì)值)，則在Vds達(dá)到VfO 時(shí)開始流動(dòng)ImA的電流，如果進(jìn)一步增大Vds的絕對(duì)值，則電流進(jìn)一步增大。這意味著VfO 相當(dāng)于二極管的電流-電壓特性中的“上升電壓(turn-on voltage)”。在本申請說明書中，對(duì)于二極管的電流-電壓特性中的“上升電壓”，分為MISFET 處于導(dǎo)通狀態(tài)(如流動(dòng)額定電流那樣，Vgs比Vth充分大且Vds為IV)時(shí)MISFET中流動(dòng)的電流為IA以上的半導(dǎo)體元件(電流容量大的半導(dǎo)體元件)和比IA小的半導(dǎo)體元件(電流容量小的半導(dǎo)體元件)進(jìn)行定義。在前者的半導(dǎo)體元件(電流容量大的半導(dǎo)體元件)的情況下，對(duì)于二極管而言為正向的電壓被施加到二極管，在流經(jīng)二極管的電流的絕對(duì)值為ImA以上時(shí)，定義為二極管電流上升了。并且，將流經(jīng)二極管的電流的絕對(duì)值為ImA時(shí)二極管被施加的電壓(VfO)定義為“上升電壓”。另一方面，在后者的半導(dǎo)體元件(電流容量小的半導(dǎo)體元件)的情況下， 將流經(jīng)二極管的電流成為MISFET處于導(dǎo)通狀態(tài)且Vds為IV時(shí)MISFET中流動(dòng)的電流的千分之一的電流值之際二極管被施加的電壓(VfO)定義為“上升電壓”。在本發(fā)明中，通過電位設(shè)定部向半導(dǎo)體元件100的柵極電極賦予規(guī)定的電位。這樣，通過使Vgs上升至Vth以上，執(zhí)行經(jīng)由溝道外延層50導(dǎo)通漏極電極70與源極電極45之間的步驟。另外，通過電位設(shè)定部將Vgs設(shè)為0伏特以上且小于柵極閾值電壓Vth，從而執(zhí)行使MISFET作為從源極電極45經(jīng)由溝道外延層50向漏極電極70沿反向流動(dòng)電流的“二極管”發(fā)揮功能的步驟。在本發(fā)明中，基于后述的理由，將VfO的絕對(duì)值(二極管的上升電壓)設(shè)定得比 2. 7伏特還小。由于本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100具有上述構(gòu)成，因此半導(dǎo)體元件100作為二極管發(fā)揮功能之際的二極管電流90，通過溝道外延層50從源極電極45流向漏極電極70。二
20極管電流90的路徑與流經(jīng)寄生的體二極管(體區(qū)域30和半導(dǎo)體層20的pn結(jié))的電流92 的路徑完全不同。根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100，使二極管電流流經(jīng)溝道區(qū)域而不是流經(jīng)作為 pn結(jié)的體二極管，因此可將二極管的上升電壓設(shè)定得比體二極管的上升電壓低，從而能減少導(dǎo)通損耗。pn結(jié)二極管的上升電壓依存于半導(dǎo)體材料的帶隙的大小。在碳化硅半導(dǎo)體這樣的寬帶隙半導(dǎo)體中，體二極管的上升電壓特別高，本發(fā)明中的上升電壓的降低效果更顯著。在本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100中，因?yàn)榻?jīng)由溝道外延層50流動(dòng)二極管電流90， 因此能夠避免在碳化硅半導(dǎo)體的pn結(jié)中流動(dòng)正向電流引起的晶體缺陷增加的問題。經(jīng)由溝道外延層流動(dòng)電流的二極管的動(dòng)作是單極性動(dòng)作，而不是經(jīng)由pn結(jié)的空穴、電子的雙極性動(dòng)作，因此減輕了反向恢復(fù)電流。因此，能夠減少反向恢復(fù)電流損耗、減少開關(guān)損耗、使開關(guān)動(dòng)作高速化。如果開關(guān)損耗減少，則可提高開關(guān)頻率。結(jié)果，能夠減小作為無源元件的電容器的電容值及作為無源元件的電抗器(reactor)的電感值，因此可使電容器和電抗器小型化、 可降低成本。另外，通過元件個(gè)數(shù)的減少，可減少電路的寄生電感、寄生電抗、寄生電阻，其結(jié)果可減少損耗，另外由于可減少噪聲，因此也可使構(gòu)成噪聲濾波器的電容器和電抗器小型化，從而減少成本。此外，在使用了本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100的情況下，由于不需要逆變器電路 1000的回流二極管元件1200，因此可減少元件個(gè)數(shù)，其結(jié)果可大幅度減少電路成本。下面，參照圖6，進(jìn)一步說明本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100的動(dòng)作。圖6是用于說明溝道外延層50和柵極絕緣膜60的界面中的傳導(dǎo)帶能量分布的圖。圖6(a)是用于計(jì)算傳導(dǎo)帶能量分布的構(gòu)造模型，圖6(a)中的A_A’線相當(dāng)于圖6(b) 及(c)的橫軸[μπι]。圖6(b)及(c)分別表示正向及反向情況下的溝道橫向的傳導(dǎo)帶能量分布。另外，圖6(b)及(c)的縱軸表示傳導(dǎo)帶能量[eV]。首先，對(duì)正向、即Vds大于零的情況進(jìn)行說明。如圖6(b)所示，在正向的情況下， 由于溝道外延層50中的與ρ體區(qū)域(或ρ阱)30相接的區(qū)域的傳導(dǎo)帶能量(即溝道區(qū)域陽的傳導(dǎo)帶能量)高于溝道外延層50中的源極區(qū)域40上及JFET區(qū)(漏極區(qū)域)22上的區(qū)域的傳導(dǎo)帶能量，因此載流子不流動(dòng)。接著，如果使Vgs從零向正的方向上升，則溝道區(qū)域55的傳導(dǎo)帶能量下降，溝道外延層50中的源極區(qū)域40上的區(qū)域與溝道區(qū)域55之間的勢壘消失。因此，載流子從源極區(qū)域40流入溝道區(qū)域55。接著，說明反向即Vds為0以下的情況。如果Vds從OV狀態(tài)開始，且從OV開始降低Vds，則如圖6(c)所示，溝道外延層50中的JFET區(qū)(漏極區(qū)域)22上的區(qū)域的傳導(dǎo)帶能量上升，與溝道區(qū)域55的勢壘變低。因此，載流子(電子)從JFET區(qū)域(漏極區(qū)域)22上的區(qū)域流入。S卩，在逆電流流經(jīng)體二極管之前，在溝道外延層50(或溝道區(qū)域55)中開始流動(dòng)。 因?yàn)榱鹘?jīng)溝道外延層50，因此與MISFET(或M0SFET)的正向電流相同，是單極性動(dòng)作。因此，也不會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)電流，因此不會(huì)產(chǎn)生恢復(fù)損耗。另外，能夠具有比作為寬帶隙半導(dǎo)體的SiC的pn結(jié)的擴(kuò)散電位引起的上升電壓還低的上升電壓。
簡而言之，在本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100中，如圖6(b)所示，在正向的情況下， 通過柵極電壓的施加使得溝道區(qū)域陽的傳導(dǎo)帶能量下降而流動(dòng)電流。另一方面，如圖6(c) 所示，在反向的情況下，通過漏極側(cè)的傳導(dǎo)帶能量的上升使得存在于溝道與漏極間的能量勢壘變低而流動(dòng)電流。下面，參照圖7，對(duì)半導(dǎo)體元件100的特性進(jìn)行說明。圖7表示本申請發(fā)明者試制的半導(dǎo)體元件100在室溫下的I-V特性。試制的半導(dǎo)體元件100是作為MISFET的一種的使用了 SiC的DMOSFET(Double Implanted MOSFET)，具有與圖5所示的構(gòu)造相同的構(gòu)造。 圖7的曲線圖的橫軸為Vds，縱軸為從漏極電極向源極電極沿“正向”流動(dòng)的電流值。當(dāng)電流從源極電極向漏極電極沿“反向”流動(dòng)時(shí)，該電流具有負(fù)值。正向(Vds > 0V)的I-V特性是在Vgs = 0V、5V、10V、15V、20V的情況下測量的曲線。反向(Vds ( 0V)的I-V特性是在Vgs = OV的情況下測量的曲線。由圖7可知，在半導(dǎo)體元件100中，反向電流的上升電壓(VfO的絕對(duì)值)是比作為SiC的pn擴(kuò)散電位的2. 7V還小的值(IV附近)。由于反向電流的上升電壓(VfO的絕對(duì)值)低于體二極管的上升電壓，因此可知二極管電流經(jīng)由MISFET的溝道區(qū)域流動(dòng)而不是經(jīng)由作為Pn結(jié)的體二極管流動(dòng)。其結(jié)果，通過使用半導(dǎo)體元件100能夠減少導(dǎo)通損耗。因?yàn)?Pn結(jié)二極管的上升電壓依存于半導(dǎo)體材料的帶隙的大小，因此在碳化硅半導(dǎo)體這樣的寬帶隙半導(dǎo)體中，體二極管的上升電壓特別高，本發(fā)明中的上升電壓的減少效果更顯著。圖8作為比較例示出使用了 Si的MOSFET在室溫下的I_V特性。在該比較例的情況下，反向電流的閾值VfO的絕對(duì)值為0. 6V。此時(shí)的反向電流流經(jīng)體二極管，反向電流的上升電壓為體二極管的Pn結(jié)的上升電壓。在比較例的情況下，因?yàn)镾i與SiC相比絕緣破壞電場低，因此為了具有與SiC相同的耐壓，而至少需要增大漂移層的膜厚，減小漂移層的雜質(zhì)濃度。由于Si-MISFET與具有相同耐壓的SiC-MISFET相比，導(dǎo)通損耗變高。另外，因?yàn)?Si的帶隙低于1. IeV,因此在150°C左右，pn結(jié)的峰值電流增大。因此，在使用Si-MISFET 的情況下，動(dòng)作溫度受到限制。圖9表示正向電流的閾值電壓Vth和反向電流的上升電壓VfO的相關(guān)圖。圖9 (a) 是基于試制品的實(shí)際測量值數(shù)據(jù)的相關(guān)圖。在該曲線圖中，作為反向電流的上升電壓VfO 采用了電流Id達(dá)到2mA時(shí)的電壓。體區(qū)域的雜質(zhì)濃度及柵極絕緣膜的厚度固定了條件。圖 9 (b)是基于對(duì)變更了 MOSFET元件的幾個(gè)參數(shù)(例如溝道外延層50的厚度或濃度等)的構(gòu)造進(jìn)行模擬仿真的結(jié)果的相關(guān)圖。由圖9(a)可知，Vth越低，| Vf0 |也越小。該趨勢在圖9(b)中也同樣。這里，在本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100中，優(yōu)選IVfOl小，優(yōu)選正向電流的閾值電壓Vth為2V以上。
理由如下。在圖1所示的功率電路即逆變器電路1000中一般使用的半導(dǎo)體元件 (MISFET) 1100，優(yōu)選為常閉狀態(tài)(Vth > 0V)。其原因在于，即便因某種原因?qū)е聳艠O控制電路故障使得柵極電壓為0V，也能夠切斷漏極電流，因此是安全的。另外，當(dāng)為高溫時(shí)，MISFET 的閾值電壓降低。例如，在SiC-MOSFET的情況下，有時(shí)溫度上升100°C電壓會(huì)下降約IV。 這里，如果為了避免噪聲導(dǎo)致柵極導(dǎo)通而將噪聲容限設(shè)為IV，則優(yōu)選室溫下的Vth設(shè)定在 2V(1V+1V)以上。因此，要求滿足正向電流的閾值電壓Vth高至某種程度且反向電流的上升電壓VfO的絕對(duì)值(IVfOl)盡量低這種相反要求。本申請發(fā)明者致力于能夠滿足這種相反要求的研究。根據(jù)各種研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 反向電流的上升電壓VfO的絕對(duì)值(IVfOl)能夠根據(jù)溝道層的雜質(zhì)濃度及厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)。 另外，還發(fā)現(xiàn)與不具備溝道層的反轉(zhuǎn)型MISFET不同，本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中的MISFET由于具備溝道層，因此除了溝道層的雜質(zhì)濃度及厚度以外，還通過適當(dāng)?shù)剡x擇P體區(qū)域的雜質(zhì)濃度或柵極絕緣膜的膜厚，能夠分別獨(dú)立地控制正向電流的閾值電壓Vth和反向電流的上升電壓VfO的絕對(duì)值(I VfO I) ο圖36是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中的正向電流的閾值電壓Vth和反向電流的上升電壓VfO的絕對(duì)值(IVfOl)的相關(guān)的圖。在圖36中，橫軸表示正向電流的閾值電壓Vth， 縱軸表示反向電流的上升電壓VfO的絕對(duì)值(Ivfol)。在為了得到本圖而實(shí)施的模擬仿真中，P型體區(qū)域(阱區(qū)域)的濃度固定在IX IO19CnT3，柵極絕緣膜的厚度固定在70nm。其他參數(shù)的范圍如下所示。 溝道外延層的厚度20 70nm·溝道外延層的濃度1 X IO17 4X IO18CnT3由圖36可知，例如通過使溝道外延層的厚度變薄且使溝道外延層的雜質(zhì)濃度變高，從而能夠在使IvfOl為一定值的同時(shí)增大vth。因此，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定溝道外延層的雜質(zhì)濃度和厚度，從而可分別獨(dú)立地控制vth和IVfo I。例如，利用該圖說明在控制成Vth = 5V、VfO I = IV的情況下的溝道外延層的厚度和雜質(zhì)濃度的設(shè)定方法。首先，讀取通過Vth = 5V與|VfO I = IV相交的交點(diǎn)的相關(guān)直線所對(duì)應(yīng)的溝道外延層的厚度。在圖36中，能讀出約40nm。因此，將溝道外延層的厚度設(shè)定為40nm。然后， 在上述的溝道外延層的厚度中，設(shè)定Vth = 5V的雜質(zhì)濃度即可。這里，取數(shù)據(jù)存在的2點(diǎn)的濃度、即7 X IO17cnT3與IX IO18cnT3的中間值，設(shè)定為約8. 5 X IO17cnT3即可。這樣，在本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體元件中，通過調(diào)整第2碳化硅半導(dǎo)體層(溝道外延層)的厚度和雜質(zhì)濃度，能夠?qū)⒔?jīng)由溝道的二極管的上升電壓的絕對(duì)值設(shè)定得比體二極管的上升電壓的絕對(duì)值小。圖IOA IOD是表示為了使反向電流的上升電壓VfO的絕對(duì)值(|VfO|)成為規(guī)定范圍內(nèi)的值，需要獲取溝道外延層50的厚度d(nm)及雜質(zhì)(施主)濃度N(cm_3)的條件的區(qū)域的曲線圖。曲線圖的縱軸表示溝道外延層的雜質(zhì)濃度[cm—3]，橫軸表示溝道外延層的厚度[nm]?？v軸中的例如“1E+20”的標(biāo)記表示1X102°。圖中的點(diǎn)是繪制模擬仿真得到的值的點(diǎn)。為了得到本圖所實(shí)施的模擬仿真的參數(shù)的范圍如下所述?！艠O絕緣膜的厚度60 120nm· ρ型體區(qū)域(阱區(qū)域)的濃度2X IOw 2X IO19cnT3 溝道外延層的厚度10 70nm·溝道外延層的濃度=IXlO17- 1.5 X IO19CnT3另外，無論在哪個(gè)情況下，都調(diào)整成正向電流的閾值電壓Vth為OV以上、S卩MISFET 為常閉狀態(tài)。在圖IOA 圖IOD中，(i) (ν)分別是表示邊界區(qū)域的直線。用式子表示這些直線的話，如下所示。
直線(i)所對(duì)應(yīng)的式子N = b0Xd"a0b0 = 1. 349 X IO21a0 = -1· 824，直線(ii)所對(duì)應(yīng)的式子N = b0.6Xd"a0.6b0 6 = 7. 609 X IO20a0 6 = -1. 881，直線(iii)所對(duì)應(yīng)的式子N = Io1XcTii1bi = 2. 188 X IO20Ei1 = -1.683，直線(iv)所對(duì)應(yīng)的式子N = bi ^Xd-B1 3bL3 = 2. 399 X IO20B1 3 = "I. 774,直線(ν)所對(duì)應(yīng)的式子N = b2Xd"a2b2 = 5. 754 X IO20ει2 =-2.380。這里，“表示乘冪，A"B意味著Ab。例如，滿足0 < |VfO|彡2. OV所需的條件為溝道外延層50的厚度d(nm)及雜質(zhì)濃度N(cm_3)處于由直線⑴和直線(ν)夾持的區(qū)域、即滿足t^Xcr^SNSbeXcra。(參照圖10A)。滿足0< |VfO| < 1.3V所需的條件為溝道外延層50的厚度d(nm)及雜質(zhì)濃度 N (cm-3)處于由直線⑴和直線(iv)夾持的區(qū)域、即滿足W3XcTi^3SNCbciXcraci(參照圖 10B)。滿足0< |VfO|彡1. OV所需的條件為溝道外延層50的厚度d(nm)及雜質(zhì)濃度 N(cm-3)處于由直線⑴和直線(iii)夾持的區(qū)域、即滿Mb1Xcfiil <N<bQXcra(1(參照圖 10C)。滿足0< |VfO|彡0.6V所需的條件為溝道外延層50的厚度d(nm)及雜質(zhì)濃度 N (cm-3)處于由直線⑴和直線(ii)夾持的區(qū)域、即滿足W6XcTiia6SNCbciXcraci(參照圖 10D)。另外，雖然在模擬仿真的參數(shù)范圍內(nèi)制作了曲線圖，但即使是模擬仿真的參數(shù)范圍外的點(diǎn)，只要N和d在由上述各區(qū)域所對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)式表示的范圍內(nèi)，就可認(rèn)為分別滿足0 < I VfO I ^ 2. 0V,0 < I VfO I ^ 1. 3V、0 < I VfO I ^ 1. 0V,0 < I VfO I ^ 0. 6Vo例如，在要實(shí)現(xiàn)0 < VfO I ( 0. 6V的特性的情況下，選擇由直線⑴和直線( ) 夾持的區(qū)域中的溝道外延層50的厚度d及雜質(zhì)濃度N。例如，將溝道外延層50的雜質(zhì)濃度和膜厚分別設(shè)定為4X 1018Cm_3、20nm。這里，為了進(jìn)一步得到期望的Vth(在此是指2V以上8V以下)，選擇ρ體區(qū)域30的濃度及柵極絕緣膜60的膜厚。通過將ρ體區(qū)域30的雜質(zhì)(受主)濃度例如設(shè)定為1 X 1019cm_3、將柵極絕緣膜60的膜厚例如設(shè)定為70nm，從而可得到I VfO I =約0. 5V，Vth也得到約3. 8V的值。ρ體區(qū)域30的濃度、柵極絕緣膜60的厚度，在考慮了所要求的器件性能或制造工藝上的制約的基礎(chǔ)上，可適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行選擇。優(yōu)選溝道外延層的厚度d在5nm以上。這是由于如果將溝道外延層的厚度d設(shè)定為5nm以上，則即便產(chǎn)生成膜或加工工藝的偏差，也不會(huì)使溝道外延層的一部分消失。進(jìn)而，優(yōu)選溝道外延層的厚度d在IOnm以上。如果將溝道外延層的厚度d設(shè)定在 IOnm以上，則溝道外延層的膜厚的均勻性得到了提高。進(jìn)而，優(yōu)選溝道外延層的厚度d在20nm以上。如果將溝道外延層的厚度d設(shè)定在 20nm以上，則溝道外延層的膜厚的均勻性進(jìn)一步得到提高，溝道外延層成膜穩(wěn)定性提高。另外，優(yōu)選溝道外延層的厚度d在200nm以下。這是由于如果溝道外延層的厚度 d在200nm以下，則為了形成源極電極而在蝕刻溝道外延層的工序中蝕刻不需要較長時(shí)間。進(jìn)而，優(yōu)選溝道外延層的厚度d在IOOnm以下。如果在IOOnm以下，則易于兼顧作為MISFET使用的情況下的適當(dāng)?shù)拈撝惦妷篤th和回流二極管的小的上升電壓|VfO I。進(jìn)而，優(yōu)選溝道外延層的厚度d在75nm以下。如果在75nm以下，則更易于兼顧作為MISFET使用的情況下的適當(dāng)?shù)拈撝惦妷篤th和回流二極管的小的上升電壓|VfO I。優(yōu)選室溫下的溝道二極管的上升電壓盡量小。由此，能夠?qū)⑾蛱蓟璋雽?dǎo)體的pn 結(jié)直接施加的電壓保持在體二極管的上升電壓0.7V)以下，能夠避免在碳化硅半導(dǎo)體的 pn結(jié)中流動(dòng)正向電流導(dǎo)致的晶體缺陷增加的問題。利用圖5對(duì)此進(jìn)行說明。在|VfO|例如約0. 6V的情況下，例如在對(duì)源極給予OV的電位、對(duì)漏極給予-0. 6V以下的電位時(shí)，作為二極管發(fā)揮功能。此時(shí)，電流經(jīng)由溝道區(qū)域55在路徑90上流動(dòng)。然后，即便在對(duì)源極給予 OV的電位、對(duì)漏極給予-2. 7V的電位的情況下，該二極管的電流也不通過路徑92，而在路徑 90上流動(dòng)。下面敘述其理由。在對(duì)源極給予0V、對(duì)漏極給予比-2. 7V大的電位的情況下， 首先在路徑90上流動(dòng)二極管電流。這里，基板10及漂移層20包括在路徑90中。將在此流動(dòng)的電流設(shè)為I、將基板電阻設(shè)為Rsub、將漂移層20中的位于ρ阱區(qū)域30下方的電阻設(shè)為Rd，則在ρ阱區(qū)域30與漏極之間引起電壓下降IX(Rsub+Rd)的量。此時(shí)，在ρ阱區(qū)域 30與漂移層20之間施加的電壓為從源極-漏極間電壓中減去IX (Rsub+Rd)后的電壓。也就是說，作為源極-漏極間電壓，即便施加原本可以在體二極管中流動(dòng)電流的2. 7V的電壓， 也由于以與體二極管并聯(lián)的方式存在著溝道二極管，因此在將源極漏極間電壓設(shè)為I Vds |、 將向體二極管的Pn結(jié)施加的電壓設(shè)為Vpn的情況下則有Vpn = | Vds | -I X (Rsub+Rd)。由于路徑90示出的溝道二極管的|VfO|越小，相對(duì)于相同的|Vds I而言I越大， 因此對(duì)體二極管的pn結(jié)施加的電壓Vpn就越小。因而，對(duì)體二極管的pn結(jié)施加的電壓Vpn 未達(dá)到在本來的體二極管中開始流動(dòng)電流的2. 7V電壓，所以體二極管中不流動(dòng)電流。也就是說，能夠避免在碳化硅半導(dǎo)體的pn結(jié)中流動(dòng)正向電流導(dǎo)致的晶體缺陷增加的問題。SiC是寬帶隙半導(dǎo)體，因此與Si相比，為了特別是在高溫區(qū)域(300°C以上)的環(huán)境溫度下也可使用而需要在高溫環(huán)境中體二極管內(nèi)也不流動(dòng)電流，優(yōu)選室溫下的IvfOl在 1. 3V以下。
此外，優(yōu)選室溫下的|VfO|小于1.0V，進(jìn)而優(yōu)選小于0.6V。如果室溫下的|VfO 小于1. 0V，則能實(shí)現(xiàn)比將SiC-SBD (反向電流的上升電壓1. OV左右)用作回流二極管元件的情況更良好的動(dòng)作。另外，如果室溫下的IVfO小于0.6V，則能實(shí)現(xiàn)比將Si-pin 二極管 (反向電流的上升電壓0. 6V左右)用作回流二極管元件的情況更良好的動(dòng)作。圖11表示使用了本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100的電力變換電路(這里是指逆變器電路)200、負(fù)載500、電源2000及控制器。因?yàn)楸緦?shí)施方式的半導(dǎo)體元件100是回流二極管融合型的MISFET，所以不需要圖1所示的回流二極管元件1200。因此，在圖1中，在一個(gè)逆變器電路1000中需要6個(gè)半導(dǎo)體元件1100和6個(gè)回流二極管元件1200共計(jì)12個(gè)元件，但是如果使用圖11所示的本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100，則由合計(jì)6個(gè)元件就能構(gòu)成逆變器電路200?？刂破飨喈?dāng)于本發(fā)明中的電位設(shè)定部?？刂破骺刂葡蚋靼雽?dǎo)體元件100的柵極施加的電位?？刂破骺刂聘靼雽?dǎo)體元件的柵極的電位，例如在Vgs > Vth和Vgs = OV 之間進(jìn)行切換。半導(dǎo)體元件100及控制器相當(dāng)于本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置。本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置具備與電源2000電連接的端子。另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置具備與感應(yīng)性的負(fù)載500電連接的端子。在本實(shí)施方式的逆變器電路200中，通過將元件個(gè)數(shù)減半，從而能夠?qū)崿F(xiàn)成本的大幅度減少。另外，通過元件個(gè)數(shù)的減少，較之逆變器電路1000，能夠減少各元件的損耗 (連接損耗等)，其結(jié)果，能夠提高逆變器電路200的性能。除此之外，在本實(shí)施方式的構(gòu)成中，較之逆變器電路1000，因?yàn)樵€(gè)數(shù)減半，因此能夠使逆變器電路200小型化、輕量化， 或者可實(shí)現(xiàn)噪聲的減少。此外，通過元件個(gè)數(shù)的減少，能夠減少寄生的C(電容)及/或寄生的L(電感)，所以即便在這一點(diǎn)上也能夠減少損耗，緩和電磁干擾(EMI =Electro Magnetic Interference)的問題(噪聲問題)。另外，因?yàn)槟軠p少損耗，因此能在逆變器電路200中減少熱量產(chǎn)生，故能夠使降溫裝置小型化，或者可易于制定冷卻單元的對(duì)策。并且，如果能減少損耗，則能提高頻率，例如如果將頻率設(shè)為2倍，由此可使所使用的接觸器元件(C)、電感器元件(L)的體積變?yōu)?/2，結(jié)果能夠使所使用的元件小型化及輕量化，能實(shí)現(xiàn)成本減少。另外，在本實(shí)施方式中，以逆變器電路為例進(jìn)行了說明，但本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100能廣泛應(yīng)用于電力變換器(例如逆變器、轉(zhuǎn)換器、矩陣轉(zhuǎn)換器等)。另外，只要是能使用半導(dǎo)體元件100的用途即可，并不限于電力變換電路，也能用于其他電路(例如邏輯電路等數(shù)字電路等)。電源并不限于直流電源，也可是交流電源。也能根據(jù)電路用途適當(dāng)進(jìn)行選擇。下面，參照圖12 圖16，繼續(xù)說明本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100。本申請發(fā)明者基于模擬仿真分析對(duì)有溝道外延層50的情況和無溝道外延層50的情況的特性差異進(jìn)行了研究。圖12是表示模擬仿真中使用的無溝道外延層50的半導(dǎo)體元件(反轉(zhuǎn)型MISFET) 的構(gòu)造的剖視圖。圖13表示模擬仿真分析后的反向電流的Id-Vds特性(Id 漏極電流、Vds 漏極電壓)。這里，Vgs為0V。圖13(a)用線性刻度進(jìn)行表示，圖13(b)用對(duì)數(shù)刻度(半對(duì)數(shù))表示。另外，曲線I是有溝道外延層的情況下的結(jié)果，曲線II是無溝道外延層的情況下的結(jié)^ ο與曲線I及曲線II相應(yīng)的半導(dǎo)體元件100都有Vth=約3. 5V。作為共同條件， 柵極絕緣膜60的膜厚為70nm，溝道長度Lg為0.5 μ m。另外，JFET區(qū)域22的雜質(zhì)濃度為 IXlO1W3O由圖13可知，即使正向電流的閾值電壓Vth大致相同，反向電流也在有溝道外延層的情況(曲線I)下易于流動(dòng)。因此，在本發(fā)明中，在溝道層內(nèi)形成MISFET的溝道區(qū)域。此外，參照圖14及圖15接著進(jìn)行說明。圖14是表示反向特性(流動(dòng)反向電流時(shí)的特性)下的溝道橫向的Ec分布的曲線圖。另外，“Ec”是“Conduction Band Energ y”的縮略語。圖中的Φ表示JFET區(qū)域側(cè)的Ec與溝道區(qū)域中的最大Ec之差、即能量勢壘。圖 14(a)及圖15(a)是無溝道外延層的情況下的結(jié)果，圖14(b)及圖15(b)是有溝道外延層的情況下的結(jié)果。有/無溝道外延層的半導(dǎo)體元件100兩者都是在Vth =約3. 5V的情況下進(jìn)行比較的。反向流動(dòng)的電子從JFET區(qū)域側(cè)越過溝道區(qū)域的Ec而在源極區(qū)域上流動(dòng)。如圖所示，當(dāng)降低Vds時(shí)，JFET側(cè)的Ec上升，能量勢壘Φ下降，當(dāng)Vds在VfO以下時(shí)，電子超過能量勢壘Φ而進(jìn)行流動(dòng)。圖15是表示正向特性中的溝道橫向Ec分布的曲線圖。圖15所示的Φ表示源極區(qū)域上的Ec與溝道區(qū)域的最大Ec之差、即能量勢壘。正向流動(dòng)的電子從源極區(qū)域上越過溝道區(qū)域的最大Ec而在JFET區(qū)域流動(dòng)。如圖15所示，當(dāng)提升Vgs時(shí)，溝道區(qū)域的Ec下降， 能量勢壘Φ下降。當(dāng)Vgs在Vth以上時(shí)，電子超過能量勢壘Φ而流動(dòng)。比較圖14(a)及圖14(b)可知，如果Vth相同，則無溝道外延層的情況下(圖 14(a))的能量勢壘Φ比有溝道外延層的情況下(圖14(b))的能量勢壘Φ高。因此，有溝道外延層的構(gòu)成的半導(dǎo)體元件100易于流動(dòng)反向電流。圖16是表示溝道界面Ec的Vgs依存性的曲線圖。圖16中的曲線I是有溝道外延層的情況下的結(jié)果，曲線II是無溝道外延層的情況下的結(jié)果。由圖16可知，因?yàn)榍€I 的Ec比曲線II低，所以|VfO|低，易于流動(dòng)反向電流。在半導(dǎo)體元件100中，即便Vth相同，有溝道外延層的一方其Vgs = OV時(shí)的溝道區(qū)域的傳導(dǎo)帶能的勢壘(Φ)低，易于流動(dòng)反向電流。圖11所示的本發(fā)明的電力變換器(逆變器電路200)通過如下方式實(shí)現(xiàn)例如在圖17所示的現(xiàn)有的電路構(gòu)成中，將與回流二極管元件連接的高邊側(cè)MISFET H及低邊側(cè) MISFET L用本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100置換。根據(jù)本發(fā)明的電力變換器，與MISFET的體二極管相比，能夠減少反向恢復(fù)電流的峰值(圖18的98)。其結(jié)果，能夠大幅度減少開關(guān)損耗，進(jìn)而能夠抑制噪聲的產(chǎn)生。根據(jù)本發(fā)明的電力變換器，與將MISFET的ρη結(jié)二極管(體二極管)用作回流二極管的情況相比，閾值的絕對(duì)值|VfO|變低，故能夠減少導(dǎo)通損耗。另外，在上述的實(shí)施方式中，作為電力變換器以逆變器電路200為例進(jìn)行了說明， 但本實(shí)施方式的構(gòu)成并不限于此。圖19是包括本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100在內(nèi)的升降壓轉(zhuǎn)換器210的電路圖。控制器相當(dāng)于本發(fā)明中的電位設(shè)定部。因?yàn)樵撋祲嚎刂破?10由半導(dǎo)體元件100構(gòu)成，所以能得到上述效果。S卩，因?yàn)榕c體二極管相比能減少反向恢復(fù)電流，因此能大幅度減少開關(guān)損耗，進(jìn)而能抑制噪聲的產(chǎn)生。并且，與MISFET的體二極管相比，閾值的絕對(duì)值|VfO|變低，故能減少導(dǎo)通損耗。另外，升降壓轉(zhuǎn)換器210中的時(shí)序圖與圖18所示的時(shí)序圖的峰值電流98被降低后的圖相同或類似。此外，圖20是表示包括本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100在內(nèi)的升壓轉(zhuǎn)換器220的電路圖。采用在圖19所示的構(gòu)成中上支路的半導(dǎo)體元件100中的柵極與源極短路后的構(gòu)成。 詳細(xì)而言，轉(zhuǎn)換器220是上支路為二極管、下支路為開關(guān)的升壓轉(zhuǎn)換器?？刂破飨喈?dāng)于本發(fā)明中的電位設(shè)定部。下面，參照圖21及圖22 圖25，對(duì)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件100的構(gòu)造和制造方法進(jìn)行詳細(xì)敘述。圖21所示的半導(dǎo)體元件100具有縱型DMISFET的構(gòu)造，基本與圖5所示的構(gòu)成相同?！癉MISFET” 是 Double-implanted-MISFET 的縮略語。與圖5所示的構(gòu)造不同之處在于，在柵極電極65上形成有層間絕緣膜67，并且在源極電極45及層間絕緣膜67上形成有源極布線(或源極墊片(pad))47。另外，在漏極電極70的背面形成有管芯連接(die bond)用的背面電極72這一點(diǎn)也不同。管芯連接用的背面電極72例如是Ti/Ni/Ag的層疊電極。接著，對(duì)圖21所示的半導(dǎo)體元件100的制造方法進(jìn)行說明。首先，如圖22(a)所示，準(zhǔn)備基板10?；?0例如是低電阻的η型4H-S1C切割(offcut)基板。然后，如圖22(b)所示，在基板10上外延生長高電阻的漂移區(qū)域20。漂移區(qū)域20 例如采用η型4H-SiC。然后，如圖22(c)所示，在漂移區(qū)域20上形成例如由SiO2構(gòu)成的掩模81，例如將Al或B的離子82進(jìn)行離子注入。在離子注入之后去除掩模81，例如在1700°C左右的高溫下在惰性氣氛中進(jìn)行活性退火，從而如圖23(a)所示形成了 ρ阱區(qū)域(體區(qū)域)30。接著，如圖23(b)所示，利用掩模(未圖示)在ρ阱區(qū)域30中例如對(duì)氮進(jìn)行離子注入而形成源極區(qū)域40，例如通過注入Al而形成接觸區(qū)域32。在離子注入后去除掩模，進(jìn)行活性退火。另外，在此雖然在圖23(a)所示的工序中實(shí)施了活性退火，但是也可在圖23 (a)的工序中不實(shí)施，兼用圖23(b)工序中的活性退火。然后，如圖23(c)所示，在包括ρ阱區(qū)域30、源極區(qū)域40及接觸區(qū)域32在內(nèi)的漂移區(qū)域20的整個(gè)表面，利用碳化硅生長外延層(溝道外延層)50。在本實(shí)施方式中，將溝道外延層50的雜質(zhì)濃度N(cnT3)及厚度d(nm)例如調(diào)整到滿足以下條件的范圍內(nèi)biXd'a! ^ N < b0Xd"a0b0 = 1. 349 X IO21a0 = -1. 824bi = 2. 188 X IO20B1 = -1. 683o接著，如圖M (a)所示，在對(duì)溝道外延層50的規(guī)定部位進(jìn)行干式蝕刻之后，例如通過熱氧化在溝道外延層50的表面形成柵極絕緣膜60。然后，如圖M(b)所示，在柵極絕緣膜60的表面堆積以7X 102°cm_3左右摻入了磷的多晶硅膜64。多晶硅膜64的厚度例如為 500nm左右。然后，如圖M(C)所示，利用掩模(未圖示)對(duì)多晶硅膜64進(jìn)行干式蝕刻，在期望的區(qū)域形成柵極電極65。接著，如圖25(a)所示，按照覆蓋柵極電極65的表面及漂移區(qū)域 20的表面的方式，例如通過CVD法堆積利用了 SiO2的層間絕緣膜67。層間絕緣膜67的厚度例如為1. 5μπι。然后，如圖25(b)所示，利用掩模(未圖示)，通過干式蝕刻方式去除接觸區(qū)域32 的表面上和源極區(qū)域40的一部分表面上的層間絕緣膜67，從而形成了通孔68。然后，如圖25(c)所示，在層間絕緣膜67上形成例如厚度為50nm左右的鎳膜，接著通過蝕刻按照保留通孔68的內(nèi)部及其周邊的一部分的方式去除鎳膜。在蝕刻之后，在惰性氣氛內(nèi)，例如通過950°C、5分鐘的熱處理，使鎳與碳化硅表面進(jìn)行反應(yīng)，從而形成由鎳硅化物構(gòu)成的源極電極45。另外，在基板10的背面，例如也使鎳在整個(gè)面上堆積，同樣通過熱處理使其與碳化硅進(jìn)行反應(yīng)，從而形成漏極電極70。接著，在層間絕緣膜67及通孔68上堆積例如厚度為4 μ m左右的鋁，當(dāng)蝕刻成期望的圖案時(shí)，如圖21所示，得到了源極布線(或源極墊片)47。另外，雖然未圖示，但是在芯片端在其他區(qū)域還形成與柵極電極接觸的柵極布線(或柵極墊片)。進(jìn)而，作為管芯連接用的背面電極72，在漏極電極70的背面例如堆積Ti/Ni/Ag。這樣一來，得到了圖21所示的半導(dǎo)體元件100。下面，參照圖沈及圖27 圖30，對(duì)本實(shí)施方式的其他半導(dǎo)體元件100’的構(gòu)造和制造方法進(jìn)行詳細(xì)敘述。圖沈所示的半導(dǎo)體元件100，具有縱型溝道MISFET的構(gòu)造。圖沈所示的半導(dǎo)體元件100’是形成有溝道(凹部)的方式這一點(diǎn)與圖5或圖21所示的半導(dǎo)體元件100的構(gòu)成不同，但是即便在圖26所示的半導(dǎo)體元件100’的方式中，也能得到上述的本實(shí)施方式的效果。接著，在說明圖沈所示的半導(dǎo)體元件100’的構(gòu)造的同時(shí)說明該半導(dǎo)體元件100’ 的制造方法。首先，如圖27(a)所示，準(zhǔn)備基板10?；?0例如為低電阻的η型4H_SiC切割基板。然后，如圖27(b)所示，在基板10上，外延生長高電阻的漂移區(qū)域20。漂移區(qū)域20例如使用η型4H-SiC。然后，如圖27(c)所示，在漂移區(qū)域20的表面上，例如外延生長厚度0. 5 μ m Iym左右的P基底層(體區(qū)域)30。接著，如圖^(a)所示，在ρ基底層30的表面，例如通過將氮進(jìn)行離子注入或者通過外延生長而形成高濃度的η+源極區(qū)域40。此外，例如通過離子注入Al，形成從η.源極區(qū)域40的表面到達(dá)ρ基底層30的ρ型的接觸區(qū)域32。這里，活性退火例如在惰性氣氛中以1700 1800°C左右的溫度執(zhí)行30分鐘左右。然后，如圖^(b)所示，利用掩模(未圖示)，通過對(duì)碳化硅進(jìn)行干式蝕刻，從而在期望的區(qū)域形成溝道69。溝道69是貫通η.源極區(qū)域40及ρ基底層30并到達(dá)漂移區(qū)域20 的凹部。然后，如圖^(c)所示，在包括溝道69的側(cè)面的區(qū)域上，外延生長碳化硅層(溝道外延層50)。在本實(shí)施方式中，將溝道外延層50的雜質(zhì)濃度N (cm—3)及厚度d(nm)例如調(diào)整到滿足以下條件的范圍內(nèi)biXd'a! ^ N < b0Xd"a0b0 = 1. 349 X IO21
a0 = -1. 824bi = 2. 188 X IO20Ei1 = -1. 683。溝道外延層50如上述，也可具有雜質(zhì)濃度沿著厚度方向變化的構(gòu)造。然后，如圖29(a)所示，通過對(duì)溝道外延層50進(jìn)行干式蝕刻而形成期望的圖案之后，例如通過熱氧化方式形成柵極絕緣膜60。接著，如圖四㈦所示，在柵極絕緣膜60的表面堆積例如以7X102°cm_3左右摻入了磷的厚度為500nm左右的多晶硅膜，然后通過對(duì)期望的圖案進(jìn)行干式蝕刻，從而形成柵極電極65。然后，如圖30(a)所示，作為層間絕緣膜67，在柵極電極65的表面例如堆積厚度為1. 5μπι的SiO2，然后，通過干式蝕刻去除位于接觸區(qū)域32的表面及源極區(qū)域40的一部分表面的層間絕緣膜67。這樣，形成使接觸區(qū)域32和源極區(qū)域40的一部分露出的通孔。然后，如圖30(b)所示，在層間絕緣膜67上形成例如厚度為50nm左右的鎳膜，接著通過蝕刻按照保留通孔的內(nèi)部及其周邊的一部分的方式去除鎳膜。在蝕刻之后，在惰性氣氛內(nèi)，例如通過950°C、5分鐘的熱處理，使鎳與碳化硅表面進(jìn)行反應(yīng)，從而形成由鎳硅化物構(gòu)成的源極電極45。另外，在基板10的背面，例如也使鎳堆積整個(gè)面，同樣通過熱處理使其與碳化硅進(jìn)行反應(yīng)，從而形成漏極電極70。接著，在層間絕緣膜67及通孔68上堆積例如厚度為4 μ m左右的鋁，當(dāng)蝕刻成期望的圖案時(shí)，如圖26所示，得到了源極布線(或源極墊片)47。另外，雖然未圖示，但是在芯片端在其他區(qū)域還形成了與柵極電極接觸的柵極布線(或柵極墊片)。進(jìn)而，作為管芯連接用的背面電極72，在漏極電極70的背面例如堆積Ti/M/Ag。這樣，得到了圖沈所示的半導(dǎo)體元件100，。圖31 圖34示出現(xiàn)有技術(shù)中的半導(dǎo)體元件和二極管元件的組合，與本發(fā)明進(jìn)行比較來說明本發(fā)明的效果。圖31是Si-MOSFET的單體情況下的等效電路。D為漏極端子，S為源極端子，G為柵極端子。If為正向電流，Ir為反向電流。在該電路中，回流電流作為反向電流Ir流經(jīng) Si-MOSFET的內(nèi)部的體二極管。因?yàn)轶w二極管為雙極性元件，因此流動(dòng)反向恢復(fù)電流，故開關(guān)損耗增大，開關(guān)時(shí)間也長。與此相對(duì)，本發(fā)明的半導(dǎo)體元件，由于反向電流流經(jīng)進(jìn)行單極性動(dòng)作的溝道層，因此反向恢復(fù)電流非常小。因而，具有開關(guān)損耗小、開關(guān)時(shí)間短的效果。圖32表示Si-MOSFET和回流二極管元件的組合的等效電路。圖32的回流二極管元件為Si-pin 二極管。由于回流二極管元件為雙極性元件，因此與圖31的電路同樣地，流動(dòng)反向恢復(fù)電流。因而，開關(guān)損耗大，開關(guān)時(shí)間也長。與此相對(duì)，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體元件，如前述，反向恢復(fù)電流非常小，開關(guān)時(shí)間也短。另外，在圖32所示的電路構(gòu)成中，將回流二極管元件作為其他元件另行準(zhǔn)備，且與 Si-MOSFET連接，因此需要的元件數(shù)量為2個(gè)，但在本發(fā)明中，由于不需要這樣的回流二極管，因此可減少元件個(gè)數(shù)。圖33是Si-MOSFET和SiC-SBD的組合的等效電路。圖33的回流二極管元件為 SiC-SBD。在Si-MOSFET的漏極側(cè)串聯(lián)設(shè)置有齊納二極管(Zener diode)。齊納二極管用于使反向電流流經(jīng)回流二極管。在Si-MOSFET中內(nèi)置有pn結(jié)的體二極管，該|VfO|約0. 6V?；亓鞫O管的|VfO|約IV。若沒有齊納二極管，則在流動(dòng)反向電流時(shí)，由于電流向VfO的絕對(duì)值低的一方流動(dòng)，因此電流不流經(jīng)回流二極管而流經(jīng)Si-MOSFET的體二極管。為防止反向電流流經(jīng) Si-MOSFET的體二極管，而設(shè)置了齊納二極管。在流動(dòng)正向電流時(shí)，產(chǎn)生齊納二極管的導(dǎo)通損耗，另外在開關(guān)時(shí)也產(chǎn)生齊納二極管的開關(guān)損耗。因?yàn)榛亓鞫O管具有寄生電容，因此蓄積在寄生電容中的能量在開關(guān)動(dòng)作時(shí)伴有開關(guān)損耗的增加。與此相對(duì)，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體元件，不會(huì)產(chǎn)生因Si-MOSFET和SiC-SBD的組合而產(chǎn)生的齊納二極管的導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗以及回流二極管的寄生電容引起的損耗。因此，可減少損耗。另外，在圖33的構(gòu)成中，雖然元件個(gè)數(shù)為3個(gè)，但是在本發(fā)明中因?yàn)橐部梢詾橐粋€(gè)，因此可減少至1/3元件個(gè)數(shù)。圖34是Si-IGBT和回流二極管的組合的等效電路。圖34的回流二極管為Si-pin 二極管。在該組合的情況下，因?yàn)榘雽?dǎo)體元件和二極管元件都是雙極性元件，因此在開關(guān)動(dòng)作時(shí)半導(dǎo)體元件中流動(dòng)尾電流，開關(guān)損耗大，開關(guān)時(shí)間長。另外，由于二極管的反向恢復(fù)電流大，因此開關(guān)損耗大，開關(guān)動(dòng)作時(shí)間長。與此相對(duì)，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體元件，開關(guān)損耗小，開關(guān)時(shí)間短。因?yàn)樵诂F(xiàn)有技術(shù)中元件個(gè)數(shù)為2個(gè)，在本發(fā)明中元件個(gè)數(shù)為1個(gè)，因此可減少元件個(gè)數(shù)。以上，示出了如果使用本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置，則不需要回流二極管，但是在所要求的負(fù)載電流比流經(jīng)內(nèi)置于本發(fā)明半導(dǎo)體裝置的溝道區(qū)域的二極管的電流容量大的情況下， 也可追加回流二極管元件。此時(shí)，由于負(fù)載電流流經(jīng)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置和回流二極管元件的雙方，因此回流二極管元件的電流容量也比現(xiàn)有技術(shù)中的回流二極管元件的電流容量小。因?yàn)?，可減少回流二極管的芯片面積，減少成本。以上，說明了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是上述記述并不是對(duì)本發(fā)明的限定事項(xiàng)， 當(dāng)然也可對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種變形。圖35是表示相對(duì)于圖5的構(gòu)成的變形例的剖視圖。圖35的例子與圖5的構(gòu)成的不同之處在于溝道外延層50的上表面與η.源極區(qū)域40、ρ接觸區(qū)域32的上表面存在于同一面上。本變形例的半導(dǎo)體元件101例如能夠通過依次執(zhí)行在形成體區(qū)域30之后形成溝道外延層50的工序、在相應(yīng)位置形成η+源極區(qū)域40、ρ接觸區(qū)域32的工序來實(shí)現(xiàn)。另外，也可代替溝道外延層50，使用向相應(yīng)部分注入η型雜質(zhì)的離子注入層。艮口， 在本發(fā)明中，與體區(qū)域及源極區(qū)域的至少一部分相接地形成的“第2碳化硅半導(dǎo)體層”，并不限于在漂移層(第1碳化硅半導(dǎo)體層)上通過外延生長而形成的層，也可以是第1碳化硅半導(dǎo)體層的表面中的注入了雜質(zhì)離子的區(qū)域。例如，在圖23(b)的工序之后，向第1碳化硅半導(dǎo)體層(漂移層)20的表面(不是與基板10相接的面，而是其相反側(cè)的面)，注入例如氮或磷離子。此時(shí)，位于第1碳化硅半導(dǎo)體層20的表面的體區(qū)域30的內(nèi)側(cè)、即未形成體接觸區(qū)域32及源極區(qū)域40的區(qū)域成為溝道區(qū)域。因在該溝道區(qū)域中離子注入氮或磷，所以作為η型雜質(zhì)的施主和作為ρ型雜質(zhì)的受主共存。這里，施主濃度Nd與受主濃度Na之差 (Nd-Na = N)，例如以滿足以下條件的方式確定離子注入劑量或注入能量biXd'a! ^ N < b0Xd"a0b0 = 1. 349 X IO21
a0 = -1. 824bi = 2. 188 X IO20B1 = -1. 683οd為通過離子注入而形成的第2碳化硅半導(dǎo)體層的厚度。本實(shí)施方式中的“d”定義為滿足Nd > Na的關(guān)系的注入?yún)^(qū)域的厚度。S卩，d是滿足Nd > Na的關(guān)系的注入?yún)^(qū)域的垂直于基板10的方向上的尺寸，大致等于從第1碳化硅半導(dǎo)體層(漂移層)20的表面到Nd =Na的位置的距離(深度)。在本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中，從源極電極經(jīng)由溝道區(qū)域向漏極電極流動(dòng)電流的二極管的上升電壓例如在Vgs為OV時(shí)測量即可。在本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置、半導(dǎo)體元件中的體二極管中，將Vgs設(shè)定為充分的負(fù)值 (例如Vgs = -20V)，在MISFET的溝道區(qū)域完全截止、即不導(dǎo)通狀態(tài)下，通過施加Vds < O 的電壓，能夠使電流流動(dòng)。在該狀態(tài)下，能夠測量體二極管的上升電壓。在作為溝道層而使用了碳化硅層的MISFET中，在室溫下O伏特彡Vgs < Vth時(shí)， 例如如果Vgs為OV時(shí)的反向電流的上升電壓VfO的絕對(duì)值(IVfOl)比通過上述測量方法求出的體二極管的上升電壓小，則視為作為從源極電極經(jīng)由溝道層向漏極電極流動(dòng)電流的二極管發(fā)揮功能。另外，目前記載為2. 7V的體二極管的上升電壓根據(jù)所制作的元件的參數(shù)會(huì)發(fā)生些許變化，因此需要適當(dāng)?shù)刂刈x。此外，即便對(duì)MISFET施加Vgs = 0的電壓，在溝道無法充分截止的情況、體二極管的Pn結(jié)存在缺陷的情況下，泄露電流有時(shí)也會(huì)流經(jīng)漏極-源極之間。此時(shí)，在比體二極管的上升電壓的絕對(duì)值小的電壓區(qū)域中，有時(shí)也會(huì)觀測到一些泄露電流，在外觀上上升電壓的值會(huì)發(fā)生變化。在有上述泄露電流的情況下，為了判斷是否作為溝道二極管發(fā)揮功能，例如下述方法有效。在Vgs = OV時(shí)從源極電流流向漏極電極的二極管的電流為IA時(shí)的電壓比上述 (通過將Vgs設(shè)定為充分的負(fù)值并施加Vds < 0的電壓而流動(dòng)電流所確定出的電壓)上升電壓大的情況下，能夠判斷出體二極管中流動(dòng)著電流。另外，在Vgs = OV時(shí)從源極電極流向漏極電極的二極管的電流為IA時(shí)的電壓比上述(通過將Vgs設(shè)定為充分的負(fù)值并施加 Vds < 0的電壓而流動(dòng)電流所確定出的電壓)上升電壓小的情況下，能夠判斷出在溝道二極管中流動(dòng)著電流。(產(chǎn)業(yè)上的可利用性)根據(jù)本發(fā)明，可提供一種能夠在不增加元件個(gè)數(shù)的情況下抑制SiC半導(dǎo)體裝置的結(jié)晶劣化的半導(dǎo)體元件。符號(hào)說明10、110基板(碳化硅半導(dǎo)體基板)20、120第1碳化硅半導(dǎo)體層(漂移層)22JFET 區(qū)域30、130體區(qū)域(阱區(qū)域)32、132體接觸區(qū)域(接觸區(qū)域)40、140源極區(qū)域45、145源極電極
47源極布線(源極墊片)
50,150第2碳化硅半導(dǎo)體層或溝道層
55溝道區(qū)域
60、160柵極絕緣膜
64多晶硅膜
65、165柵極電極
67層間絕緣膜
68通孔
69溝道
70、170漏極電極
72背面電極
81掩模
90二極管電流
100半導(dǎo)體元件
100'半導(dǎo)體元件
101半導(dǎo)體元件
102半導(dǎo)體元件
112基板
180,181、182體二極管
200電力變換電路(逆變器電路)
210升降壓轉(zhuǎn)換器
220升壓轉(zhuǎn)換器
500負(fù)載
1000逆變器電路
1100半導(dǎo)體元件
1110半導(dǎo)體元件
1200回流二極管元件
1500負(fù)載
2000直流電源
2100感應(yīng)性負(fù)載
2200控制器
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，具備包括金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體元件、和對(duì)所述半導(dǎo)體元件的電位進(jìn)行設(shè)定的電位設(shè)定部，所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管具備 第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基板；第1導(dǎo)電型的第1碳化硅半導(dǎo)體層，其位于所述半導(dǎo)體基板的主面上； 第2導(dǎo)電型的體區(qū)域，其位于所述第1碳化硅半導(dǎo)體層內(nèi)； 第1導(dǎo)電型的源極區(qū)域，其位于所述體區(qū)域內(nèi)；第1導(dǎo)電型的第2碳化硅半導(dǎo)體層，其位于所述第1碳化硅半導(dǎo)體層上，且與所述體區(qū)域以及所述源極區(qū)域的至少一部分相接地形成； 所述第2碳化硅半導(dǎo)體層上的柵極絕緣膜； 所述柵極絕緣膜上的柵極電極； 源極電極，其與所述源極區(qū)域接觸；以及漏極電極，其設(shè)置于所述半導(dǎo)體基板的背面， 將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述漏極電極的電位定義為Vds， 將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位定義為Vgs， 將所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的柵極閾值電壓定義為Vth， 將從所述漏極電極流向所述源極電極的電流的流向定義為正向， 將從所述源極電極流向所述漏極電極的電流的流向定義為反向， 所述電位設(shè)定部在晶體管動(dòng)作ON模式下，通過使以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位Vgs上升至柵極閾值電壓Vth以上，從而經(jīng)由所述第2碳化硅半導(dǎo)體層使所述漏極電極與所述源極電極之間導(dǎo)通，所述電位設(shè)定部在晶體管動(dòng)作OFF模式下，通過將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位Vgs設(shè)為0伏特以上且小于柵極閾值電壓Vth，從而使所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，作為從所述源極電極經(jīng)由所述第2碳化硅半導(dǎo)體層向所述漏極電極沿所述反向流動(dòng)電流的二極管發(fā)揮作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值比由所述體區(qū)域和所述第1碳化硅半導(dǎo)體層構(gòu)成的體二極管的上升電壓的絕對(duì)值小。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值與所述體二極管的上升電壓之差在0. 7伏特以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于1. 3伏特。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于1. 0伏特。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于0. 6伏特。
7.一種半導(dǎo)體元件，包括金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管， 所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管具備第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基板；第1導(dǎo)電型的第1碳化硅半導(dǎo)體層，其位于所述半導(dǎo)體基板的主面上； 第2導(dǎo)電型的體區(qū)域，其位于所述第1碳化硅半導(dǎo)體層內(nèi)； 第1導(dǎo)電型的源極區(qū)域，其位于所述體區(qū)域內(nèi)；第1導(dǎo)電型的第2碳化硅半導(dǎo)體層，其位于所述第1碳化硅半導(dǎo)體層上，且與所述體區(qū)域以及所述源極區(qū)域的至少一部分相接地形成； 所述第2碳化硅半導(dǎo)體層上的柵極絕緣膜； 所述柵極絕緣膜上的柵極電極； 源極電極，其與所述源極區(qū)域接觸；以及漏極電極，其設(shè)置于所述半導(dǎo)體基板的背面， 將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述漏極電極的電位定義為Vds， 將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位定義為Vgs， 將所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的柵極閾值電壓定義為Vth， 將從所述漏極電極流向所述源極電極的電流的流向定義為正向， 將從所述源極電極流向所述漏極電極的電流的流向定義為反向， 在Vgs ^ Vth的情況下，所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管經(jīng)由所述第2碳化硅半導(dǎo)體層使所述漏極電極與所述源極電極之間導(dǎo)通，在0伏特< Vgs < Vth的情況下，所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管不沿所述正向流動(dòng)電流，并且在Vds < 0伏特時(shí)作為從所述源極電極經(jīng)由所述第2碳化硅半導(dǎo)體層向所述漏極電極沿所述反向流動(dòng)電流的二極管發(fā)揮作用，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值比由所述體區(qū)域和所述第1碳化硅半導(dǎo)體層構(gòu)成的體二極管的上升電壓的絕對(duì)值小。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值與所述體二極管的上升電壓之差在0. 7伏特以上。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于1. 3伏特。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體元件，其中， 所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于1.0伏特。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于0. 6伏特。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述半導(dǎo)體元件用于半導(dǎo)體裝置中，該半導(dǎo)體裝置具備包括具有柵極電極、源極電極、漏極電極及溝道區(qū)域的晶體管的半導(dǎo)體元件；以及電位設(shè)定部，其對(duì)所述柵極電極的電位進(jìn)行設(shè)定，將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述漏極電極的電位定義為Vds，將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位定義為Vgs，將所述晶體管的柵極閾值電壓定義為Vth，將從所述漏極電極流向所述源極電極的電流的流向定義為正向，將從所述源極電極流向所述漏極電極的電流的流向定義為反向，所述電位設(shè)定部在晶體管動(dòng)作ON模式下，通過使以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位Vgs上升至柵極閾值電壓Vth以上，從而經(jīng)由所述溝道區(qū)域使所述漏極電極與所述源極電極之間導(dǎo)通，所述電位設(shè)定部在晶體管動(dòng)作OFF模式下，通過將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位Vgs設(shè)為0伏特以上且小于柵極閾值電壓Vth，從而使所述晶體管作為從所述源極電極經(jīng)由所述溝道區(qū)域向所述漏極電極沿所述反向流動(dòng)電流的二極管發(fā)揮作用。
13.一種半導(dǎo)體元件，包括金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管， 所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管具備第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基板；第1導(dǎo)電型的第1碳化硅半導(dǎo)體層，其位于所述半導(dǎo)體基板的主面上； 第2導(dǎo)電型的體區(qū)域，其位于所述第1碳化硅半導(dǎo)體層內(nèi)； 第1導(dǎo)電型的源極區(qū)域，其位于所述體區(qū)域內(nèi)；第1導(dǎo)電型的第2碳化硅半導(dǎo)體層，其位于所述第1碳化硅半導(dǎo)體層上，且與所述體區(qū)域以及所述源極區(qū)域的至少一部分相接地形成， 所述第2碳化硅半導(dǎo)體層上的柵極絕緣膜； 所述柵極絕緣膜上的柵極電極； 源極電極，其與所述源極區(qū)域接觸；以及漏極電極，其設(shè)置于所述半導(dǎo)體基板的背面，所述第2碳化硅半導(dǎo)體層包括摻入了第1導(dǎo)電型雜質(zhì)的至少一個(gè)雜質(zhì)摻入層，在將所述第2碳化硅半導(dǎo)體層中的雜質(zhì)濃度的平均值設(shè)為N(Cm_3)、將厚度設(shè)為d(nm)的情況下，N 及d滿足下述關(guān)系bL3Xd"aL3 ^ N < bOXd"a0b0 = 1. 349 X IO21a0 = -1· 824b13 = 2. 399 X IO2ciB1 3 = -L 774。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體元件，其中， 還滿足下述關(guān)系N 彡 I3lXcTii1 bi = 2. 188 X IO20 al = -1. 683。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體元件，其中， 還滿足下述關(guān)系N 彡 b0.6 X (Ta0.6 bQ 6 = 7. 609 X IO2ci a0 6 = -L 881 ο
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體元件，其中， d在5nm以上200nm以下。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體元件，其中， d在IOnm以上IOOnm以下。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體元件，其中， d在20nm以上75nm以下。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述第2碳化硅半導(dǎo)體層是在所述第1碳化硅半導(dǎo)體層上外延生長而形成的層。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述第2碳化硅半導(dǎo)體層是通過對(duì)所述第1碳化硅半導(dǎo)體層進(jìn)行離子注入而形成的層。
21.一種電力變換器，具備權(quán)利要求7至20中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件；第1布線，其將電源電壓的至少一部分施加到所述半導(dǎo)體元件的源極電極與漏極電極之間；以及第2布線，其將來自對(duì)所述半導(dǎo)體元件的開關(guān)進(jìn)行控制的控制器的電壓施加到所述半導(dǎo)體元件的柵極電極，所述電力變換器輸出向負(fù)載供給的電力。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中， 還具備與電源電連接的端子。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的半導(dǎo)體裝置，其中， 還具備與感應(yīng)性負(fù)載電連接的端子。
24.一種半導(dǎo)體裝置，具備半導(dǎo)體元件，其包括金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管；以及電位設(shè)定部，其對(duì)所述半導(dǎo)體元件的電位進(jìn)行設(shè)定， 所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管具備 第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基板；第1導(dǎo)電型的第1碳化硅半導(dǎo)體層，其位于所述半導(dǎo)體基板的主面上； 第2導(dǎo)電型的體區(qū)域，其位于所述第1碳化硅半導(dǎo)體層上； 第1導(dǎo)電型的源極區(qū)域，其位于所述體區(qū)域上；凹部，其貫通所述體區(qū)域以及所述源極區(qū)域，并到達(dá)所述第1碳化硅半導(dǎo)體層； 第1導(dǎo)電型的第2碳化硅半導(dǎo)體層，其包括所述凹部的側(cè)面，且與所述體區(qū)域以及所述源極區(qū)域的至少一部分相接地形成；所述第2碳化硅半導(dǎo)體層上的柵極絕緣膜；所述柵極絕緣膜上的柵極電極；源極電極，其與所述源極區(qū)域接觸；以及漏極電極，其設(shè)置于所述半導(dǎo)體基板的背面，將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述漏極電極的電位定義為Vds，將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位定義為Vgs，將所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的柵極閾值電壓定義為Vth，將從所述漏極電極流向所述源極電極的電流的流向定義為正向，將從所述源極電極流向所述漏極電極的電流的流向定義為反向，所述電位設(shè)定部在晶體管動(dòng)作ON模式下，通過使以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位Vgs上升至柵極閾值電壓Vth以上，從而經(jīng)由所述第2碳化硅半導(dǎo)體層使所述漏極電極與所述源極電極之間導(dǎo)通，所述電位設(shè)定部在晶體管動(dòng)作OFF模式下，通過將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位Vgs設(shè)為0伏特以上且小于柵極閾值電壓Vth，從而使所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，作為從所述源極電極經(jīng)由所述第2碳化硅半導(dǎo)體層向所述漏極電極沿所述反向流動(dòng)電流的二極管發(fā)揮作用。
25.根據(jù)權(quán)利要求M所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值比由所述體區(qū)域和所述第1碳化硅半導(dǎo)體層構(gòu)成的體二極管的上升電壓的絕對(duì)值小。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值與所述體二極管的上升電壓之差在0. 7伏特以上。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于1. 3伏特。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于1. 0伏特。
29.根據(jù)權(quán)利要求25所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于0. 6伏特。
30.一種半導(dǎo)體元件，包括金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管， 所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管具備第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基板；第1導(dǎo)電型的第1碳化硅半導(dǎo)體層，其位于所述半導(dǎo)體基板的主面上； 第2導(dǎo)電型的體區(qū)域，其位于所述第1碳化硅半導(dǎo)體層上； 第1導(dǎo)電型的源極區(qū)域，其位于所述體區(qū)域上；凹部，其貫通所述體區(qū)域以及所述源極區(qū)域，并到達(dá)所述第1碳化硅半導(dǎo)體層； 第1導(dǎo)電型的第2碳化硅半導(dǎo)體層，其包括所述凹部的側(cè)面，且與所述體區(qū)域以及所述源極區(qū)域的至少一部分相接地形成；所述第2碳化硅半導(dǎo)體層上的柵極絕緣膜； 所述柵極絕緣膜上的柵極電極； 源極電極，其與所述源極區(qū)域接觸；以及漏極電極，其設(shè)置于所述半導(dǎo)體基板的背面， 將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述漏極電極的電位定義為Vds， 將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位定義為Vgs， 將所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的柵極閾值電壓定義為Vth， 將從所述漏極電極流向所述源極電極的電流的流向定義為正向， 將從所述源極電極流向所述漏極電極的電流的流向定義為反向， 在Vgs ^ Vth的情況下，所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管經(jīng)由所述第2碳化硅半導(dǎo)體層使所述漏極電極與所述源極電極之間導(dǎo)通，在0伏特< Vgs < Vth的情況下，所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管不沿所述正向流動(dòng)電流，并且在Vds < 0伏特時(shí)作為從所述源極電極經(jīng)由所述第2碳化硅半導(dǎo)體層向所述漏極電極沿所述反向流動(dòng)電流的二極管發(fā)揮作用，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值比由所述體區(qū)域和所述第1碳化硅半導(dǎo)體層構(gòu)成的體二極管的上升電壓的絕對(duì)值小。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值與所述體二極管的上升電壓之差在0. 7伏特以上。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于1. 3伏特。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于1. 0伏特。
34.根據(jù)權(quán)利要求30所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述二極管的上升電壓的絕對(duì)值在室溫下小于0. 6伏特。
35.根據(jù)權(quán)利要求30所述的半導(dǎo)體元件，其中， 所述半導(dǎo)體元件用于半導(dǎo)體裝置中，該半導(dǎo)體裝置具備包括具有柵極電極、源極電極、漏極電極及溝道區(qū)域的晶體管的半導(dǎo)體元件；以及電位設(shè)定部，其對(duì)所述半導(dǎo)體元件的電位進(jìn)行設(shè)定， 將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述漏極電極的電位定義為Vds， 將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位定義為Vgs， 將所述晶體管的柵極閾值電壓定義為Vth， 將從所述漏極電極流向所述源極電極的電流的流向定義為正向， 將從所述源極電極流向所述漏極電極的電流的流向定義為反向， 所述電位設(shè)定部在晶體管動(dòng)作ON模式下，通過使以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位Vgs上升至柵極閾值電壓Vth以上，從而經(jīng)由所述溝道區(qū)域使所述漏極電極與所述源極電極之間導(dǎo)通，所述電位設(shè)定部在晶體管動(dòng)作OFF模式下，通過將以所述源極電極的電位為基準(zhǔn)的所述柵極電極的電位Vgs設(shè)為0伏特以上且小于柵極閾值電壓Vth，從而使所述晶體管作為從所述源極電極經(jīng)由所述溝道區(qū)域向所述漏極電極沿所述反向流動(dòng)電流的二極管發(fā)揮作用。
36.一種半導(dǎo)體元件，包括金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管， 所述金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管具備第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基板；第1導(dǎo)電型的第1碳化硅半導(dǎo)體層，其位于所述半導(dǎo)體基板的主面上； 第2導(dǎo)電型的體區(qū)域，其位于所述第1碳化硅半導(dǎo)體層上； 第1導(dǎo)電型的源極區(qū)域，其位于所述體區(qū)域上；凹部，其貫通所述體區(qū)域以及所述源極區(qū)域，并到達(dá)所述第1碳化硅半導(dǎo)體層； 第1導(dǎo)電型的第2碳化硅半導(dǎo)體層，其包括所述凹部的側(cè)面，且與所述體區(qū)域以及所述源極區(qū)域的至少一部分相接地形成；所述第2碳化硅半導(dǎo)體層上的柵極絕緣膜； 所述柵極絕緣膜上的柵極電極； 源極電極，其與所述源極區(qū)域接觸；以及漏極電極，其設(shè)置于所述半導(dǎo)體基板的背面，所述第2碳化硅半導(dǎo)體層包括摻入了第1導(dǎo)電型雜質(zhì)的至少一個(gè)雜質(zhì)摻入層，在將所述第2碳化硅半導(dǎo)體層中的雜質(zhì)濃度的平均值設(shè)為N(Cm_3)、將厚度設(shè)為d(nm)的情況下，N 及d滿足下述關(guān)系bL3Xd"aL3^N<b0Xd"a0b0 = 1. 349 X IO21a0 = -1· 824b13 = 2. 399 X IO2ciB1 3 = -L 774。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的半導(dǎo)體元件，其中， 還滿足下述關(guān)系N 彡 I3lXcTii1 bi = 2. 188 X IO20 al = -1. 683。
38.根據(jù)權(quán)利要求36所述的半導(dǎo)體元件，其中， 還滿足下述關(guān)系N 彡 b0.6 X (Ta0.6 bQ 6 = 7. 609 X IO2ci a0 6 = -L 881 ο
39.根據(jù)權(quán)利要求36所述的半導(dǎo)體元件，其中， d在5nm以上200nm以下。
40.根據(jù)權(quán)利要求36所述的半導(dǎo)體元件，其中， d在IOnm以上IOOnm以下。
41.根據(jù)權(quán)利要求36所述的半導(dǎo)體元件，其中， d在20nm以上75nm以下。
42.根據(jù)權(quán)利要求36所述的半導(dǎo)體元件，其中， 所述第2碳化硅半導(dǎo)體層是通過外延生長而形成的層。
43.根據(jù)權(quán)利要求36所述的半導(dǎo)體元件，其中， 所述第2碳化硅半導(dǎo)體層是通過離子注入而形成的層。
44.一種電力變換器，具備權(quán)利要求30至43中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件；第1布線，其將電源電壓的至少一部分施加到所述半導(dǎo)體元件的源極電極與漏極電極之間；以及第2布線，其將來自對(duì)所述半導(dǎo)體元件的開關(guān)進(jìn)行控制的控制器的電壓施加到所述半導(dǎo)體元件的柵極電極，所述電力變換器輸出向負(fù)載供給的電力。
45.根據(jù)權(quán)利要求M所述的半導(dǎo)體裝置，其中， 還具備與電源電連接的端子。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的半導(dǎo)體裝置，其中， 還具備與感應(yīng)性負(fù)載電連接的端子。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體元件、半導(dǎo)體裝置及電力變換器。本發(fā)明的包括MISFET的半導(dǎo)體元件(100)具有經(jīng)由溝道外延層(50)的反向二極管的特性。半導(dǎo)體元件(100)具備第1導(dǎo)電型的碳化硅半導(dǎo)體基板(10)、第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層(20)、第2導(dǎo)電型的體區(qū)域(30)、第1導(dǎo)電型的源極區(qū)域(40)、與體區(qū)域相接形成的溝道外延層(50)、源極電極(45)、柵極絕緣膜(60)、柵極電極(65)、漏極電極(70)。在向MISFET的柵極電極施加的電壓比閾值電壓小的情況下，作為從源極電極(45)經(jīng)由溝道外延層(50)向漏極電極(70)流動(dòng)電流的二極管發(fā)揮作用。該二極管的上升電壓的絕對(duì)值比由所述體區(qū)域和所述第1碳化硅半導(dǎo)體層構(gòu)成的體二極管的上升電壓的絕對(duì)值小。
文檔編號(hào)H01L21/336GK102414818SQ20108001811
公開日2012年4月11日 申請日期2010年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者內(nèi)田正雄, 安達(dá)和廣, 橋本浩一, 楠本修, 風(fēng)間俊 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社