[发明专利]碳化硅半导体器件

说明书

技术领域

本发明涉及碳化硅半导体器件，具体地，涉及具有结型栅极的碳化硅半导体器件。

背景技术

作为功率半导体器件，例如，已经广泛使用的是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)和IGBT(绝缘栅极型双极性晶体管)(参见，例如，非专利文献1：B.J.Baliga等人的“The insulated gate rectifier(ICR):A new power switching device”(绝缘栅极型整流器(ICR)：新型功率开关器件)，IEDM Tech.Dig.，1982年，第264至267页)。IGBT具有组合MOSFET和双极性晶体管的构造，由此像MOSFET中一样高速操作并且像双极性器件中一样具有低导通电阻和高击穿电压。

传统上，已经广泛使用硅(Si)作为功率半导体器件的材料。预期通过使用具有较大带隙的碳化硅(SiC)替代Si，将显著提高诸如导通电阻的性能。

因此，与其可以通过使用IGBT替代MOSFET并且使用SiC替代Si作为材料，得到与之前相比具有更低ON电阻和更高击穿电压的功率半导体器件。然而，使用SiC的IGBT在工业上并没有投入实际运用，这部分是因为当使用SiC时，IGBT中包括的MOS结构中的沟道迁移率明显低于理论值，这导致导通电阻较高。因此，已经考虑的是用于提高使用SiC的MOS结构中的沟道迁移率的方法(参见，例如，专利文献1：日本专利特许公开No.2011-023675)。

引用列表

专利文献

PTD1：日本专利特许公开No.2011-023675

非专利文献

NPTD1：B.J.Baliga等人的“The insulated gate rectifier(ICR):A new power switching device”(绝缘栅极型整流器(ICR)：新型功率开关器件)，IEDM Tech.Dig.，1982年，第264至267页

发明内容

技术问题

然而，即使是用以上公开中描述的方法，考虑也难以得到足够接近理论值的沟道迁移率。因此，仍然考虑当使用SiC替代Si并且使用IGBT替代MOSFET时理论上无法得到理论上预期的低导通电阻和高击穿电压。

已经提出本发明来解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种能够执行高速操作并且具有低导通电阻和高击穿电压的碳化硅半导体器件。

解决问题的方法

根据本发明的一种碳化硅半导体器件具有集电极层和开关元件。集电极层由具有第一导电类型的碳化硅制成。开关元件设置在集电极层上。开关元件包括用于控制具有第二导电类型的沟道的结型栅极，第二导电类型不同于第一导电类型。

根据该碳化硅半导体器件，可以通过包括具有第二导电类型的开关元件，也就是说，单极元件，来执行高速操作。另外，由于在开关元件中使用结型栅极替代绝缘栅极，因此可以容易地利用SiC的接近理论沟道迁移率的沟道迁移率。由此，可以容易地将开关元件的导通电阻减小至某个程度。在如上的具有第二导电类型的开关元件中，添加具有第一导电类型的集电极层。也就是说，作为单极元件的开关元件与双极性晶体管相结合。由此，可以得到能够执行高速操作并且具有低导通电阻和高击穿电压的碳化硅半导体器件。

优选地，第二导电类型是n型。由此，可以进一步减小碳化硅半导体器件的导通电阻。

优选地，开关元件包括半导体层、沟道层、栅极层和栅电极。半导体层具有第一层、第二层和第三层。第一层设置在集电极层上并且具有第二导电类型。第二层设置在第一层上并且具有第一导电类型。第三层设置在第二层上并且具有第二导电类型。半导体层设置有沟槽。沟槽具有穿透第三层和第二层并且到达第一层的侧壁。沟道层在沟槽的侧壁上接触第一至第三层中的每个并且具有第二导电类型。栅极层用作结型栅极，将沟道层夹在它自己和第二层之间并且具有第一导电类型。栅电极设置在栅极层上。由此，开关元件可以具有易于制造的构造。

优选地，沟槽具有锥形形状(tapered shape)。由此，沟道层可以容易地形成在沟槽的侧壁上。

优选地，碳化硅半导体器件具有发射极电极，该发射极电极连接到第三层和沟道层中的至少一个并且与栅极层分开。由此，载流子可以从发射极电极供应到开关元件中。

优选地，发射极电极连接到第二层。由此，第二层的电势可以对应于发射极电极的电势。

本发明的有益效果

如上所述，根据本发明，可以得到能够执行高速操作并且具有低导通电阻和高击穿电压的碳化硅半导体器件。