高耐熱半導体装置
１５０℃以上の高温で使用するＳｉＣなどのワイドギャップ半導体装置において、ワイドギャップ半導体素子の絶縁性を改善し、高耐電圧のワイドギャップ半導体装置を得るために、ワイドギャップ半導体素子の外面を合成高分子化合物で被覆する前記合成高分子化合物は、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する１種以上の有機珪素ポリマーＡと、シロキサンによる線状連結構造を有する１種以上の有機珪素ポリマーＢとをシロキサン結合により連結させた有機珪素ポリマーＣ同士を、付加反応により生成される共有結合で連結させて三次元の立体構造に形成している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高耐熱性を有する高耐電圧ワイドギャップ半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（以下、ＳｉＣと記す）等のワイドギャップ半導体材料はシリコン（以下、Ｓｉと記す）に比べて、エネルギーギャップが大きく絶縁破壊電界強度も約１桁大きい等の優れた物理特性を有している。そのためＳｉＣは、高耐熱かつ高耐電圧のパワー半導体装置に用いるのに好適な半導体材料として注目されている。
ＳｉＣを用いた従来例の高耐熱・高耐電圧のパワー半導体装置の例としては、以下に示すＳｉＣダイオード素子を用いたものが、２００１年の国際学会論文集「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２００１ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ ＆ ＩＣ’ｓ」の２７頁から３０頁（以下、先行技術１）に開示されている。
【０００３】
このＳｉＣダイオード素子では、ＳｉＣ基板上に電荷を注入するｐｎ接合をエピタキシャル成長技術によるエピタキシャル膜で形成している。基板の端部領域のエピタキシャル膜をメサエッチングで除去した後、電界を緩和するターミネーション部をイオン打ち込みで形成している。具体的には、深さ約１μｍのメサエッチング処理で厚さ０．７μｍのｐ型エピタキシャル層を除去し、厚さ０．４μｍの二酸化シリコンなどの無機物膜でパッシベーション膜を形成している。この従来例のＳｉＣダイオード素子は１２ｋＶ〜１９ｋＶの高耐電圧を有する。
【０００４】
図６は前記従来例のＳｉＣダイオード素子を用いてＳｉＣダイオード装置を構成した場合のパッケージの断面図である。図において、下面にカソード端子９２を有する金属製の支持体９３の上面にＳｉＣのダイオード素子９０がそのカソード電極９７を接して取付けられている。支持体９３にはさらに、絶縁物１２を介して絶縁を保ちつつ支持体９３を貫通するアノード端子９１が設けられている。アノード端子９１はリード線８で、ＳｉＣダイオード素子９０のアノード電極９６に接続されている。支持体９３の上面には、ダイオード素子９０を覆うように金属製のキャップ９４が設けられ、ダイオード素子９０を含む空間９５を密封している。この空間９５には六弗化硫黄ガスが充填されている。六弗化硫黄ガスを充填する理由は次の通りである。アノード電極９６と、パッシベーション膜９８で被覆されていない露出側面９０ａとの間は、沿面距離が短いので耐電圧を高くすることができない。
【０００５】
この耐電圧を高くするために、絶縁用ガスとして窒素ガスなどの不活性ガスやアルゴンなどの希ガスを用いることも考えられる。しかしこれらのガスは最大絶縁破壊電界が低いために、高電圧の印加時にガス中で放電を起こし、ＳｉＣダイオード素子９０そのものや、二酸化シリコンなどのパッシベーション膜９８が破壊されてしまう。そこで耐電圧を高くするために、１５０℃程度の高温でも極めて安定な六弗化硫黄ガスをパッケージ内に充填して放電による絶縁破壊を防ぐようにしている。
【特許文献１】特許第３３９５４５６号公報
【特許文献２】特許第３４０９５０７号公報
【非特許文献１】「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２００１ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ ＆ ＩＣ’ｓ」の２７頁から３０頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
六弗化硫黄ガスは絶縁用ガスとしては現在のところ最も優れた絶縁性を持つが、弗素を含んでいるため、地球温暖化防止の観点から使用を避ける必要がある。特に高い絶縁性を得るためには半導体装置内に充填する六弗化硫黄ガスの圧力を常温で２気圧程度にする必要がある。半導体装置の使用中に温度が上昇すると、この圧力は２気圧以上に高くなるので、半導体装置のパッケージを相当堅牢にしないと爆発やガス漏れの危険性がある。ワイドギャップ半導体装置は５００℃近い高温で動作させる場合もあるが、その場合にはガスが熱膨張しガス圧は相当高くなり、爆発やガス漏れリークの危険性が更に増す。また高温では六弗化硫黄ガスが熱分解し耐電圧が低下するなどの問題もある。
【０００７】
六弗化硫黄ガス以外の物質で優れた絶縁性を有する従来の材料としては、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）の線状構造をもつポリメチルフェニルシロキサンを含む合成高分子化合物や、シロキサンの橋かけ構造をもつポリフェニルシルセスキオキサンを含む合成高分子化合物がある。前者は一般にシリコンゴム（Ｓｉゴム）と呼ばれている。温度が１５０℃以下では、これらの合成高分子化合物の被覆体で半導体素子（半導体チップ）全体を覆うことで高い絶縁性を保つことができる。
【０００８】
ポリメチルフェニルシロキサンは耐熱性がそれほど高くないが、Ｓｉパワー半導体素子のように接合温度が１５０℃以下の範囲で使用するものの場合は問題がない。しかしワイドギャップ半導体材料のＳｉＣを用いる半導体素子のように、２００℃以上の高温で使用する場合は耐熱性が十分とはいえない。ＳｉＣ半導体素子の温度が２００℃以上になると、ポリメチルフェニルシロキサンの被覆体は柔軟性を失う。また空気中で２５０℃以上になるとガラス化して完全に堅くなってしまう。そのためＳｉＣ半導体素子の温度が室温に戻ると、ポリメチルフェニルシロキサンの被覆体の内部に多数のクラックが発生する。
【０００９】
また、ポリメチルフェニルシロキサンで被覆した素子を高温で長時間六弗化硫黄ガスなどの不活性ガス中で動作させると、重量の減少が生じて素子表面近傍でボイドやクラックが発生する。これはポリメチルフェニルシロキサンの側鎖のメチル基やフェニル基が分解して蒸発するためと推察される。ボイドやクラックが発生すると素子の表面保護が不完全になりリーク電流が増大する。さらにクラック発生時に素子のパッシベーション膜を損傷することがあり、その結果としてリーク電流が大幅に増加して半導体素子の破壊に至る場合もある。以上のようにポリメチルフェニルシロキサンは低温では耐熱性が良いが高温ではその機能が失われるという欠点がある。
【００１０】
ポリフェニルシルセスキオキサンは耐熱性は優れているが脆く、クラックが入りやすいので厚膜にするのが困難である。ポリフェニルシルセスキオキサンを用いるときは素子表面に数ミクロンの厚さで塗布する。しかし数ミクロンの厚さでは耐電圧が限られており、３ｋＶ以上の高耐電圧の半導体装置には用いることができなかった。
【００１１】
本発明は、半導体装置を構成する半導体素子を高耐電圧かつ高耐熱の物質で覆った高耐電圧のワイドギャップ半導体装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の半導体装置は、半導体素子、及び前記半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続手段の少なくとも一部分を合成高分子化合物で覆うことを特徴とする。前記合成高分子化合物は、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンの群から選択した少なくとも１つを有する第１の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＡという）、及び
シロキサンによる線状連結構造を有する、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン及びポリメチルフェニルシロキサンの群から選択した少なくとも１つを有する第２の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＢという）を含有している。前記有機珪素ポリマーＡと前記有機珪素ポリマーＢはシロキサン結合により交互に線状に連結されて大型の第３の有機珪素ポリマーを形成している。前記合成高分子化合物は、前記大型の第３の有機珪素ポリマーの複数のものが付加反応により生成される共有結合で立体的に連結されて三次元の立体構造を形成している。
【００１３】
有機珪素ポリマーＡと有機珪素ポリマーＢとは交互にシロキサン結合により線状に連結されて、分子量が２万から８０万の大型の第３の有機珪素ポリマーを構成している。この第３の有機珪素ポリマーの複数のものがアルキレン基で連結されているのがより好ましい。
【００１４】
シロキサンの橋かけ構造を有する有機珪素ポリマーＡは電気絶縁性と耐熱性に優れ、高耐電圧と高耐熱性を有しているが流動性は非常に悪い。
本発明によると、有機珪素ポリマーＡを、シロキサンの線状連結構造を有する有機珪素ポリマーＢを介して交互に線状に連結する。これにより、有機珪素ポリマーＢが備えている柔軟性を失うことなく、有機珪素ポリマーＡの優れた耐熱性を保持しつつ、高耐熱且つ高耐電圧という２つの特性が両立する合成高分子化合物を得ることができる。耐熱性をより高くするには有機珪素ポリマーＡの分子量を大きくすると良いが、その場合柔軟性が低くなる。また、柔軟性を高くするには有機ポリマーＢの分子量を大きくすると良いが、その場合耐熱性が低くなる。有機珪素ポリマーＡの好ましい分子量は千から１０万であり、有機珪素ポリマーＢの好ましい分子量は５千から２０万である。有機珪素ポリマーＡの分子量は有機珪素ポリマーＢの分子量よりも小さくするのが好ましい。
【００１５】
本発明における合成高分子化合物は、結合のほとんどがシロキサン結合を有していることから、前記のように高い絶縁性すなわち高耐電圧性能を有する。本発明の合成高分子化合物は、ワイドギャップ半導体素子のパッシベーション膜として使用される二酸化シリコンや窒化シリコンなどの無機物膜との親和性が極めてよく、パッシベーション膜の表面に強固に付着する。さらにＳｉＣやＧａＮなどのワイドギャップ半導体そのものとも親和性が極めてよく半導体素子の表面に強固に付着して密封するすぐれた接着性を有する。
このすぐれた接着性を有する合成高分子化合物で被覆して密封したワイドギャップ半導体素子を有する半導体装置は高い耐湿性を有するので、信頼性の高い半導体装置を実現できる。この合成高分子化合物はＳｉＣやＧａＮなどのワイドギャップ半導体との親和性が極めてよい。例えばパッシベーション膜にピンホール等の欠陥部が存在してワイドギャップ半導体が露出している場合でも、合成高分子化合物がワイドギャップ半導体素子の表面を直接保護するパッシベーション膜として働くので高い信頼性を実現できる。
【００１６】
有機珪素ポリマーＢはＳｉゴムとほとんど同じ分子構造を有する。従ってＳｉゴムで従来から実証されているように、パッシベーション膜用の無機物、銅、アルミニューム及びステンレス等の各種金属、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、及びフェノール樹脂などの各種樹脂及び各種ガラス等との接着性が極めて良好でありこれらに強固に付着する。このため、この合成高分子化合物の表面保護膜は半導体素子の金属電極や電気接続手段、支持体等にも強固にかつすきまなく密着して付着する。そのため高い耐湿性が得られ、高い信頼性と高い耐電圧性能を有する半導体装置を実現できる。
【００１７】
本発明における合成高分子化合物は、大部分がシロキサン構造を有するため、紫外線および可視光線に対する透光性が高い。このため合成高分子化合物を半導体素子や電気接続手段へ塗布したときの状況を目視で観察することができる。例えば目視により気泡やボイド等が存在しないことを確かめながら効率的に塗布作業を進めることができる。
本発明における合成高分子化合物を用いたワイドギャップ発光パワー半導体装置やワイドギャップ光結合パワー半導体装置においては、高温においても半導体素子を保護できる高温高耐圧機能と、高温においても光をよく透過する高効率光結合機能の両方を同時に満たすことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の高耐熱ワイドギャップ半導体装置は、半導体素子の上面と側面を、合成高分子化合物で覆う構成を有する。前記合成高分子化合物は、少なくともシロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有するポリシルセスキオキサンを主成分とする有機珪素ポリマーＡと、シロキサンによる線状連結構造を有する有機珪素ポリマーＢとを含有している。有機珪素ポリマーＡと有機珪素ポリマーＢがシロキサン結合により交互に線状に連結して分子量が２万から８０万の大型有機珪素ポリマーを構成している。
【００１９】
この大型有機珪素ポリマー同士が付加反応により共有結合で連結されて三次元の立体構造を有する合成高分子化合物が生成される。本構成の合成高分子化合物はほとんどがシロキサン結合を有するので高温でも高耐電圧性を有するとともに、ワイドギャップ半導体およびそのパッシベーション膜として使用される二酸化シリコンや窒化シリコンなどの無機物膜との親和性が極めてよい。そのため合成高分子化合物が半導体装置の素子の表面に強固に付着するので半導体装置の高い耐湿性を達成できるとともに高い温度で動作させる場合に特に信頼性の高い高耐電圧性を実現できる。
【００２０】
本発明の他の観点の半導体装置は、熱伝導性の良い基板上に取付けられた少なくとも１つの半導体素子、前記半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続部を有する。前記半導体素子と前記電気接続部の少なくとも１部は、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた第３の有機珪素ポリマーの複数のものを、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造に形成した化合物を含有する第１の合成高分子化合物で被覆されている。
【００２１】
前記半導体装置は、前記合成高分子化合物で被覆した半導体素子及び電気接続部を収納するように前記基板に設けられた硬質樹脂製の容器を有する。前記容器内の隙間にはポリフェニルシルセスキオキサンとポリジメチルシロキサンを主成分とする第２の合成高分子化合物を充填している。前記容器には、前記電気接続部につながり前記容器の外側へ導出された外部接続端子が設けられている。
【００２２】
本発明によれば、少なくとも１つの半導体素子を容器中に収納することにより、前記半導体素子は外部環境からの影響をうけにくい。半導体素子を合成高分子化合物で被覆することにより高い耐電圧が得られる。また容器内の隙間に比較的やわらかい合成高分子化合物を充填することにより、容器に外部からショックが加わった場合でも、内部の半導体素子や電気接続導体などが影響をうけにくい。複数の半導体素子を容器に収納してモジュール化することにより、使用上便利でかつ低コストの半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
［図１］発明の第１実施例のＳｉＣｐｎダイオード装置の断面図である。
［図２］本発明の第２実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置の断面図である。
［図３］本発明の第２実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ素子の図２の紙面に垂直な面の断面図である。
［図４］本発明の第４実施例の光結合ワイドギャップパワー半導体装置の断面図である。
［図５］本発明の第５実施例のＳｉＣ−ＧＴＯモジュールの断面図である。
［図６］従来のＳｉＣダイオード装置の断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１ カソード領域
２ ドリフト領域
３ アノード領域
４ 電界緩和ターミネーション領域
５ パッシベーション膜
６ アノード電極
７ カソード電極
８ リード線
９ アノード端子
１０ 支持体
１１ カソード端子
１２ 絶縁ガラス
１３ ＳｉＣダイオード素子
１４ 金属キャップ
１５ 窒素などの不活性ガス
１６、４２、８１ 被覆体
２０ ＧＴＯサイリスタ素子
２１ カソード領域
２２ ｐベース領域
２３ ｐドリフト層
２４ ｎベース領域
２５ アノード領域
２７ パッシベーション膜
２９ アノード電極
３１ ゲート電極
３２ カソード電極
３４、３６ 金のリード線
５１ ＧａＮｎｐｎバイポーラトランジスタ
５２ ＳｉＣホトダイオード
５３ コレクタ領域
５４ ベース領域
５５ エミッタ領域
５７ パッシベーション膜
６０ 発光窓
８０ 受光部
１０１ 銅基板
１０２ フレーム
１０５ カバー
１１６、１１８ 絶縁基板
１３０、１３１ 被覆体
１６５ 充填材
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の半導体装置の好適な実施例を図１から図５を参照して説明する。各図において、各要素の構成の理解を容易にするために、図示された各要素の寸法は実際の寸法とは対応していない。各実施例において、「半導体装置」とは、半導体素子をパッケージ内に収納し、半導体素子の各電極を、リード線でそれぞれの電極端子に接続したものをいう。
第１実施例
【００２６】
本発明の第１実施例の高耐熱半導体装置を図１を参照して説明する。
本発明の第１実施例の半導体装置は、高耐熱かつ高耐電圧のＳｉＣ（炭化珪素）ｐｎダイオードである。
図１は、本発明の第１実施例の耐電圧８ｋＶのＳｉＣｐｎダイオードの断面図である。図１において、ＳｉＣダイオード素子１３は以下の構成を有する。厚さ約３００μｍの高不純物濃度のｎ型のＳｉＣのカソード領域１の上面に厚さ約９０μｍの低不純物濃度のｎ型のＳｉＣのドリフト層２が形成されている。カソード領域１の下面にはカソード電極７が形成されている。ドリフト層２の中央領域に、主接合を形成するｐ型のＳｉＣのアノード領域３が形成されている。
【００２７】
アノード領域３には金属のアノード電極６が形成されている。アノード領域３の周囲にはｐ型の電界緩和領域４が形成されている。アノード領域３及び電界緩和領域４を含むＳｉＣダイオード素子１３の上面には、二酸化シリコン層、窒化シリコン層、二酸化シリコン層の順で積層した３層構造の表面保護膜５が形成されている。アノード電極６は、電気接続手段である金のリード線８でアノード端子９の上端９ａに接続されている。図１ではリード線８は１本のみ図示されているが、リード線８は、リード線８を流れる電流値が大きい場合はその値に応じて複数のものを並列に接続すればよい。
【００２８】
カソード電極７は金属の支持体１０に電気的接続を保って取り付けられている。アノード端子９と支持体１０は高融点の絶縁ガラス１２を介して絶縁を保ちつつ固着されている。支持体１０にはカソード端子１１が接続されている。アノード端子９とカソード端子１１は外部の装置等の配線に接続される。支持体１０の上面にはＳｉＣダイオード素子１３及びアノード端子９の上端９ａを覆うように金属製のキャップ１４が設けられ、ＳｉＣダイオード素子１３を含む空間１５を密閉している。空間１５内のＳｉＣダイオード素子１３及びリード線８の一部を覆うように合成高分子化合物の被覆体１６が設けられている。被覆体１６は、第１の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＡという）としてポリフェニルシルセスキオキサンを含有し、第２の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＢという）としてポリジメチルシロキサンを含有する透明な合成高分子化合物で形成される。空間１５内には窒素ガスが封入されている。
【００２９】
本実施例のＳｉＣｐｎダイオードの製作方法の一例を以下に説明する。図１において、あらかじめ製作したＳｉＣダイオード素子１３を、金シリコンを含む高温半田を用いて支持体１０の上面の所定位置に半田付けする。リードボンデング装置を用いて直径８０ミクロンメートルの金線（複数）のリード線８の両端をそれぞれアノード電極６と、アノード端子９の上端９ａとに接続する。
次にＳｉＣダイオード素子１３の全面、及びリード線８のアノード電極６との接続部近傍を覆うように、前記の合成高分子化合物を塗布し被覆体１６を形成する。塗布方法としては、所定の直径の孔を有するノズルから所定量の合成高分子化合物を押し出す方法が適している。
【００３０】
合成高分子化合物は、塗布後２００℃程度の温度で所定時間保つと、ある程度の柔軟性を有する状態で硬化する。合成高分子化合物の粘度を適切に調節して、これを塗布したとき図１の被覆体１６に示すように山状に盛り上がり、ＳｉＣダイオード素子１３の全体を２００μｍ以上の厚さですきまなく覆うことができるようにする。粘度が高すぎると、塗布したときＳｉＣダイオード素子１３と被覆体１６との間にすきまができることがある。逆に粘度が低すぎると、山状に盛り上がらず被覆体１６の厚さを２００μｍ以上の所望の厚さにすることができない。
最後に窒素雰囲気中で金属キャップ１４を支持体１０に取り付けて溶接し、内部空間１５を窒素ガスで充たしてＳｉＣｐｎダイオードが完成する。
【００３１】
本実施例のＳｉＣｐｎダイオードのアノード端子９とカソード端子１１間に、カソード端子１１の電位が高くなるように電圧（逆方向電圧）を印加して測定した逆耐電圧は約８．５ｋＶであった。Ｓｉの半導体装置では動作不能である、例えば３００℃の高温においても上記の逆耐電圧を維持できた。逆方向の電圧が８ｋＶでのリーク電流密度は５×１０−５Ａ／ｃｍ２以下であった。本実施例のＳｉＣｐｎダイオードに、２５０℃の高温雰囲気中で２００Ａ／ｃｍ２の電流密度で電流を流し５００時間連続通電試験をしたが、試験終了後の合成高分子化合物の被覆体１６にクラックや変形は生じなかった。また白濁などが生じて透明度が悪化することもなかった。
【００３２】
通電時の順方向電圧は４．３Ｖであり、５００時間の通電試験の前後でほとんど変化しなかった。５００時間の連続通電試験の終了後、３００℃の高温雰囲気中で８ｋＶの逆方向電圧を印加してリーク電流を測定したところ、電流密度は３×１０−５Ａ／ｃｍ２であり、通電試験前との差は少なかった。前記の各試験後、半導体装置を分解して目視で観察した。その結果、有機珪素ポリマーＡとしてポリフェニルシルセスキオキサンを含有し有機珪素ポリマーＢとしてポリジメチルシロキサンを含有する合成高分子化合物の被覆体１６がＳｉＣダイオード素子１３の電界緩和領域４の表面保護膜５の上だけでなく、ＳｉＣダイオード素子１３の側面に露出したＳｉＣの層にも強固に付着していることが確認された。なおＳｉＣｐｎダイオードの動作速度の目安となる逆回復時間は約５０ナノ秒であり、前記試験の前後で変化はみられなかった。
【００３３】
本発明の第１実施例によれば、ＳｉＣダイオード素子１３の周囲を、前記有機ポリマーＡと前記有機ポリマーＢを所定の割合で含有する合成高分子化合物で被覆する。これにより、ＳｉＣダイオード素子１３を六弗化硫黄ガスの雰囲気中に置いた場合と同等の絶縁性を得ることができる。すなわち地球温暖化に悪影響を与える有害な物質の六弗化硫黄ガスを使用することなく高い耐熱性と高い絶縁性を有するＳｉＣｐｎダイオードが実現できる。
第２実施例
【００３４】
本発明の第２実施例の半導体装置は、耐電圧５ｋＶのＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ Ｏｆｆ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）装置であり、図２にその断面図を示す。図３は図２におけるＧＴＯサイリスタ素子２０を紙面に垂直な面で切断したセルの一つの断面図である。実際の素子では、図３に示すセルが、図の左右方向に複数個連結されている。図２及び図３において、厚さ約３２０μｍの高不純物濃度のｎ型ＳｉＣのカソード領域２１の上面に、厚さ約３μｍのｐ型ＳｉＣのバッファー層２２を設けている。カソード領域２１の下面にカソード電極３２が設けられている。バッファー層２２の上に厚さ約６０μｍの低不純物濃度のｐ型ＳｉＣのドリフト層２３を設けている。ドリフト層２３の中央部に厚さ約２μｍのｎ型のベース領域２４とｐ型のアノード領域２５が順次形成されている。
【００３５】
ｎ型のベース領域２４の周辺にはｎ型の電界緩和領域２６が形成されている。ＧＴＯサイリスタ素子２０の表面には二酸化シリコン層、窒化シリコン層、二酸化シリコン層の３層構造の表面保護膜２７が形成されている。ｐ型のアノード領域２５にはアノード電極２８が形成されている。このアノード電極２８上の左側の領域には２層目のアノード電極２９が形成され、右側の領域には絶縁膜３０を介してゲート電極３１が形成されている。図３に示すように、ｎ型のベース領域２４には１層目のゲート電極３３が形成され、ゲート電極３３は、図示していない接続部でゲート電極３１に接続されている。
【００３６】
アノード電極２９は金のリード線３４によりアノード端子３５の上端３５ａに接続されている。ゲート電極３１は金のリード線３６によりゲート端子３７の上端３７ａに接続されている。リード線３４、３６及びアノード端子３５及びゲート端子３７は電気接続手段である。カソード電極３２はカソード端子３９を有する金属の支持体３８に取り付けられている。通常ＧＴＯサイリスタ素子２０のカソード電極３２は金シリコンの高温半田を用いて支持体３８に半田付けされる。アノード端子３５及びゲート端子３７は、それぞれの高融点絶縁ガラス４０及び４１で支持体３８との間の絶縁を保ちつつ支持体３８を貫通して固定されている。
ＧＴＯサイリスタ素子２０の全面、及びリード線３４及び３６のＧＴＯサイリスタ素子２０との接続部近傍を覆うように、合成高分子化合物の被覆体４２を塗布する。被覆体４２は有機珪素ポリマーＡとしてポリメチルシルセスキオキサンを含有し、有機珪素ポリマーＢとしてポリメチルフェニルシロキサンを含有する合成高分子化合物である。最後に窒素雰囲気中で金属キャップ４３を支持体３８に取り付けて溶接することにより内部空間４４に窒素ガスが封入されたＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置が完成する。
【００３７】
リード線３４、３６は直径８０ミクロンメートルの金線であり、リードボンデング装置を用いてそれぞれアノード電極２９とアノード端子３５間及びゲート電極３１とゲート端子３７間に取り付けられる。図２では、リード線３４、３６はそれぞれ１本づつ図示されているが、リード線３４、３６は、リード線３４、３６を流れるそれぞれの電流値に応じて複数のものを並列に接続してもよい。
本第２実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置において、アノード端子３５の電位がカソード端子３９よりも高電位になるように順方向に５ｋＶ電圧を印加し、ゲート端子３７の電位をアノード端子３５と同電位にすると、電流が流れないオフ状態が維持され、５ｋＶの耐電圧が得られた。
【００３８】
次にこのオフ状態でゲート端子３７の電位をアノード端子３５よりも低電位にし、アノード端子３５からゲート端子３７に向けてゲート電流を流すと、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置はオン状態になり、アノード端子３５とカソード端子３９間に電流が流れる。さらにオン状態でゲート端子３７の電位をアノード端子３５よりも高電位にすると、アノード端子３５とカソード端子３９間に流れている電流がゲート端子３７からカソード端子３９間に転流し、オフ状態になる。このときのアノード端子３５とカソード端子３９間の電圧が逆耐電圧である。
【００３９】
具体的には、カソード端子３９に負の電圧を印加し、ゲート端子３７にアノード端子３５を基準にしてビルトイン電圧以上の電圧を印加すると、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置はオンとなる。このときドリフト層２３内にカソード領域２２から電子が注入されるため、伝導度変調が生じ、オン抵抗が大幅に低下する。ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタがオンした状態において、ゲート端子３７の電位をアノード端子３５の電位より高くすると、アノード端子３５とカソード端子３９間を流れる電流の一部がゲート端子３７から引き抜かれることになり、ＧＴＯサイリスタをオフ状態にすることができる。
【００４０】
本第２実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置の逆耐電圧は約５．８ｋＶであり、２５０℃の高温雰囲気中でもこの逆耐電圧を維持できた。逆方向電圧が５ｋＶでのリーク電流密度は３×１０−４Ａ／ｃｍ２以下と良好であった。本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置について、以下の第１及び第２の動作試験を行った。
第１の動作試験では、本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタに２００Ａ／ｃｍ２の電流密度で電流を流しつつ、２５０℃の高温雰囲気中で２００時間の連続動作をさせた。なお従来からあるシリコンのＧＴＯサイリスタでは、素子温度が２５０℃では動作不可能である。また５ｋＶ級のシリコンのＧＴＯサイリスタでは電流密度が２００Ａ／ｃｍ２のものを作ることは困難である。
【００４１】
また第２の動作試験では、前記の電流密度で電流を流しつつ、気温８０℃、湿度８５％の高温高湿度の雰囲気中で２００時間の連続動作をさせた。前記第１及び第２の動作試験の終了後このＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置を分解して調べたが合成高分子化合物の被覆体４２が変形したりクラックや白濁が生じていなかった。
前記第１の動作試験開始直後のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタの順方向電圧は４．３Ｖであった。第１及び第２の動作試験終了後、前記第１の動作試験と同じ条件で順方向電圧を測定したが、その測定値は第１の動作試験開始時の値とほとんど変わらず、その差は測定誤差の範囲内であった。
【００４２】
第１及び第２の動作試験終了後に逆方向の電圧５ｋＶを印加したときのリーク電流密度は温度２５０℃で５×１０−４Ａ／ｃｍ２以下であり、わずかな変化であった。ターンオン時間は０．５マイクロ秒、ターンオフ時間は０．８マイクロ秒である。このスイッチング時間も前記第１及び第２の動作試験の前後で変化はみられなかった。なお本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタのターンオン時間及びターンオフ時間は、耐圧６ｋＶの従来のシリコンのＧＴＯサイリスタの約２０分の１である。
ＧＴＯサイリスタ素子２０に塗布した本実施例の合成高分子化合物のＧＴＯサイリスタ素子２０等への付着状態について調べたところ、合成高分子化合物は、ＧＴＯサイリスタ素子２０の電界緩和領域２６上の保護膜２７及び側面のＳｉＣの露出面にも強固に付着していた。
第３実施例
【００４３】
本発明の第３実施例の半導体装置は、光結合ワイドギャップパワー半導体装置であり、図４にその断面図を示す。図において、発光機能を有する主パワー半導体素子としては、耐電圧３ｋＶ・電流容量２００ＡのＧａＮ（ガリウムナイトライド）−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１を用いている。受光素子としてはＳｉＣ−ホトダイオード５２を用いている。ＳｉＣホトダイオード５２はＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１に対向するように同一パッケージ内に設けられている。
【００４４】
図４に示すＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１において、厚さ約３００μｍの高不純物濃度のｎ型のＧａＮコレクタ領域５３の上面に厚さ約１．７μｍのｐ型のＧａＮベース領域５４が形成され、その上に厚さ約３μｍの高不純物濃度のｎ型のエミッタ領域５５が順次形成されている。ＧａＮコレクタ領域５３の下面にはコレクタ電極６６が設けられている。ＧａＮベース領域５４の周辺のコレクタ領域５３内にはｎ型の電界緩和領域５６が形成されている。ＧａＮベース領域５４の右端部に金属のベース電極５８が設けられている。ｎ型エミッタ領域５５の上に、発光窓６０を有する金属のエミッタ電極５９が設けられている。ＧａＮコレクタ領域５３及び電界緩和領域５６の上には窒化シリコン層と二酸化シリコン層の２層構造の表面保護膜５７が形成されている。
【００４５】
ベース電極５８は、金のリード線６１によりベース端子６２に接続されている。エミッタ電極５９は、金のリード線６３、６４によりエミッタ端子６５に接続されている。コレクタ電極６６はコレクタ端子６８を有する金属の支持体６７に取り付けられている。リード線６１、６３、６４、７３、７６及びエミッタ端子６５、ベース端子６２、コレクタ端子６８、アノード端子７４及びカソード端子７７は電気接続手段である。リード線６１、６３、６４、７３、７６は、それぞれを流れる電流値に応じて、それぞれ複数の線を並列に接続したものを用いればよい。
【００４６】
ＳｉＣホトダイオード５２は、その受光部８０がＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１の発光窓６０に対向するようにキャップ７０の内側面に窒化アルミニウムなどの絶縁板７１を介して接着されている。ＳｉＣホトダイオード５２のアノード電極７２は、金のリード線７３により金属のアノード端子７４に接続されている。カソード電極７５は金のリード線７６によりカソード端子７７に接続されている。
【００４７】
アノード端子７４とカソード端子７７はそれぞれの外部配線に接続される。アノード端子７４及びカソード端子７７はキャップ７０の貫通孔に高融点絶縁ガラス７８、７９を介して固着されている。ＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１、ＳｉＣホトダイオード５２、リード線６１、６３、６４、７３、７６及びベース端子６２の端部及びエミッタ端子６５の端部を被覆体８１で覆っている。被覆体８１は有機珪素ポリマーＡとしてポリエチルシルセスキオキサンを含有し、有機珪素ポリマーＢとしてポリジメチルシロキサンを含有する合成高分子化合物である。
【００４８】
本第３実施例の光結合ワイドギャップパワー半導体装置の製作方法の一例を以下に説明する。あらかじめ製作したＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１を金シリコンの高融点半田を用いて支持体６７の所定位置に半田付けする。リードボンデング装置を用いて直径８０ミクロンメートルの２本の金のリード線６３、６４でエミッタ電極５９とエミッタ端子６５を接続する。ベース電極５８とベース端子６２とを金のリード線６１で接続する。硬化後被覆体８１となる硬化前の合成高分子化合物の素材をＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ素子５１を包み込むように厚く塗布する。
【００４９】
あらかじめ製作したＳｉＣホトダイオード５２を金シリコンの高融点半田を用いて、金属キャップ７０の内側面に窒化アルミニウム絶縁板７１を介して半田付けする。次にリードボンデング装置を用いて直径８０ミクロンメートルの金のリード線７３でアノード電極７２とアノード端子７４を接続する。またカソード電極７５を金のリード線７６でカソード端子７７に接続する。次に硬化前の合成高分子化合物の素材を、ＳｉＣホトダイオード５２、リード線７３、７６のＳｉＣホトダイオード５２との接続部近傍を包み込むように厚く塗布する。最後に金属キャップ７０と支持体６７を、ＳｉＣホトダイオード５２の受光部８０がＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１の発光窓６０に対向し、且つ両者を包み込んでいる各々の合成高分子化合物の素材が接するように組合わせて、窒素雰囲気中で溶接する。これにより、各々の合成高分子化合物の素材は連結されて一体化し、図４に示す被覆体８１の形状になる。その後所定の温度に加熱して合成高分子化合物をある程度の柔軟性を有する状態に硬化させて完成する。
【００５０】
第３実施例の光結合ワイドギャップパワー半導体装置の動作の一例を次に示す。まず、ＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１のコレクタ端子６８の電位をエミッタ端子６５よりも高電位にして順方向バイアス状態にする。そしてベース端子６２の電位をエミッタ端子６５と同電位にすると、電流が流れないオフ状態が維持される。耐電圧は３ｋＶで高耐電圧を実現できた。ＳｉＣホトダイオード５２はアノード端子７４の電位をカソード端子７７よりも低電位にして逆方向バイアス状態しておく。
【００５１】
オンオフ駆動は次のようにする。ベース端子６２の電位をエミッタ端子６５の電位よりも高電位にし、ベース端子６２からエミッタ端子６５に向かうベース電流を流す。これにより、エミッタ電極５９から電子が注入されてＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１がオン状態になり、波長が約３９０〜５７０ｎｍの間の光５０が生じる。この光５０はＳｉＣホトダイオード５２で受光され、光量に対応した量の光電流がアノード端子７４とカソード端子７７間を流れる。
【００５２】
ＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１のオン状態のときに、ベース端子６２の電位をエミッタ端子６５と同電位か低電位にすると電子の注入が止まり、コレクタ電極６６とエミッタ電極５９間を流れる電流は遮断され、発光も停止する。ＳｉＣホトダイオード５２は、光がなくなるので光電流がなくなりオフ状態になる。
【００５３】
本実施例のＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１の耐電圧は約３．５ｋＶであり、２５０℃の高温においてもこの耐電圧を維持できた。３ｋＶでのリーク電流密度は２×１０−４Ａ／ｃｍ２以下と良好であった。また、ＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１とＳｉＣホトダイオード５２間の絶縁耐圧は５ｋＶ以上であり、５ｋＶでのリーク電流は１×１０−５Ａ／ｃｍ２以下であった。温度２５０℃で連続１０００時間の電圧印加試験をした後でも、リーク電流の増加は測定誤差の範囲内の微少な値であった。３ｋＶ以上の高耐電圧を有するにもかかわらず１５０Ａ／ｃｍ２の高電流密度の電流を流すことができた。また２００℃の高温雰囲気中で５００時間連続して通電した後でも合成高分子化合物の被覆体８１が変形したり、クラックや白濁が生じてはいなかった。
【００５４】
また、温度８０℃湿度８５％の高温高湿度雰囲気中で２００時間通電した後でも合成高分子化合物の被覆体８１が変形したり、クラックや白濁が生じてはいなかった。温度２００℃、電流密度１５０Ａ／ｃｍ２で通電時の順方向電圧は５．３Ｖであり試験前後の変化は測定誤差範囲の小さな値であった。前記の試験後に３ｋＶの導電圧を印加したときのリーク電流密度は２５０℃で３×１０−４Ａ／ｃｍ２以下であり試験前に比べてほとんど変化がなかった。破断試験をしたところ、有機珪素ポリマーＡとしてポリエチルシルセスキオキサンを含有し、有機珪素ポリマーＢとしてポリジメチルシロキサンを含有する合成高分子化合物の被覆体８１は、ＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１の側面に露出したＧａＮにも強固に付着していることが確認できた。なおターンオン時間は０．０９マイクロ秒、ターンオフ時間は０．１５マイクロ秒と高速であり、このスイッチング時間にも試験前後の変化はみられなかった。
第４実施例
【００５５】
本発明の第４実施例の高耐熱半導体装置は、モールド型のＳｉＣ−ＧＴＯモジュールであり、１つのパッケージ内にＳｉＣ−ＧＴＯ素子とＳｉＣダイオード素子が組込まれている。図５はその主要部の断面図である。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０は第２実施例に記載の耐電圧５ｋＶの素子である。ＳｉＣダイオード素子１３は耐圧が５ｋＶに設計されている点を除けば第１実施例に記載の素子と同様の構造を有する。
図５において、ニッケルメッキを施した熱伝導性のよい銅基板１０１の面上に所定の距離を隔てて例えば窒化アルミニウム製の２つの絶縁基板１１６及び１１８がそれぞれ高温半田１１５、１１７により接着されている。
絶縁基板１１６には、銅箔のパターンで内部配線１２０、１２１及び１２２が形成されている。内部配線１２１の上にＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のカソード電極３２が高温半田により接着されている。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のアノード電極２９は電気接続部であるリード線３４により、内部配線１２０に接続されている。またＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のゲート電極３１は電気接続部であるリード線３６により内部配線１２２に接続されている。
絶縁基板１１８には、銅箔のパターンで内部配線１２５及び１２６が形成されている。内部配線１２６にＳｉＣダイオード素子１３のカソード電極７が高温半田で接着されている。ＳｉＣダイオード素子１３のアノード電極６は電気接続部であるリード線８により内部配線１２５に接続されている。
【００５６】
ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０、リード線３４、３６及び内部配線１２０、１２２の大部分を覆うように、第１の合成高分子化合物の樹脂を塗布し被覆体１３０を形成する。同様にしてＳｉＣダイオード素子１３、リード線８及び内部配線１２５、１２６の大部分を覆うように、合成高分子化合物の樹脂を塗布し被覆体１３１を形成する。合成高分子化合物の被覆体１３０、１３１は第２実施例と同様のポリメチルシルセスキオキサンとポリメチルフェニルシロキサンを主成分として含有する合成高分子化合物である。被覆体１３０、１３１の硬化後、銅基板１０１を構成要素として含み、銅基板１０１に取付けてパッケージ（容器又は外囲器）を構成するためのエポキシ樹脂など硬質樹脂製の強固なフレーム１０２を取付ける。フレーム１０２の上部には、同じエポキシ樹脂製の強固なカバー１０５を取付けてパッケージを形成する。
【００５７】
銅基板１０１へのフレーム１０２及びカバー１０５の取付け方法は、ねじ等を用いて取付けるか、又は接着剤により接着する。フレーム１０２及びカバー１０５は例えば硬化剤としてイミダゾールを用いたエポキシ樹脂であり、ガラス転移温度は約３２５℃である。カバー１０５には端子板１０７が設けられている。端子板１０７は、めねじを有するアノード端子１１０、カソード端子１１１及びゲート端子１１２と予備端子１１３を備えている。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のアノード電極２９につながる内部配線１２０は、アルミニウム等の接続線１４１、及びカバー１０５と端子板１０７との間を通る図では見えない導体を経てアノード端子１１０に接続されている。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のカソード電極３２につながる内部配線１２１は、図示を省略した導体によりカソード端子１１１に接続されている。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のゲート電極３１がつながる内部配線１２２はアルミニウム等の接続線１４２及び図では見えない導体を経てゲート端子１１２に接続されている。
【００５８】
ＳｉＣダイオード素子１３のアノード電極６につながる内部配線１２５は、アルミニウムの接続線１４３及び図では見えない導体を経てカソード端子１１１に接続されている。ＳｉＣダイオード素子１３のカソード電極７につながる内部配線１２６は、アルミニウム等の接続線１４４及び図では見えない導体を経てアノード端子１１０に接続されている。
銅基板１０１、フレーム１０２及びカバー１０５で形成されるパッケージ内の隙間にはゲル状の第２の合成高分子化合物の充填材１６５が充填されている。充填材１６５はポリフェニルシルセスキオキサンとポジジメチルシロキサンを主成分として含有する合成高分子化合物である。充填材１６５はモジュール１６０に外部から加わる機械的な衝撃によって内部の素子が振動するのを防ぐ緩衝剤としての機能ももつ。このために、充填材１６５のポリジメチルシロキサンは合成高分子化合物の被覆体１３０、１３１のポリメチルフェニルシロキサンよりも長い分子構造を有する高分子にしてより柔らかくしている。
【００５９】
上記の構成により、ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０とＳｉＣダイオード素子１３がパッケージ内で逆並列に接続され、外部に導出されたアノード端子１１０、カソード端子１１１及びゲート端子１１２を備えるモジュール１６０が得られる。
本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯモジュール１６０の耐電圧は約５．７ｋＶであり、ＳｉのＧＴＯのモジュールでは動作不能の２５０℃の高温でも前記の耐電圧を維持できた。５ｋＶでのリーク電流密度は２×１０−４Ａ／ｃｍ２以下であり良好であった。また、３ｋＶ以上の高耐圧のＳｉダイオードでは通電困難な２００Ａ／ｃｍ２の高電流密度の電流を、２５０℃の高温空気雰囲気中で本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯモジュール１６０に通電し２００時間稼動させたが、被覆体１３０、１３１、１６５にクラックの発生や変形等の異常は生じなかった。温度２５０℃で電流密度２００Ａ／ｃｍ２での通電時の順方向電圧は４．３Ｖであり、２００時間稼働前後の変化は測定誤差範囲でありほとんど変化しなかった。
【００６０】
また稼働後の５ｋＶでのリーク電流密度も温度２５０℃で３×１０−４Ａ／ｃｍ２以下であり、ほとんど変化がなかった。また２００時間稼働後の５ｋＶでのリーク電流密度も温度２５０℃で３×１０−４Ａ／ｃｍ２以下であり、前後でほとんど変化がなかった。これは有機珪素ポリマーＡとしてポリジメチルシセスキオキサンを含有し有機珪素ポリマーＢとしてポリジフェニルメチルシロキサンを含有する合成高分子化合物の被覆体１３０、１３１が、ＳｉＣ−ＧＴＯ素子やダイオード素子各々のパッシベーション膜だけでなく露出した素子側面にも強固に接着していることによる。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のターンオン時間は０．４マイクロ秒、ターンオフ時間は０．７マイクロ秒である。このターンオフ時間は耐電圧６ｋＶのシリコンＧＴＯ素子の１／２０以下であるので動作は高速である。このターンオン・ターンオフ時間にも経時変化はみられなかった。
【００６１】
以上、第１から第４の４つの実施例を説明したが、本発明はさらに多くの適用範囲あるいは派生構造をカバーするものである。本発明は例えばワイドギャップ半導体素子の、ＭＯＳＦＥＴや接合ＦＥＴ、ＳＩＴやＩＧＢＴ、ＭＯＳサイリス等にも適用可能である。更に高周波高出力ＭＥＳＦＥＴやラテラルＭＯＳＦＥＴおよび接合ＦＥＴ、ＨＥＭＴのショットキーダイオード、ＪＢＳ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）ダイオードなどにも適用可能である。
前記各実施例では、ＳｉＣやＧａＮを用いた素子や受光素子の場合のみを述べたが、本発明は他のワイドギャップ半導体材料を用いた素子にも適用できる。特に、ダイヤモンド、ガリュームリンワイドギャップ半導体材料を用いた素子にも有効に適用できる。
また各々の半導体領域の極性のｎ型をｐ型に、ｐ型をｎ型に逆転させた構成の半導体装置にも当然ながら適用できる。
【００６２】
有機珪素ポリマーＡは、前記のポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン及びポリエチルシルセスキオキサン以外に、ポリプロピルシルセスキオキサンでもよくこれらポリキオキサンの２種類以上が含有されたものでもよい。更に、有機珪素ポリマーＢは前記のポリジメチルシロキサンやポリジフェニルシロキサンだけでなく、ポリジエチルシロキサン、ポリフェニルメチルシロキサンでもよく、これらポリシロキサンの２種類以上が含有されたものでもよい。
第１及び第２実施例では金属キャップ４３、７０を用いたＴＯ型の半導体装置について説明したが、本発明は金属キャップでない高耐熱樹脂キャップの半導体装置にも適用できる。また半導体装置の構成はＴＯ型以外の、スタッド型や平型、高耐熱樹脂を用いたＳＩＰ型、Ｓｉのパワーモジュールで一般的なモールド型の構成でもよい。第３実施例では光結合半導体装置を例示したが、発光半導体素子のみを有する半導体装置、又は受光半導体素子のみを有する半導体装置にも同様に適用することができる。
【００６３】
第４実施例のモールド型のモジュールの合成高分子化合物外囲器は、耐熱性の高い他のエポキシ樹脂、例えば硬化剤としてフェノールノボラックを用いたエポキシ樹脂やケブラー樹脂（商標）などでもよい。また合成高分子化合物充填材に含有される有機珪素ポリマーＢのポリジメチルシロキサンはポリジフェニルシロキサンやポリジエチルシロキサン、ポリフェニルメチルシロキサンでもよく、これらポリシロキサンの２種類以上が含有されたものでもよい。更に合成高分子化合物充填材は有機珪素ポリマーＡを含有せず有機珪素ポリマーＢのみを含有するものでもよい。
産業上の利用の可能性
【００６４】
本発明は、高耐電圧かつ高耐熱のワイドギャップ半導体装置に利用可能である。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高耐熱性を有する高耐電圧ワイドギャップ半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（以下、ＳｉＣと記す）等のワイドギャップ半導体材料はシリコン（以下、Ｓｉと記す）に比べて、エネルギーギャップが大きく絶縁破壊電界強度も約１桁大きい等の優れた物理特性を有している。そのためＳｉＣは、高耐熱かつ高耐電圧のパワー半導体装置に用いるのに好適な半導体材料として注目されている。
ＳｉＣを用いた従来例の高耐熱・高耐電圧のパワー半導体装置の例としては、以下に示すＳｉＣダイオード素子を用いたものが、２００１年の国際学会論文集「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２００１ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ ＆ ＩＣ’ｓ」の２７頁から３０頁（以下、先行技術１）に開示されている。
【０００３】
このＳｉＣダイオード素子では、ＳｉＣ基板上に電荷を注入するｐｎ接合をエピタキシャル成長技術によるエピタキシャル膜で形成している。基板の端部領域のエピタキシャル膜をメサエッチングで除去した後、電界を緩和するターミネーション部をイオン打ち込みで形成している。具体的には、深さ約１μｍのメサエッチング処理で厚さ０．７μｍのｐ型エピタキシャル層を除去し、厚さ０．４μｍの二酸化シリコンなどの無機物膜でパッシベーション膜を形成している。この従来例のＳｉＣダイオード素子は１２ｋＶ〜１９ｋＶの高耐電圧を有する。
【０００４】
図６は前記従来例のＳｉＣダイオード素子を用いてＳｉＣダイオード装置を構成した場合のパッケージの断面図である。図において、下面にカソード端子９２を有する金属製の支持体９３の上面にＳｉＣのダイオード素子９０がそのカソード電極９７を接して取付けられている。支持体９３にはさらに、絶縁物１２を介して絶縁を保ちつつ支持体９３を貫通するアノード端子９１が設けられている。アノード端子９１はリード線８で、ＳｉＣダイオード素子９０のアノード電極９６に接続されている。支持体９３の上面には、ダイオード素子９０を覆うように金属製のキャップ９４が設けられ、ダイオード素子９０を含む空間９５を密封している。この空間９５には六弗化硫黄ガスが充填されている。六弗化硫黄ガスを充填する理由は次の通りである。アノード電極９６と、パッシベーション膜９８で被覆されていない露出側面９０ａとの間は、沿面距離が短いので耐電圧を高くすることができない。
【０００５】
この耐電圧を高くするために、絶縁用ガスとして窒素ガスなどの不活性ガスやアルゴンなどの希ガスを用いることも考えられる。しかしこれらのガスは最大絶縁破壊電界が低いために、高電圧の印加時にガス中で放電を起こし、ＳｉＣダイオード素子９０そのものや、二酸化シリコンなどのパッシベーション膜９８が破壊されてしまう。そこで耐電圧を高くするために、１５０℃程度の高温でも極めて安定な六弗化硫黄ガスをパッケージ内に充填して放電による絶縁破壊を防ぐようにしている。
【特許文献１】特許第３３９５４５６号公報
【特許文献２】特許第３４０９５０７号公報
【非特許文献１】「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２００１ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ ＆ ＩＣ’ｓ」の２７頁から３０頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
六弗化硫黄ガスは絶縁用ガスとしては現在のところ最も優れた絶縁性を持つが、弗素を含んでいるため、地球温暖化防止の観点から使用を避ける必要がある。特に高い絶縁性を得るためには半導体装置内に充填する六弗化硫黄ガスの圧力を常温で２気圧程度にする必要がある。半導体装置の使用中に温度が上昇すると、この圧力は２気圧以上に高くなるので、半導体装置のパッケージを相当堅牢にしないと爆発やガス漏れの危険性がある。ワイドギャップ半導体装置は５００℃近い高温で動作させる場合もあるが、その場合にはガスが熱膨張しガス圧は相当高くなり、爆発やガス漏れリークの危険性が更に増す。また高温では六弗化硫黄ガスが熱分解し耐電圧が低下するなどの問題もある。
【０００７】
六弗化硫黄ガス以外の物質で優れた絶縁性を有する従来の材料としては、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）の線状構造をもつポリメチルフェニルシロキサンを含む合成高分子化合物や、シロキサンの橋かけ構造をもつポリフェニルシルセスキオキサンを含む合成高分子化合物がある。前者は一般にシリコンゴム（Ｓｉゴム）と呼ばれている。温度が１５０℃以下では、これらの合成高分子化合物の被覆体で半導体素子（半導体チップ）全体を覆うことで高い絶縁性を保つことができる。
【０００８】
ポリメチルフェニルシロキサンは耐熱性がそれほど高くないが、Ｓｉパワー半導体素子のように接合温度が１５０℃以下の範囲で使用するものの場合は問題がない。しかしワイドギャップ半導体材料のＳｉＣを用いる半導体素子のように、２００℃以上の高温で使用する場合は耐熱性が十分とはいえない。ＳｉＣ半導体素子の温度が２００℃以上になると、ポリメチルフェニルシロキサンの被覆体は柔軟性を失う。また空気中で２５０℃以上になるとガラス化して完全に堅くなってしまう。そのためＳｉＣ半導体素子の温度が室温に戻ると、ポリメチルフェニルシロキサンの被覆体の内部に多数のクラックが発生する。
【０００９】
また、ポリメチルフェニルシロキサンで被覆した素子を高温で長時間六弗化硫黄ガスなどの不活性ガス中で動作させると、重量の減少が生じて素子表面近傍でボイドやクラックが発生する。これはポリメチルフェニルシロキサンの側鎖のメチル基やフェニル基が分解して蒸発するためと推察される。ボイドやクラックが発生すると素子の表面保護が不完全になりリーク電流が増大する。さらにクラック発生時に素子のパッシベーション膜を損傷することがあり、その結果としてリーク電流が大幅に増加して半導体素子の破壊に至る場合もある。以上のようにポリメチルフェニルシロキサンは低温では耐熱性が良いが高温ではその機能が失われるという欠点がある。
【００１０】
ポリフェニルシルセスキオキサンは耐熱性は優れているが脆く、クラックが入りやすいので厚膜にするのが困難である。ポリフェニルシルセスキオキサンを用いるときは素子表面に数ミクロンの厚さで塗布する。しかし数ミクロンの厚さでは耐電圧が限られており、３ｋＶ以上の高耐電圧の半導体装置には用いることができなかった。
【００１１】
本発明は、半導体装置を構成する半導体素子を高耐電圧かつ高耐熱の物質で覆った高耐電圧のワイドギャップ半導体装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の半導体装置は、半導体素子、及び前記半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続手段の少なくとも一部分を合成高分子化合物で覆うことを特徴とする。前記合成高分子化合物は、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンの群から選択した少なくとも１つを有する第１の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＡという）、及び
シロキサンによる線状連結構造を有する、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン及びポリメチルフェニルシロキサンの群から選択した少なくとも１つを有する第２の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＢという）を含有している。前記有機珪素ポリマーＡと前記有機珪素ポリマーＢはシロキサン結合により交互に線状に連結されて大型の第３の有機珪素ポリマーを形成している。前記合成高分子化合物は、前記大型の第３の有機珪素ポリマーの複数のものが付加反応により生成される共有結合で立体的に連結されて三次元の立体構造を形成している。
【００１３】
有機珪素ポリマーＡと有機珪素ポリマーＢとは交互にシロキサン結合により線状に連結されて、分子量が２万から８０万の大型の第３の有機珪素ポリマーを構成している。この第３の有機珪素ポリマーの複数のものがアルキレン基で連結されているのがより好ましい。
【００１４】
シロキサンの橋かけ構造を有する有機珪素ポリマーＡは電気絶縁性と耐熱性に優れ、高耐電圧と高耐熱性を有しているが流動性は非常に悪い。
本発明によると、有機珪素ポリマーＡを、シロキサンの線状連結構造を有する有機珪素ポリマーＢを介して交互に線状に連結する。これにより、有機珪素ポリマーＢが備えている柔軟性を失うことなく、有機珪素ポリマーＡの優れた耐熱性を保持しつつ、高耐熱且つ高耐電圧という２つの特性が両立する合成高分子化合物を得ることができる。耐熱性をより高くするには有機珪素ポリマーＡの分子量を大きくすると良いが、その場合柔軟性が低くなる。また、柔軟性を高くするには有機ポリマーＢの分子量を大きくすると良いが、その場合耐熱性が低くなる。有機珪素ポリマーＡの好ましい分子量は千から１０万であり、有機珪素ポリマーＢの好ましい分子量は５千から２０万である。有機珪素ポリマーＡの分子量は有機珪素ポリマーＢの分子量よりも小さくするのが好ましい。
【００１５】
本発明における合成高分子化合物は、結合のほとんどがシロキサン結合を有していることから、前記のように高い絶縁性すなわち高耐電圧性能を有する。本発明の合成高分子化合物は、ワイドギャップ半導体素子のパッシベーション膜として使用される二酸化シリコンや窒化シリコンなどの無機物膜との親和性が極めてよく、パッシベーション膜の表面に強固に付着する。さらにＳｉＣやＧａＮなどのワイドギャップ半導体そのものとも親和性が極めてよく半導体素子の表面に強固に付着して密封するすぐれた接着性を有する。
このすぐれた接着性を有する合成高分子化合物で被覆して密封したワイドギャップ半導体素子を有する半導体装置は高い耐湿性を有するので、信頼性の高い半導体装置を実現できる。この合成高分子化合物はＳｉＣやＧａＮなどのワイドギャップ半導体との親和性が極めてよい。例えばパッシベーション膜にピンホール等の欠陥部が存在してワイドギャップ半導体が露出している場合でも、合成高分子化合物がワイドギャップ半導体素子の表面を直接保護するパッシベーション膜として働くので高い信頼性を実現できる。
【００１６】
有機珪素ポリマーＢはＳｉゴムとほとんど同じ分子構造を有する。従ってＳｉゴムで従来から実証されているように、パッシベーション膜用の無機物、銅、アルミニューム及びステンレス等の各種金属、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、及びフェノール樹脂などの各種樹脂及び各種ガラス等との接着性が極めて良好でありこれらに強固に付着する。このため、この合成高分子化合物の表面保護膜は半導体素子の金属電極や電気接続手段、支持体等にも強固にかつすきまなく密着して付着する。そのため高い耐湿性が得られ、高い信頼性と高い耐電圧性能を有する半導体装置を実現できる。
【００１７】
本発明における合成高分子化合物は、大部分がシロキサン構造を有するため、紫外線および可視光線に対する透光性が高い。このため合成高分子化合物を半導体素子や電気接続手段へ塗布したときの状況を目視で観察することができる。例えば目視により気泡やボイド等が存在しないことを確かめながら効率的に塗布作業を進めることができる。
本発明における合成高分子化合物を用いたワイドギャップ発光パワー半導体装置やワイドギャップ光結合パワー半導体装置においては、高温においても半導体素子を保護できる高温高耐圧機能と、高温においても光をよく透過する高効率光結合機能の両方を同時に満たすことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の高耐熱ワイドギャップ半導体装置は、半導体素子の上面と側面を、合成高分子化合物で覆う構成を有する。前記合成高分子化合物は、少なくともシロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有するポリシルセスキオキサンを主成分とする有機珪素ポリマーＡと、シロキサンによる線状連結構造を有する有機珪素ポリマーＢとを含有している。有機珪素ポリマーＡと有機珪素ポリマーＢがシロキサン結合により交互に線状に連結して分子量が２万から８０万の大型有機珪素ポリマーを構成している。
【００１９】
この大型有機珪素ポリマー同士が付加反応により共有結合で連結されて三次元の立体構造を有する合成高分子化合物が生成される。本構成の合成高分子化合物はほとんどがシロキサン結合を有するので高温でも高耐電圧性を有するとともに、ワイドギャップ半導体およびそのパッシベーション膜として使用される二酸化シリコンや窒化シリコンなどの無機物膜との親和性が極めてよい。そのため合成高分子化合物が半導体装置の素子の表面に強固に付着するので半導体装置の高い耐湿性を達成できるとともに高い温度で動作させる場合に特に信頼性の高い高耐電圧性を実現できる。
【００２０】
本発明の他の観点の半導体装置は、熱伝導性の良い基板上に取付けられた少なくとも１つの半導体素子、前記半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続部を有する。前記半導体素子と前記電気接続部の少なくとも１部は、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた第３の有機珪素ポリマーの複数のものを、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造に形成した化合物を含有する第１の合成高分子化合物で被覆されている。
【００２１】
前記半導体装置は、前記合成高分子化合物で被覆した半導体素子及び電気接続部を収納するように前記基板に設けられた硬質樹脂製の容器を有する。前記容器内の隙間にはポリフェニルシルセスキオキサンとポリジメチルシロキサンを主成分とする第２の合成高分子化合物を充填している。前記容器には、前記電気接続部につながり前記容器の外側へ導出された外部接続端子が設けられている。
【００２２】
本発明によれば、少なくとも１つの半導体素子を容器中に収納することにより、前記半導体素子は外部環境からの影響をうけにくい。半導体素子を合成高分子化合物で被覆することにより高い耐電圧が得られる。また容器内の隙間に比較的やわらかい合成高分子化合物を充填することにより、容器に外部からショックが加わった場合でも、内部の半導体素子や電気接続導体などが影響をうけにくい。複数の半導体素子を容器に収納してモジュール化することにより、使用上便利でかつ低コストの半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
［図１］発明の第１実施例のＳｉＣｐｎダイオード装置の断面図である。
［図２］本発明の第２実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置の断面図である。
［図３］本発明の第２実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ素子の図２の紙面に垂直な面の断面図である。
［図４］本発明の第４実施例の光結合ワイドギャップパワー半導体装置の断面図である。
［図５］本発明の第５実施例のＳｉＣ−ＧＴＯモジュールの断面図である。
［図６］従来のＳｉＣダイオード装置の断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１ カソード領域
２ ドリフト領域
３ アノード領域
４ 電界緩和ターミネーション領域
５ パッシベーション膜
６ アノード電極
７ カソード電極
８ リード線
９ アノード端子
１０ 支持体
１１ カソード端子
１２ 絶縁ガラス
１３ ＳｉＣダイオード素子
１４ 金属キャップ
１５ 窒素などの不活性ガス
１６、４２、８１ 被覆体
２０ ＧＴＯサイリスタ素子
２１ カソード領域
２２ ｐベース領域
２３ ｐドリフト層
２４ ｎベース領域
２５ アノード領域
２７ パッシベーション膜
２９ アノード電極
３１ ゲート電極
３２ カソード電極
３４、３６ 金のリード線
５１ ＧａＮｎｐｎバイポーラトランジスタ
５２ ＳｉＣホトダイオード
５３ コレクタ領域
５４ ベース領域
５５ エミッタ領域
５７ パッシベーション膜
６０ 発光窓
８０ 受光部
１０１ 銅基板
１０２ フレーム
１０５ カバー
１１６、１１８ 絶縁基板
１３０、１３１ 被覆体
１６５ 充填材
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の半導体装置の好適な実施例を図１から図５を参照して説明する。各図において、各要素の構成の理解を容易にするために、図示された各要素の寸法は実際の寸法とは対応していない。各実施例において、「半導体装置」とは、半導体素子をパッケージ内に収納し、半導体素子の各電極を、リード線でそれぞれの電極端子に接続したものをいう。
第１実施例
【００２６】
本発明の第１実施例の高耐熱半導体装置を図１を参照して説明する。
本発明の第１実施例の半導体装置は、高耐熱かつ高耐電圧のＳｉＣ（炭化珪素）ｐｎダイオードである。
図１は、本発明の第１実施例の耐電圧８ｋＶのＳｉＣｐｎダイオードの断面図である。図１において、ＳｉＣダイオード素子１３は以下の構成を有する。厚さ約３００μｍの高不純物濃度のｎ型のＳｉＣのカソード領域１の上面に厚さ約９０μｍの低不純物濃度のｎ型のＳｉＣのドリフト層２が形成されている。カソード領域１の下面にはカソード電極７が形成されている。ドリフト層２の中央領域に、主接合を形成するｐ型のＳｉＣのアノード領域３が形成されている。
【００２７】
アノード領域３には金属のアノード電極６が形成されている。アノード領域３の周囲にはｐ型の電界緩和領域４が形成されている。アノード領域３及び電界緩和領域４を含むＳｉＣダイオード素子１３の上面には、二酸化シリコン層、窒化シリコン層、二酸化シリコン層の順で積層した３層構造の表面保護膜５が形成されている。アノード電極６は、電気接続手段である金のリード線８でアノード端子９の上端９ａに接続されている。図１ではリード線８は１本のみ図示されているが、リード線８は、リード線８を流れる電流値が大きい場合はその値に応じて複数のものを並列に接続すればよい。
【００２８】
カソード電極７は金属の支持体１０に電気的接続を保って取り付けられている。アノード端子９と支持体１０は高融点の絶縁ガラス１２を介して絶縁を保ちつつ固着されている。支持体１０にはカソード端子１１が接続されている。アノード端子９とカソード端子１１は外部の装置等の配線に接続される。支持体１０の上面にはＳｉＣダイオード素子１３及びアノード端子９の上端９ａを覆うように金属製のキャップ１４が設けられ、ＳｉＣダイオード素子１３を含む空間１５を密閉している。空間１５内のＳｉＣダイオード素子１３及びリード線８の一部を覆うように合成高分子化合物の被覆体１６が設けられている。被覆体１６は、第１の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＡという）としてポリフェニルシルセスキオキサンを含有し、第２の有機珪素ポリマー（以下、有機珪素ポリマーＢという）としてポリジメチルシロキサンを含有する透明な合成高分子化合物で形成される。空間１５内には窒素ガスが封入されている。
【００２９】
本実施例のＳｉＣｐｎダイオードの製作方法の一例を以下に説明する。図１において、あらかじめ製作したＳｉＣダイオード素子１３を、金シリコンを含む高温半田を用いて支持体１０の上面の所定位置に半田付けする。リードボンデング装置を用いて直径８０ミクロンメートルの金線（複数）のリード線８の両端をそれぞれアノード電極６と、アノード端子９の上端９ａとに接続する。
次にＳｉＣダイオード素子１３の全面、及びリード線８のアノード電極６との接続部近傍を覆うように、前記の合成高分子化合物を塗布し被覆体１６を形成する。塗布方法としては、所定の直径の孔を有するノズルから所定量の合成高分子化合物を押し出す方法が適している。
【００３０】
合成高分子化合物は、塗布後２００℃程度の温度で所定時間保つと、ある程度の柔軟性を有する状態で硬化する。合成高分子化合物の粘度を適切に調節して、これを塗布したとき図１の被覆体１６に示すように山状に盛り上がり、ＳｉＣダイオード素子１３の全体を２００μｍ以上の厚さですきまなく覆うことができるようにする。粘度が高すぎると、塗布したときＳｉＣダイオード素子１３と被覆体１６との間にすきまができることがある。逆に粘度が低すぎると、山状に盛り上がらず被覆体１６の厚さを２００μｍ以上の所望の厚さにすることができない。
最後に窒素雰囲気中で金属キャップ１４を支持体１０に取り付けて溶接し、内部空間１５を窒素ガスで充たしてＳｉＣｐｎダイオードが完成する。
【００３１】
本実施例のＳｉＣｐｎダイオードのアノード端子９とカソード端子１１間に、カソード端子１１の電位が高くなるように電圧（逆方向電圧）を印加して測定した逆耐電圧は約８．５ｋＶであった。Ｓｉの半導体装置では動作不能である、例えば３００℃の高温においても上記の逆耐電圧を維持できた。逆方向の電圧が８ｋＶでのリーク電流密度は５×１０−５Ａ／ｃｍ２以下であった。本実施例のＳｉＣｐｎダイオードに、２５０℃の高温雰囲気中で２００Ａ／ｃｍ２の電流密度で電流を流し５００時間連続通電試験をしたが、試験終了後の合成高分子化合物の被覆体１６にクラックや変形は生じなかった。また白濁などが生じて透明度が悪化することもなかった。
【００３２】
通電時の順方向電圧は４．３Ｖであり、５００時間の通電試験の前後でほとんど変化しなかった。５００時間の連続通電試験の終了後、３００℃の高温雰囲気中で８ｋＶの逆方向電圧を印加してリーク電流を測定したところ、電流密度は３×１０−５Ａ／ｃｍ２であり、通電試験前との差は少なかった。前記の各試験後、半導体装置を分解して目視で観察した。その結果、有機珪素ポリマーＡとしてポリフェニルシルセスキオキサンを含有し有機珪素ポリマーＢとしてポリジメチルシロキサンを含有する合成高分子化合物の被覆体１６がＳｉＣダイオード素子１３の電界緩和領域４の表面保護膜５の上だけでなく、ＳｉＣダイオード素子１３の側面に露出したＳｉＣの層にも強固に付着していることが確認された。なおＳｉＣｐｎダイオードの動作速度の目安となる逆回復時間は約５０ナノ秒であり、前記試験の前後で変化はみられなかった。
【００３３】
本発明の第１実施例によれば、ＳｉＣダイオード素子１３の周囲を、前記有機ポリマーＡと前記有機ポリマーＢを所定の割合で含有する合成高分子化合物で被覆する。これにより、ＳｉＣダイオード素子１３を六弗化硫黄ガスの雰囲気中に置いた場合と同等の絶縁性を得ることができる。すなわち地球温暖化に悪影響を与える有害な物質の六弗化硫黄ガスを使用することなく高い耐熱性と高い絶縁性を有するＳｉＣｐｎダイオードが実現できる。
第２実施例
【００３４】
本発明の第２実施例の半導体装置は、耐電圧５ｋＶのＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ Ｏｆｆ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）装置であり、図２にその断面図を示す。図３は図２におけるＧＴＯサイリスタ素子２０を紙面に垂直な面で切断したセルの一つの断面図である。実際の素子では、図３に示すセルが、図の左右方向に複数個連結されている。図２及び図３において、厚さ約３２０μｍの高不純物濃度のｎ型ＳｉＣのカソード領域２１の上面に、厚さ約３μｍのｐ型ＳｉＣのバッファー層２２を設けている。カソード領域２１の下面にカソード電極３２が設けられている。バッファー層２２の上に厚さ約６０μｍの低不純物濃度のｐ型ＳｉＣのドリフト層２３を設けている。ドリフト層２３の中央部に厚さ約２μｍのｎ型のベース領域２４とｐ型のアノード領域２５が順次形成されている。
【００３５】
ｎ型のベース領域２４の周辺にはｎ型の電界緩和領域２６が形成されている。ＧＴＯサイリスタ素子２０の表面には二酸化シリコン層、窒化シリコン層、二酸化シリコン層の３層構造の表面保護膜２７が形成されている。ｐ型のアノード領域２５にはアノード電極２８が形成されている。このアノード電極２８上の左側の領域には２層目のアノード電極２９が形成され、右側の領域には絶縁膜３０を介してゲート電極３１が形成されている。図３に示すように、ｎ型のベース領域２４には１層目のゲート電極３３が形成され、ゲート電極３３は、図示していない接続部でゲート電極３１に接続されている。
【００３６】
アノード電極２９は金のリード線３４によりアノード端子３５の上端３５ａに接続されている。ゲート電極３１は金のリード線３６によりゲート端子３７の上端３７ａに接続されている。リード線３４、３６及びアノード端子３５及びゲート端子３７は電気接続手段である。カソード電極３２はカソード端子３９を有する金属の支持体３８に取り付けられている。通常ＧＴＯサイリスタ素子２０のカソード電極３２は金シリコンの高温半田を用いて支持体３８に半田付けされる。アノード端子３５及びゲート端子３７は、それぞれの高融点絶縁ガラス４０及び４１で支持体３８との間の絶縁を保ちつつ支持体３８を貫通して固定されている。
ＧＴＯサイリスタ素子２０の全面、及びリード線３４及び３６のＧＴＯサイリスタ素子２０との接続部近傍を覆うように、合成高分子化合物の被覆体４２を塗布する。被覆体４２は有機珪素ポリマーＡとしてポリメチルシルセスキオキサンを含有し、有機珪素ポリマーＢとしてポリメチルフェニルシロキサンを含有する合成高分子化合物である。最後に窒素雰囲気中で金属キャップ４３を支持体３８に取り付けて溶接することにより内部空間４４に窒素ガスが封入されたＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置が完成する。
【００３７】
リード線３４、３６は直径８０ミクロンメートルの金線であり、リードボンデング装置を用いてそれぞれアノード電極２９とアノード端子３５間及びゲート電極３１とゲート端子３７間に取り付けられる。図２では、リード線３４、３６はそれぞれ１本づつ図示されているが、リード線３４、３６は、リード線３４、３６を流れるそれぞれの電流値に応じて複数のものを並列に接続してもよい。
本第２実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置において、アノード端子３５の電位がカソード端子３９よりも高電位になるように順方向に５ｋＶ電圧を印加し、ゲート端子３７の電位をアノード端子３５と同電位にすると、電流が流れないオフ状態が維持され、５ｋＶの耐電圧が得られた。
【００３８】
次にこのオフ状態でゲート端子３７の電位をアノード端子３５よりも低電位にし、アノード端子３５からゲート端子３７に向けてゲート電流を流すと、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置はオン状態になり、アノード端子３５とカソード端子３９間に電流が流れる。さらにオン状態でゲート端子３７の電位をアノード端子３５よりも高電位にすると、アノード端子３５とカソード端子３９間に流れている電流がゲート端子３７からカソード端子３９間に転流し、オフ状態になる。このときのアノード端子３５とカソード端子３９間の電圧が逆耐電圧である。
【００３９】
具体的には、カソード端子３９に負の電圧を印加し、ゲート端子３７にアノード端子３５を基準にしてビルトイン電圧以上の電圧を印加すると、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置はオンとなる。このときドリフト層２３内にカソード領域２２から電子が注入されるため、伝導度変調が生じ、オン抵抗が大幅に低下する。ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタがオンした状態において、ゲート端子３７の電位をアノード端子３５の電位より高くすると、アノード端子３５とカソード端子３９間を流れる電流の一部がゲート端子３７から引き抜かれることになり、ＧＴＯサイリスタをオフ状態にすることができる。
【００４０】
本第２実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置の逆耐電圧は約５．８ｋＶであり、２５０℃の高温雰囲気中でもこの逆耐電圧を維持できた。逆方向電圧が５ｋＶでのリーク電流密度は３×１０−４Ａ／ｃｍ２以下と良好であった。本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置について、以下の第１及び第２の動作試験を行った。
第１の動作試験では、本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタに２００Ａ／ｃｍ２の電流密度で電流を流しつつ、２５０℃の高温雰囲気中で２００時間の連続動作をさせた。なお従来からあるシリコンのＧＴＯサイリスタでは、素子温度が２５０℃では動作不可能である。また５ｋＶ級のシリコンのＧＴＯサイリスタでは電流密度が２００Ａ／ｃｍ２のものを作ることは困難である。
【００４１】
また第２の動作試験では、前記の電流密度で電流を流しつつ、気温８０℃、湿度８５％の高温高湿度の雰囲気中で２００時間の連続動作をさせた。前記第１及び第２の動作試験の終了後このＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ装置を分解して調べたが合成高分子化合物の被覆体４２が変形したりクラックや白濁が生じていなかった。
前記第１の動作試験開始直後のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタの順方向電圧は４．３Ｖであった。第１及び第２の動作試験終了後、前記第１の動作試験と同じ条件で順方向電圧を測定したが、その測定値は第１の動作試験開始時の値とほとんど変わらず、その差は測定誤差の範囲内であった。
【００４２】
第１及び第２の動作試験終了後に逆方向の電圧５ｋＶを印加したときのリーク電流密度は温度２５０℃で５×１０−４Ａ／ｃｍ２以下であり、わずかな変化であった。ターンオン時間は０．５マイクロ秒、ターンオフ時間は０．８マイクロ秒である。このスイッチング時間も前記第１及び第２の動作試験の前後で変化はみられなかった。なお本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタのターンオン時間及びターンオフ時間は、耐圧６ｋＶの従来のシリコンのＧＴＯサイリスタの約２０分の１である。
ＧＴＯサイリスタ素子２０に塗布した本実施例の合成高分子化合物のＧＴＯサイリスタ素子２０等への付着状態について調べたところ、合成高分子化合物は、ＧＴＯサイリスタ素子２０の電界緩和領域２６上の保護膜２７及び側面のＳｉＣの露出面にも強固に付着していた。
第３実施例
【００４３】
本発明の第３実施例の半導体装置は、光結合ワイドギャップパワー半導体装置であり、図４にその断面図を示す。図において、発光機能を有する主パワー半導体素子としては、耐電圧３ｋＶ・電流容量２００ＡのＧａＮ（ガリウムナイトライド）−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１を用いている。受光素子としてはＳｉＣ−ホトダイオード５２を用いている。ＳｉＣホトダイオード５２はＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１に対向するように同一パッケージ内に設けられている。
【００４４】
図４に示すＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１において、厚さ約３００μｍの高不純物濃度のｎ型のＧａＮコレクタ領域５３の上面に厚さ約１．７μｍのｐ型のＧａＮベース領域５４が形成され、その上に厚さ約３μｍの高不純物濃度のｎ型のエミッタ領域５５が順次形成されている。ＧａＮコレクタ領域５３の下面にはコレクタ電極６６が設けられている。ＧａＮベース領域５４の周辺のコレクタ領域５３内にはｎ型の電界緩和領域５６が形成されている。ＧａＮベース領域５４の右端部に金属のベース電極５８が設けられている。ｎ型エミッタ領域５５の上に、発光窓６０を有する金属のエミッタ電極５９が設けられている。ＧａＮコレクタ領域５３及び電界緩和領域５６の上には窒化シリコン層と二酸化シリコン層の２層構造の表面保護膜５７が形成されている。
【００４５】
ベース電極５８は、金のリード線６１によりベース端子６２に接続されている。エミッタ電極５９は、金のリード線６３、６４によりエミッタ端子６５に接続されている。コレクタ電極６６はコレクタ端子６８を有する金属の支持体６７に取り付けられている。リード線６１、６３、６４、７３、７６及びエミッタ端子６５、ベース端子６２、コレクタ端子６８、アノード端子７４及びカソード端子７７は電気接続手段である。リード線６１、６３、６４、７３、７６は、それぞれを流れる電流値に応じて、それぞれ複数の線を並列に接続したものを用いればよい。
【００４６】
ＳｉＣホトダイオード５２は、その受光部８０がＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１の発光窓６０に対向するようにキャップ７０の内側面に窒化アルミニウムなどの絶縁板７１を介して接着されている。ＳｉＣホトダイオード５２のアノード電極７２は、金のリード線７３により金属のアノード端子７４に接続されている。カソード電極７５は金のリード線７６によりカソード端子７７に接続されている。
【００４７】
アノード端子７４とカソード端子７７はそれぞれの外部配線に接続される。アノード端子７４及びカソード端子７７はキャップ７０の貫通孔に高融点絶縁ガラス７８、７９を介して固着されている。ＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１、ＳｉＣホトダイオード５２、リード線６１、６３、６４、７３、７６及びベース端子６２の端部及びエミッタ端子６５の端部を被覆体８１で覆っている。被覆体８１は有機珪素ポリマーＡとしてポリエチルシルセスキオキサンを含有し、有機珪素ポリマーＢとしてポリジメチルシロキサンを含有する合成高分子化合物である。
【００４８】
本第３実施例の光結合ワイドギャップパワー半導体装置の製作方法の一例を以下に説明する。あらかじめ製作したＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１を金シリコンの高融点半田を用いて支持体６７の所定位置に半田付けする。リードボンデング装置を用いて直径８０ミクロンメートルの２本の金のリード線６３、６４でエミッタ電極５９とエミッタ端子６５を接続する。ベース電極５８とベース端子６２とを金のリード線６１で接続する。硬化後被覆体８１となる硬化前の合成高分子化合物の素材をＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ素子５１を包み込むように厚く塗布する。
【００４９】
あらかじめ製作したＳｉＣホトダイオード５２を金シリコンの高融点半田を用いて、金属キャップ７０の内側面に窒化アルミニウム絶縁板７１を介して半田付けする。次にリードボンデング装置を用いて直径８０ミクロンメートルの金のリード線７３でアノード電極７２とアノード端子７４を接続する。またカソード電極７５を金のリード線７６でカソード端子７７に接続する。次に硬化前の合成高分子化合物の素材を、ＳｉＣホトダイオード５２、リード線７３、７６のＳｉＣホトダイオード５２との接続部近傍を包み込むように厚く塗布する。最後に金属キャップ７０と支持体６７を、ＳｉＣホトダイオード５２の受光部８０がＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１の発光窓６０に対向し、且つ両者を包み込んでいる各々の合成高分子化合物の素材が接するように組合わせて、窒素雰囲気中で溶接する。これにより、各々の合成高分子化合物の素材は連結されて一体化し、図４に示す被覆体８１の形状になる。その後所定の温度に加熱して合成高分子化合物をある程度の柔軟性を有する状態に硬化させて完成する。
【００５０】
第３実施例の光結合ワイドギャップパワー半導体装置の動作の一例を次に示す。まず、ＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１のコレクタ端子６８の電位をエミッタ端子６５よりも高電位にして順方向バイアス状態にする。そしてベース端子６２の電位をエミッタ端子６５と同電位にすると、電流が流れないオフ状態が維持される。耐電圧は３ｋＶで高耐電圧を実現できた。ＳｉＣホトダイオード５２はアノード端子７４の電位をカソード端子７７よりも低電位にして逆方向バイアス状態しておく。
【００５１】
オンオフ駆動は次のようにする。ベース端子６２の電位をエミッタ端子６５の電位よりも高電位にし、ベース端子６２からエミッタ端子６５に向かうベース電流を流す。これにより、エミッタ電極５９から電子が注入されてＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１がオン状態になり、波長が約３９０〜５７０ｎｍの間の光５０が生じる。この光５０はＳｉＣホトダイオード５２で受光され、光量に対応した量の光電流がアノード端子７４とカソード端子７７間を流れる。
【００５２】
ＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１のオン状態のときに、ベース端子６２の電位をエミッタ端子６５と同電位か低電位にすると電子の注入が止まり、コレクタ電極６６とエミッタ電極５９間を流れる電流は遮断され、発光も停止する。ＳｉＣホトダイオード５２は、光がなくなるので光電流がなくなりオフ状態になる。
【００５３】
本実施例のＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１の耐電圧は約３．５ｋＶであり、２５０℃の高温においてもこの耐電圧を維持できた。３ｋＶでのリーク電流密度は２×１０−４Ａ／ｃｍ２以下と良好であった。また、ＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１とＳｉＣホトダイオード５２間の絶縁耐圧は５ｋＶ以上であり、５ｋＶでのリーク電流は１×１０−５Ａ／ｃｍ２以下であった。温度２５０℃で連続１０００時間の電圧印加試験をした後でも、リーク電流の増加は測定誤差の範囲内の微少な値であった。３ｋＶ以上の高耐電圧を有するにもかかわらず１５０Ａ／ｃｍ２の高電流密度の電流を流すことができた。また２００℃の高温雰囲気中で５００時間連続して通電した後でも合成高分子化合物の被覆体８１が変形したり、クラックや白濁が生じてはいなかった。
【００５４】
また、温度８０℃湿度８５％の高温高湿度雰囲気中で２００時間通電した後でも合成高分子化合物の被覆体８１が変形したり、クラックや白濁が生じてはいなかった。温度２００℃、電流密度１５０Ａ／ｃｍ２で通電時の順方向電圧は５．３Ｖであり試験前後の変化は測定誤差範囲の小さな値であった。前記の試験後に３ｋＶの導電圧を印加したときのリーク電流密度は２５０℃で３×１０−４Ａ／ｃｍ２以下であり試験前に比べてほとんど変化がなかった。破断試験をしたところ、有機珪素ポリマーＡとしてポリエチルシルセスキオキサンを含有し、有機珪素ポリマーＢとしてポリジメチルシロキサンを含有する合成高分子化合物の被覆体８１は、ＧａＮ−ｎｐｎバイポーラトランジスタ５１の側面に露出したＧａＮにも強固に付着していることが確認できた。なおターンオン時間は０．０９マイクロ秒、ターンオフ時間は０．１５マイクロ秒と高速であり、このスイッチング時間にも試験前後の変化はみられなかった。
第４実施例
【００５５】
本発明の第４実施例の高耐熱半導体装置は、モールド型のＳｉＣ−ＧＴＯモジュールであり、１つのパッケージ内にＳｉＣ−ＧＴＯ素子とＳｉＣダイオード素子が組込まれている。図５はその主要部の断面図である。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０は第２実施例に記載の耐電圧５ｋＶの素子である。ＳｉＣダイオード素子１３は耐圧が５ｋＶに設計されている点を除けば第１実施例に記載の素子と同様の構造を有する。
図５において、ニッケルメッキを施した熱伝導性のよい銅基板１０１の面上に所定の距離を隔てて例えば窒化アルミニウム製の２つの絶縁基板１１６及び１１８がそれぞれ高温半田１１５、１１７により接着されている。
絶縁基板１１６には、銅箔のパターンで内部配線１２０、１２１及び１２２が形成されている。内部配線１２１の上にＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のカソード電極３２が高温半田により接着されている。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のアノード電極２９は電気接続部であるリード線３４により、内部配線１２０に接続されている。またＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のゲート電極３１は電気接続部であるリード線３６により内部配線１２２に接続されている。
絶縁基板１１８には、銅箔のパターンで内部配線１２５及び１２６が形成されている。内部配線１２６にＳｉＣダイオード素子１３のカソード電極７が高温半田で接着されている。ＳｉＣダイオード素子１３のアノード電極６は電気接続部であるリード線８により内部配線１２５に接続されている。
【００５６】
ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０、リード線３４、３６及び内部配線１２０、１２２の大部分を覆うように、第１の合成高分子化合物の樹脂を塗布し被覆体１３０を形成する。同様にしてＳｉＣダイオード素子１３、リード線８及び内部配線１２５、１２６の大部分を覆うように、合成高分子化合物の樹脂を塗布し被覆体１３１を形成する。合成高分子化合物の被覆体１３０、１３１は第２実施例と同様のポリメチルシルセスキオキサンとポリメチルフェニルシロキサンを主成分として含有する合成高分子化合物である。被覆体１３０、１３１の硬化後、銅基板１０１を構成要素として含み、銅基板１０１に取付けてパッケージ（容器又は外囲器）を構成するためのエポキシ樹脂など硬質樹脂製の強固なフレーム１０２を取付ける。フレーム１０２の上部には、同じエポキシ樹脂製の強固なカバー１０５を取付けてパッケージを形成する。
【００５７】
銅基板１０１へのフレーム１０２及びカバー１０５の取付け方法は、ねじ等を用いて取付けるか、又は接着剤により接着する。フレーム１０２及びカバー１０５は例えば硬化剤としてイミダゾールを用いたエポキシ樹脂であり、ガラス転移温度は約３２５℃である。カバー１０５には端子板１０７が設けられている。端子板１０７は、めねじを有するアノード端子１１０、カソード端子１１１及びゲート端子１１２と予備端子１１３を備えている。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のアノード電極２９につながる内部配線１２０は、アルミニウム等の接続線１４１、及びカバー１０５と端子板１０７との間を通る図では見えない導体を経てアノード端子１１０に接続されている。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のカソード電極３２につながる内部配線１２１は、図示を省略した導体によりカソード端子１１１に接続されている。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のゲート電極３１がつながる内部配線１２２はアルミニウム等の接続線１４２及び図では見えない導体を経てゲート端子１１２に接続されている。
【００５８】
ＳｉＣダイオード素子１３のアノード電極６につながる内部配線１２５は、アルミニウムの接続線１４３及び図では見えない導体を経てカソード端子１１１に接続されている。ＳｉＣダイオード素子１３のカソード電極７につながる内部配線１２６は、アルミニウム等の接続線１４４及び図では見えない導体を経てアノード端子１１０に接続されている。
銅基板１０１、フレーム１０２及びカバー１０５で形成されるパッケージ内の隙間にはゲル状の第２の合成高分子化合物の充填材１６５が充填されている。充填材１６５はポリフェニルシルセスキオキサンとポジジメチルシロキサンを主成分として含有する合成高分子化合物である。充填材１６５はモジュール１６０に外部から加わる機械的な衝撃によって内部の素子が振動するのを防ぐ緩衝剤としての機能ももつ。このために、充填材１６５のポリジメチルシロキサンは合成高分子化合物の被覆体１３０、１３１のポリメチルフェニルシロキサンよりも長い分子構造を有する高分子にしてより柔らかくしている。
【００５９】
上記の構成により、ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０とＳｉＣダイオード素子１３がパッケージ内で逆並列に接続され、外部に導出されたアノード端子１１０、カソード端子１１１及びゲート端子１１２を備えるモジュール１６０が得られる。
本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯモジュール１６０の耐電圧は約５．７ｋＶであり、ＳｉのＧＴＯのモジュールでは動作不能の２５０℃の高温でも前記の耐電圧を維持できた。５ｋＶでのリーク電流密度は２×１０−４Ａ／ｃｍ２以下であり良好であった。また、３ｋＶ以上の高耐圧のＳｉダイオードでは通電困難な２００Ａ／ｃｍ２の高電流密度の電流を、２５０℃の高温空気雰囲気中で本実施例のＳｉＣ−ＧＴＯモジュール１６０に通電し２００時間稼動させたが、被覆体１３０、１３１、１６５にクラックの発生や変形等の異常は生じなかった。温度２５０℃で電流密度２００Ａ／ｃｍ２での通電時の順方向電圧は４．３Ｖであり、２００時間稼働前後の変化は測定誤差範囲でありほとんど変化しなかった。
【００６０】
また稼働後の５ｋＶでのリーク電流密度も温度２５０℃で３×１０−４Ａ／ｃｍ２以下であり、ほとんど変化がなかった。また２００時間稼働後の５ｋＶでのリーク電流密度も温度２５０℃で３×１０−４Ａ／ｃｍ２以下であり、前後でほとんど変化がなかった。これは有機珪素ポリマーＡとしてポリジメチルシセスキオキサンを含有し有機珪素ポリマーＢとしてポリジフェニルメチルシロキサンを含有する合成高分子化合物の被覆体１３０、１３１が、ＳｉＣ−ＧＴＯ素子やダイオード素子各々のパッシベーション膜だけでなく露出した素子側面にも強固に接着していることによる。ＳｉＣ−ＧＴＯ素子２０のターンオン時間は０．４マイクロ秒、ターンオフ時間は０．７マイクロ秒である。このターンオフ時間は耐電圧６ｋＶのシリコンＧＴＯ素子の１／２０以下であるので動作は高速である。このターンオン・ターンオフ時間にも経時変化はみられなかった。
【００６１】
以上、第１から第４の４つの実施例を説明したが、本発明はさらに多くの適用範囲あるいは派生構造をカバーするものである。本発明は例えばワイドギャップ半導体素子の、ＭＯＳＦＥＴや接合ＦＥＴ、ＳＩＴやＩＧＢＴ、ＭＯＳサイリス等にも適用可能である。更に高周波高出力ＭＥＳＦＥＴやラテラルＭＯＳＦＥＴおよび接合ＦＥＴ、ＨＥＭＴのショットキーダイオード、ＪＢＳ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）ダイオードなどにも適用可能である。
前記各実施例では、ＳｉＣやＧａＮを用いた素子や受光素子の場合のみを述べたが、本発明は他のワイドギャップ半導体材料を用いた素子にも適用できる。特に、ダイヤモンド、ガリュームリンワイドギャップ半導体材料を用いた素子にも有効に適用できる。
また各々の半導体領域の極性のｎ型をｐ型に、ｐ型をｎ型に逆転させた構成の半導体装置にも当然ながら適用できる。
【００６２】
有機珪素ポリマーＡは、前記のポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン及びポリエチルシルセスキオキサン以外に、ポリプロピルシルセスキオキサンでもよくこれらポリキオキサンの２種類以上が含有されたものでもよい。更に、有機珪素ポリマーＢは前記のポリジメチルシロキサンやポリジフェニルシロキサンだけでなく、ポリジエチルシロキサン、ポリフェニルメチルシロキサンでもよく、これらポリシロキサンの２種類以上が含有されたものでもよい。
第１及び第２実施例では金属キャップ４３、７０を用いたＴＯ型の半導体装置について説明したが、本発明は金属キャップでない高耐熱樹脂キャップの半導体装置にも適用できる。また半導体装置の構成はＴＯ型以外の、スタッド型や平型、高耐熱樹脂を用いたＳＩＰ型、Ｓｉのパワーモジュールで一般的なモールド型の構成でもよい。第３実施例では光結合半導体装置を例示したが、発光半導体素子のみを有する半導体装置、又は受光半導体素子のみを有する半導体装置にも同様に適用することができる。
【００６３】
第４実施例のモールド型のモジュールの合成高分子化合物外囲器は、耐熱性の高い他のエポキシ樹脂、例えば硬化剤としてフェノールノボラックを用いたエポキシ樹脂やケブラー樹脂（商標）などでもよい。また合成高分子化合物充填材に含有される有機珪素ポリマーＢのポリジメチルシロキサンはポリジフェニルシロキサンやポリジエチルシロキサン、ポリフェニルメチルシロキサンでもよく、これらポリシロキサンの２種類以上が含有されたものでもよい。更に合成高分子化合物充填材は有機珪素ポリマーＡを含有せず有機珪素ポリマーＢのみを含有するものでもよい。
産業上の利用の可能性
【００６４】
本発明は、高耐電圧かつ高耐熱のワイドギャップ半導体装置に利用可能である。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子、及び半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続手段の少なくとも一部分を被覆する合成高分子化合物を有する半導体装置において、
前記合成高分子化合物が、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた第３の有機珪素ポリマーの複数のものを、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造に形成した化合物を含有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記合成高分子化合物は、シロキサンによる橋かけ構造を有する第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する第２の有機珪素ポリマーとを交互にシロキサン結合により線状に連結させて第３の有機珪素ポリマーを構成し、前記第３の有機珪素ポリマーの複数のものを、付加反応により生成される共有結合で連結して三次元の立体構造に形成した化合物を含有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体素子がワイドギャップ半導体を用いたＳｉＣ半導体素子およびＧａＮ半導体素子のいづれか一方であり、
前記第１の有機珪素ポリマーが、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンの群から選択した少なくとも１つであり、
前記第２の有機珪素ポリマーが、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン及びポリメチルフェニルシロキサンの群から選択した少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体素子がワイドギャップ半導体受光素子とワイドギャップ半導体発光素子のいづれか一方または両方を組み合わせたものであり、
前記第１の有機珪素ポリマーが、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンの群から選択した少なくとも１つであり、
前記第２の有機珪素ポリマーが、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン及びポリメチルフェニルシロキサンの群から選択した少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
熱伝導性の良い基板上に取付けられた少なくとも１つの半導体素子、
前記半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続部、
前記半導体素子と前記電気接続部の少なくとも一部を被覆する、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた第３の有機珪素ポリマーの複数のものを、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造に形成した化合物を含有する第１の合成高分子化合物、
前記合成高分子化合物で被覆した半導体素子及び電気接続部を収納するように前記基板に設けられた硬質樹脂製の容器、
前記容器内の隙間に充填された、ポリフェニルシルセスキオキサンとポリジメチルシロキサンを主成分として含有する第２の合成高分子化合物、及び
前記電気接続部につながり、前記容器の外へ導出された外部接続端子
を有する半導体装置。
【請求項６】
前記第１の合成高分子化合物は、シロキサンによる橋かけ構造を有する第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する第２の有機珪素ポリマーとを交互にシロキサン結合により線状に連結させて第３の有機珪素ポリマーを構成し、前記第３の有機珪素ポリマーの複数のものを、付加反応により生成される共有結合で連結して三次元の立体構造に形成した化合物を含有することを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体素子がワイドギャップ半導体を用いたＳｉＣ半導体素子およびＧａＮ半導体素子のいづれか一方であり、
前記第１の有機珪素ポリマーが、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンの群から選択した少なくとも１つであり、
前記第２の有機珪素ポリマーが、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン及びポリメチルフェニルシロキサンの群から選択した少なくとも１つであることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体素子が、ＳｉＣ−ＧＴＯ素子とＳｉＣダイオード素子であり、前記容器内で前記電気接続部により逆並列に接続されていることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【請求項１】
半導体素子、及び半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続手段の少なくとも一部分を被覆する合成高分子化合物を有する半導体装置において、
前記合成高分子化合物が、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた第３の有機珪素ポリマーの複数のものを、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造に形成した化合物を含有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記合成高分子化合物は、シロキサンによる橋かけ構造を有する第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する第２の有機珪素ポリマーとを交互にシロキサン結合により線状に連結させて第３の有機珪素ポリマーを構成し、前記第３の有機珪素ポリマーの複数のものを、付加反応により生成される共有結合で連結して三次元の立体構造に形成した化合物を含有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体素子がワイドギャップ半導体を用いたＳｉＣ半導体素子およびＧａＮ半導体素子のいづれか一方であり、
前記第１の有機珪素ポリマーが、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンの群から選択した少なくとも１つであり、
前記第２の有機珪素ポリマーが、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン及びポリメチルフェニルシロキサンの群から選択した少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体素子がワイドギャップ半導体受光素子とワイドギャップ半導体発光素子のいづれか一方または両方を組み合わせたものであり、
前記第１の有機珪素ポリマーが、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンの群から選択した少なくとも１つであり、
前記第２の有機珪素ポリマーが、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン及びポリメチルフェニルシロキサンの群から選択した少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
熱伝導性の良い基板上に取付けられた少なくとも１つの半導体素子、
前記半導体素子を外部の機器に電気的に接続するための電気接続部、
前記半導体素子と前記電気接続部の少なくとも一部を被覆する、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合体）による橋かけ構造を有する少なくとも１種の第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する少なくとも１種の第２の有機珪素ポリマーとを、シロキサン結合により連結させた第３の有機珪素ポリマーの複数のものを、付加反応により生成される共有結合で連結し、三次元の立体構造に形成した化合物を含有する第１の合成高分子化合物、
前記合成高分子化合物で被覆した半導体素子及び電気接続部を収納するように前記基板に設けられた硬質樹脂製の容器、
前記容器内の隙間に充填された、ポリフェニルシルセスキオキサンとポリジメチルシロキサンを主成分として含有する第２の合成高分子化合物、及び
前記電気接続部につながり、前記容器の外へ導出された外部接続端子
を有する半導体装置。
【請求項６】
前記第１の合成高分子化合物は、シロキサンによる橋かけ構造を有する第１の有機珪素ポリマーと、シロキサンによる線状連結構造を有する第２の有機珪素ポリマーとを交互にシロキサン結合により線状に連結させて第３の有機珪素ポリマーを構成し、前記第３の有機珪素ポリマーの複数のものを、付加反応により生成される共有結合で連結して三次元の立体構造に形成した化合物を含有することを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体素子がワイドギャップ半導体を用いたＳｉＣ半導体素子およびＧａＮ半導体素子のいづれか一方であり、
前記第１の有機珪素ポリマーが、ポリフェニルシルセスキオキサン、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリエチルシルセスキオキサン及びポリプロピルシルセスキオキサンの群から選択した少なくとも１つであり、
前記第２の有機珪素ポリマーが、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン及びポリメチルフェニルシロキサンの群から選択した少なくとも１つであることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体素子が、ＳｉＣ−ＧＴＯ素子とＳｉＣダイオード素子であり、前記容器内で前記電気接続部により逆並列に接続されていることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０１３３６１
【国際公開日】平成１７年２月１０日（２００５．２．１０）
【発行日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５１２４７３（Ｐ２００５−５１２４７３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／０１０３１５
【国際出願日】平成１６年７月２０日（２００４．７．２０）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１７年２月１０日（２００５．２．１０）
【発行日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／０１０３１５
【国際出願日】平成１６年７月２０日（２００４．７．２０）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【Ｆターム（参考）】
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