专利名称：高耐热半导体装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有高耐热性的高耐电压宽禁带半导体装置。
背景技术：
碳化硅(以下，记为SiC)等宽禁带半导体材料与硅(以下，记为Si)相比，具有禁带宽度较大且绝缘击穿电场强度也大约大1个量级等优越的物理特性。因此，SiC作为适合于在高耐热且高耐电压的功率半导体装置中使用的半导体材料而引人注目。
作为使用了SiC的现有例的高耐热和高耐电压的功率半导体装置的例子，在2001年的国际学会论文集「Proceedings of 2001International Symposium on Power Semiconductor Devices &IC’s」第27～30页(以下，称为现有技术1)公开了以下所示的使用了SiC二极管元件的装置。
在该SiC二极管元件中，在SiC基板上用外延生长技术生长的外延膜形成注入电荷的pn结。用台式腐蚀法除去基板端部区域的外延膜后，用离子注入法形成缓和电场的端部。具体地说，采用深度约1μm的台式腐蚀除去厚度为0.7μm的p型外延层，用厚度约0.4μm的二氧化硅等无机物膜形成钝化膜。该现有例的SiC二极管元件具有12kV～19kV的高耐电压。
图6是使用上述现有例的SiC二极管元件构成SiC二极管装置情况下的封装的剖面图。在该图中，SiC二极管元件90连接其阴极97安装在下表面具有阴极端子92的金属制的支撑体93的上表面上。在支撑体93上进而设置通过绝缘物12一面保持绝缘一面贯通支撑体93的阳极端子91。阴极端子91采用引线8与SiC二极管元件90的阳极96连接。在支撑体93的上表面上，设置金属制的管帽94以便覆盖二极管元件90，密封包含二极管元件90的空间95。在该空间95中填充六氟化硫气体。填充六氟化硫气体的理由如下在阳极96与没有被钝化膜98覆盖的露出侧面90a之间，由于滑移距离(creeping distance)短因而不能使耐电压增高。
为了增高该耐电压，考虑使用作为绝缘用气体的氮气等惰性气体和氩气等稀有气体。但是，由于这些气体的最大绝缘击穿电场低，在施加高电压时在气体中引起放电，SiC二极管元件90和二氧化硅等的钝化膜98被击穿。因此，为了增高耐电压，将即使在150℃的高温中也极端稳定的六氟化硫气体填充到封装内，以防止因放电引起的绝缘击穿。
专利文献1专利第3395456号公报专利文献2专利第3409507号公报非专利文献「Proceedings of 2001 International Symposiumon Power Semiconductor Devices & IC’s」第27～30页六氟化硫气体作为绝缘用气体目前具有最突出的绝缘性，但是由于它包含氟，故从防止地球温暖化的观点考虑需要避免使用。特别是为了得到高绝缘性，在半导体装置内填充的六氟化硫气体的压力在常温下需要2个气压左右。由于在半导体装置的使用中温度上升时，该压力增高到2个气压以上，如果半导体装置的封装不相当坚牢就有发生爆炸和气体泄漏的危险。宽禁带半导体装置也有在近500℃的高温下工作的情况，在这种情况下，气体热膨胀导致气体压力变得相当高，爆炸和气体泄漏的危险性进一步增加。此外，在高温下，还存在六氟化硫气体发生热分解并且耐电压降低等问题。
在六氟化硫气体以外的物质中，作为具有突出的绝缘性的现有的材料，可以列举包含具有硅氧烷(Si-O-Si结合键)的线状结构的聚甲基苯基硅氧烷的合成高分子化合物、和包含具有硅氧烷的交联结构的聚苯基倍半硅氧烷的合成高分子化合物。前者一般称为硅橡胶(Si橡胶)。在温度150℃以下，通过用这些合成高分子化合物的覆盖体覆盖整个半导体元件(半导体芯片)，从而能够保持较高的绝缘性。
虽然聚甲基苯基硅氧烷耐热性不那么高，但像Si功率半导体元件那样在结温度为150℃以下的范围内使用时，没有问题。但是，像使用宽禁带半导体材料SiC的半导体元件那样，在200℃以上的高温中使用时，就不能说具有充分的耐热性。当SiC半导体元件的温度达到200℃以上时，聚甲基苯基硅氧烷的覆盖体就失去柔软性。此外，在空气中，当达到250℃以上时，就玻璃化成为完全坚硬。因此，当SiC半导体元件的温度返回到室温时，在聚甲基苯基硅氧烷覆盖体的内部会发生许多裂纹。
此外，当被聚甲基苯基硅氧烷覆盖的元件在高温下长时间地在六氟化硫气体等惰性气体中工作时，将产生重量的减轻，并在元件表面附近发生空隙和裂纹。据推测这是由于聚甲基苯基硅氧烷的支链的甲基和苯基分解蒸发的缘故。当发生空隙和裂纹时，元件的表面保护将不完全，并且漏电流增大。进而，在发生裂纹时有时会损伤元件的钝化膜，其结果是，漏电流大幅度增加，有时甚至达到半导体元件击穿的情况。如上所述，聚甲基苯基硅氧烷虽然在低温下耐热性良好，但具有在高温下它的功能就丧失的缺点。
聚苯基倍半硅氧烷虽然耐热性突出，但很脆，容易产生裂纹，故难于制成较厚的膜。当使用聚苯基倍半硅氧烷时，在元件表面上涂覆数微米的厚度。但是，如果涂敷数微米的厚度，则耐电压受到限制，不能使用在3kV以上的高耐电压半导体装置中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用高耐电压且高耐热的物质来覆盖构成半导体装置的半导体元件而形成的高耐电压的宽禁带半导体装置。
本发明的半导体装置的特征在于用合成高分子化合物覆盖半导体元件以及用于将上述半导体元件与外部设备电气连接的电气连接装置的至少一部分。上述合成高分子化合物包含第1有机硅聚合物，它是从具有硅氧烷(Si-O-Si结合键)的交联结构的聚苯基倍半硅氧烷、聚甲基倍半硅氧烷、聚乙基倍半硅氧烷及聚丙基倍半硅氧烷组中选择的至少一种(以下，称为有机硅聚合物A)；和第2有机硅聚合物，它是从具有硅氧烷的线状连接结构的聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷及聚甲基苯基硅氧烷组中选择的至少一种(以下，称为有机硅聚合物B)。上述有机硅聚合物A与上述有机硅聚合物B通过硅氧烷键交替线状地连接形成了大型的第3有机硅聚合物。上述合成有机高分子化合物，以附加反应生成的共价键，立体地连接多个上述大型的第3有机硅聚合物，从而形成三维的立体结构。
有机硅聚合物A与有机硅聚合物B通过硅氧烷键交替线状地连接，构成分子量从2万至80万的大型的第3有机硅聚合物。多个该第3有机硅聚合物最好用亚烷基连接。
具有硅氧烷交联结构的有机硅聚合物A的电绝缘性与耐热性突出，具有高耐电压与高耐热性，但流动性非常差。
根据本发明，经具有硅氧烷的线状连接结构的有机硅聚合物B将有机硅聚合物A交替线状地连接。由此，不失去有机硅聚合物B具备的柔软性，又能够一面保持有机硅聚合物A的突出的耐热性，一面得到同时具备高耐热性与高耐电压性的合成高分子化合物。为了增高耐热性，增大有机硅聚合物A的分子量即可，但此时柔软性降低。此外，为了增高柔软性而增大有机硅聚合物B的分子量即可，但此时耐热性降低。有机硅聚合物A的较理想的分子量是从1千到10万，有机硅聚合物B的理想的分子量是从5千到20万。有机硅聚合物A的分子量最好比有机硅聚合物B的分子量小。
由于本发明中的合成高分子化合物键的大部分具有硅氧烷键，因此如上所述那样，具有高绝缘性，即高耐电压性能。本发明的合成高分子化合物与作为宽禁带半导体元件的钝化膜使用的二氧化硅和氮化硅等无机膜的亲和性极好，牢固地附着在钝化膜的表面上。进而，与SiC和GaN等宽禁带半导体的亲和性也极好，具有牢固地附着在半导体元件的表面上进行密封的较突出的粘接性。
具有由合成高分子化合物来覆盖并密封的宽禁带半导体元件的半导体装置具有较高的耐湿性，因而能够实现可靠性高的半导体装置，其中，该合成高分子化合物具有如上所述那样较突出的粘接性。该合成高分子化合物与SiC和GaN等宽禁带半导体的亲和性极好。例如，即使在钝化膜中存在针孔(pin hole)等缺陷部分导致宽禁带半导体露出的情况下，由于合成高分子化合物起到直接保护宽禁带半导体元件表面的钝化膜的作用，因此能够实现较高的可靠性。
有机硅聚合物B具有与Si橡胶大体相同的分子结构。因此，如在Si橡胶中迄今证实的那样，与钝化膜用的无机物、铜、铝及不锈钢等各种金属、环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂等各种树脂及各种玻璃等的粘接性极好，牢固地粘附在这些材料上。因此，该合成高分子化合物的表面保护膜能够牢固地而且没有空隙地密封粘附在半导体元件的金属电极或电气连接装置、支撑体等上。因此，能够实现具有较高的耐湿性，且具有高可靠性与高耐电压性能的半导体装置。
由于本发明中的合成高分子化合物大部分具有硅氧烷结构，因此对紫外线及可见光的透光性高。故能够用目视观察将合成高分子化合物涂敷到半导体元件或电气连接装置时的状况。例如，能够一面通过目视确认不存在气泡和空隙等，一面有效地进行涂敷作业。
在使用了本发明的合成高分子化合物的宽禁带发光功率半导体装置和宽禁带光耦合功率半导体装置中，即使在高温下也能够同时满足亦可保护半导体元件的高温高耐电压功能、以及在高温下亦可良好地透过光的高效率光耦合功能两者。
本发明的高耐热宽禁带半导体装置具有由合成高分子化合物覆盖半导体元件的上表面与侧面的结构。上述合成高分子化合物包含以至少具有硅氧烷(Si-O-Si结合键)的交联结构的聚倍半硅氧烷为主成分的有机硅聚合物A、和具有硅氧烷构成的线状连接结构的有机硅聚合物B。通过硅氧烷键交替线状地连接有机硅聚合物A与有机硅聚合物B，从而构成分子量从2万到80万的大型有机硅聚合物。
通过附加反应，该大型有机硅聚合物彼此之间以共价键连接，生成具有三维立体结构的合成高分子化合物。由于本结构的合成高分子化合物大多具有硅氧烷键，因而即使在高温下也具有高耐电压性，同时，与宽禁带半导体及作为其钝化膜使用的二氧化硅或氮化硅等无机膜的亲和性极好。因此，由于合成高分子化合物牢固地附着在半导体装置的元件表面上，所以能够实现半导体装置的高耐湿性，同时，能够实现在高温工作的情况下，可靠性较高的高耐电压性。
本发明其他的观点的半导体装置，具有在导热性良好的基板上安装的至少1个半导体元件、以及用于使上述半导体元件与外部设备电气连接的电气连接部。上述半导体元件与上述电气连接部的至少1部分用第1合成高分子化合物覆盖，该第1合成高分子化合物包含通过附加反应生成的共价键连接了多个第3有机硅聚合物并形成三维立体结构的化合物，其中，所述第3有机硅聚合物通过硅氧烷键连接具有硅氧烷(Si-O-Si结合键)的交联结构的至少1种的第1有机硅聚合物、和具有硅氧烷的线状连接结构的至少1种第2有机硅聚合物而形成。
上述半导体装置具有在上述基板上设置的硬质树脂制的容器，以便存放由上述合成高分子化合物覆盖的半导体元件及电气连接部。在上述容器内的间隙中填充以聚苯基倍半硅氧烷与聚二甲基硅氧烷为主成分的第2合成高分子化合物。上述容器中设置有向连接在上述电气连接部的上述容器的外侧导出的外部连接端子。
根据本发明，通过将至少1个半导体元件存放在容器中，从而上述半导体元件难于受到来自外部环境的影响。通过用合成高分子化合物覆盖半导体元件，从而能够得到较高的耐电压。此外，通过在容器内的间隙中填充比较柔软的合成高分子化合物，即使从外部向容器中施加冲击的情况下，内部的半导体元件和电气连接导体等也难于受到影响。通过将多个半导体元件存放在容器中实现模块化，从而能够提供使用上便利而且低成本的半导体装置。
图1是本发明第1实施例的SiC pn二极管装置的剖面图。
图2是本发明第2实施例的SiC-GTO晶闸管装置的剖面图。
图3是本发明第2实施例的SiC-GTO晶闸管元件的、与图2的纸面垂直的面的剖面图。
图4是本发明第4实施例的光耦合宽禁带功率半导体装置的剖面图。
图5是本发明第5实施例的SiC-GTO模块的剖面图。
图6是现有的SiC二极管装置的剖面图。
具体实施例方式
以下，参照图1至图5说明本发明的半导体装置的合适的实施例。在各图中，为了容易理解各要素的结构，图示的各要素的尺寸与实际的尺寸不对应。在各实施例中，所谓的「半导体装置」是指将半导体元件存放在封装内，用引线将半导体元件的各电极分别与电极端子相连接的装置。
第1实施例参照图1说明本发明第1实施例的高耐热半导体装置。
本发明第1实施例的半导体装置是高耐热且高耐电压的SiC(碳化硅)pn二极管。
图1是本发明第1实施例的耐电压为8kV的SiC pn二极管的剖面图。在图1中，SiC二极管元件13具有以下的结构。在厚度约为300μm的高杂质浓度的n型SiC的阴极区1的上表面，形成厚度约为90μm的低杂质浓度的n型SiC的漂移层2。在阴极区1的下表面形成阴极7。在漂移层2的中央区域，形成了形成主结的p型SiC的阳极区3。
在阳极区3中形成了金属的阳极6。在阳极区3的周围形成了p型的电场缓和区4。在包含阳极区3及电场缓和区4的SiC二极管元件13的上表面，形成了以二氧化硅层、氮化硅层、二氧化硅层的顺序层叠的3层结构的表面保护膜5。阳极6采用作为电气连接装置的金引线8与阳极端子9的上端9a连接。在图1中，仅仅图示了1条引线8，在流过引线8的电流较大的情况下，也可以与其值相对应地并联连接多条引线8。
阴极7保持电气连接地安装在金属的支撑体10上。阳极端子9与支撑体10通过高熔点的绝缘玻璃12一面保持绝缘一面固定。在支撑体10上连接了阴极端子11。阳极端子9与阴极端子11与外部装置等的布线相连接。在支撑体10的上表面设置金属制的管帽14，使之覆盖SiC二极管元件13及阳极端子9的上端9a，密闭包含SiC二极管元件13的空间15。设置合成高分子化合物的覆盖体16，使之覆盖空间15内的SiC二极管元件13及引线8的一部分。覆盖体16由包含作为第1有机硅聚合物(以下，称为有机硅聚合物A)的聚苯基倍半硅氧烷、并且包含作为第2有机硅聚合物(以下，称为有机硅聚合物B)的聚二甲基硅氧烷的透明合成高分子化合物形成。在空间15内封入氮气。
以下，说明本实施例的SiC pn二极管的制作方法的一个例子。在图1中，使用包含金硅的高温焊料，将预先制作的SiC二极管元件13焊接在支撑体10上表面的规定位置上。使用引线键合装置将直径80微米的金线(多个)的引线8两端分别连接在阳极6和阴极端子9的上端9a。
接着，涂敷上述合成高分子化合物形成覆盖体16，使之覆盖SiC二极管元件13的整个表面、以及引线8与阳极6的连接部附近。涂敷方法适合采用从具有规定直径的孔的喷嘴挤出规定量的合成高分子化合物的方法。
在涂敷后以200℃左右的温度下保持规定时间时，合成高分子化合物以具有某种程度的柔软性的状态固化。适当地调节合成高分子化合物的粘度，在将其涂敷时，如图1的覆盖体16所示那样，隆起成山状，能够以200μm以上的厚度没有空隙地覆盖整个SiC二极管元件13。如果粘度太高，则涂敷时SiC二极管元件13与覆盖体16之间往往会产生空隙。相反，当粘度太低时，不能隆起成山状，不能使覆盖体16的厚度达到200μm以上的希望厚度。
最后，在氮气气氛中，将金属管帽14安装焊接到支撑体10上，用氮气填充内部空间15，完成SiC pn二极管。
在本实施例的SiC pn二极管的阳极端子9与阴极端子11之间，施加使阴极端子11的电位增高的电压(反向电压)后，所测量的反向耐电压约为8.5kV。在Si的半导体装置中不能工作的例如300℃的高温中，也能够维持上述的反向耐电压。反向电压为8kV下的漏电流密度是5×10-5A/cm2以下。在本实施例的SiC pn二极管中，在250℃的高温气氛下、以200A/cm2的电流密度流过电流并进行了连续500小时的通电试验，实验结束后，在合成高分子化合物的覆盖体16中没有产生裂纹和变形。此外，也没有产生浑浊等使透明度恶化的情况。
通电时的正向电压是4.3V，在500小时的通电试验前后几乎没有变化。当500小时的连续通电试验结束后，在300℃的高温气氛中施加8kV的反向电压来测量漏电流，其电流密度是3×10-5A/cm2，与通电试验前的差很小。上述各实验后，将半导体装置分解并进行了目视观察。其结果是，确认出含有作为有机硅聚合物A的聚苯基倍半硅氧烷、并含有作为有机硅聚合物B的聚二甲基硅氧烷的合成高分子化合物的覆盖体16，不仅牢固地粘附在SiC二极管元件13的电场缓和区4的表面保护膜5的上表面，而且也牢固地粘附在SiC二极管元件13的侧面中露出的SiC层中。再有，成为SiC pn二极管工作速度的标准的反向恢复时间约为50纳秒，在上述实验前后没有发生变化。
根据本发明的第1实施例，用含有规定比例的上述有机硅聚合物A与上述有机硅聚合物B的合成高分子化合物覆盖SiC二极管元件13的周围。由此，能够得到与将SiC二极管元件13放置到六氟化硫气体气氛中的情况同等的绝缘性。即，实现了不使用对地球温暖化产生恶劣影响的有害物质六氟化硫气体，就能够获得具有高耐热性与高绝缘性的SiC pn二极管。
第2实施例本发明第2实施例的半导体装置是耐电压为5kV的SiC-GTO晶闸管(Gate Turn Off Thyristor可关断晶闸管)，图2表示其剖面图。图3是在垂直于纸面的面上切断图2中的GTO晶闸管元件20所得到的单元的一个剖面图。在实际的元件中，在图的左右方向上连接了多个图3所示的单元。在图2及图3中，在厚度约为320μm的高杂质浓度的n型SiC的阴极区21的上表面，设置了厚度约为3μm的p型SiC的缓冲层22。在阴极区21的下表面设置了阴极32。在缓冲层22上设置了厚度约60μm的低杂质浓度的p型SiC的漂移层23。在漂移层23的中央部依次形成厚度约为2μm的n型基区24和p型的阳极区25。
在n型基区24的周围形成n型的电场缓和区26。在GTO晶闸管元件20的表面上形成二氧化硅层、氮化硅层、二氧化硅层的3层结构的保护膜27。在p型阳极区25中形成阳极28。在该阳极28上的左侧区域形成第2层的阳极29，在右侧区域中通过绝缘膜30形成栅电极31。如图3所示，在n型的基区24中形成第1层的栅电极33，栅电极33用没有图示的连接部与栅电极31连接。
阳极29通过金引线34与阳极端子35的上端35a连接。栅电极31通过金引线36与栅端子37的上端37a连接。引线34、36及阳极端子35及栅端子37是电气连接装置。阴极32安装在具有阴极端子39的金属支撑体38上。通常，GTO晶闸管元件20的阴极32使用金硅的高温焊料焊接在支撑体38上。阳极端子35及栅端子37一面用各自的高熔点绝缘玻璃40及41保持与支撑体38之间的绝缘，一面贯通支撑体38而固定。
涂敷合成高分子化合物的覆盖体42，使之覆盖整个GTO晶闸管元件20以及引线34、36的与GTO晶闸管元件20的连接部附近。覆盖体42是含有作为有机硅聚合物A的聚甲基硅倍半氧烷、并含有作为有机硅聚合物B的聚甲基苯基硅氧烷的合成高分子化合物。最后，在氮气气氛中将金属管帽43安装在支撑体38中，通过焊接完成在内部空间44中封入氮气的SiC-GTO晶闸管装置。
引线34、36是直径80微米的金线，使用引线键合装置分别安装在阳极29与阳极端子35之间以及栅电极31与栅端子37之间。在图2中分别图示了1条引线34、36，但引线34、36也可以根据流过引线34、36的各电流值而并联连接多条。
在本第2实施例的SiC-GTO晶闸管装置中，在正方向上施加5kV电压，使得阳极端子35的电位成为比阴极端子39高的电位，当使栅端子37的电位与阳极端子35相等时，维持电流不流通的关断状态，并得到5kV的耐电压。
接着，在该关断状态下，使栅端子37的电位成为比阳极端子35低的电位，当从阳极端子35向栅端子37流过栅电流时，SiC-GTO晶闸管装置成为导通状态，在阳极端子35与阴极端子39之间流过电流。进而，在导通状态下，当使栅极端子37的电位成为比阳极端子35更高的电位时，在阳极端子35与阴极端子39之间流过的电流从栅极端子37转流到阴极端子39之间，成为关断状态。这时的阳极端子35与阴极端子39之间的电压是反向耐电压。
具体地说，在阴极端子39上施加负的电压，以阳极端子35为基准在栅端子37上施加内建电压(built-in voltage)以上的电压时，SiC-GTO晶闸管装置导通。这时，由于电子从阴极区22注入到漂移层23内，产生电导率调制，导通电阻大幅度降低。在SiC-GTO晶闸管导通的状态下，当使栅端子37的电位比阳极端子35的电位更高时，流过阳极端子35与阴极端子39之间的一部分电流，能够从栅端子37抽出，使GTO晶闸管成为关断状态。
本第2实施例的SiC-GTO晶闸管装置的反向耐电压约为5.8kV，即使在250℃的高温气氛中，也能够维持该反向耐电压。反向耐电压为5kV下的漏电流密度是3×10-4A/cm2以下为好，对本实施例的SiC-GTO晶闸管装置进行了以下的第1及第2工作试验。
在第1工作试验中，一面在本实施例的SiC-GTO晶闸管装置中以200A/cm2的电流密度流过电流，一面使之在250℃的高温气氛中连续工作200小时。再有，在迄今所有的硅的GTO晶闸管中，如果元件温度是250℃，则不能工作。此外，在5kV级的硅GTO晶闸管中，制作电流密度为200A/cm2的装置是困难的。
此外，在第2工作试验中，一面以上述电流密度流过电流，一面在气温80℃、湿度85％的高温高湿度的气氛中连续工作200小时。在上述第1及第2工作试验结束后，分解该SiC-GTO晶闸管装置并进行了调查，合成高分子化合物覆盖体42没有产生变形、裂纹或浑浊。
上述第1工作试验刚刚开始之后的SiC-GTO晶闸管的正向电压是4.3V。在第1及第2工作试验结束后，在与上述第1工作试验相同条件下测量了正向电压，其测量值与第1工作试验开始时的值几乎没有变化，其差处于测量误差的范围内。
在第1及第2工作试验结束后，施加反方向的电压为5kV时的漏电流密度在250℃下是5×10-4A/cm2以下，仅仅是微小的变化。接通时间是0.5微秒，断开时间是0.8微秒。该开关时间在上述第1及第2工作试验的前后没有看到变化。再有，本实施例的SiC-GTO晶闸管的接通时间及断开时间，是耐压为6kV的现有的硅GTO晶闸管的约20分之一。
对涂敷在GTO晶闸管元件20上的本实施例的合成高分子化合物粘附到GTO晶闸管元件20等上的粘附状态进行了调查，结果是，合成高分子化合物亦牢固地粘附在GTO晶闸管元件20的电场缓和区26上的保护膜27及侧面的SiC露出面上。
第3实施例本发明第3实施例的半导体装置是光耦合宽禁带功率半导体装置，图4示出其剖面图。在该图中，使用耐电压3kV、电流容量为200A的GaN(氮化镓)-npn双极晶体管51作为具有发光功能的主功率半导体元件。使用SiC光电二极管52作为光接收元件。SiC光电二极管52与GaN-npn双极晶体管51对置地设置在同一封装内。
在图4所示的GaN-npn双极晶体管51中，在厚度约300μm的高杂质浓度的n型GaN的集电区53的上表面依次形成厚度约1.7μm的p型GaN基区54，在其上形成厚度约3μm的高杂质浓度的n型发射区55。在GaN集电区53的下表面设置集电极66。在GaN基区54周围的集电区53内形成n型的电场缓和区56。在GaN基区54的右端部设置了金属的基极电极58。在n型发射区55上，设置了具有发光窗60的金属的发射极59。在GaN集电区53及电场缓和区56上，形成了氮化硅层与二氧化硅层2层结构的表面保护膜57。
基极58通过金引线61与基极端子62连接。发射极59通过金引线63、64与发射极端子65连接。集电极66安装在具有集电极端子68的金属的支撑体67上。引线61、63、64、73、76及发射极端子65、基极端子62、集电极端子68、阳极端子74及阴极端子77是电气连接装置。引线61、63、64、73、76根据流过各自的电流值，可以使用分别将多条线并联连接的方式。
SiC光电二极管52的光接收部80通过氮化铝等的绝缘板71粘接在管帽70的内侧面中，使之与GaN-npn双极晶体管51的发光窗60对置。SiC光电二极管52的阳极72通过金引线73与金属的阳极端子74连接。阴极75通过金引线76与阴极端子77连接。
阳极端子74与阴极端子77分别与外部引线相连接。阳极端子74及阴极端子77通过高熔点绝缘玻璃78、79固定在管帽70的贯通孔中。用覆盖体81覆盖GaN-npn双极晶体管51、SiC光电二极管52、引线61、63、64、73、76、基极端子62的端部以及发射极端子65的端部。覆盖体81是含有作为有机硅聚合物A的聚甲基硅倍半氧烷、含有作为有机硅聚合物B的聚二甲基硅氧烷的合成高分子化合物。
以下，说明本第3实施例的光耦合宽禁带功率半导体装置的制作方法的一个例子。使用金硅的高熔点焊料将预先制作的GaN-npn双极晶体管51焊接在支撑体67的规定位置中。使用引线键合装置用2条直径为80微米的金引线63、64连接发射极59与发射极端子65。用金引线61连接基极电极58与基极端子62。很厚地涂敷固化后成为覆盖体81的固化前的合成高分子化合物材料，使之包围GaN-npn双极晶体管元件51。
使用金硅的高熔点焊料通过氮化铝绝缘板71，将预先制作的SiC光电二极管52焊接在金属管帽70的内侧面中。接着，使用引线键合装置，用直径80微米的金引线73连接阳极72与阳极端子74。此外，用金引线76将阴极75与阴极端子77相连接。接着，很厚地涂敷固化前的合成高分子化合物材料，使之包围SiC光电二极管52、引线73、76与SiC光电二极管52的连接部附近。最后，将金属管帽70与支撑体67组合，使得SiC光电二极管52的光接收部80与GaN-npn双极晶体管51的发光窗60对置，而且，包围两者的各合成高分子化合物材料相连接，在氮气气氛中进行焊接。由此，各合成高分子化合物材料连接并一体化，成为图4所示的覆盖体81的形状。然后，在规定的温度中进行加热使合成高分子化合物固化成具有一定程度的柔软性的状态。
接着，表示第3实施例的光耦合宽禁带功率半导体装置的工作的一个例子。首先，使GaN-npn双极晶体管51的集电极端子68的电位比发射极端子65的电位高，成为正向偏置状态。而且，当使基极端子62的电位与发射极端子65相等时，维持没有电流流过的关断状态。耐电压是3kV，实现了高耐电压。SiC光电二极管52使阳极端子74的电位为比阴极端子77更低，成为反向偏置状态。
导通关断驱动按照如下方式进行。使基极端子62的电位比发射极端子65的电位更高，从基极端子62向发射极端子65流过基极电流。由此，电子从发射极59注入，GaN-npn双极晶体管51成为导通状态，产生波长约390～570nm之间的光50。用SiC光电二极管52接收该光50，在阳极端子74与阴极端子77之间流过与光通量对应量的光电流。
在GaN-npn双极晶体管51处于导通状态时，当基极端子62的电位成为与发射极端子65相同的电位或者低电位时，电子的注入停止，流过集电极66与发射极电极59之间的电流被切断，停止发光。SiC光电二极管52由于光消失因而光电流消失，成为关断状态。
本实施例的GaN-npn双极晶体管51的耐电压约3.5kV，即使在250℃的高温中也能够维持该耐电压。在3kV下的漏电流密度为2×10-4A/cm2以下，是良好的。此外，GaN-npn双极晶体管51与SiC光电二极管52之间的绝缘耐压是5kV以上，在5kV时的漏电流是1×10-5A/cm2以下。即使在温度250℃进行连续1000小时的电压施加试验后，漏电流的增加也是测量误差范围内的微小的值。尽管具有3kV以上的高耐电压，也能够流过150A/cm2的高电流密度的电流。此外，即使在200℃的高温气氛中进行500小时连续通电后，合成高分子化合物的覆盖体81也没有产生变形、裂纹或浑浊。
此外，即使在温度80℃湿度85％的高温高湿气氛中进行200小时的通电后，合成高分子化合物的覆盖体81也没有产生变形、裂纹或浑浊。在温度200℃、电流密度150A/cm2下，通电时的正向电压是5.3V，试验前后的变化是处于测量误差范围内的很小的值。在上述试验后，在施加3kV的导电压时的漏电流密度在250℃下是3×10-4A/cm2以下，与试验前相比几乎没有变化。进行了断裂试验后，其结果为含有作为有机硅聚合物A的聚乙基硅倍半氧烷，并含有作为有机硅聚合物B的聚二甲基硅氧烷的合成高分子化合物的覆盖体81，也牢固地粘附在GaN-npn双极晶体管51的侧面中露出的GaN上。再有，接通时间是0.09微秒，断开时间是0.15微秒，较高速，该开关时间在试验前后也没有看到变化。
第4实施例本发明的第4实施例的高耐热半导体装置是模制型的SiC-GTO模块，在1个封装内组装进SiC-GTO元件与SiC光电二极管。图5是其主要部分的剖面图。SiC-GTO元件20是在第2实施例中描述的耐电压为5kV的元件。SiC二极管元件13除了耐压设计在5kV这一点之外，其他具有与第1实施例所描述的元件同样的结构。
在图5中，在实施了镍电镀后的热传导性良好的铜基板101的面上，分别通过高温焊料115、117每隔规定的距离粘接例如氮化铝制的2个绝缘基板116及118。
在绝缘基板116上，用铜箔的图形形成了内部布线120、121及122。在内部布线121上通过高温焊料粘接了SiC-GTO元件20的阴极32。SiC-GTO元件的阳极29通过作为电气连接部的引线34与内部布线120连接。此外，SiC-GTO元件20的栅电极31通过作为电气连接部的引线36与内部布线122连接。
在绝缘基板118上，用铜箔的图形形成内部布线125及126。在内部布线126中用高温焊料粘接SiC二极管元件13的阴极7。SiC二极管元件13的阳极6通过作为电气连接部的引线8与内部布线125连接。
涂敷第1合成高分子化合物的树脂形成覆盖体130，使之覆盖SiC-GTO元件20、引线34、36及内部布线120、122的大部分。同样地，涂敷合成高分子化合物的树脂形成覆盖体131，使之覆盖SiC二极管元件13、引线8及内部布线125、126的大部分。合成高分子化合物的覆盖体130、131是与第2实施例同样的含有以聚甲基倍半硅氧烷与聚甲基苯基硅氧烷为主成分的合成高分子化合物。在覆盖体130、131固化后，安装包含以铜基板101为结构要素，安装在铜基板101上、用于构成封装(容器或者外围器)的环氧树脂等硬质树脂制的牢固的框架102。在框架102的上部，安装同样的环氧树脂制的牢固的盖105，形成封装。
将框架102及盖105安装到铜基板101上的安装方法使用螺丝等进行安装，或者通过粘接剂进行粘接。框架102及盖105例如是使用咪唑作为固化剂的环氧树脂，玻璃转移温度约为325℃。在盖105中，设置了端子板107。端子板107包括具有内螺纹的阳极端子110、阴极端子111及栅极端子112和备用端子113。与SiC-GTO元件20的阳极29连接的内部布线120经过铝等的连接线141以及通过盖105与端子板107之间的在图中看不见的导体，与阳极端子110连接。与SiC-GTO元件20的阴极32连接的内部布线121，通过图示中省略的导体与阴极端子111连接。SiC-GTO元件20的栅极电极31所连接的内部布线122，经过铝等的连接线142以及在图中看不见的导体与栅端子112连接。
与SiC二极管元件13的阳极6连接的内部布线125，经铝的连接线143以及在图中看不见的导体与阴极端子111连接。与SiC二极管元件13的阴极7连接的内部布线126，经铝等的连接线144以及在图中看不见的导体与阳极端子110连接。
由铜基板101、框架102及盖105形成的封装内的缝隙中，填充凝胶状的第2合成高分子化合物的填充材料165。填充材料165是含有聚苯基倍半硅氧烷与聚二甲基硅氧烷为主成分的合成高分子化合物。填充材料165具有缓冲剂的功能，防止由于从外部施加在模块160上的机械冲击使内部的元件发生振动。因此，填充材料165的聚二甲基硅氧烷是具有比合成高分子化合物的覆盖体130、131的聚甲基苯基硅氧烷更长的分子结构的高分子，因而较柔软。
通过上述结构，SiC-GTO元件20与SiC二极管元件13在封装内反向并联连接，得到具有导出到外部的阳极端子110、阴极端子111及栅极端子112的模块160。
本实施例的SiC-GTO模块160的耐电压约为5.7kV，即使在Si的GTO模块中不能工作的250℃的高温中，也能够维持上述的耐电压。5kV时的漏电流密度是2×10-4A/cm2以下，较为良好。此外，采用在3kV以上的高耐电压的Si二极管中难于通电的200A/cm2的高电流密度的电流，在250℃的高温空气气氛中使本实施例的SiC-GTO模块160中通电，使之工作200小时，在覆盖体130、131、165中没有发生裂纹和变形等异常情况。在温度为250℃、电流密度为200A/cm2下进行通电时的正向电压为4.3V，工作200小时前后的变化处于测量误差范围内，几乎没有变化。
此外，工作后的5kV时的漏电流密度在250℃下是3×10-4A/cm2以下，几乎没有变化。此外，工作200小时后的5kV的漏电流密度在温度250℃下是3×10-4A/cm2以下，前后几乎没有变化。这是由于含有作为有机硅聚合物A的聚二甲基硅倍半氧烷，并含有作为有机硅聚合物B的聚二苯甲基硅氧烷的合成高分子化合物的覆盖体130、131不仅与SiC-GTO元件和二极管元件各自的钝化膜牢固地粘接，而且也与露出的元件侧面牢固地粘接的缘故。SiC-GTO元件20的接通时间是0.4微秒，关断时间是0.7微秒。由于该关断时间是耐电压6kV的硅GTO元件的1/20以下，因而工作是高速的。即使在该接通-关断时间中，也没有看到经时变化。
以上，说明了从第1到第4共4个实施例，本发明能够覆盖更多的应用范围或者派生结构。本发明例如也能够应用于宽禁带半导体元件的MOSFET或结型FET、SIT或GBT、MOS晶闸管等。进而，也能够适用于高频高功率输出的MESFET或横向MOSFET及结型FET、HEMT的肖特基二极管、JBS(Junction Barrier controlled Schottky结势垒可控肖特基)二极管等。
在上述各实施例中，仅仅就使用了SiC或GaN的元件或光接收元件的情况进行了叙述，本发明也适用于使用其他宽禁带半导体材料的元件中。特别是，也能够有效地适用于金刚石、磷化镓宽禁带半导体材料的元件中。
此外，当然也能够适用于将各半导体区的极性的n型反转成p型、将p型反转为n型的半导体装置。
有机硅聚合物A，除了上述的聚苯基倍半硅氧烷、聚甲基倍半硅氧烷、及聚乙基倍半硅氧烷以外，可以是聚丙基倍半硅氧烷，也可以是包含这些聚硅氧烷(Polyquioxanes)的2种以上的合成高分子化合物。进而，有机硅聚合物B不仅是上述的聚二甲基硅氧烷或聚二苯基硅氧烷，也可以是聚二乙基硅氧烷、聚苯甲基硅氧烷，也可以是包含这些聚硅氧烷2种以上的合成高分子化合物。
在第1及第2实施例中，就使用了金属管帽43、70的TO型半导体装置进行了说明，但本发明也能够适用于不是金属管帽的高耐热树脂管帽的半导体装置。此外，半导体装置的结构也可以是TO型以外的，柱型或平型、使用了高耐热树脂的SIP型、在Si的功率模块中通常使用的模制型的结构。在第3实施例中例示了光耦合半导体装置，但也能够同样地适用于仅仅具有发光半导体元件的半导体装置，或者仅仅具有接收光半导体元件的半导体装置中。
第4实施例的模制型模块的合成高分子化合物外围器也可以使用耐热性高的其他的环氧树脂，例如使用了酚醛树脂作为固化剂的环氧树脂和Kevlar树脂(商标)等。此外，包含在合成高分子化合物填充材料中的有机硅聚合物B的聚二甲基硅氧烷也可以是聚二苯基硅氧烷或聚二乙基硅氧烷、聚苯甲基硅氧烷，也可以是含有这些聚硅氧烷2种以上的合成高分子化合物。进而，合成高分子化合物填充材料也可以是不含有有机硅聚合物A，而仅仅含有有机硅聚合物B的合成高分子化合物。
本发明能够应用在高耐电压且高耐热的宽禁带半导体装置中。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1.一种半导体装置，具有覆盖半导体元件、以及用于将半导体元件电气连接到外部设备上的电气连接装置的至少一部分的合成高分子化合物，其特征在于所述合成高分子化合物包含由通过附加反应生成的共价键连接多个分子量从2万到80万的第3有机硅聚合物，从而形成为三维立体结构的化合物，其中，所述第3有机硅聚合物通过硅氧烷键连接了至少1种具有硅氧烷(Si-O-Si结合键)的交联结构的第1有机硅聚合物、以及至少1种具有硅氧烷的线状连接结构的第2有机硅聚合物而形成。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于所述合成高分子化合物包含由通过附加反应生成的共价键连接多个所述第3有机硅聚合物，从而形成为三维立体结构的化合物，其中，通过硅氧烷键交替线状地连接具有硅氧烷的交联结构的第1有机硅聚合物、以及具有硅氧烷的线状连接结构的第2有机硅聚合物，从而构成分子量从2万到80万的第3有机硅聚合物。
3.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于所述半导体元件是使用了宽禁带半导体的SiC半导体元件及GaN半导体元件的任意一者；所述第1有机硅聚合物是从聚苯基倍半硅氧烷、聚甲基倍半硅氧烷、聚乙基倍半硅氧烷及聚丙基倍半硅氧烷组中选择的至少一种；所述第2有机硅聚合物是从聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷及聚甲基苯基硅氧烷组中选择的至少一种。
4.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于所述半导体元件是宽禁带半导体光接收元件与宽禁带半导体发光元件的任意一者或者组合了两者的元件；所述第1有机硅聚合物是从聚苯基倍半硅氧烷、聚甲基倍半硅氧烷、聚乙基倍半硅氧烷及聚丙基倍半硅氧烷组中选择的至少一种；所述第2有机硅聚合物是从聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷及聚甲基苯基硅氧烷组中选择的至少一种。
5.一种半导体装置，其特征在于，具有在导热性良好的基板上安装的至少1个半导体元件；
用于使所述半导体元件与外部设备电气连接的电气连接部；第1合成高分子化合物，包含由通过附加反应生成的共价键连接多个所述第3有机硅聚合物，从而形成为三维立体结构的化合物，其中，所述第3有机硅聚合物通过硅氧烷键连接了覆盖所述半导体元件与所述电气连接部的至少1部分的具有硅氧烷(Si-O-Si结合键)的交联结构的至少1种第1有机硅聚合物、以及具有硅氧烷的线状连接结构的至少1种第2有机硅聚合物而形成；硬质树脂制的容器，设置在所述基板上以便存放由所述合成高分子化合物覆盖的半导体元件及电气连接部；第2合成高分子化合物，填充在所述容器内的间隙中、并以聚苯基倍半硅氧烷和聚二甲基硅氧烷为主成分；以及外部连接端子，与所述电气连接部连接，并且向所述容器的外部导出。
6.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于所述第1合成高分子化合物包含由通过附加反应生成的共价键连接多个所述第3有机硅聚合物，从而形成为三维立体结构的化合物，其中，通过硅氧烷键交替线状地连接具有硅氧烷的交联结构的第1有机硅聚合物、以及具有硅氧烷的线状连接结构的第2有机硅聚合物，从而构成第3有机硅聚合物。
7.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于所述半导体元件是使用了宽禁带半导体的SiC半导体元件及GaN半导体元件的任意一者；所述第1有机硅聚合物是从聚苯基倍半硅氧烷、聚甲基倍半硅氧烷、聚乙基倍半硅氧烷及聚丙基倍半硅氧烷组中选择的至少一种；所述第2有机硅聚合物是从聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷及聚甲基苯基硅氧烷组中选择的至少一种。
8.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于所述半导体元件是SiC-GTO元件与SiC二极管元件，并且在所述容器内通过所述电气连接部反向并联连接。
9.如权利要求1至4中任何一项所述的半导体装置，其特征在于所述第1有机硅聚合物的分子量比所述第2有机硅聚合物的分子量小。
10.如权利要求5至7中任何一项所述的半导体装置，其特征在于所述第1有机硅聚合物的分子量比所述第2有机硅聚合物的分子量小。
权利要求
1.一种半导体装置，具有覆盖半导体元件、以及用于将半导体元件电气连接到外部设备的电气连接装置的至少一部分的合成高分子化合物，其特征在于所述合成高分子化合物包含由通过附加反应生成的共价键连接多个第3有机硅聚合物，从而形成为三维立体结构的化合物，其中，所述第3有机硅聚合物通过硅氧烷键连接了至少1种具有硅氧烷(Si-O-Si结合键)的交联结构的第1有机硅聚合物、以及至少1种具有硅氧烷的线状连接结构的第2有机硅聚合物而形成。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于所述合成高分子化合物包含由通过附加反应生成的共价键连接多个所述第3有机硅聚合物，从而形成为三维立体结构的化合物，其中，通过硅氧烷键交替线状地连接具有硅氧烷的交联结构的第1有机硅聚合物、和具有硅氧烷的线状连接结构的第2有机硅聚合物，从而构成第3有机硅聚合物。
3.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于所述半导体元件是使用了宽禁带半导体的SiC半导体元件及GaN半导体元件的任意一者；所述第1有机硅聚合物是从聚苯基倍半硅氧烷、聚甲基倍半硅氧烷、聚乙基倍半硅氧烷及聚丙基倍半硅氧烷组中选择的至少一种；所述第2有机硅聚合物是从聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷及聚甲基苯基硅氧烷组中选择的至少一种。
4.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于所述半导体元件是宽禁带半导体光接收元件与宽禁带半导体发光元件的任意一者或者组合了两者的元件；所述第1有机硅聚合物是从聚苯基倍半硅氧烷、聚甲基倍半硅氧烷、聚乙基倍半硅氧烷及聚丙基倍半硅氧烷组中选择的至少一种；所述第2有机硅聚合物是从聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷及聚甲基苯基硅氧烷组中选择的至少一种。
5.一种半导体装置，其特征在于，具有在导热性良好的基板上安装的至少1个半导体元件；用于使所述半导体元件与外部设备电气连接的电气连接部；第1合成高分子化合物，包含由通过附加反应生成的共价键连接多个所述第3有机硅聚合物，从而形成为三维立体结构的化合物，其中，所述第3有机硅聚合物通过硅氧烷键连接了覆盖所述半导体元件与所述电气连接部的至少一部分的具有硅氧烷(Si-O-Si结合键)的交联结构的至少1种第1有机硅聚合物、以及具有硅氧烷的线状连接结构的至少1种第2有机硅聚合物而形成；硬质树脂制的容器，设置在所述基板上以便存放由所述合成高分子化合物覆盖的半导体元件及电气连接部；第2合成高分子化合物，填充在所述容器内的间隙中、并以聚苯基倍半硅氧烷与聚二甲基硅氧烷为主成分；以及外部连接端子，与所述电气连接部连接，并向所述容器的外部导出。
6.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于所述第1合成高分子化合物包含由通过附加反应生成的共价键连接多个所述第3有机硅聚合物，从而形成为三维立体结构的化合物，其中，通过硅氧烷键交替线状地连接具有硅氧烷的交联结构的第1有机硅聚合物、以及具有硅氧烷的线状连接结构的第2有机硅聚合物，从而构成第3有机硅聚合物。
7.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于所述半导体元件是使用了宽禁带半导体的SiC半导体元件及GaN半导体元件的任意一者；所述第1有机硅聚合物是从聚苯基倍半硅氧烷、聚甲基倍半硅氧烷、聚乙基倍半硅氧烷及聚丙基倍半硅氧烷组中选择的至少一种；所述第2有机硅聚合物是从聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷及聚甲基苯基硅氧烷组中选择的至少一种。
8.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于所述半导体元件是SiC-GTO元件与SiC二极管元件，并且在所述容器内通过所述电气连接部反向并联连接。
全文摘要
在150℃以上的高温中使用的SiC等宽禁带半导体装置中，为了改善半导体元件的绝缘性，得到高耐电压的宽禁带半导体装置，而采用合成高分子化合物来覆盖宽禁带半导体元件的外表面，这种合成高分子化合物通过附加反应生成的共价键使有机硅聚合物C彼此之间连接，形成三维立体结构，其中，所述有机硅聚合物C通过硅氧烷键连接了具有硅氧烷(Si－O－Si结合键)的交联结构的1种以上的有机硅聚合物A、以及具有硅氧烷的线状连接结构的1种以上的有机硅聚合物B而形成。
文档编号H01L31/12GK1830080SQ200480022160
公开日2006年9月6日 申请日期2004年7月20日 优先权日2003年7月30日
发明者菅原良孝 申请人:关西电力株式会社