專利名稱：半導(dǎo)體裝置和使用該半導(dǎo)體裝置的半導(dǎo)體繼電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體裝置和使用該半導(dǎo)體裝置的半導(dǎo)體繼電器，特別是涉及一種使用SiC等的化合物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體裝置和使用該半導(dǎo)體裝置的半導(dǎo)體繼電器。
背景技術(shù)：
已知如下一種光稱合型半導(dǎo)體繼電器具備基于輸入信號(hào)發(fā)光的發(fā)光兀件和接收來(lái)自發(fā)光元件的光信號(hào)來(lái)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的受光元件，通過(guò)該電動(dòng)勢(shì)來(lái)使輸出用MOSFET導(dǎo)通或者截止(例如參照日本特開(kāi)平08-204533號(hào)公報(bào))。半導(dǎo)體繼電器的導(dǎo)通電阻小，半導(dǎo)體繼電器能夠控制微小模擬信號(hào)且小型，因此能夠應(yīng)用于各種用途。
圖11是表示以往的半導(dǎo)體繼電器的結(jié)構(gòu)的圖。圖11中的半導(dǎo)體繼電器包括LED等發(fā)光元件110、光電轉(zhuǎn)換部120以及輸出元件130 (130a、130b)，其中，該LED等發(fā)光元件110響應(yīng)于來(lái)自輸入端子Tl、T 2的輸入信號(hào)而生成光信號(hào)，該光電轉(zhuǎn)換部120包括接收光信號(hào)來(lái)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光電二極管陣列121和對(duì)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行充放電的充放電電路122，該輸出元件130 (130a、130b)包括與來(lái)自充放電電路122的電壓相對(duì)應(yīng)地導(dǎo)通或截止的兩個(gè)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(dǎo)通電阻小，因此備受關(guān)注。該輸出用的MOSFET 130a、130b為圖12所示的構(gòu)造。即，在形成于η型SiC襯底I上的η型外延生長(zhǎng)層2內(nèi)形成P型阱區(qū)域3，在該P(yáng)型阱區(qū)域3內(nèi)形成由η型擴(kuò)散層構(gòu)成的源區(qū)4。而且，在P型阱區(qū)域3表面隔著由氧化硅層構(gòu)成的柵極絕緣膜6形成柵電極7，P型阱區(qū)域3的表面區(qū)域構(gòu)成了溝道區(qū)域。5是源電極，9是漏電極。此外，在此，在P型阱區(qū)域3與外延生長(zhǎng)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(zhǎng)層的電阻，Rsub是襯底電阻。在此，在對(duì)漏極側(cè)施加⑴電壓、對(duì)源極側(cè)施加㈠電壓時(shí)，根據(jù)是否對(duì)柵電極7施加電壓，通過(guò)溝道，MOSFET導(dǎo)通或截止。但是，在對(duì)源極側(cè)施加⑴電壓、對(duì)漏極側(cè)施加(-)電壓時(shí)，會(huì)對(duì)體二極管132a(132b)的pn結(jié)施加正向電壓，從而無(wú)論是否對(duì)柵電極7施加規(guī)定的電壓，都會(huì)有電流沿體二極管正向流動(dòng)。在如SiC那樣的化合物半導(dǎo)體的情況下，存在如下問(wèn)題由于沿pn結(jié)二極管的正向流動(dòng)的電流而使晶體缺陷擴(kuò)大。導(dǎo)通電阻Ron除了包括外延生長(zhǎng)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(dāng)電流沿正向流動(dòng)時(shí)，晶體缺陷擴(kuò)大，從而會(huì)導(dǎo)致SiC-MOSFET的導(dǎo)通電阻增加。因此需要采取措施。另外，在將直流轉(zhuǎn)換為交流的逆變器、將交流轉(zhuǎn)換為直流的轉(zhuǎn)換器等的電力轉(zhuǎn)換裝置中使用了開(kāi)關(guān)元件。作為被用作這種開(kāi)關(guān)元件的FET，提出了由SiC、GaN等的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的FET。這些化合物半導(dǎo)體帶隙能量大，而且耐熱溫度高，高溫動(dòng)作出色。因而，使用這些化合物半導(dǎo)體材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)能夠降低針對(duì)元件冷卻的成本，還能夠?qū)崿F(xiàn)高耐壓化，因此開(kāi)始被用作電力轉(zhuǎn)換裝置等的電力用半導(dǎo)體元件(例如參照日本特開(kāi)2003-229566號(hào)公報(bào))。在該日本特開(kāi)2003-229566號(hào)公報(bào)中，將GaN系肖特基(schoottky)二極管等的保護(hù)元件集成在同一襯底上來(lái)用作作為開(kāi)關(guān)元件的功率FET的保護(hù)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(dǎo)體層的場(chǎng)效應(yīng)晶體管與作為其保護(hù)元件的二極管進(jìn)行集成化來(lái)并聯(lián)連接(例如參照日本特開(kāi)2007-266475號(hào)公報(bào))。該技術(shù)用于抑制在氮化物系化合物半導(dǎo)體層成膜時(shí)形成的穿透位錯(cuò)(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(guò)在場(chǎng)效應(yīng)晶體管上形成二極管，來(lái)使電流避開(kāi)形成在垂直于襯底的方向上的穿透位錯(cuò)地流動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，在使用SiC-MOSFET作為如日本特開(kāi)平08-204533公報(bào)那樣的半導(dǎo)體繼電器的輸出用開(kāi)關(guān)元件、即輸出元件的情況下，有時(shí)會(huì)由于晶體缺陷的擴(kuò)大而導(dǎo)致導(dǎo)通電阻進(jìn)一步增大。 另外，日本特開(kāi)2003-229566號(hào)公報(bào)、日本特開(kāi)2007-266475號(hào)公報(bào)示出了在氮化物系化合物半導(dǎo)體裝置中將保護(hù)元件與氮化物系化合物半導(dǎo)體元件并聯(lián)連接的例子，但是沒(méi)有提及多次重復(fù)導(dǎo)通或截止所引起的經(jīng)時(shí)變化。另外，這些都被集成化，氮化物系化合物半導(dǎo)體裝置中也仍然會(huì)有電流流動(dòng)。在這種氮化物系化合物半導(dǎo)體裝置的情況下，使電流避開(kāi)形成在垂直于襯底的方向上的穿透位錯(cuò)地流動(dòng)，但是實(shí)際上電流會(huì)在高電阻的外延生長(zhǎng)層中流動(dòng)，耗電仍然大，從而存在難以充分降低耗電這樣的問(wèn)題。另外，在要將保護(hù)元件集成化的情況下，實(shí)際上是困難的，如日本特開(kāi)2003-229566號(hào)公報(bào)、日本特開(kāi)2007-266475號(hào)公報(bào)那樣，必須將接觸區(qū)域形成至襯底的深的位置，或者導(dǎo)致寄生元件的增大。并且另外，實(shí)際上也會(huì)受到保護(hù)元件內(nèi)的電場(chǎng)、通電時(shí)的電流所引起的發(fā)熱的影響。這種晶體缺陷的擴(kuò)大不只是在SiC-MOSFET中產(chǎn)生，有時(shí)在GaN系的FET等使用化合物半導(dǎo)體形成的FET中同樣會(huì)產(chǎn)生，只是在程度上存在差異。本發(fā)明是鑒于上述實(shí)際情況而完成的，其目的在于提供一種抑制導(dǎo)通電阻的增大并可靠性高的半導(dǎo)體裝置。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方式，提供一種半導(dǎo)體裝置，該半導(dǎo)體裝置具備一個(gè)以上的單極(unipolar)型的化合物半導(dǎo)體元件；以及與各個(gè)化合物半導(dǎo)體元件并聯(lián)地進(jìn)行外部連接的旁路用半導(dǎo)體元件，其中，旁路用半導(dǎo)體元件的通電開(kāi)始電壓小于上述各個(gè)化合物半導(dǎo)體元件的從源極向漏極的方向的通電開(kāi)始電壓。另外，也可以構(gòu)成為以下結(jié)構(gòu)旁路用半導(dǎo)體元件是硅二極管，將該硅二極管的陰極與上述各個(gè)化合物半導(dǎo)體元件的漏極相連接，并且，將硅二極管的陽(yáng)極與上述各個(gè)化合物半導(dǎo)體元件的源極相連接。另外，也可以構(gòu)成為以下結(jié)構(gòu)旁路用半導(dǎo)體元件是硅MOSFETJf-MOSFET的漏極與上述各個(gè)化合物半導(dǎo)體元件的漏極相連接，并且，將硅MOSFET的源極與上述各個(gè)化合物半導(dǎo)體元件的源極相連接。另外，也可以構(gòu)成為以下結(jié)構(gòu)上述旁路用半導(dǎo)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(gè)化合物半導(dǎo)體元件的漏極相連接，并且，將碳化硅肖特基二極管的陽(yáng)極與上述各個(gè)化合物半導(dǎo)體元件的源極相連接。
另外，也可以構(gòu)成為以下結(jié)構(gòu)上述各個(gè)化合物半導(dǎo)體元件是碳化硅(SiC)FET，或者是氮化鎵(GaN) FET。另外，也可以構(gòu)成為以下結(jié)構(gòu)將上述化合物半導(dǎo)體元件的源極共同反向串聯(lián)連接。另外，根據(jù)本發(fā)明的其它方式，提供一種半導(dǎo)體繼電器，該半導(dǎo)體繼電器具備上述半導(dǎo)體裝置，發(fā)光元件，其根據(jù)輸入信號(hào)來(lái)發(fā)光；光電二極管陣列，其接收該光來(lái)發(fā)電；以及充放電電路，其與光電二極管陣列并聯(lián)連接，其中，化合物半導(dǎo)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(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，并聯(lián)地外部連接旁路用半導(dǎo)體元件，旁路用半導(dǎo)體元件的通電開(kāi)始電壓小于化合物半導(dǎo)體元件的從源極向漏極的方向的通電開(kāi)始電壓，因此，在從化合物半 導(dǎo)體元件的源極向漏極流過(guò)電流之前旁路用半導(dǎo)體元件導(dǎo)通，其結(jié)果，能夠防止因?qū)ψ鳛轶w二極管的pn結(jié)通電引起的化合物半導(dǎo)體外延層(或者襯底)的晶體缺陷擴(kuò)大，能夠防止化合物半導(dǎo)體元件的導(dǎo)通電阻增加。特別是在應(yīng)用于半導(dǎo)體繼電器等開(kāi)關(guān)次數(shù)多的器件時(shí)，能夠抑制晶體缺陷的擴(kuò)大。


基于與如下的附圖一起提供的后述的優(yōu)選實(shí)施方式的說(shuō)明能夠明確本發(fā)明的目的和特征。圖I是表示實(shí)施方式I的半導(dǎo)體繼電器的等效電路圖。圖2是表示在實(shí)施方式I的半導(dǎo)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(shí)施方式I的將硅二極管進(jìn)行外部連接的輸出元件芯片的連接例的說(shuō)明圖，(b)是(a)的等效電路圖。圖4是表示實(shí)施方式I的半導(dǎo)體繼電器的局部剖切立體圖。圖5是表示實(shí)施方式I的半導(dǎo)體繼電器的截面概要圖。圖6是表示在實(shí)施方式I的半導(dǎo)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(shí)施方式2的半導(dǎo)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(shí)施方式3的半導(dǎo)體繼電器中使用的輸出元件的等效電路圖。圖9是表示對(duì)電壓與通電電流的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量所得到的結(jié)果的圖。圖10是表示對(duì)擊穿電壓與交叉電流的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量所得到的結(jié)果的圖。圖11是表示以往例的半導(dǎo)體繼電器的等效電路圖。圖12是在以往例的半導(dǎo)體繼電器中使用的碳化硅MO SFET芯片的截面說(shuō)明圖。
具體實(shí)施例方式下面，參照附圖詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。(實(shí)施方式I)實(shí)施方式I的半導(dǎo)體繼電器的特征在于，使用將硅二極管作為保護(hù)元件進(jìn)行外部連接的由作為化合物半導(dǎo)體元件的SiC-MOSFET構(gòu)成的輸出元件。而且，本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置具備單極型的化合物半導(dǎo)體元件作為上述輸出元件；并具備與上述化合物半導(dǎo)體元件并聯(lián)地進(jìn)行外部連接的旁路用半導(dǎo)體元件作為上述保護(hù)元件。此時(shí)，上述旁路用半導(dǎo)體元件的通電開(kāi)始電壓小于上述化合物半導(dǎo)體元件的從源極向漏極的方向的通電開(kāi)始電壓。本實(shí)施方式的半導(dǎo)體繼電器還具有發(fā)光兀件，其根據(jù)輸入信號(hào)來(lái)發(fā)光；光電二極管陣列，其接收該光來(lái)發(fā)電；以及充放電電路，其與上述光電二極管陣列并聯(lián)連接，其中，上述各個(gè)化合物半導(dǎo)體元件的柵極和源極經(jīng)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(dǎo)體繼電器的等效電路圖，圖2表示輸出元件和保護(hù)元件的等效電路圖，圖3表示輸出元件和保護(hù)元件的元件結(jié)構(gòu)。圖3的(a)是表示實(shí)施方式I的將硅二極管進(jìn)行外部連接的輸出元件芯片的連接例的說(shuō)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(lián)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(gòu)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(yáng)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(guò)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(lián)連接。在此，僅圖示·了 SiC-M0SFET31a和硅二極管40a的一個(gè)單元，但同樣的單元如圖I所示那樣配設(shè)有兩個(gè)。此外，在此，在SiC-MOSFET 31a和31b中內(nèi)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(lián)連接。如圖I所示，本實(shí)施方式的半導(dǎo)體繼電器包括發(fā)光元件10、光電轉(zhuǎn)換裝置20以及輸出元件30 (30a、30b)。發(fā)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(zhuǎn)換裝置20包括與發(fā)光元件10的發(fā)光相應(yīng)地產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)并輸出電壓的光電二極管陣列21和對(duì)光電二極管陣列21的輸出電壓進(jìn)行充放電的充放電電路22。而且，通過(guò)對(duì)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(dǎo)通或截止。在此，輸出元件30包括漏極與源極之間被導(dǎo)通、截止的兩個(gè)作為輸出元件的SiC-MOSFET3la、31b，在SiC-MOSFET 3la、3Ib上分別并聯(lián)連接有由Si-二極管40a、40b構(gòu)成的保護(hù)元件。在此，SiC-體二極管32a、32b是內(nèi)置二極管，是如圖3的(a)所示那樣形成在P型阱區(qū)域3與外延生長(zhǎng)層2之間的pn結(jié)二極管。如圖3的(a)左側(cè)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(guò)外延生長(zhǎng)形成η型外延生長(zhǎng)層2以及在該η型外延生長(zhǎng)層2內(nèi)形成ρ型阱區(qū)域3來(lái)形成的。另外，在該ρ型阱區(qū)域3內(nèi)形成有作為η型區(qū)域的源區(qū)4，來(lái)作為雜質(zhì)區(qū)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(qū)域3之間，對(duì)ρ型阱區(qū)域3的表面的溝道的形成進(jìn)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(qū)4的接觸區(qū)域以外的整個(gè)襯底表面。另外，在η型SiC襯底I的背面?zhèn)?、即第二面?zhèn)刃纬捎新╇姌O9。P是覆蓋襯底的第一面的由聚酰亞胺膜等構(gòu)成的保護(hù)膜。兩個(gè)SiC-MOSFET 31a、31b各自的柵極G與光電二極管陣列21的陽(yáng)極端子相連接，各自的源極S在以反向串聯(lián)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(shí)施方式I的半導(dǎo)體繼電器的局部剖切立體圖和截面概要圖的一例。該半導(dǎo)體繼電器構(gòu)成為在引線框架15上安裝有發(fā)光元件(LED) 10、光電轉(zhuǎn)換裝置20以及輸出元件30，其中，該發(fā)光元件(LED) 10根據(jù)輸入信號(hào)點(diǎn)亮或熄滅，該光電轉(zhuǎn)換裝置20包括接收來(lái)自該發(fā)光元件10的光信號(hào)并通過(guò)光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光電二極管陣列21和對(duì)基于該光電二極管陣列21產(chǎn)生的電力進(jìn)行充放電的充放電電路22，該輸出元件30接受來(lái)自該光電轉(zhuǎn)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(dāng)SiC-MOSFET的柵極電壓達(dá)到設(shè)定電壓值時(shí)，SiC-MOSFET變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，使負(fù)載啟動(dòng)。在此，Tl、T 2是輸入端子，T3、T 4是輸出端子，100是樹(shù)脂封裝體。如圖5所示，將發(fā)光元件10與光電轉(zhuǎn)換裝置20相對(duì)置地進(jìn)行安裝，以使來(lái)自發(fā)光元件10的光到達(dá)光電二極管陣列21。接著，對(duì)這樣構(gòu)成的實(shí)施方式I所涉及的半導(dǎo)體繼電器的動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。發(fā)光元 件10通過(guò)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(hào)來(lái)發(fā)光并生成光信號(hào)。光電二極管陣列21通過(guò)接收發(fā)光兀件10的光信號(hào)來(lái)在其兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)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(jìn)行充放電并施加到構(gòu)成輸出元件 30(30a、30b)的 SiC-MOSFET 31a、31b 的柵極G。而且，當(dāng)對(duì) 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(shí)，SiC-M0SFET31a、31b的漏極與源極之間被導(dǎo)通，第一輸出端子T3與第二輸出端子T4之間導(dǎo)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(dāng)輸入信號(hào)斷開(kāi)時(shí)，來(lái)自光電轉(zhuǎn)換裝置20的輸出電壓消失，構(gòu)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(kāi)。使用于實(shí)施方式I的半導(dǎo)體繼電器的、構(gòu)成輸出元件30的SiC-MOSFET 31a、31b進(jìn)行反向串聯(lián)連接，硅二極管40a、40b的芯片經(jīng)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(nèi)部SiC-MOSFET 31a,31b內(nèi)的寄生元件(SiC-體二極管32(32a、32b))的動(dòng)作的同時(shí)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(dāng)對(duì)源極側(cè)施加(+)電壓而對(duì)漏極側(cè)施加(_)電壓時(shí)，在沒(méi)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(guò)硅二極管40a、40b被旁路。其結(jié)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(zhǎng)層(或者襯底)的晶體缺陷擴(kuò)大，能夠防止SiC-MOSFET的導(dǎo)通電阻增加。通過(guò)這樣，即使在重復(fù)使用時(shí)也能夠維持繼電器輸出觸點(diǎn)的可靠性。另外也可以由GaN-FET代替SiC-MOSFET來(lái)構(gòu)成輸出元件30a、30b。在這種情況下，在對(duì)GaN-FET 31a施加的電壓瞬間成為其耐壓以上時(shí)，GaN-FET 31b也會(huì)被施加電壓。在此，如果沒(méi)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(shí)會(huì)產(chǎn)生易于短路這樣的問(wèn)題。但是，根據(jù)本實(shí)施方式的輸出元件30，由于將硅二極管作為GaNFET的保護(hù)元件來(lái)并聯(lián)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(hù)元件40a、40b，因此除了具有能夠抑制由于重復(fù)對(duì)體二極管通電而引起的晶體缺陷的擴(kuò)大從而作為輸出元件提高可靠性這樣的效果之外，該半導(dǎo)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(hù)元件，因此容易制造結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且可靠性高的半導(dǎo)體裝置，由于利用光耦合，因此能夠?qū)⑤斎胼敵鲋g完全電分離。2)使用電力用的SiC-MOSFET作為負(fù)載側(cè)的開(kāi)關(guān)，因此不會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)(chattering)、機(jī)械噪聲。在導(dǎo)通狀態(tài)下線性度高，因此能夠控制模擬信號(hào)。3)輸出電路是將FET進(jìn)行反向串聯(lián)連接而成的，因此能夠適于交流和直流兩用。此外，在上述實(shí)施方式中，作為輸出元件，使用了將兩個(gè)SiC-MOSFET 31a、31b進(jìn)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(gè)SiC-MOSFET 31的輸出元件30，并將該輸出元件30與一個(gè)Si- 二極管40并聯(lián)連接。(實(shí)施方式2)作為本實(shí)施方式2的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，如圖7所示，構(gòu)成保護(hù)元件50的旁路用的半導(dǎo)體元件是由Si-MOSFET 51構(gòu)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(jù)該結(jié)構(gòu)，當(dāng)將在源極向漏極的方向上進(jìn)行并聯(lián)連接的SiC-pn (體)二極管32 與Si-MOSFET 51的體二極管52進(jìn)行比較時(shí)，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(duì)源極側(cè)施加⑴電壓、對(duì)漏極側(cè)施加㈠電壓時(shí)，在沒(méi)有硅二極管52的情況下流向SiC-pn (體)二極管32的電流通過(guò)Si-MOSFET 51的體二極管52被旁路。其結(jié)果，能夠防止因SiC-pn(體)二極管通電引起的SiC-外延生長(zhǎng)層和襯底的晶體缺陷擴(kuò)大，能夠防止SiC-MOSFET的導(dǎo)通電阻增加。(實(shí)施方式3)作為本實(shí)施方式3的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，如圖8所示，構(gòu)成保護(hù)元件的旁路用的半導(dǎo)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(yáng)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(jìn)行并聯(lián)連接的SiC-pn(體)二極管32和SiC-肖特基二極管60中對(duì)電壓與通電電流的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量所得到的結(jié)果。如圖9所示，在通電電流為Ickqss以下時(shí)，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(duì)源極側(cè)施加⑴電壓、對(duì)漏極側(cè)施加㈠電壓時(shí)，在沒(méi)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(guò)SiC-肖特基二極管60被旁路。另外，圖10表示對(duì)擊穿(breakdown)電壓與交叉(crossover)電流Iawss的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量所得到的結(jié)果。如圖10所示，可知存在如下區(qū)域在相同的施加電壓下SiC-pn 二極管的通電電流相對(duì)大的區(qū)域Rl和SiC-肖特基二極管的通電電流相對(duì)大的區(qū)域R2。其結(jié)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(kuò)大，能夠防止SiC-FET的導(dǎo)通電阻增加。另外，與上述實(shí)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(qiáng)的特性。此外，在實(shí)施方式I至3中說(shuō)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(dǎo)體構(gòu)成的FET。由此，還能夠防止GaNFET的柵極損壞。一般會(huì)對(duì)柵極與漏極之間實(shí)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(duì)源極與漏極之間的電壓施加，與此相對(duì)，根據(jù)本實(shí)施方式，能夠?qū)崿F(xiàn)柵極損壞的防止。另外，將化合物半導(dǎo)體元件的源極共同反向串聯(lián)連接，由此在對(duì)一方的GaN系MOSFET瞬間施加超過(guò)耐壓的電壓時(shí)，另一方的GaN系MOSFET也會(huì)被施加電壓，如果沒(méi)有作為保護(hù)元件的二極管，則有時(shí)會(huì)超過(guò)源極與柵極之間的耐壓，但是通過(guò)如本發(fā)明那樣將旁路用的保護(hù)元件進(jìn)行外部連接，能夠防止損壞。另外，本發(fā)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(dǎo)體的肖特基柵(schottky gate) FET等使用了化合物半導(dǎo)體的FET。以上，說(shuō)明了本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限于這些特定的實(shí)施方式， 在不脫離權(quán)利要求書(shū)的范圍的情況下能夠進(jìn)行各種變更和變形，這些變更和變形也屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，具備 一個(gè)以上的單極型的化合物半導(dǎo)體元件；以及與各個(gè)化合物半導(dǎo)體元件并聯(lián)地進(jìn)行外部連接的旁路用半導(dǎo)體元件， 其中，上述旁路用半導(dǎo)體元件的通電開(kāi)始電壓小于上述各個(gè)化合物半導(dǎo)體元件的從源極向漏極的方向的通電開(kāi)始電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 上述旁路用半導(dǎo)體元件是硅二極管， 將上述硅二極管的陰極與上述各個(gè)化合物半導(dǎo)體元件的漏極相連接，并且， 將上述硅二極管的陽(yáng)極與上述各個(gè)化合物半導(dǎo)體元件的源極相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 上述旁路用半導(dǎo)體元件是硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管即Si-MO SFET, 將Si-MOSFET的漏極與上述各個(gè)化合物半導(dǎo)體元件的漏極相連接，并且， 將Si-MOSFET的源極與上述各個(gè)化合物半導(dǎo)體元件的源極相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 上述旁路用半導(dǎo)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(gè)化合物半導(dǎo)體元件的漏極相連接，并且， 將SiC-肖特基二極管的陽(yáng)極與上述各個(gè)化合物半導(dǎo)體元件的源極相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 上述各個(gè)化合物半導(dǎo)體元件是碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管即SiC-FET，或者是氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管即GaN-FET。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 將上述化合物半導(dǎo)體元件的源極共同反向串聯(lián)連接。
7.一種半導(dǎo)體繼電器，具備 根據(jù)權(quán)利要求I至6中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置， 發(fā)光元件，其根據(jù)輸入信號(hào)來(lái)發(fā)光； 光電二極管陣列，其接收該光來(lái)發(fā)電；以及 充放電電路，其與上述光電二極管陣列并聯(lián)連接， 其中，化合物半導(dǎo)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(dǎo)體裝置，具備單極型的化合物半導(dǎo)體元件；以及與上述化合物半導(dǎo)體元件并聯(lián)地進(jìn)行外部連接的旁路用半導(dǎo)體元件。上述旁路用半導(dǎo)體元件的通電開(kāi)始電壓小于上述化合物半導(dǎo)體元件的從源極向漏極的方向的通電開(kāi)始電壓。
文檔編號(hào)H01L29/78GK102918769SQ201180027218
公開(kāi)日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2011年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月3日
發(fā)明者岡田洋, 砂田卓也, 大森猛司 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社