JP4644904B2 - パワー半導体素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、パワー半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
数百Ｖ以上の高耐圧ＭＯＳＦＥＴサイリスタなどのパワー半導体素子においては、ソース、ゲートなどの側の電極端での電界集中を緩和するために、いくつかの対策が採られてきた。たとえば、図４に示すように基板１の一方の面に動作部２が形成され、他方の面に動作部２と対向する他の動作部としての電極（以下「動作部電極」という。）７が構成されている半導体素子においては、基板１と動作部２や動作部電極７との接合界面が露出する側面を、図５に示すように斜めにするベベル構造が採られる。また、図６に示すような半導体素子においては、図７に示すように動作部２ａの周囲を囲むようにフィールドリミッティングリング（「ガードリング」ともいう。）３を配置するという構造も採用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＳｉＣなどを用いたワイドギャップ半導体では、半導体内部の耐電圧値が現状のシリコン素子の最高耐電圧である１０ｋＶを大きく上回ることが予想される。たとえば、１ｍｍ厚のＳｉＣ素子を想定した場合、半導体内部の本来の絶縁特性からすると、１００ｋＶ程度の耐電圧値が達成できるはずである。
【０００４】
しかし、半導体内部がそのような高い耐電圧値を達成しても、現実には、従来の素子表面構造では、約１０ｋＶを超えると、素子表面の電界が空気と半導体界面との絶縁破壊強度である約１ｋＶ／ｍｍを超えてしまうため、素子表面において沿面放電を生じてしまい、これが進展して絶縁破壊を起こしてしまう。
【０００５】
そこで、１００ｋＶ程度の高電圧を印加しても素子表面で沿面放電を生じて絶縁破壊するようなことのない半導体素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に基づくパワー半導体素子の一つの局面においては、基板と、上記基板の両主表面にそれぞれ沿って配置された動作部（半導体回路部）と、一方の主表面の上記動作部を挟むように上記基板の上記一方の主表面上に配置され、上記一方の主表面の動作部を挟む方向に平行で上記基板に垂直な断面の輪郭が上記基板の上記一方の主表面に向かって凸であるすり鉢状の内面を有する補強絶縁層と、上記すり鉢状の内面上に上記内面に沿うように配置されたガイド電極と、上記基板の他方の主表面の上記動作部を挟むように上記他方の主表面上に配置された平面電極とを備える。
【０００７】
上記構成を採用することにより、動作部の両端にはさらに延長するようにガイド電極が存在し、ガイド電極端が対向面の電極から遠ざかるため、動作部の両端およびガイド電極端に電界が集中することを防止できる。ガイド電極が曲面になっていれば、なお効果的である。
【０００８】
上記発明において好ましくは、上記平面電極は上記ガイド電極を上記基板に正投影した領域に対応する領域を覆うように延在している。この構成を採用することにより、平面電極の両端を対向する側の動作部の両端から十分に離すことができ、絶縁破壊を防止できる。
【０００９】
また、本発明に基づくパワー半導体素子の他の局面においては、基板と、上記基板の両主表面にそれぞれ沿って配置された動作部と、各上記動作部をそれぞれ挟むように各上記主表面上に配置され、各上記動作部を挟む方向に平行で上記基板に垂直な断面の輪郭が上記基板の各主表面に向かって凸であるすり鉢状の補強絶縁層と、上記補強絶縁層のすり鉢状の内面上に上記内面に沿うように配置されたガイド電極とを備える。この構成を採用することにより、両主表面はいずれもガイド電極を有し、ガイド電極端は、主表面から遠ざかっているので、たとえガイド電極の両端に電界が集中したとしても、基板を通じた絶縁破壊も、外側からの沿面放電も防止できる。
【００１０】
上記発明においてさらに好ましくは、上記補強絶縁層と上記基板とが両者の界面における微小な空隙なく密着するように、上記補強絶縁層と上記基板とが両者の対向方向に機械的に圧縮されている。この構成を採用することにより、微小な空隙中に起因する電界集中が起こる可能性を低減でき、補強絶縁膜と基板界面の絶縁破壊をより確実に防止できる。
【００１１】
上記発明においてさらに好ましくは、上記補強絶縁層と上記基板との界面における微小な空隙をなくすように、上記界面に接着剤が充填されている。この構成を採用することにより、界面近傍に誘電率の低い空隙の部分がなくなるため、補強絶縁膜と基板界面の絶縁破壊をより確実に防止できる。
【００１２】
上記発明においてさらに好ましくは、上記補強絶縁層と上記基板とが絶縁性の液体中に配置されている。この構成を採用することにより、従来、沿面放電の生じる可能性があった外側の空気の部分が存在しないため、沿面放電を起こりにくくすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
（構成）
図１を参照して、本実施の形態におけるパワー半導体素子の構成について説明する。このパワー半導体素子は、基板１の一方の主表面に動作部２、他方の主表面に動作部電極７を備える。基板１は半導体基板であり、基板１を挟んで対向する動作部２と動作部電極７との配置により、パワー半導体素子として、たとえば、縦型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＪＦＥＴ（Junction Field Effect Transistor）などの半導体素子を構成する。ここでは、動作部２が高圧側とし、動作部電極７は低圧側とする。動作部２のある側の主表面には、補強絶縁層４ａが、動作部２を挟むように配置されている。
【００１４】
補強絶縁層４ａは、動作部２を挟む方向に平行で基板１に垂直な断面、すなわち、図１の断面で見た輪郭が基板１表面に向かって凸な曲線であるすり鉢状となっている。補強絶縁層４ａのすり鉢状の内面上には、この内面に沿うようにガイド電極５が配置されている。また、動作部電極７のある側の主表面には、平面電極６が動作部電極７を挟むように基板１表面上に配置されている。ただし、平面電極６は、ここでは動作部電極７とつながって一体となっている。
【００１５】
なお、この半導体素子には、動作部２に電圧を印加する際には、ガイド電極５にも同じ電圧を印加するための同電位印加手段（図示省略）が備わっている。
【００１６】
（作用・効果）
本来、電界が集中する可能性がある部分は電極両端や、電極が急激に折れ曲がっている箇所である。したがって、従来の構造では、動作部２および動作部電極７の各両端に電界が集中する可能性があった。
【００１７】
これに対して、本実施の形態における構成では、動作部２の両端にはさらに延長するようにガイド電極５が存在し、ガイド電極５も動作部２と同電位を保ち、ガイド電極５の外端部が対向面の平面電極６から遠ざかっているため、動作部２の両端に電界が集中することを防止できる。特に、本実施の形態における構成では、ガイド電極５が動作部２のなす直線から、急激に折れ曲がるのではなく徐々に向きを変えていく曲線であるため、動作部２の両端に電界が集中することをより効果的に防止することができる。
【００１８】
一方、動作部電極７の両端に電界が集中する可能性があるが、平面電極６として左右に延在しているため、平面電極６の両端に電界が集中したとしても、動作部２の両端と十分離れた構造とすることができ、動作部２との間の絶縁破壊を避けることができる。
【００１９】
さらに、ガイド電極５は、外端部が基板１との間に補強絶縁層４ａを介在して基板１から遠ざかる向きに反っているため、ガイド電極５の外端部と平面電極６の外端部との間も十分離れた構造とでき、ガイド電極５や平面電極６の外端部に電界が集中したとしても、絶縁破壊を防止することができる。
【００２０】
（実施の形態２）
（構成）
図２を参照して、本実施の形態におけるパワー半導体素子の構成について説明する。このパワー半導体素子は、半導体基板である基板１の一方の面に動作部２、他方の面に動作部電極７を備える。動作部電極７のある側の主表面には、補強絶縁層４ｂが、動作部電極７を挟むように配置されている。
【００２１】
補強絶縁層４ｂは、動作部電極７を挟む方向に平行で基板１に垂直な断面、すなわち、図２の断面で見た輪郭が基板１表面に向かって凸な曲線であるすり鉢状となっている。補強絶縁層４ｂのすり鉢状の内面上には、この内面に沿うようにガイド電極５が配置されている。また、動作部２のある側の主表面には、平面電極６が動作部２を挟むように基板１表面上に配置されている。
【００２２】
なお、この半導体素子には、動作部２に電圧を印加する際に平面電極６にも同じ電圧を印加するための第１の同電位印加手段（図示省略）と、動作部電極７に電圧を印加する際にガイド電極５にも同じ電圧を印加するための第２の同電位印加手段（図示省略）とが備わっている。他の部分の構成は、実施の形態１におけるものと同じである。
【００２３】
（作用・効果）
本実施の形態における構成では、動作部電極７の両端にはさらに延長するようにガイド電極５が存在し、ガイド電極５も動作部電極７と同電位を保ち、ガイド電極５の外端部が対向面の動作部２から遠ざかっているため、動作部電極７の両端に電界が集中することを防止できる。特に、本実施の形態における構成では、ガイド電極５が動作部電極７のなす直線から、折れ曲がるのではなしに徐々に向きを変えていく曲線であるため、動作部電極７の両端に電界が集中することをより効果的に防止することができる。
【００２４】
一方、動作部２の両端に電界が集中する可能性があるが、動作部２と同電位を保つ平面電極６が左右に延在しているため、電界が集中しうるのは動作部２の両端ではなく、平面電極６の両端となる。平面電極６の両端に電界が集中したとしても、動作部電極７の両端と十分離れた構造とすることができ、動作部電極７との間の絶縁破壊を避けることができる。
【００２５】
さらに、ガイド電極５は、外端部が基板１との間に補強絶縁層４ｂを介在して基板１から遠ざかる向きに反っているため、ガイド電極５の外端部と平面電極６の外端部との間も十分離れた構造とでき、ガイド電極５や平面電極６の外端部に電界が集中したとしても、絶縁破壊を防止することができる。
【００２６】
（実施の形態３）
（構成）
図３を参照して、本実施の形態におけるパワー半導体素子の構成について説明する。このパワー半導体素子は、半導体基板である基板１の一方の面に動作部２、他方の面に動作部電極７を備える。動作部２のある側の主表面には、補強絶縁層４ａが、動作部２を挟むように配置されている。動作部電極７のある側の主表面には、補強絶縁層４ｂが、動作部電極７を挟むように配置されている。
【００２７】
補強絶縁層４ａ，４ｂは、それぞれ動作部２、動作部電極７を挟む方向に平行で基板１に垂直な断面、すなわち、図３の断面で見た輪郭が基板１表面に向かって凸な曲線であるすり鉢状となっている。補強絶縁層４ａ，４ｂのすり鉢状の内面上には、この内面に沿うようにそれぞれガイド電極５が配置されている。
【００２８】
なお、この半導体素子には、動作部２に電圧を印加する際に補強絶縁層４ａ上に設けられたガイド電極５にも同じ電圧を印加するための第１の同電位印加手段（図示省略）と、動作部電極７に電圧を印加する際に補強絶縁層４ｂ上に設けられたガイド電極５にも同じ電圧を印加するための第２の同電位印加手段（図示省略）とが備わっている。他の部分の構成は、実施の形態１におけるものと同じである。
【００２９】
（作用・効果）
本実施の形態における構成では、動作部２、動作部電極７のいずれにも両端にさらに延長するようにガイド電極５が存在し、ガイド電極５も、それぞれ動作部２、動作部電極７と同電位を保ち、ガイド電極５が対向面の動作部電極７または動作部２から遠ざかっているため、動作部２や動作部電極７の各両端に電界が集中することを防止できる。特に、本実施の形態における構成では、ガイド電極５が動作部２および動作部電極７のそれぞれなす直線から、急激に折れ曲がるのではなく徐々に向きを変えていく曲線であるため、動作部２および動作部電極７の両端に電界が集中することをより効果的に防止することができる。
【００３０】
さらに、ガイド電極５は、外端部が基板１との間に補強絶縁層４ａ，４ｂを介在して基板１から遠ざかる向きに反っているため、一方の主表面側のガイド電極５の外端部と他方の主表面側のガイド電極５の外端部との間も十分離れた構造とでき、ガイド電極５の外端部に電界が集中したとしても、絶縁破壊を防止することができる。
【００３１】
（実施の形態４）
本実施の形態におけるパワー半導体素子は、実施の形態１〜３におけるパワー半導体素子と基本的に同じ構成であるが、補強絶縁膜４ａ，４ｂと基板１とを両者の対向方向に機械的に圧縮することにより、両者をその界面に微小な空隙がないように密着させている。
【００３２】
一般に、このような場合に、界面に周囲の部材より誘電率の低い異物がある場合、その異物に電界が集中し、絶縁破壊を引き起こすおそれがある。空気を内包する微小な空隙などがある場合も、同じことが成立し、空隙内部の空気は周囲の部分に比べて誘電率が低いため、そういった微小な空隙に電界が集中し、絶縁破壊に発展する可能性がある。これに対して、上述のように圧縮して空隙をなくすることとしたので、微小な空隙中に起因する電界集中が起こる可能性を低減でき、補強絶縁膜と基板界面の絶縁破壊をより確実に防止できる。
【００３３】
（実施の形態５）
本実施の形態におけるパワー半導体素子は、実施の形態１〜３におけるパワー半導体素子と基本的に同じ構成であるが、補強絶縁膜４ａ，４ｂと基板１との界面に接着剤を充填することで、両者の界面の微小な空隙を埋めている。このような構成にすることで、界面近傍に誘電率の低い空隙の部分がなくなるため、補強絶縁膜と基板界面の絶縁破壊をより確実に防止できる。
【００３４】
（実施の形態６）
本実施の形態におけるパワー半導体素子は、実施の形態１〜５におけるパワー半導体素子と基本的に同じ構成であるが、パワー半導体素子を構成する部分のうち少なくとも補強絶縁層４ａ，４ｂと基板１とが絶縁液中に配置されている。このような構成にすることで、動作部２と動作部電極７との間の沿面放電の経路としての外側の空気の部分が存在しないため、沿面放電を起こりにくくすることができる。
【００３５】
上記各実施の形態では、動作部２が高圧側とし、動作部電極７は低圧側としたが、逆に動作部電極７が高圧側で、動作部２が低圧側であってもよい。
【００３６】
上記各実施の形態では、基板１を介して動作部２と対向する部分を動作部電極７としたが、この部分は単なる電極状のものに限らず、動作部電極７の代りに他の動作部が配置されたものであってもよい。
【００３７】
上記各実施の形態では、補強絶縁層４ａ，４ｂを、図１〜図３の断面で見た輪郭が基板１表面に向かって凸な曲線であるすり鉢状とし、その内面に沿うようにガイド電極５を配置した例を示した。すなわち、これらの例では、補強絶縁層４ａ，４ｂのすり鉢状の内面およびガイド電極５は曲面となっている。しかし、補強絶縁層４ａ，４ｂのすり鉢状の内面は、基板１表面に向かって凸であればよく、必ずしも曲面には限られない。たとえば、図１〜図３の断面で見た補強絶縁層４ａ，４ｂのすり鉢状部分の輪郭が直線などであってもよい。したがって、補強絶縁層４ａ，４ｂの内面に沿うガイド電極５も、曲面状とは限らず、たとえば平面状などであってもよい。
【００３８】
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【００３９】
【発明の効果】
動作部や動作部電極を挟むように、すり鉢状の補強絶縁層と、そのすり鉢状の内面に形成されたガイド電極を設けることとし、一方の主表面に補強絶縁層がない場合であっても代りに平面電極を設けることとしたので、動作部や動作部電極の両端に電界が集中することを防止できる。ガイド電極の両端は補強絶縁層を介して対向するガイド電極や平面電極から十分離れているため、絶縁破壊を防止することができる。よって、１００ｋＶ程度の高電圧を印加しても素子表面で沿面放電を生じることもなく、絶縁破壊することもない半導体素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づく実施の形態１におけるパワー半導体素子の断面図である。
【図２】 本発明に基づく実施の形態２におけるパワー半導体素子の断面図である。
【図３】 本発明に基づく実施の形態３におけるパワー半導体素子の断面図である。
【図４】 従来技術に基づく第１のパワー半導体素子の断面図である。
【図５】 従来技術であるベベル構造を採用したパワー半導体素子の断面図である。
【図６】 従来技術に基づく第２のパワー半導体素子の断面図である。
【図７】 従来技術であるフィールドリミッティングリングを採用したパワー半導体素子の断面図である。
【符号の説明】
１ 基板、２ 動作部、３ フィールドリミッティングリング、４ａ，４ｂ 補強絶縁層、５ ガイド電極、６ 平面電極、７ 動作部電極。

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板の一方および他方の主表面にそれぞれ沿って配置された動作部および動作部電極と、
   前記一方の主表面の前記動作部を挟むように前記基板の前記一方の主表面上に配置され、前記一方の主表面の動作部を挟む方向に平行で前記基板に垂直な断面の輪郭が前記基板の前記一方の主表面に向かって凸であり、外周に向かうにつれて厚みが連続的に増大するすり鉢状の内面を有する補強絶縁層と、
   前記すり鉢状の内面上に前記内面に沿うように配置されたガイド電極と、
   前記基板の他方の主表面の前記動作部電極を挟むように前記他方の主表面上に配置された平面電極とを備え、
   前記ガイド電極は、前記動作部と同電位であり、前記平面電極は、前記動作部電極と同電位である、パワー半導体素子。
2. 前記平面電極は前記ガイド電極を前記基板に正投影した領域に対応する領域を覆うように延在している、請求項１に記載のパワー半導体素子。
3. 基板と、
   前記基板の一方および他方の主表面にそれぞれ沿って配置された動作部および動作部電極と、
   前記動作部および前記動作部電極の各々をそれぞれ挟むように各前記主表面上に配置され、前記動作部および前記動作部電極を挟む方向に平行で前記基板に垂直な断面の輪郭が前記基板の各主表面に向かって凸であり、外周に向かうにつれて厚みが連続的に増大するすり鉢状の内面を有する補強絶縁層と、
   前記補強絶縁層のすり鉢状の内面上に前記内面に沿うように配置されたガイド電極とを備え、前記一方の主表面の側に設けられた前記ガイド電極は、前記動作部と同電位であり、前記他方の主表面の側に設けられた前記ガイド電極は、前記動作部電極と同電位である、パワー半導体素子。
4. 基板と、
   前記基板の一方および他方の主表面にそれぞれ沿って配置された動作部および動作部電極と、
   前記一方の主表面の前記動作部を挟むように前記基板の前記一方の主表面上に配置された平面電極と、
   前記他方の主表面の動作部電極を挟む方向に平行で前記基板に垂直な断面の輪郭が前記基板の前記他方の主表面に向かって凸であり、外周に向かうにつれて厚みが連続的に増大するすり鉢状の内面を有する補強絶縁層と、
   前記すり鉢状の内面上に前記内面に沿うように配置されたガイド電極とを備え、
   前記平面電極は、前記動作部と同電位であり、前記ガイド電極は、前記動作部電極と同電位である、パワー半導体素子。
5. 前記補強絶縁層と前記基板とが両者の界面に微小な空隙がないように密着している、請求項１から４のいずれかに記載のパワー半導体素子。
6. 前記補強絶縁層と前記基板との界面における微小な空隙をなくすように、前記界面に接着剤が充填された、請求項１から５のいずれかに記載のパワー半導体素子。
7. 前記補強絶縁層および前記基板の周囲の空間を満たす絶縁性の液体を備える、請求項１から６のいずれかに記載のパワー半導体素子。

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