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Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, das im Wesentlichen aus Siliziumcarbid besteht, und eine Moduleinheit, in die das Halbleiterbauelement eingebaut ist. In der vorliegenden Beschreibung wird die Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf den Fall eines Hochspannungs-Halbleiterbauelements als Beispiel, aber die Erfindung ist nicht auf eine derartige Anwendung beschränkt und kann bei Halbleiterbauelementen für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden.
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Die Druckschrift
US 4 343 082 A betrifft die Herstellung eines Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET) oder eines Metallgate-Feldeffekttransistors (MESFET), der ein polykristallines Siliziumgate und einen kurzen Kanal von etwa einem Mikrometer oder weniger besitzt. Hierbei erfolgt die gleichzeitige Ausbildung von Source-, Drain- und Gate-Elektrodenkontakten durch Bombardement mit einem Übergangsmetall wie z. B. Platin, wodurch auf den Source- und Drain-Zonen sowie der Siliziumgateelektrode Metallsilicidschichten gebildet werden. Durch anisotropes Ätzen von Siliziumdioxid wird dieses selektiv von den Source- und Drainzonen entfernt, während es an den Seitenkanten der Gateelektrode stehen bleibt, da es für die exakte Ausrichtung der Metallsilicidschichten benötigt wird.
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Aus der Druckschrift CASADY, J. B.; et al.: Fabrication Procedures and Characterization of 6H-SiC MESFETs for Use in High Temperature Electronics. In: Proceedings of the 45th Electronic Components and Technology Conference, 1995, S. 261–265, ist es bekannt, für MESFET-Bauelemente Siliziumcarbid zu verwenden.
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Aus der Druckschrift ROYET, A. S.; et al.: Self-Heating Effects in Silicon Carbide MESFETs. In: IEEE Transactions an Electron Devices, Vol. 47, Nr. 11, 2000, S. 2221–2227, ist die Verwendung von semi-isolierenden SiC-Substraten für SiC-MESFETs bekannt.
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Aus der Druckschrift MEIGNANT, D.: Novel Microwave Medium Power GaAs MESFET with Schottky Drain. In: IEEE Transactions an Electron Devices, Vol. ED-28, Nr. 10, 1981, S. 1243–1244, ist es bekannt, bei MESFET-Bauelementen Schottky-Drainelektroden einzusetzen.
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Aus der Druckschrift
JP 1 039 072 A ist ein Halbleiterbauelement bekannt, welches folgendes aufweist:
eine Halbleiterschicht mit einem vorbestimmten Leitfähigkeitstyp, die eine Oberfläche aufweist, die einen ersten Bereich, einen zweiten Bereich und einen sandwichartig zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich angeordneten dritten Bereich hat;
eine Anodenelektrode, die einen Schottky-Kontakt mit dem ersten Bereich hat;
eine Kathodeneleketrode, die einen ohmschen Kontakt mit dem zweiten Bereich hat; und
eine Steuerelektrode, die einen Schottky-Kontakt mit dem dritten Bereich hat, so dass innerhalb eines Bereiches der Halbleiterschicht zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode eine Schottky-Diode gebildet ist.
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Es ist zudem bekannt, dass ein Stromumrichter ein Spannungssperrvermögen in Sperr-Richtung benötigt. Daher verwendet ein Stromumrichter, der ein Schaltelement ohne Spannungssperrvermögen in Sperr-Richtung hat (z. B. ein IGBT und ein Leistungs-MOSFET), im allgemeinen eine Diode, die mit dem Schaltelement in Reihe geschaltet ist.
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7 ist ein vertikaler Querschnitt, der ein bekanntes Modulelement zeigt, das als Stromumrichter verwendet wird. Wie 7 zeigt, sind in einem Kapselungsgehäuse 617 eine Schalteinrichtung 601 und eine Diode 602 vorgesehen, die beide im Wesentlichen aus Silizium bestehen.
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Die Schalteinrichtung 601 hat eine Kathodenelektrode 603 und eine Steuerelektrode 604, die an einer ihrer Oberflächen ausgebildet sind, und eine Anodenelektrode 605, die an ihrer rückwärtigen Oberfläche ausgebildet ist. Die Diode 602 hat eine Anode 606, die an ihrer einen Oberfläche ausgebildet ist, und eine Kathode 607, an ihrer rückwärtigen Oberfläche ausgebildet ist.
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Die Anode 605 der Schalteinrichtung 601 und die Kathode 607 der Diode 602 sind auf eine leitfähige Platte 608 aufgelötet. Diese Elektroden 605 und 607 sind somit über eine Lotschicht 609 und die dazwischenliegende leitfähige Platte 608 elektrisch miteinander verbunden.
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Im Gegensatz dazu sind die Kathodenelektrode 603 und die Steuerelektrode 604 der Schalteinrichtung 601 mit einem leitenden Kathodenstab 610 und einem leitenden Steuerstab 611 jeweils über Bonddrähte 613 verbunden. Die Anode 606 der Diode 602 ist mit einem leitenden Anodenstab 612 über einen Bonddraht 613 verbunden.
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Andererseits ist die leitfähige Platte 608 über ein dazwischen angeordnetes isolierendes Substrat 614 mit einem Metallkörper 615 verbunden, der einen hohlen Graben 616 aufweist. In dem Graben 616 zirkuliert ein Kühlmittel, wie etwa Wasser.
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Bei einer solchen Konstruktion wird Wärme, die durch Verluste der Schalteinrichtung 601 und der Diode 602 erzeugt wird, durch die Elektroden 605 und 607, die Lotschicht 609, die leitende Platte 608, das isolierende Substrat 614, den Metallkörper 615 und das Kühlmittel abgestrahlt, die jeweils an den rückwärtigen Oberflächen der Schalteinrichtung und der Diode ausgebildet sind.
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Siliziumcarbid, das einen größeren Energie-Bandabstand zwischen den Bändern als Silizium hat, ist thermisch hochstabil. Daher kann ein Bauelement, das Siliziumcarbid verwendet, sogar bei einer hohen Temperatur bis zu 1000 K betrieben werden. Da Siliziumcarbid ferner eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium hat, können Siliziumcarbid-Bauelemente mit hoher Dichte angeordnet werden.
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Siliziumcarbid, das eine Durchbruchspannung hat, die etwa zehnmal so hoch wie diejenige von Silizium hat, ist ferner zum Gebrauch als Grundmaterial für ein Bauelement geeignet, das in einem Zustand betrieben wird, in dem in einem Sperrzustand des Bauelements eine hohe Spannung erzeugt werden kann.
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Anders ausgedrückt, es kann die Dicke eines Siliziumcarbid-Bauelements, die erforderlich ist, um einen bestimmten Spannungspegel aufrechtzuerhalten, deutlich geringer als diejenige eines Bauelements sein, dessen Grundmaterial Silizium ist, und es ist daher zu erwarten, dass das Siliziumcarbid-Bauelement eine antinomische Beziehung zwischen einem Schaltverlust und einem stationären Verlust auflösen kann.
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Da die Durchbruchspannung von Siliziumcarbid etwa zehnmal so hoch wie die von Silizium ist, ist in einem Siliziumcarbid-Bauelement die Breite einer Verarmungsschicht, die für einen bestimmten Wert des Spannungssperrvermögens erforderlich ist, sehr klein.
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Daher ist die Distanz zwischen einer Anode und einer Kathode kurz, und somit wird in einem stromführenden Zustand der Spannungsabfall, der zu der Elektrodendistanz nahezu proportional ist, klein. Anders ausgedrückt, es ermöglicht die Verwendung von Siliziumcarbid als Grundmaterial die Verringerung der stationären Verluste, die im stromführenden Zustand verursacht werden.
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Durch diesen Effekt weist eine Schalteinrichtung oder eine Diode, die Siliziumcarbid verwendet, den Vorteil auf, dass die antinomische Beziehung zwischen den Schaltverlusten und den stationären Verlusten im Vergleich mit einer Schalteinrichtung oder einer Diode, die Silizium verwendet, deutlich aufgelöst wird.
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Weiterhin bietet das Siliziumcarbid-Bauelement, das bei hoher Temperatur betrieben werden kann, den Vorteil, dass ein Kühlsystem der Einrichtung, wie etwa ein Kühlkörper vereinfacht werden kann.
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Die Ausbildung eines pn-Übergangs in Siliziumcarbid verlangt jedoch eine Wärmebehandlung bei viel höherer Temperatur als die Ausbildung eines pn-Übergangs in Silizium, und es kann eine bestehende Fertigungsanlage für Silizium leider nicht benutzt werden.
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Wenn ferner ein Draht durch Ultraschall an eine Elektrode gebondet wird, die auf einer Siliziumcarbidoberfläche ausgebildet ist, wird in Abhängigkeit von den Gegebenheiten, wie etwa einer Bondkraft, auf die Elektrode eine mechanische Spannung aufgebracht, und dadurch wird der Zustand eines Übergangs zwischen dem Siliziumcarbid und der Elektrode geändert, so dass der Nachteil auftritt, dass ein erwartetes Betriebsverhalten nicht erzeugt wird.
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Bei einem Siliziumcarbid-Bauelement, das eine leitende Platte hat, die mit Siliziumcarbid in elektrischem Kontakt ist, wird bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungszahlen zwischen dem Siliziumcarbid und der leitenden Platte aufgrund einer durch die Wärmewechselbeanspruchung bedingten Beanspruchung das Leistungsvermögen der Einrichtung geändert.
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Ziel der Erfindung ist daher die Verbesserung des Leistungsvermögens eines Halbleiterbauelements, bei dem Siliziumcarbid als Grundmaterial verwendet wird. Aufgabe der Erfindung ist daher die Entwicklung einer Moduleinheit mit einem verlustarmen Siliziumcarbid-Bauelement, das sowohl eine Schaltfunktion als auch eine Diodenfunktion besitzt, um dadurch eine Verminderung von Größe und Gewicht einer Moduleinheit zu gewährleisten.
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Gemäß der Erfindung wird eine Moduleinheit angegeben, welche folgendes aufweist:
eine leitende Platte;
ein Halbleiterbauelement; und
ein Kapselungsgehäuse zum Kapseln der leitenden Platte und des Halbleiterbauelements,
wobei das Halbleiterbauelement folgendes aufweist:
eine Siliziumcarbidschicht mit einem vorbestimmten Leitfähigkeitstyp, welche eine Oberfläche aufweist, die einen ersten Bereich, einen zweiten Bereich und einen sandwichartig zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich angeordneten dritten Bereich hat, und welche eine der Oberfläche gegenüberliegende rückseitige Oberfläche aufweist;
eine Anodenelektrode, die einen Schottky-Kontakt mit dem ersten Bereich hat;
eine Kathodenelektrode, die einen ohmschen Kontakt mit dem zweiten Bereich hat;
eine Steuerelektrode, die einen Schottky-Kontakt mit dem dritten Bereich hat;
ein halbisolierendes Substrat, das auf der rückseitigen Oberfläche der Siliziumcarbidschicht gebildet ist; und
eine Metallschicht, die auf einer Oberfläche des halbisolierenden Substrats gebildet ist,
wobei die Metallschicht auf einer Oberfläche der leitenden Platte mit einer zwischen der Metallschicht und der Oberfläche angeordneten Lotschicht gebildet ist, und
wobei nur das Halbleiterbauelement auf der Oberfläche der leitenden Platte gebildet ist.
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In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Moduleinheit ist vorgesehen, dass von der Schottky-Anodenelektrode und der Schottky-Steuerelektrode mindestens eine Schottky-Elektrode eine Dicke von nicht weniger als 5 μm hat.
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In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Moduleinheit ist vorgesehen, dass die leitende Platte ein hohle Grabenstruktur aufweist, durch welche ein Kühlmittel zirkuliert.
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Die Moduleinheit besitzt dabei ein Halbleiterbauelement, welches sich durch eine hohe Durchbruchspannung und geringe Verluste auszeichnet, wobei das Halbleiterbauelement sowohl eine Schaltfunktion als auch eine Diodenfunktion (Spannungssperrvermögen in Sperr-Richtung) ohne die Ausbildung eines pn-Übergangs darin hat, wobei die Notwendigkeit für reihengeschaltete Dioden, die im Stand der Technik erforderlich sind, entfällt.
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Da eine mechanische Beanspruchung, die auf mindestens eine Schottky-Elektrode aufgebracht wird, wenn ein Draht an die Schottky-Elektrode gebondet wird, bei dem zweiten Aspekt der Erfindung wirksam verteilt und aufgehoben werden kann, ist es möglich, ein hochzuverlässiges Halbleiterbauelement zu erhalten, bei dem an der Grenzfläche des Schottky-Kontakts kaum eine Änderung des Betriebsverhaltens verursacht wird.
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Bei dem in der erfindungsgemäßen Moduleinheit vorgesehenen Halbleiterbauelement ist es möglich, auf dem halbisolierenden Substrat ein Schaltelement mit hoher Durchbruchspannung bei geringen Schaltverlusten und geringen stationären Verlusten zu erhalten, das ein Spannungssperrvermögen in Sperr-Richtung hat.
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Da es nicht notwendig ist, eine Diode in dem Kapselungsgehäuse vorzusehen, ist es möglich, eine Verringerung von Größe und Gewicht einer Moduleinheit sicherzustellen.
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Ein Vorteil der Erfindung ist dabei die Angabe einer Moduleinheit mit einem hochzuverlässigen Siliziumcarbidbauelement, bei dem eine Änderung des Leistungsvermögens auch dann unwahrscheinlich ist, wenn eine durch Drahtbonden oder durch Wärmewechselbeanspruchung verursachte Beanspruchung darauf aufgebracht wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
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1 einen vertikalen Querschnitt, der eine Struktur eines Halbleiterbauelements für eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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2 einen vertikalen Querschnitt, der eine Struktur einer Moduleinheit gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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3 einen vertikalen Querschnitt, der eine Struktur eines Halbleiterbauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt, die nicht gemäß der Erfindung ausgebildet ist;
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4 ein Diagramm, das einen Messwert zeigt, der eine Beziehung zwischen der Dicke einer Gate-Elektrode und einem Kriechstromverhältnis zeigt;
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5 einen vertikalen Querschnitt, der eine Struktur einer Moduleinheit gemäß der zweiten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
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6 einen vertikalen Querschnitt, der eine Struktur eines Halbleiterbauelements gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt, die nicht gemäß der Erfindung ausgebildet ist; und
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7 einen vertikalen Querschnitt, der eine Struktur einer bekannten Moduleinheit zeigt.
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Erste Ausführungsform
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Ein charakteristisches Merkmal eines Halbleiterbauelements für die erste Ausführungsform besteht darin, dass eine Anode einer Schalteinrichtung (MESFET: Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor), die auf einer Siliziumcarbidschicht ausgebildet ist, aus einem Metall besteht, das einen Schottky-Kontakt mit einer Oberfläche der Siliziumcarbidschicht hat. Dieses charakteristische Merkmal wird unter Bezugnahme auf 1 nachstehend erläutert.
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1 ist ein vertikaler Querschnitt durch eine Struktur eines Halbleiterbauelements 100 für die erste Ausführungsform. Das Halbleiterbauelement 100 hat ein Schaltelement oder einen MESFET im Wesentlichen aus Silizium- carbid, und ferner hat das Schaltelement ein Spannungssperrvermögen in Sperr-Richtung.
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Der in 1 gezeigte MESFET hat eine Siliziumcarbidschicht 101 eines vorbestimmten Leitfähigkeitstyps (hier vom n-Typ) als Grundmaterial oder unterste Schicht. Eine Oberfläche oder Hauptoberfläche 101S1 der n-leitenden Siliziumcarbidschicht 101 hat partiell einen ersten Bereich R1, einen dem ersten Bereich R1 gegenüberliegenden zweiten Bereich R2 und sandwichartig zwischen dem ersten Bereich R1 und dem zweiten Bereich R2 einen dritten Bereich R3.
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Ferner hat der MESFET eine Anode oder einen Schottky-Drain 102, der mit dem ersten Bereich R1 der Oberfläche 101S1 einen Schottky-Kontakt hat. Anders ausgedrückt, es ist der Schottky-Drain 102 eine Schottky-Elektrode. Ferner hat der MESFET eine Kathode oder ohmsche Source 103, die mit dem zweiten Bereich R1 der Oberfläche 101S1 einen ohmschen Kontakt hat.
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Anders ausgedrückt, es ist die ohmsche Source 103 eine ohmsche Elektrode. Der MESFET hat eine Steuerelektrode oder ein Schottky-Gate 104, das einen Schottky-Kontakt mit dem dritten Bereich R3 der Oberfläche 101S1 hat. Anders ausgedrückt, es ist das Schottky-Gate 104 eine Schottky-Elektrode.
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Ein halbisolierendes Substrat 105, das beispielsweise ein halbisolierendes GaAs-Substrat ist, ist an einer rückseitigen Oberfläche 101S2 gegenüber der Oberfläche 101S1 der n-leitenden Siliziumcarbidschicht 101 ausgebildet. Außerdem ist eine Metallschicht 106 auf einer Oberfläche des halbisolierenden Substrats 105 mittels Bedampfung oder dergleichen ausgebildet.
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Der so aufgebaute MESFET, der die Drain-Elektrode 102 aus einem eine Schottky-Barriere bildenden Metall hat, ergibt einen Zustand, in dem eine Schottky-Diode zwischen dem Drain 102 und der Source 103 gebildet ist. Daher hat der MESFET sowohl eine Schaltfunktion als auch eine Diodenfunktion.
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Anders ausgedrückt, es weist der MESFET eine Struktur auf, in der ein Schaltelement und eine Diode vereinigt sind. Daher hat das Halbleiterbauelement 100 ein Spannungssperrvermögen in Sperr-Richtung, ohne dass in der Siliziumcarbidschicht ein pn-Übergang gebildet ist, und benötigt keine reihengeschaltete Diode, die im Stand der Technik erforderlich ist.
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Das Halbleiterbauelement 100, das die Siliziumcarbidschicht 101 als Grundmaterial des Schaltelements hat, behält ferner die vorteilhafte Funktion eines Schaltelements mit hoher Durchbruchspannung und geringen Verlusten.
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2 ist ein vertikaler Querschnitt, der die Struktur eines Modulelements oder einer Moduleinheit zeigt, die nur das Halbleiterbauelement 100 von 1 aufweist.
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Das Halbleiterbauelement 100, das Siliziumcarbid verwendet, wird wie folgt in einem Kapselungsgehäuse 110 vorgesehen. Die Metallschicht 106 des Halbleiterbauelements 100 wird auf eine Oberfläche 108S einer leitenden Platte 108 aufgelötet unter Bildung einer Abstrahlungsbahn von der Metallschicht 106 durch eine Lotschicht 107 zu der leitenden Platte 108.
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Ferner hat die leitende Platte 108 einen hohlen Graben 109 und dient als Kühlkörper, und in dem Graben 109 zirkuliert ein Kühlmittel, wie etwa Wasser. Andererseits sind der Drain 102, die Source 103 und das Gate 104 des MESFET mit einem leitenden Drainelektrodenstab 111, einem leitenden Sourceelektrodenstab 113 und einem leitenden Gateelektrodenstab 112 jeweils durch Bonddrähte 114 verbunden. Die durch Verluste des MESFET erzeugte Wärme wird durch die Abstrahlungsbahn und die Durchströmung des Kühlmittels abgestrahlt.
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In der Moduleinheit der ersten bevorzugten Ausführungsform umkapselt das Kapselungsgehäuse 110 also die leitende Platte 108 und das Halbleiterbauelement 100. Ferner ist auf der Oberfläche 108S der leitenden Platte 108 nur das Halbleiterbauelement 100 vorgesehen, und eine in Reihe liegende Diode, die im Stand der Technik benötigt wird, ist nicht vorgesehen. Daher ist die Moduleinheit der ersten bevorzugten Ausführungsform vorteilhafterweise kleiner und leichter als die in 7 gezeigte Moduleinheit.
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Abgewandelte Ausführungsform
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Von der Schottky-Drain-Elektrode 102 und der Schottky-Gate-Elektrode 104, die in 1 gezeigt sind, kann mindestens eine Schottky-Elektrode eine Dicke von 5 μm oder mehr haben (die Obergrenze der Dicke ist von der Herstellungsmöglichkeit abhängig). Der Zweck dieser Größenanpassung wird nachstehend erörtert.
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Diese Abwandlung kann eine Beanspruchung, die auf mindestens eine Schottky-Elektrode aufgebracht wird, wenn der Draht mit der Schottky-Elektrode gebondet wird, wirkungsvoll verteilen und verringern und führt somit zu einem hochzuverlässigen Halbleiterbauelement, das an einer Grenzfläche des Schottky-Kontakts eine geringere Veränderung bewirkt.
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Zweite nicht erfindungsgemäße Ausführungsform
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Die Beanspruchung, die auf die auf der Siliziumcarbidschicht gebildete Schottky-Elektrode aufgebracht wird, wenn der Draht mit der Schottky-Elektrode gebondet wird, bewirkt eine subtile Änderung des Niveaus der Potentialbarriere (Schottky-Barriere) in Abhängigkeit von dem Zustand der Kontaktfläche. Diese Änderung führt zu einer Änderung des Betriebsverhaltens des Schaltelements (MESFET).
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Die zweite Ausführungsform bewirkt eine derartige Verbesserung, dass die beim Drahtbonden auf die Kontaktgrenzfläche zwischen der Schottky-Elektrode und der Siliziumcarbidschicht aufgebrachte Beanspruchung daran gehindert wird, sich auf das Betriebsverhalten des Schaltelements auszuwirken.
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Dabei weist das Halbleiterbauelement der zweiten Ausführungsform eine Siliziumcarbidschicht mit vorbestimmtem Leitfähigkeitstyp und eine Schottky-Elektrode auf, die einen Schottky-Kontakt mit einem vorbestimmten Bereich in einer Oberfläche der Siliziumcarbidschicht hat, und die Dicke der Schottky-Elektrode ist mit 5 μm oder mehr vorgegeben. Die zweite Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die Figuren nachstehend erläutert.
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3 ist ein vertikaler Querschnitt, der die Struktur eines Halbleiterbauelements 300 gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform zeigt. Das Halbleiterbauelement 300 hat einen Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor, der auf einem halbisolierenden Substrat 305 gebildet ist. Zuerst wird auf einer Oberfläche 301S2 des halbisolierenden Substrats 305 eine n-leitfähige Siliziumcarbidschicht 301 als unterste Schicht gebildet.
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Eine Oberfläche oder Hauptoberfläche 301S1 der n-leitfähigen Siliziumcarbidschicht 301 hat partiell einen ersten Bereich R1, einen dem ersten Bereich R1 gegenüberliegenden zweiten Bereich R2 und einen sandwichartig zwischen dem ersten Bereich R1 und dem zweiten Bereich R2 angeordneten dritten Bereich R3.
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Ferner ist auf dem ersten Bereich R1 der Oberfläche 301S1 eine Anode oder ein ohmscher Drain 302 ausgebildet, der einen ohmschen Kontakt mit dem ersten Bereich R1 hat. Weiterhin ist auf dem zweiten Bereich R2 der Oberfläche 301S1 eine Kathode oder ohmsche Source 303 ausgebildet, die einen ohmschen Kontakt mit dem zweiten Bereich R2 hat.
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Auf dem dritten Bereich R3 der Oberfläche 301S1 ist ein Schottky-Gate 304 ausgebildet, das einen Schottky-Kontakt mit dem dritten Bereich R3 hat. Anders gesagt, es ist das Gate 304 eine Schottky-Elektrode. Die Dicke T des Gates 304 ist ungefähr 5 μm oder mehr. Andererseits ist auf einer Rückoberfläche des halbisolierenden Substrats 305 eine Metallschicht 306 durch Bedampfen oder dergleichen gebildet.
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4 ist ein Diagramm, das Messwerte zeigt, die eine Relation zwischen der Dicke einer Gate-Elektrode (Horizontalachse) und dem Verhältnis von Kriechströmen ergeben, die dann fließen, wenn eine Konstantspannung über die ohmsche Source 303 und das Schottky-Gate 304 vor und nach dem Drahtbonden an das Schottky-Gate 304 unter vorbestimmten Bedingungen angelegt wird (Kriechstrom nach dem Drahtbonden/Kriechstrom vor dem Drahtbonden) (Vertikalachse).
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Wie 4 zeigt, wird das Kriechstromverhältnis durch die Dicke der Gate-Elektrode beeinflusst. Wenn der zulässige Bereich des Kriechstromverhältnisses in den Messwerten der 4 innerhalb zwei vorgegeben ist, sollte die Dicke der Gate-Elektrode, die diesen zulässigen Bereich gewährleistet, ungefähr 5 μm oder mehr sein (die Obergrenze ist von der Kapazität einer Fertigungsvorrichtung abhängig).
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Anders ausgedrückt, es zeigt das Experiment, dass vor und nach dem Drahtbonden kaum eine Änderung des Kriechstroms auftritt, wenn die Dicke der Gate-Elektrode mit ungefähr 5 μm oder mehr vorgegeben ist.
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Das zeigt also, dass durch Einstellen der Dicke T der Gate-Elektrode 304 mit ungefähr 5 μm oder mehr die durch das Drahtbonden bedingte Beanspruchung verteilt und aufgehoben werden kann und die Grenzfläche des Schottky-Kontakts nicht mehr beeinflusst. Das kann die Verringerung der durch das Drahtbonden bedingten Ausschussrate für die Gate-Elektrode 304 sicherstellen und zu einem Produkt mit hoher Zuverlässigkeit der Gate-Charakteristiken führen.
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5 ist ein vertikaler Querschnitt, der eine Innenstruktur einer Moduleinheit gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. In 5 bezeichnen Bezugszeichen, die mit denen in 7 identisch sind, die gleichen Elemente. Gemäß 5 sind das Halbleiterbauelement 300 und eine Diode 602, die mit dem Halbleiterbauelement 300 in Reihe geschaltet sein sollte, auf der leitenden Platte 108 vorgesehen und in einem Kapselungsgehäuse 310 gekapselt.
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Dritte Ausführungsform
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Ein Schaltelement, das eine Siliziumcarbidschicht als Grundmaterial verwendet, weist zwar geringere Verluste auf als eines, das Silizium als Grundmaterial verwendet, da aber das Siliziumcarbid-Schaltelement erhebliche Wärme abstrahlt, wenn es große Ströme steuert, ist es erforderlich, die Wärme über einen Kühlkörper und dergleichen abzuleiten. Da ferner das Siliziumcarbid-Schaltelement Wärme abstrahlt, wenn es in Betrieb ist, und seine Temperatur zu Umgebungstemperatur wird, wenn es nicht in Betrieb ist, führt eine Wiederholung dieses Zyklus zu einer Wärmewechselbeanspruchung des Schaltelements aus Siliziumcarbid.
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In diesem Fall dient ein Medium oder Substrat, das mit einer Elektrode des Siliziumcarbid-Schaltelements durch äußeren Druck in elektrischen Kontakt gebracht wird, als Hauptabstrahlungsbahn, und der größte Teil der Abstrahlungsbahn dient zum Leiten von Strömen, und es ist daher erwünscht, dass Verluste des Mediums gering sein sollten und seine elektrische Leitfähigkeit dementsprechend hoch sein sollte.
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Andererseits ist es zur Unterdrückung der Beanspruchung, die durch die Wärmewechselbeanspruchung verursacht und auf das Siliziumcarbid-Schaltelement aufgebracht wird, notwendig, dass das als Abstrahlungsbahn dienende Medium aus einem Material bestehen sollte, das nahezu die gleiche Wärmedehnungszahl wie das Material des Siliziumcarbid-Schaltelements hat.
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Bei der dritten Ausführungsform, die nicht gemäß der Erfindung ausgebildet ist, wird das Substrat, das als Abstrahlungsbahn dient, aus einem Material geformt, dessen Grundkomponente eines von Graphitkohle und Siliziumcarbid (SiC) ist. Diese Materialien haben die gleiche Wärmedehnungszahl wie Siliziumcarbid und hohe elektrische Leitfähigkeit und gewährleisten außerdem geringe Kosten.
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Alternativ ist bei der dritten Ausführungsform das als Abstrahlungsbahn dienende Substrat aus einem Material hergestellt, dessen Grundkomponente eine von Aluminium, Gold, Silber und Kupfer ist. Diese Materialien, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit haben und Weichmetalle sind, können die Differenz der Wärmedehnungszahlen zwischen der Siliziumcarbidschicht und dem Substrat unter Eigenverlagerung absorbieren.
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Die Struktur und Wirkungen des Halbleiterbauelements der dritten Ausführungsform werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nachstehend erläutert, und auch der Grund für die Wahl der obigen Materialien wird näher erläutert.
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6 ist ein vertikaler Querschnitt, der ein Halbleiterbauelement 500 gemäß der dritten Ausführungsform zeigt. Das Halbleiterbauelement 500 hat eine Siliziumcarbiddiode.
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In 6 ist auf einer ersten Oberfläche 501S1 eines n-leitfähigen Siliziumcarbidsubstrats, das eine n-leitfähige Siliziumcarbidschicht 501 bildet, eine Schottky-Anode 502 aus einem Metall gebildet, das an einer Grenzfläche mit dem n-leitfähigen Siliziumcarbid eine Schottky-Barriere bildet.
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Ferner ist auf einer zweiten Oberfläche 501S2 (die einer Rückoberfläche entspricht) der ersten Oberfläche 501S1 gegenüberliegend eine ohmsche Kathode 503 ausgebildet, die einen ohmschen Kontakt mit der Rückoberfläche hat.
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Die so aufgebaute Diode wird in einem Kapselungsgehäuse 508 wie folgt vorgesehen. Die Schottky-Anode 502 der Diode wird sandwichartig zwischen der n-leitfähigen Siliziumcarbidschicht 501 und einem ersten Substrat 504A angeordnet, und die ohmsche Kathode 503 wird sandwichartig zwischen der n-leitfähigen Siliziumcarbidschicht 501 und einem zweiten Substrat 504B angeordnet.
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Das erste und das zweite Substrat 504A und 504B sind beispielsweise aus Graphitkohle hergestellt. Ferner werden die Schottky-Anode 502 und die ohmsche Kathode 503 sandwichartig zwischen einer äußeren Anode 505 und einer äußeren Kathode 506, die beide aus Kupfer bestehen, angeordnet.
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Dann wird von außen eine Belastung zwischen der äußeren Anode 505 und der äußeren Kathode 506 aufgebracht, und das erste und das zweite Substrat 504A und 504B werden durch den von der Last aufgebrachten Druck mit der Schottky-Anode 502 bzw. der ohmschen Kathode 503 in elektrischen Kontakt gebracht, und die Schottky-Anode 502 und die ohmsche Kathode 503 werden dadurch mit der äußeren Anode 505 bzw. der äußeren Kathode 506 in einen elektrischen Leitungszustand gebracht.
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Ferner sind im Inneren jeder von der äußeren Anode 505 und der äußeren Kathode 506 hohle Gräben 507 ausgebildet, und in jedem der Gräben 507 zirkuliert ein Kühlmittel, wie etwa Wasser. Bei dieser Konstruktion wird die Wärme, die durch die Verluste infolge der Stromführung in der Diode erzeugt wird, durch eine erste Abstrahlungsbahn, bestehend aus dem ersten Substrat 504A, der äußeren Anode 505 und dem Kühlmittel, und eine zweite Abstrahlungsbahn, bestehend aus dem zweiten Substrat 504B, der äußeren Kathode 506 und dem Kühlmittel, abgestrahlt.
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In diesem Fall ist die Dicke T der Schottky-Anode 502 mit ungefähr 5 μm oder mehr vorgegeben. Diese Vorgabe kann die Wirkung einer äußeren Belastung mindern, die durch die Last auf die Schottky-Anode 502 aufgebracht wird. Dieser Aspekt wurde in bezug auf die zweite Ausführungsform erörtert.
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Die vorstehend angegebene Struktur, bei der ein elektrischer Kontakt durch die Beanspruchung erzielt wird, hat einen ausgezeichneten Kühlwirkungsgrad, da sie Wärme an beiden Seiten zu den äußeren Elektroden abstrahlen kann. Unter der Wärmewechselbeanspruchung wird jedoch die Beanspruchung infolge der unterschiedlichen Wärmedehnungszahlen der Materialien auf die Diode aufgebracht, und es kann eine Änderung des Leistungsvermögens der Diode eintreten.
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Um die Änderung des Leistungsvermögens infolge einer solchen Wärmewechselbeanspruchung zu vermindern, wird eine Auswahlprüfung der Materialien durchgeführt, die für das erste und das zweite Substrat 504A und 504B zu verwenden sind.
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Dabei werden unter Verwendung einer Siliziumcarbiddiode mit Spannungssperrvermögen oder einer Durchbruchspannung von ungefähr 700 V und unter Verwendung verschiedener Materialien mit relativ hoher elektrischer Leitfähigkeit für das erste und das zweite Substrat 504A und 504B verschiedene zu prüfende Dioden hergestellt.
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Dann wird an die Prüfdioden eine Sperrspannung angelegt, um zu prüfen, ob jede Diode ein Spannungssperrvermögen von 600 V oder höher hat, und danach wird eine Prüfung durchgeführt, bei der jede Diode mit einer Last von 980 N/cm
2 gepresst wird, und die Diode wird im druckbeaufschlagten Zustand 1000mal einer Wärmewechselbeanspruchung von 0°C (5 min) bis 150°C (5 min) bis 0°C (5 min) unterzogen. Für jedes Material werden fünf Proben verwendet. Das Ergebnis der Wärmewechselbeanspruchung ist in der Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1]
| Material der Platte | Probenzahl für Wärmewechsel-Beanspruchungsprüfung | Probenzahl mit Spannungssperrvermögen unter 600 V |
| Silizium | 5 | 2 |
| Siliziumcarbid | 5 | 0 |
| Kohlenstoff (Graphit) | 5 | 0 |
| Aluminium (Reinheit 99%) | 5 | 0 |
| Silber (Reinh. 98%) | 5 | 0 |
| Gold (Reinheit 98%) | 5 | 0 |
| sauerstofffreies Kupfer | 5 | 0 |
| Wolfram (Reinheit 99%) | 5 | 3 |
| Molybdän (Reinheit 99%) | 5 | 2 |
| Nickel (Reinh. 99%) | 5 | 4 |
| Eisen (Reih. 99%) | 5 | 2 |
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Die Tabelle 1 zeigt die Proben für jedes Material, deren Spannungssperrvermögen nach der Prüfung unter 600 V liegt.
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Wie aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, gibt es keine Probe, deren Spannungssperrvermögen nach der Prüfung unter 600 V liegt, wenn das erste und das zweite Substrat aus einem Material besteht, bei dem eines von Kohlenstoff, Siliziumcarbid, Aluminium, Gold, Silber und Kupfer als Basiskomponente verwendet wird, und es wird gefunden, dass Substrate, die aus einem solchen Material bestehen, ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Wärmewechselbeanspruchung haben.
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Wenn eine Siliziumcarbidplatte für das erste und zweite Substrat verwendet wird, ist zu bedenken, dass dieses erste und zweite Substrat nur eine geringe Wärmebeanspruchung an die Diode selbst abgeben, weil die Wärmedehnungszahl der Substrate gleich der des Grundmaterials der Siliziumcarbiddiode ist.
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Wenn eine Platte, deren Grundmaterial Kohlenstoff ist, für das erste und zweite Substrat verwendet wird, ist zu bedenken, dass der Polykristall des Kohlenstoffs in den Substraten sich zu einer feinpulvrigen Substanz ändert und dadurch die Beanspruchung infolge der unterschiedlichen Wärmedehnungszahlen leicht absorbieren kann.
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Wenn für das erste und zweite Substrat eine Platte verwendet wird, die hauptsächlich aus einem Material von Aluminium, Gold, Silber und Kupfer besteht, sind zwar die Wärmedehnungszahlen dieser Metalle von derjenigen von Siliziumcarbid verschieden, aber das Metall, das ein Weichmetall ist, wandelt sich leicht um und absorbiert dadurch ohne weiteres die Beanspruchung infolge der unterschiedlichen Wärmedehnungszahlen, und infolgedessen wird die Diode nicht sehr von der Beanspruchung beeinflusst.
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Aus den obigen Resultaten ist als gut zu erkennen, dass das erste und das zweite Substrat 504A und 504B aus einem Material bestehen sollten, das im Wesentlichen aus einem Material von Kohlenstoff, Siliziumcarbid, Aluminium, Gold, Silber und Kupfer besteht, und mit den entsprechenden Elektroden 502 bzw. 503 durch einen äußeren Druck in elektrischen Kontakt gebracht werden sollten.
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Mit einer solchen Konstruktion ist es möglich, die Beanspruchung aufgrund der Wärmewechselbeanspruchung, der das Siliziumcarbid-Bauelement unterzogen wird, deutlich zu verringern, und es kann ein hochzuverlässiges Siliziumcarbid-Bauelement bereitgestellt werden, bei dem eine Änderung des Leistungsvermögens sehr unwahrscheinlich ist.
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Außerdem kann es einen Fall geben, in dem eines von dem ersten und dem zweiten Substrat 504A und 504B aus einem Material besteht, das im Wesentlichen aus einem von Kohlenstoff, Siliziumcarbid, Aluminium, Gold, Silber und Kupfer besteht. In diesem Fall hat nur das eine Substrat die obige Wirkung.
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Anders ausgedrückt, es braucht bei der dritten Ausführungsform nur ein Substrat, das mit mindestens einer von einer Mehrzahl von Elektroden an der Oberfläche der Siliziumcarbidschicht durch einen äußeren Druck in elektrischen Kontakt gebracht wird, im Wesentlichen aus einem Material von Kohlenstoff, Siliziumcarbid, Aluminium, Gold, Silber und Kupfer hergestellt zu sein.
