專利名稱：半導體裝置和使用該半導體裝置的半導體繼電器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體裝置和使用該半導體裝置的半導體繼電器，特別是涉及一種使用SiC等的化合物半導體的半導體裝置和使用該半導體裝置的半導體繼電器。
背景技術：
已知如下一種光稱合型半導體繼電器具備基于輸入信號發光的發光兀件和接收來自發光元件的光信號來產生電動勢的受光元件，通過該電動勢來使輸出用MOSFET導通或者截止(例如參照日本特開平08-204533號公報)。半導體繼電器的導通電阻小，半導體繼電器能夠控制微小模擬信號且小型，因此能夠應用于各種用途。
圖11是表示以往的半導體繼電器的結構的圖。圖11中的半導體繼電器包括LED等發光元件110、光電轉換部120以及輸出元件130 (130a、130b)，其中，該LED等發光元件110響應于來自輸入端子Tl、T 2的輸入信號而生成光信號，該光電轉換部120包括接收光信號來產生電動勢的光電二極管陣列121和對所產生的電動勢進行充放電的充放電電路122，該輸出元件130 (130a、130b)包括與來自充放電電路122的電壓相對應地導通或截止的兩個輸出用的MOSFET 131a、131b。作為輸出用的MOSFET 130a、130b，以碳化硅(SiC)為材料的SiC-MOSFET耐壓性高且導通電阻小，因此備受關注。該輸出用的MOSFET 130a、130b為圖12所示的構造。即，在形成于η型SiC襯底I上的η型外延生長層2內形成P型阱區域3，在該P型阱區域3內形成由η型擴散層構成的源區4。而且，在P型阱區域3表面隔著由氧化硅層構成的柵極絕緣膜6形成柵電極7，P型阱區域3的表面區域構成了溝道區域。5是源電極，9是漏電極。此外，在此，在P型阱區域3與外延生長層2之間形成有體二極管(body diode) 132a、132b。Rch是溝道電阻，Itepi是外延生長層的電阻，Rsub是襯底電阻。在此，在對漏極側施加⑴電壓、對源極側施加㈠電壓時，根據是否對柵電極7施加電壓，通過溝道，MOSFET導通或截止。但是，在對源極側施加⑴電壓、對漏極側施加(-)電壓時，會對體二極管132a(132b)的pn結施加正向電壓，從而無論是否對柵電極7施加規定的電壓，都會有電流沿體二極管正向流動。在如SiC那樣的化合物半導體的情況下，存在如下問題由于沿pn結二極管的正向流動的電流而使晶體缺陷擴大。導通電阻Ron除了包括外延生長層的電阻Itepi以外還包括襯底電阻Rsub，因此在SiC襯底的情況下，當電流沿正向流動時，晶體缺陷擴大，從而會導致SiC-MOSFET的導通電阻增加。因此需要采取措施。另外，在將直流轉換為交流的逆變器、將交流轉換為直流的轉換器等的電力轉換裝置中使用了開關元件。作為被用作這種開關元件的FET，提出了由SiC、GaN等的化合物半導體構成的FET。這些化合物半導體帶隙能量大，而且耐熱溫度高，高溫動作出色。因而，使用這些化合物半導體材料的場效應晶體管(FET)能夠降低針對元件冷卻的成本，還能夠實現高耐壓化，因此開始被用作電力轉換裝置等的電力用半導體元件(例如參照日本特開號公報)。在該日本特開號公報中，將GaN系肖特基(schoottky)二極管等的保護元件集成在同一襯底上來用作作為開關元件的功率FET的保護元件。另外，還提出了以下裝置將在襯底上形成有氮化物系化合物半導體層的場效應晶體管與作為其保護元件的二極管進行集成化來并聯連接(例如參照日本特開號公報)。該技術用于抑制在氮化物系化合物半導體層成膜時形成的穿透位錯(貫通転位)所引起的漏電，減少電力損失(段落0044)。在該例中，通過在場效應晶體管上形成二極管，來使電流避開形成在垂直于襯底的方向上的穿透位錯地流動。

發明內容
如上所述，在使用SiC-MOSFET作為如日本特開平08-204533公報那樣的半導體繼電器的輸出用開關元件、即輸出元件的情況下，有時會由于晶體缺陷的擴大而導致導通電阻進一步增大。 另外，日本特開號公報、日本特開號公報示出了在氮化物系化合物半導體裝置中將保護元件與氮化物系化合物半導體元件并聯連接的例子，但是沒有提及多次重復導通或截止所引起的經時變化。另外，這些都被集成化，氮化物系化合物半導體裝置中也仍然會有電流流動。在這種氮化物系化合物半導體裝置的情況下，使電流避開形成在垂直于襯底的方向上的穿透位錯地流動，但是實際上電流會在高電阻的外延生長層中流動，耗電仍然大，從而存在難以充分降低耗電這樣的問題。另外，在要將保護元件集成化的情況下，實際上是困難的，如日本特開號公報、日本特開號公報那樣，必須將接觸區域形成至襯底的深的位置，或者導致寄生元件的增大。并且另外，實際上也會受到保護元件內的電場、通電時的電流所引起的發熱的影響。這種晶體缺陷的擴大不只是在SiC-MOSFET中產生，有時在GaN系的FET等使用化合物半導體形成的FET中同樣會產生，只是在程度上存在差異。本發明是鑒于上述實際情況而完成的，其目的在于提供一種抑制導通電阻的增大并可靠性高的半導體裝置。因此，根據本發明的一個方式，提供一種半導體裝置，該半導體裝置具備一個以上的單極(unipolar)型的化合物半導體元件；以及與各個化合物半導體元件并聯地進行外部連接的旁路用半導體元件，其中，旁路用半導體元件的通電開始電壓小于上述各個化合物半導體元件的從源極向漏極的方向的通電開始電壓。另外，也可以構成為以下結構旁路用半導體元件是硅二極管，將該硅二極管的陰極與上述各個化合物半導體元件的漏極相連接，并且，將硅二極管的陽極與上述各個化合物半導體元件的源極相連接。另外，也可以構成為以下結構旁路用半導體元件是硅MOSFETJf-MOSFET的漏極與上述各個化合物半導體元件的漏極相連接，并且，將硅MOSFET的源極與上述各個化合物半導體元件的源極相連接。另外，也可以構成為以下結構上述旁路用半導體元件是碳化硅肖特基二極管，將碳化硅肖特基二極管的陰極與上述各個化合物半導體元件的漏極相連接，并且，將碳化硅肖特基二極管的陽極與上述各個化合物半導體元件的源極相連接。
另外，也可以構成為以下結構上述各個化合物半導體元件是碳化硅(SiC)FET，或者是氮化鎵(GaN) FET。另外，也可以構成為以下結構將上述化合物半導體元件的源極共同反向串聯連接。另外，根據本發明的其它方式，提供一種半導體繼電器，該半導體繼電器具備上述半導體裝置，發光元件，其根據輸入信號來發光；光電二極管陣列，其接收該光來發電；以及充放電電路，其與光電二極管陣列并聯連接，其中，化合物半導體元件的柵極和源極連接至上述光電二極管陣列的兩端。發明的效果根據本發明，并聯地外部連接旁路用半導體元件，旁路用半導體元件的通電開始電壓小于化合物半導體元件的從源極向漏極的方向的通電開始電壓，因此，在從化合物半 導體元件的源極向漏極流過電流之前旁路用半導體元件導通，其結果，能夠防止因對作為體二極管的pn結通電引起的化合物半導體外延層(或者襯底)的晶體缺陷擴大，能夠防止化合物半導體元件的導通電阻增加。特別是在應用于半導體繼電器等開關次數多的器件時，能夠抑制晶體缺陷的擴大。


基于與如下的附圖一起提供的后述的優選實施方式的說明能夠明確本發明的目的和特征。圖I是表示實施方式I的半導體繼電器的等效電路圖。圖2是表示在實施方式I的半導體繼電器中使用的輸出元件的等效電路圖。圖3的(a)是表示實施方式I的將硅二極管進行外部連接的輸出元件芯片的連接例的說明圖，(b)是(a)的等效電路圖。圖4是表示實施方式I的半導體繼電器的局部剖切立體圖。圖5是表示實施方式I的半導體繼電器的截面概要圖。圖6是表示在實施方式I的半導體繼電器中使用的輸出元件的變形例的等效電路圖。圖7是表示在實施方式2的半導體繼電器中使用的輸出元件的等效電路圖。圖8是表示在實施方式3的半導體繼電器中使用的輸出元件的等效電路圖。圖9是表示對電壓與通電電流的關系進行測量所得到的結果的圖。圖10是表示對擊穿電壓與交叉電流的關系進行測量所得到的結果的圖。圖11是表示以往例的半導體繼電器的等效電路圖。圖12是在以往例的半導體繼電器中使用的碳化硅MO SFET芯片的截面說明圖。
具體實施例方式下面，參照附圖詳細地說明本發明的實施方式。(實施方式I)實施方式I的半導體繼電器的特征在于，使用將硅二極管作為保護元件進行外部連接的由作為化合物半導體元件的SiC-MOSFET構成的輸出元件。而且，本實施方式的半導體裝置具備單極型的化合物半導體元件作為上述輸出元件；并具備與上述化合物半導體元件并聯地進行外部連接的旁路用半導體元件作為上述保護元件。此時，上述旁路用半導體元件的通電開始電壓小于上述化合物半導體元件的從源極向漏極的方向的通電開始電壓。本實施方式的半導體繼電器還具有發光兀件，其根據輸入信號來發光；光電二極管陣列，其接收該光來發電；以及充放電電路，其與上述光電二極管陣列并聯連接，其中，上述各個化合物半導體元件的柵極和源極經由上述充放電電路連接至上述光電二極管陣列的兩端。圖I表示該半導體繼電器的等效電路圖，圖2表示輸出元件和保護元件的等效電路圖，圖3表示輸出元件和保護元件的元件結構。圖3的(a)是表示實施方式I的將硅二極管進行外部連接的輸出元件芯片的連接例的說明圖，圖3的(b)是圖3的(a)的等效電路圖。這樣，將如下的電路反向串聯連接該電路是將旁路用的硅二極管40a和40b的陰極K分別與構成輸出元件30(30a、30b)的SiC-MOSFET 31a和31b的漏極D相連接、并且將硅(Si) 二極管的陽極A分別與SiC-MOSFET的源極S相連接而成。此外，在此形成為通過布線L將旁路用的硅二極管40a和40b分別與SiC-MOSFET 31a和31b并聯連接。在此，僅圖示·了 SiC-M0SFET31a和硅二極管40a的一個單元，但同樣的單元如圖I所示那樣配設有兩個。此外，在此，在SiC-MOSFET 31a和31b中內置有SiC體二極管32a和32b，該SiC體二極管32a和32b分別與SiC-MOSFET 31a和31b并聯連接。如圖I所示，本實施方式的半導體繼電器包括發光元件10、光電轉換裝置20以及輸出元件30 (30a、30b)。發光元件10包括具備第一輸入端子Tl和第二輸入端子T2的LED。而且，光電轉換裝置20包括與發光元件10的發光相應地產生電動勢并輸出電壓的光電二極管陣列21和對光電二極管陣列21的輸出電壓進行充放電的充放電電路22。而且，通過對輸出兀件30的柵極施加光電二極管陣列21的輸出電壓,輸出兀件30被導通或截止。在此，輸出元件30包括漏極與源極之間被導通、截止的兩個作為輸出元件的SiC-MOSFET3la、31b，在SiC-MOSFET 3la、3Ib上分別并聯連接有由Si-二極管40a、40b構成的保護元件。在此，SiC-體二極管32a、32b是內置二極管，是如圖3的(a)所示那樣形成在P型阱區域3與外延生長層2之間的pn結二極管。如圖3的(a)左側所示，該輸出元件30(30a、30b)是分別在期望濃度的η型SiC襯底I的第一面通過外延生長形成η型外延生長層2以及在該η型外延生長層2內形成ρ型阱區域3來形成的。另外，在該ρ型阱區域3內形成有作為η型區域的源區4，來作為雜質區域。而且，在其上層隔著柵極絕緣膜6形成有柵電極7。該柵電極7形成為橫跨相鄰的P型阱區域3之間，對ρ型阱區域3的表面的溝道的形成進行控制。并且，在其上層隔著作為絕緣膜8的例如氧化硅膜形成有源電極5。該絕緣膜8不僅覆蓋柵電極7，還覆蓋了除與源區4的接觸區域以外的整個襯底表面。另外，在η型SiC襯底I的背面側、即第二面側形成有漏電極9。P是覆蓋襯底的第一面的由聚酰亞胺膜等構成的保護膜。兩個SiC-MOSFET 31a、31b各自的柵極G與光電二極管陣列21的陽極端子相連接，各自的源極S在以反向串聯的方式互相連接之后與光電二極管陣列21的陰極端子相連接。另外，SiC-MOSFET 31a的漏極與第一輸出端子T3相連接，SiC-MOSFET 31b的漏極與第二輸出端子T4相連接。另外，圖4、圖5表示實施方式I的半導體繼電器的局部剖切立體圖和截面概要圖的一例。該半導體繼電器構成為在引線框架15上安裝有發光元件(LED) 10、光電轉換裝置20以及輸出元件30，其中，該發光元件(LED) 10根據輸入信號點亮或熄滅，該光電轉換裝置20包括接收來自該發光元件10的光信號并通過光電轉換產生電動勢的光電二極管陣列21和對基于該光電二極管陣列21產生的電力進行充放電的充放電電路22，該輸出元件30接受來自該光電轉換裝置20的輸出電壓的供給，包括SiC-MOSFET 31a、31b(以及SiC-體二極管32a、32b)，當SiC-MOSFET的柵極電壓達到設定電壓值時，SiC-MOSFET變為導通狀態，使負載啟動。在此，Tl、T 2是輸入端子，T3、T 4是輸出端子，100是樹脂封裝體。如圖5所示，將發光元件10與光電轉換裝置20相對置地進行安裝，以使來自發光元件10的光到達光電二極管陣列21。接著，對這樣構成的實施方式I所涉及的半導體繼電器的動作進行說明。發光元 件10通過從第一輸入端子T I和第二輸入端子T 2被輸入輸入信號來發光并生成光信號。光電二極管陣列21通過接收發光兀件10的光信號來在其兩端產生電動勢并輸出電壓。充放電電路22將光電二極管陣列21的輸出電壓進行充放電并施加到構成輸出元件 30(30a、30b)的 SiC-MOSFET 31a、31b 的柵極G。而且，當對 SiC-MOSFET 31a、31b 的柵極G施加的光電二極管陣列21的輸出電壓大于閾值電壓Vth時，SiC-M0SFET31a、31b的漏極與源極之間被導通，第一輸出端子T3與第二輸出端子T4之間導通，從而繼電器被閉合。另一方面，在第一輸入端子T I和第二輸入端子T 2中，當輸入信號斷開時，來自光電轉換裝置20的輸出電壓消失，構成輸出元件30a、30b的SiC-MOSFET 31a、31b的漏極與源極之間被截止，第一輸出端子T3與第二輸出端子T 4之間被切斷，從而繼電器斷開。使用于實施方式I的半導體繼電器的、構成輸出元件30的SiC-MOSFET 31a、31b進行反向串聯連接，硅二極管40a、40b的芯片經由引線框架15外部連接到各SiC-MOSFET31a,31b,因此硅二極管40a、40b抑制在封裝100內部SiC-MOSFET 31a,31b內的寄生元件(SiC-體二極管32(32a、32b))的動作的同時作為旁路元件被連接。作為SiC-體二極管32的SiC-pn 二極管的正向壓降Vf (大約3V)大于硅二極管的Vf (大約O. 6V)，因此當對源極側施加(+)電壓而對漏極側施加(_)電壓時，在沒有硅二極管的情況下流向SiC-pn 二極管(SiC-體二極管32a、32b)的電流通過硅二極管40a、40b被旁路。其結果，能夠防止因SiC-pn 二極管通電引起的SiC晶圓表面的外延生長層(或者襯底)的晶體缺陷擴大，能夠防止SiC-MOSFET的導通電阻增加。通過這樣，即使在重復使用時也能夠維持繼電器輸出觸點的可靠性。另外也可以由GaN-FET代替SiC-MOSFET來構成輸出元件30a、30b。在這種情況下，在對GaN-FET 31a施加的電壓瞬間成為其耐壓以上時，GaN-FET 31b也會被施加電壓。在此，如果沒有連接硅二極管40b，則GaN-FET 31b的源極與漏極之間被施加正向電壓。在此，由于源極與柵極之間距離近，因此，還有時會產生易于短路這樣的問題。但是，根據本實施方式的輸出元件30，由于將硅二極管作為GaNFET的保護元件來并聯連接，因此電流流向硅二極管，從而能夠還防止源極與柵極之間的短路。如上所述，在該SiC-MOSFET 31a、31b上連接有保護元件40a、40b，因此除了具有能夠抑制由于重復對體二極管通電而引起的晶體缺陷的擴大從而作為輸出元件提高可靠性這樣的效果之外，該半導體繼電器還具有如下特征。I)使用外部連接的硅二極管作為保護元件，因此容易制造結構簡單且可靠性高的半導體裝置，由于利用光耦合，因此能夠將輸入輸出之間完全電分離。2)使用電力用的SiC-MOSFET作為負載側的開關，因此不會產生抖動(chattering)、機械噪聲。在導通狀態下線性度高，因此能夠控制模擬信號。3)輸出電路是將FET進行反向串聯連接而成的，因此能夠適于交流和直流兩用。此外，在上述實施方式中，作為輸出元件，使用了將兩個SiC-MOSFET 31a、31b進行反向連接而得到的元件，但也可以如圖6所示那樣使用如下元件使用包括一個SiC-MOSFET 31的輸出元件30，并將該輸出元件30與一個Si- 二極管40并聯連接。(實施方式2)作為本實施方式2的半導體裝置，其特征在于，如圖7所示，構成保護元件50的旁路用的半導體元件是由Si-MOSFET 51構成的，將Si-MOSFET 51的漏極與輸出元件30的SiC-MOSFET 31的漏極相連接，并且，將Si-MOSFET 51的源極與SiC_M0SFET31的源極相連接。根據該結構，當將在源極向漏極的方向上進行并聯連接的SiC-pn (體)二極管32 與Si-MOSFET 51的體二極管52進行比較時，Si-MOSFET 51的體二極管52的Vf (約O. 6V)也小于SiC-pn (體)二極管32的正向壓降Vf (約3V)。因而，在對源極側施加⑴電壓、對漏極側施加㈠電壓時，在沒有硅二極管52的情況下流向SiC-pn (體)二極管32的電流通過Si-MOSFET 51的體二極管52被旁路。其結果，能夠防止因SiC-pn(體)二極管通電引起的SiC-外延生長層和襯底的晶體缺陷擴大，能夠防止SiC-MOSFET的導通電阻增加。(實施方式3)作為本實施方式3的半導體裝置，其特征在于，如圖8所示，構成保護元件的旁路用的半導體元件是SiC-肖特基二極管60，將SiC-肖特基二極管60的陰極與SiC-MOSFET31的漏極相連接，并且，將SiC-肖特基二極管60的陽極與SiC-MOSFET 31的源極相連接。圖9表示在源極向漏極的方向上進行并聯連接的SiC-pn(體)二極管32和SiC-肖特基二極管60中對電壓與通電電流的關系進行測量所得到的結果。如圖9所示，在通電電流為Ickqss以下時，SiC-肖特基二極管60(曲線b)的Vf小于SiC-pn (體)二極管32(曲線a)的正向壓降Vf。因而，如果通電電流為Iafflss以下，則在對源極側施加⑴電壓、對漏極側施加㈠電壓時，在沒有SiC-肖特基二極管60的情況下流向SiC-pn(體)二極管32的電流通過SiC-肖特基二極管60被旁路。另外，圖10表示對擊穿(breakdown)電壓與交叉(crossover)電流Iawss的關系進行測量所得到的結果。如圖10所示，可知存在如下區域在相同的施加電壓下SiC-pn 二極管的通電電流相對大的區域Rl和SiC-肖特基二極管的通電電流相對大的區域R2。其結果，能夠防止因SiC-pn 二極管通電引起的SiC-外延層(或者襯底)的晶體缺陷擴大，能夠防止SiC-FET的導通電阻增加。另外，與上述實施方式I和2的Si 二極管、Si-MOSFET相比，還能夠有效利用SiC的耐高溫性強的特性。此外，在實施方式I至3中說明了 SiC-MOSFET的情況，但也能夠適用于氮化鎵(GaN)系FET等由其它化合物半導體構成的FET。由此，還能夠防止GaNFET的柵極損壞。一般會對柵極與漏極之間實施耐壓措施，但是由于柵極與源極之間耐壓低，因此耐不住對源極與漏極之間的電壓施加，與此相對，根據本實施方式，能夠實現柵極損壞的防止。另外，將化合物半導體元件的源極共同反向串聯連接，由此在對一方的GaN系MOSFET瞬間施加超過耐壓的電壓時，另一方的GaN系MOSFET也會被施加電壓，如果沒有作為保護元件的二極管，則有時會超過源極與柵極之間的耐壓，但是通過如本發明那樣將旁路用的保護元件進行外部連接，能夠防止損壞。另外，本發明并不限定于SiC-MOSFET或者GaN-MOSFET等的FET，能夠適用于使用了化合物半導體的肖特基柵(schottky gate) FET等使用了化合物半導體的FET。以上，說明了本發明的優選的實施方式，但本發明并不限于這些特定的實施方式， 在不脫離權利要求書的范圍的情況下能夠進行各種變更和變形，這些變更和變形也屬于本發明的范圍內。
權利要求
1.一種半導體裝置，具備 一個以上的單極型的化合物半導體元件；以及與各個化合物半導體元件并聯地進行外部連接的旁路用半導體元件， 其中，上述旁路用半導體元件的通電開始電壓小于上述各個化合物半導體元件的從源極向漏極的方向的通電開始電壓。
2.根據權利要求I所述的半導體裝置，其特征在于， 上述旁路用半導體元件是硅二極管， 將上述硅二極管的陰極與上述各個化合物半導體元件的漏極相連接，并且， 將上述硅二極管的陽極與上述各個化合物半導體元件的源極相連接。
3.根據權利要求I所述的半導體裝置，其特征在于， 上述旁路用半導體元件是硅場效應晶體管即Si-MO SFET, 將Si-MOSFET的漏極與上述各個化合物半導體元件的漏極相連接，并且， 將Si-MOSFET的源極與上述各個化合物半導體元件的源極相連接。
4.根據權利要求I所述的半導體裝置，其特征在于， 上述旁路用半導體元件是SiC-肖特基二極管， 將SiC-肖特基二極管的陰極與上述各個化合物半導體元件的漏極相連接，并且， 將SiC-肖特基二極管的陽極與上述各個化合物半導體元件的源極相連接。
5.根據權利要求I至4中的任一項所述的半導體裝置，其特征在于， 上述各個化合物半導體元件是碳化硅場效應晶體管即SiC-FET，或者是氮化鎵場效應晶體管即GaN-FET。
6.根據權利要求I至5中的任一項所述的半導體裝置，其特征在于， 將上述化合物半導體元件的源極共同反向串聯連接。
7.一種半導體繼電器，具備 根據權利要求I至6中的任一項所述的半導體裝置， 發光元件，其根據輸入信號來發光； 光電二極管陣列，其接收該光來發電；以及 充放電電路，其與上述光電二極管陣列并聯連接， 其中，化合物半導體元件的柵極和源極連接至上述光電二極管陣列的兩端。
全文摘要
一種半導體裝置，具備單極型的化合物半導體元件；以及與上述化合物半導體元件并聯地進行外部連接的旁路用半導體元件。上述旁路用半導體元件的通電開始電壓小于上述化合物半導體元件的從源極向漏極的方向的通電開始電壓。
文檔編號H01L29/78GK102918769SQ201180027218
公開日2013年2月6日 申請日期2011年2月23日 優先權日2010年6月3日
發明者岡田洋, 砂田卓也, 大森猛司 申請人:松下電器產業株式會社