JP2009253004A - Semiconductor element, semiconductor device, and method of driving the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子と半導体装置とその駆動方法に関する。特に、同一の半導体基板にIGBT素子領域とダイオード素子領域が混在している半導体素子と、その半導体素子とその半導体素子を制御する回路を備えている半導体装置と、その半導体素子およびその半導体装置を駆動する方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor element, a semiconductor device, and a driving method thereof. In particular, a semiconductor element in which an IGBT element region and a diode element region are mixed on the same semiconductor substrate, a semiconductor device including the semiconductor element and a circuit for controlling the semiconductor element, the semiconductor element, and the semiconductor device It relates to a method of driving.
同一の半導体基板にIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)素子領域とダイオード素子領域が混在している構造を備えている逆導通IGBTが知られている。ダイオード素子領域では、IGBT素子領域に流れる電流と逆方向に電流を流すダイオード構造が形成されており、逆方向のサージ耐量を向上することができる。 A reverse conducting IGBT having a structure in which an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) element region and a diode element region are mixed on the same semiconductor substrate is known. In the diode element region, a diode structure is formed in which a current flows in a direction opposite to the current flowing in the IGBT element region, and the surge resistance in the reverse direction can be improved.
特許文献1に、逆導通IGBTの従来例が記載されている。図5に、その逆導通IGBT400の断面図を示す。
逆導通IGBT400では、同一の半導体基板58内にIGBT素子領域74とダイオード素子領域76が混在している。逆導通IGBT400は、半導体基板58の中間深さをIGBT素子領域74とダイオード素子領域76に亘って伸びているn−型のドリフト層52を備えている。逆導通IGBT400は、IGBT素子領域74のドリフト層52の裏面に接しているp+型のIGBT裏面層72と、ダイオード素子領域76のドリフト層52の裏面に接しているn+型のダイオード裏面層68を備えている。逆導通IGBT400は、半導体基板58の表面に沿って形成されているとともにIGBT素子領域74とダイオード素子領域76に亘って伸びているp型の表面層54を備えている。
Patent Document 1 describes a conventional example of a reverse conducting IGBT. FIG. 5 shows a cross-sectional view of the
In the
逆導通IGBT400は、表面層54の表面の一部に形成されているn+型のn型高濃度領域60a、60bを備えている。n型高濃度領域60a、60bは、通常のIGBTにおけるエミッタ領域に相当する。逆導通IGBT400は、半導体基板58の表面から表面層54を貫通してドリフト層52に達しているトレンチゲート電極群56a、56bを備えている。逆導通IGBT400は、n型高濃度領域60a、60bに接しているとともにトレンチゲート電極群56a、56bから絶縁されている表面電極64と、IGBT裏面層72とダイオード裏面層68の裏面に形成されている裏面電極70を備えている。逆導通IGBT400は、ドリフト層52の上面と表面層54の下面に接しているとともに隣接するトレンチゲート電極56a、56b間に亘って形成されているn型の第2ドリフト層66を備えている。第2ドリフト層66は、トレンチゲート電極群56a、56bの外壁を覆うゲート絶縁膜59a、59bに接している。
The reverse conducting IGBT 400 includes n + -type n-type
逆導通IGBT400では、IGBT素子領域74をオンするときに、トレンチゲート電極56a、56bに所定の電圧を印加する。表面層54内にチャネルが形成され、表面電極64からドリフト層52、66に電子が注入されるとともにIGBT裏面層72からドリフト層52、66に正孔が注入され、ドリフト層52、66で伝導度変調現象が生じてIGBT素子領域74に、裏面電極70から表面電極64に向かう電流が流れる。
In the
逆導通IGBT400では、表面層54の直下にドリフト層52よりもn型不純物濃度の高い第2ドリフト層66が形成されていることによって、表面層54と第2ドリフト層66の間にポテンシャル障壁が形成される。IGBT素子領域74をオンするときにコレクタ層68からドリフト層52、66注入された正孔は、このポテンシャル障壁によって流動が妨げられる。その結果、ドリフト層52内に正孔が蓄積されて、逆導通IGBT400のオン電圧が低減される。
In the reverse conducting IGBT 400, the
しかしながら、上記の逆導通IGBT400によると、第2ドリフト層66のn型不純物濃度を上げることによって、第2ドリフト層66とp型の表面層54の間で電界強度が高くなる。その結果、表面電極64と裏面電極70の間の耐圧が低下する。逆導通IGBT400では、第2ドリフト層66が形成されていることによって耐圧が低下してしまう。
However, according to the reverse conducting IGBT 400 described above, increasing the n-type impurity concentration of the
本発明は、上記の課題を解決する。すなわち本発明は、IGBTのターンオフ時にダイオードにフリーホイール電流が流れる逆導通IGBTであって、耐圧を低下させることなくオン電圧を低減することができる半導体素子を提供することを目的とする。また、そのような逆導通IGBTを制御する回路を備えている半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above problems. That is, an object of the present invention is to provide a semiconductor element that is a reverse conducting IGBT in which a freewheel current flows through a diode when the IGBT is turned off, and can reduce an on-voltage without lowering a withstand voltage. It is another object of the present invention to provide a semiconductor device including a circuit for controlling such a reverse conducting IGBT.
本発明は、同一の半導体基板にIGBT素子領域とダイオード素子領域が混在している半導体素子に関する。
本発明の半導体素子は、半導体基板の中間深さをIGBT素子領域からダイオード素子領域に亘って伸びている第1導電型のドリフト層を備えている。このドリフト層は、ダイオード素子領域ではカソード層とアノード層の中間に位置している不純物低濃度層であって、ダイオードの耐圧を向上させる層を形成する。
本発明の半導体素子は、IGBT素子領域のドリフト層の裏面に接している第2導電型のIGBT裏面層と、ダイオード素子領域のドリフト層の裏面に接している第1導電型のダイオード裏面層を備えている。例えば、第1導電型がn型のとき、第2導電型はp型となる。この場合、IGBT裏面層は、通常のIGBTにおけるコレクタ層に相当し、ダイオード裏面層は、通常のダイオードにおけるカソード層に相当する。
The present invention relates to a semiconductor element in which an IGBT element region and a diode element region are mixed on the same semiconductor substrate.
The semiconductor element of the present invention includes a drift layer of a first conductivity type that extends an intermediate depth of the semiconductor substrate from the IGBT element region to the diode element region. This drift layer is a low impurity concentration layer located between the cathode layer and the anode layer in the diode element region, and forms a layer that improves the breakdown voltage of the diode.
The semiconductor element of the present invention includes a second conductivity type IGBT back surface layer in contact with the back surface of the drift layer in the IGBT element region and a first conductivity type diode back surface layer in contact with the back surface of the drift layer in the diode element region. I have. For example, when the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type. In this case, the IGBT back surface layer corresponds to a collector layer in a normal IGBT, and the diode back surface layer corresponds to a cathode layer in a normal diode.
本発明の半導体素子は、ドリフト層の表面に接しているとともにIGBT素子領域からダイオード素子領域に亘って伸びている第2導電型の表面層を備えている。IGBT素子領域内の表面層は、通常のIGBTにおけるボディ層に相当する。
本発明の半導体素子は、半導体基板の表面から表面層を貫通してドリフト層に達しているとともにIGBT素子領域からダイオード素子領域に亘って繰返して形成されているトレンチゲート電極群を備えている。
本発明の半導体素子は、表面層の中間深さに形成されているとともに少なくともIGBT素子領域とダイオード素子領域の境界を介して隣接するトレンチゲート電極間に亘って形成されている第1導電型のフローティング層を備えている。フローティング層は、トレンチゲート電極の外壁を覆うゲート絶縁膜に接しているととともに表面層の一部によってドリフト層から隔てられている。
The semiconductor element of the present invention includes a surface layer of a second conductivity type that is in contact with the surface of the drift layer and extends from the IGBT element region to the diode element region. The surface layer in the IGBT element region corresponds to a body layer in a normal IGBT.
The semiconductor element of the present invention includes a trench gate electrode group that extends from the surface of the semiconductor substrate through the surface layer to the drift layer and is repeatedly formed from the IGBT element region to the diode element region.
The semiconductor element of the present invention is formed at an intermediate depth of the surface layer and has a first conductivity type formed at least between adjacent trench gate electrodes via a boundary between the IGBT element region and the diode element region. It has a floating layer. The floating layer is in contact with the gate insulating film covering the outer wall of the trench gate electrode and is separated from the drift layer by a part of the surface layer.
本発明の半導体素子によると、IGBT素子領域のオフ時に、少なくともダイオード素子領域のトレンチゲート電極群に、IGBT素子領域のオン時とは逆の極性の電圧を印加することによって、フローティング層内のゲート絶縁膜近傍でフローティング層を反転させて、表面層と同じ導電型にすることができる。表面層とフローティング層を同じ導電型にすることによって、ゲート絶縁膜近傍では、表面層とフローティング層の間に形成されている方向の異なる二つのダイオードの影響が解消される。その結果、ダイオード素子領域の表面層とドリフト層の間で形成されるダイオードの順方向に電流を流すことができる。逆導通IGBTの表面層内にフローティング層が形成されているダイオードを、ダイオードに求められているように作動させることができる。
また、本発明の半導体素子によると、n型のフローティング層の上面側だけでなく下面側にもp型の表面層が存在しているため、電界強度が過度に集中することがない。フローティング層のn型不純物濃度を上げても、フローティング層と表面層の間で電界強度が高くなることがない。そのため、表面電極と裏面電極の間の耐圧が低下することがない。本発明の半導体素子によると、耐圧を低下させることなくオン電圧を低減することができる。
According to the semiconductor element of the present invention, when the IGBT element region is turned off, a voltage having a polarity opposite to that when the IGBT element region is turned on is applied to at least the trench gate electrode group in the diode element region. The floating layer can be inverted in the vicinity of the insulating film to have the same conductivity type as the surface layer. By making the surface layer and the floating layer have the same conductivity type, the influence of two diodes having different directions formed between the surface layer and the floating layer is eliminated in the vicinity of the gate insulating film. As a result, current can flow in the forward direction of the diode formed between the surface layer of the diode element region and the drift layer. A diode having a floating layer formed in the surface layer of the reverse conducting IGBT can be operated as required for the diode.
In addition, according to the semiconductor element of the present invention, since the p-type surface layer exists not only on the upper surface side but also on the lower surface side of the n-type floating layer, the electric field strength is not excessively concentrated. Even if the n-type impurity concentration of the floating layer is increased, the electric field strength does not increase between the floating layer and the surface layer. Therefore, the withstand voltage between the front electrode and the back electrode does not decrease. According to the semiconductor element of the present invention, the on-voltage can be reduced without lowering the breakdown voltage.
本発明の半導体装置は、上記の半導体素子を備えている他に、IGBT素子領域のトレンチゲート電極群とダイオード素子領域のトレンチゲート電極群の両者に電気的に接続されている配線を備えている。
本発明の半導体装置はさらに、その配線に接続されており、かつIGBT素子領域のトレンチゲート電極群とダイオード素子領域のトレンチゲート電極群の両者に、第1極性と第2極性の間で経時的に反転する電圧を印加するゲート電圧印加回路を備えている。印加される電圧は0ボルトを挟んで正極性と負極性の間で反転される。
In addition to the semiconductor device described above, the semiconductor device of the present invention includes wiring that is electrically connected to both the trench gate electrode group in the IGBT element region and the trench gate electrode group in the diode element region. .
The semiconductor device according to the present invention is further connected to the wiring, and both the trench gate electrode group in the IGBT element region and the trench gate electrode group in the diode element region are changed over time between the first polarity and the second polarity. A gate voltage application circuit for applying a voltage to be inverted. The applied voltage is reversed between positive polarity and negative polarity across 0 volts.
本発明の半導体装置では、ゲート電圧印加回路によって、IGBT素子領域のトレンチゲート電極群とダイオード素子領域のトレンチゲート電極群の各々に、同極性の電圧が同時に印加される。IGBT素子領域のトレンチゲート電極群とダイオード素子領域のトレンチゲート電極群の各々に第1極性の電圧が印加されると、IGBT素子領域がオン状態に切換えられる。IGBT素子領域がオンされているときにダイオード素子領域に第1極性の電圧が印加されていても問題はない。 In the semiconductor device of the present invention, a voltage having the same polarity is simultaneously applied to each of the trench gate electrode group in the IGBT element region and the trench gate electrode group in the diode element region by the gate voltage application circuit. When a first polarity voltage is applied to each of the trench gate electrode group in the IGBT element region and the trench gate electrode group in the diode element region, the IGBT element region is switched to the ON state. There is no problem even if a voltage having the first polarity is applied to the diode element region when the IGBT element region is turned on.
IGBT素子領域のトレンチゲート電極群とダイオード素子領域のトレンチゲート電極群の各々に第2極性の電圧が印加されると、IGBT素子領域がオフ状態に切換えられる。ダイオード素子領域のトレンチゲート電極群に第2極性の電圧が印加されることによって、IGBT素子領域がオフされているときでもダイオード素子領域に電流が流れる。IGBT素子領域がオフされているときにIGBT素子領域に第2極性の電圧が印加されていても問題はない。本発明の半導体装置を用いることによって、逆導通IGBTであって、耐圧を低下させることなくオン電圧を低減することができる半導体素子を駆動することができる。 When a second polarity voltage is applied to each of the trench gate electrode group in the IGBT element region and the trench gate electrode group in the diode element region, the IGBT element region is switched to the off state. By applying a second polarity voltage to the trench gate electrode group in the diode element region, a current flows through the diode element region even when the IGBT element region is turned off. There is no problem even if a voltage of the second polarity is applied to the IGBT element region when the IGBT element region is turned off. By using the semiconductor device of the present invention, it is possible to drive a semiconductor element which is a reverse conducting IGBT and can reduce the on-voltage without reducing the withstand voltage.
本発明の半導体素子および半導体装置を駆動する方法では、IGBT素子領域をオン状態に切換える際に、少なくともIGBT素子領域のトレンチゲート電極群に第1極性の電圧を印加する。このとき、ダイオード素子領域のトレンチゲート電極群にも第1極性の電圧を印加してもよいし、ダイオード素子領域のトレンチゲート電極群には0ボルトの電圧を印加してもよい。また、ダイオード素子領域のトレンチゲート電極群に印加する電圧は、IGBT素子領域をオン状態に切換えるのと同時に印加しなくてもよい。IGBT素子領域がオフされるまでに印加すればよい。 In the method of driving the semiconductor element and the semiconductor device of the present invention, when the IGBT element region is switched to the ON state, a voltage having the first polarity is applied to at least the trench gate electrode group in the IGBT element region. At this time, a first polarity voltage may be applied to the trench gate electrode group in the diode element region, or a voltage of 0 volt may be applied to the trench gate electrode group in the diode element region. The voltage applied to the trench gate electrode group in the diode element region may not be applied simultaneously with switching the IGBT element region to the on state. It may be applied before the IGBT element region is turned off.
本発明の半導体素子および半導体装置を駆動する方法では、IGBT素子領域をオフ状態に切換える際に、少なくともダイオード素子領域のトレンチゲート電極群に第2極性の電圧を印加する。このとき、IGBT素子領域のトレンチゲート電極群にも第2極性の電圧を印加してもよいし、IGBT素子領域のトレンチゲート電極群には0ボルトの電圧を印加してもよい。ここで第1極性が正極性である場合、第2極性は、0ボルトでなく、負極性のことをいう。 In the method of driving the semiconductor element and the semiconductor device of the present invention, when the IGBT element region is switched to the OFF state, a voltage having the second polarity is applied to at least the trench gate electrode group in the diode element region. At this time, a second polarity voltage may be applied to the trench gate electrode group in the IGBT element region, or a voltage of 0 volt may be applied to the trench gate electrode group in the IGBT element region. Here, when the first polarity is positive, the second polarity is negative, not 0 volts.
本発明の駆動方法によると、IGBT素子領域のオフ時に、少なくともダイオード素子領域のトレンチゲート電極群に、IGBT素子領域のオン時とは逆の極性の電圧を印加することによって、ダイオード素子領域の表面層とドリフト層の間で形成されるダイオードの順方向に電流を流すことができる。逆導通IGBTの表面層内にフローティング層が形成されているダイオードを、ダイオードに求められているように作動させることができる。本発明の半導体素子および半導体装置を駆動することができ、特性を向上させることができる。 According to the driving method of the present invention, when the IGBT element region is turned off, a voltage having a polarity opposite to that when the IGBT element region is turned on is applied to at least the trench gate electrode group in the diode element region. Current can flow in the forward direction of the diode formed between the layer and the drift layer. A diode having a floating layer formed in the surface layer of the reverse conducting IGBT can be operated as required for the diode. The semiconductor element and the semiconductor device of the present invention can be driven and the characteristics can be improved.
本発明によると、IGBTのターンオフ時にダイオードにフリーホイール電流が流れる逆導通IGBTであって、耐圧を低下させることなくオン電圧を低減することができる半導体素子を提供することができる。また、そのような逆導通IGBTを制御する回路を備えている半導体装置を提供することができる。また、そのような半導体素子および半導体装置を駆動することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor element that is a reverse conducting IGBT in which a freewheel current flows through a diode when the IGBT is turned off, and can reduce an on-voltage without lowering a withstand voltage. In addition, a semiconductor device including a circuit for controlling such reverse conducting IGBT can be provided. Further, such a semiconductor element and a semiconductor device can be driven.
下記に説明する実施例の好ましい特徴を列記する。
(第1特徴) 逆導通IGBTを備えている複数個の半導体装置を組み合わせる。
Preferred features of the embodiments described below are listed.
(First Feature) A plurality of semiconductor devices including reverse conducting IGBTs are combined.
(第1実施例)
図1に、本発明の第1実施例である逆導通IGBT100の断面図の一部を示す。逆導通IGBT100では、同一の半導体基板8にIGBT素子領域24とダイオード素子領域26が混在している。図1は、IGBT素子領域24とダイオード素子領域26の境界近傍の断面図を示す。逆導通IGBT100は、半導体基板8の中間深さをIGBT素子領域24からダイオード素子領域26に亘って伸びているn−型のドリフト層2を備えている。逆導通IGBT100は、IGBT素子領域24のドリフト層2の裏面に接しているp+型のIGBT裏面層22と、ダイオード素子領域26のドリフト層2の裏面に接しているn+型のダイオード裏面層18を備えている。逆導通IGBT100は、ドリフト層2の表面に接しているとともにIGBT素子領域24からダイオード素子領域26に亘って伸びているp−型の表面層4を備えている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a part of a sectional view of a
逆導通IGBT100は、表面層4の表面の少なくとも一部に形成されているn+型のn型高濃度領域10a、10bと、表面層4の表面に形成されているとともに左右をn型高濃度領域10a、10bに挟まれて形成されているp+型のp型高濃度領域12を備えている。n型高濃度領域10a、10bとp型高濃度領域12の各々は、通常のIGBTにおけるエミッタ領域とボディコンタクト領域に相当する。逆導通IGBT100は、半導体基板8の表面から表面層4を貫通してドリフト層2に達しているとともにIGBT素子領域24からダイオード素子領域26に亘って繰返して形成されているトレンチゲート電極群6a、6bを備えている。
The
逆導通IGBT100は、n型高濃度領域10a、10bに接しているとともにトレンチゲート電極群6a、6bから絶縁されている表面電極14と、IGBT裏面層22とダイオード裏面層18の裏面に連続して形成されている裏面電極20を備えている。
逆導通IGBT100は、表面層4の中間深さに形成されているとともに隣接するトレンチゲート電極6a、6b間に亘って形成されているn+型のフローティング層16を備えている。フローティング層16は、トレンチゲート電極群6a、6bの外壁を覆うゲート絶縁膜9a、9bに接しているととともに表面層4の一部を介してドリフト層2から隔てられている。
The
The
次に、逆導通IGBT100を駆動する方法を示す。
IGBT素子領域24をオン状態に切換える際には、IGBT素子領域24のトレンチゲート電極群6aに正極性の電圧を印加する。このとき、ダイオード素子領域26のトレンチゲート電極群6bにも正極性の電圧を印加してもよいし、ダイオード素子領域26のトレンチゲート電極群6bには0ボルトの電圧を印加してもよい。また、ダイオード素子領域26のトレンチゲート電極群6bに印加する電圧は、IGBT素子領域24をオン状態に切換えるのと同時に印加しなくてもよい。IGBT素子領域24のトレンチゲート電極群6aに正極性の電圧が印加されると、ゲート絶縁膜9a近傍の表面層4がn型に反転し、IGBT素子領域24では、裏面電極22から表面電極14に向かって電流が流れる。
Next, a method for driving the
When switching the
IGBT素子領域24をオフ状態に切換える際には、ダイオード素子領域26のトレンチゲート電極群6bに負極性の電圧を印加する。このとき、IGBT素子領域24のトレンチゲート電極群6aにも負極性の電圧を印加してもよいし、IGBT素子領域24のトレンチゲート電極群6aには0ボルトの電圧を印加してもよい。ダイオード素子領域26のトレンチゲート電極群6bに負極性の電圧が印加されると、ゲート絶縁膜9b近傍のフローティング層16がp型に反転する。その結果、表面層4とフローティング層16の間で形成されている方向の異なる二つのダイオードの影響が解消され、表面層4からドリフト層2に向かうダイオードが駆動される。ダイオード素子領域26では、表面電極14から裏面電極20に向かって電流が流れる。
When the
逆導通IGBT100では、フローティング層16の上面16a側だけでなく下面16b側にもp型の表面層4が存在しているため、フローティング層16と表面層4の間で電界強度が高くなることがない。そのため、表面電極14と裏面電極20の間の耐圧が低下することがない。逆導通IGBT100によると、耐圧を低下させることなくオン電圧を低減することができる。
In the
(第2実施例)
図2に、第2実施例である半導体装置200の断面図を示す。半導体装置200は、第1実施例の逆導通IGBT100と、IGBT素子領域24のトレンチゲート電極群6aとダイオード素子領域26のトレンチゲート電極群6bに電気的に接続されている配線28を備えている。半導体装置200は、配線28に接続されており、かつIGBT素子領域24のトレンチゲート電極群6aとダイオード素子領域26のトレンチゲート電極群6bの両者に、正極性と負極性の間で経時的に反転する電圧を印加するゲート電圧印加回路30を備えている。
(Second embodiment)
FIG. 2 is a sectional view of a
半導体装置200では、ゲート電圧印加回路30によって、IGBT素子領域24のトレンチゲート電極群6aとダイオード素子領域26のトレンチゲート電極群6bの各々に、同極性の電圧が同時に印加される。IGBT素子領域24のトレンチゲート電極群6aとダイオード素子領域26のトレンチゲート電極群6bの各々に正極性の電圧が印加されると、ゲート絶縁膜9a、9b近傍の表面層4が反転し、IGBT素子領域24がオン状態に切換えられる。IGBT素子領域24のトレンチゲート電極群6aとダイオード素子領域26のトレンチゲート電極群6bの各々に負極性の電圧が印加されると、IGBT素子領域24がオフ状態に切換えられる。ゲート絶縁膜9a、9b近傍のフローティング層16が反転し、ダイオード素子領域26に電流が流れる。その結果、逆導通IGBTであって、耐圧を低下させることなくオン電圧を低減することができる逆導通IGBT100を駆動することができる。
In the
(第3実施例)
図3(a)、(b)に第3実施例であるインバータ回路300の回路図を示す。インバータ回路300は第2実施例の半導体装置200を複数個備えている。インバータ回路300は、モータ36を制御することによって直流電源32から交流電源を生成してモータ36を駆動する。参照符号200a〜200dは第2実施例の半導体装置200と同じ構造の半導体装置である。参照符号34はコンデンサを示す。図3(a)は、半導体装置200aと半導体装置200dのIGBT素子領域がオンされており、半導体装置200bと半導体装置200cのIGBT素子領域がオフされている状態を示す。この場合、モータ36に矢印方向の電流Iが給電される。図3(b)は、半導体装置200aがオンされており、半導体装置200bと半導体装置200cと半導体装置200dのIGBT素子領域がオフされている状態を示す。この場合、モータ36に矢印方向の電流IIが給電される。なお、図3(a)、(b)では半導体装置200a〜200dに形成されているゲート電圧印加回路30は図示していない。
(Third embodiment)
FIGS. 3A and 3B are circuit diagrams of an
インバータ回路300では、4個の半導体装置200a、200b、200c、200dの各々が、直流電源32とモータ36に対して直列に接続されている。
図3(a)の状態から図3(b)の状態に切換えた時に、モータ36に流れる電流が急激にゼロになると、モータ36のインダクタンス成分によって高電圧が発生し、その高電圧が半導体装置200a、200b、200c、200dに作用して素子が破壊される可能性がある。図3(a)の状態から図3(b)の状態に切換えた時に、半導体装置200bのダイオード素子領域26bのトレンチゲート電極群に負極性の電圧を印加することによって、ダイオード素子領域26bにフリーホイール電流を流すことができる。その結果、図3(b)の矢印に示すようにモータ36に電流IIが流れ続け、半導体装置200a、200b、200c、200dに高電圧が作用することを防止することができる。さらに、半導体装置200a、200b、200c、200dの各々は、半導体素子内にフローティング層16が形成されていることによってオン電圧が低減されるため、従来のインバータ回路に比べてスイッチングの高速化を実現することができる。
In the
When the current flowing through the
図4に、図3(a)、(b)に示す状態が経時的に繰返される場合のタイミングチャートを示す。図のx方向は時間軸を示す。図3(a)で示す状態をT1とする。図3(b)で示す状態をT2とする。参照符号Vaは、半導体装置200aのゲート電圧の経時変化を示す。参照符号Vbは、半導体装置200bのゲート電圧の経時変化を示す。参照符号Vcは、半導体装置200cのゲート電圧の経時変化を示す。参照符号Vdは、半導体装置200dのゲート電圧の経時変化を示す。参照符号Idは、半導体装置200dのIGBT素子領域24dに流れるコレクタ電流の経時変化を示す。参照符号Ibは、半導体装置200bのダイオード素子領域26bに流れるアノード電流の経時変化を示す。参照符号Ieは、モータ36に流れるモータ電流の経時変化を示す。
FIG. 4 shows a timing chart when the state shown in FIGS. 3A and 3B is repeated over time. The x direction in the figure shows the time axis. The state shown in FIG. The state shown in FIG. Reference sign Va indicates a change with time in the gate voltage of the
半導体装置200aと半導体装置200dに正極性の電圧を印加すると、半導体装置200aのIGBT素子領域26aと半導体装置200dのIGBT素子領域24dがオンされ、コレクタ電流Idが緩やかに上昇する。Idの上昇に伴ってモータ電流が緩やかに上昇する(1回目のT1)。
半導体装置200dをオフ状態に切換えると、半導体装置200bと半導体装置200bに還元電流が流れる。半導体装置200bには負極性の電圧Vbが印加されているため、半導体装置200bのダイオード素子領域26bに電流Ibが流れる。そのため、モータ電流Ieはゼロにはならず、流れ続ける(1回目のT2)。
When a positive voltage is applied to the
When the
半導体装置200dに再び正極性の電圧Vdを印加すると、半導体装置200dのIGBT素子領域24dがオンされる。ダイオード素子領域26bに流れていた電流がIGBT素子領域24dに流れるため、IGBT素子領域26dに流れる電流Idの立ち上がりが早い。電流Idが流れることによって、モータ電流Ieはさらに上昇する(2回目のT1)。
半導体装置200dを再びオフ状態に切換えると、再びダイオード素子領域26bに電流Ibが流れる。そのため、モータ電流Ieはゼロにはならず、流れ続ける(2回目のT2)。半導体装置200a、200b、200c、200dの各々は、半導体素子内にフローティング層16が形成されていることによってオン電圧が低減されるため、従来のインバータ回路に比べてスイッチングの高速化を実現することができる。
When the positive voltage Vd is applied to the
When the
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
2、52:ドリフト層
4、54:表面層
6a、6b、56a、56b:トレンチゲート電極
8.58:半導体基板
9a、9b、59a、59b:ゲート絶縁膜
10a、10b、60a、60b:n型高濃度領域(エミッタ領域)
12、62:p型高濃度領域(ボディコンタクト領域)
14、64:表面電極(エミッタ電極)
16:フローティング層
16a:フローティング層16の上面
16b:フローティング層16の下面
18、68:ダイオード裏面層(カソード層)
20、70:裏面電極(コレクタ電極)
22、72:IGBT裏面層(コレクタ層)
24、74:IGBT素子領域
26、76:ダイオード素子領域
28:配線
30:ゲート印加回路
32:直流電源
34:コンデンサ
36:モータ
66:第2ドリフト層
100、400:逆導通IGBT
200、200a、200b、200c、200d:半導体装置
300:インバータ回路
2, 52: Drift layers 4, 54:
12, 62: p-type high concentration region (body contact region)
14, 64: Surface electrode (emitter electrode)
16: Floating
20, 70: Back electrode (collector electrode)
22, 72: IGBT back layer (collector layer)
24, 74:
200, 200a, 200b, 200c, 200d: Semiconductor device 300: Inverter circuit
Claims (3)
前記半導体基板の中間深さを前記IGBT素子領域から前記ダイオード素子領域に亘って伸びている第1導電型のドリフト層と、
前記IGBT素子領域の前記ドリフト層の裏面に接している第2導電型のIGBT裏面層と、
前記ダイオード素子領域の前記ドリフト層の裏面に接している第1導電型のダイオード裏面層と、
前記ドリフト層の表面に接しているとともに前記IGBT素子領域から前記ダイオード素子領域に亘って伸びている第2導電型の表面層と、
前記半導体基板の表面から前記表面層を貫通して前記ドリフト層に達しているとともに前記IGBT素子領域から前記ダイオード素子領域に亘って繰返して形成されているトレンチゲート電極群と、
前記表面層の中間深さに形成されているとともに隣接するトレンチゲート電極間に亘って形成されている第1導電型のフローティング層を備えていることを特徴とする半導体素子。 It is a semiconductor element in which the IGBT element region and the diode element region are mixed on the same semiconductor substrate,
A first conductivity type drift layer extending from the IGBT element region to the diode element region at an intermediate depth of the semiconductor substrate;
An IGBT back surface layer of a second conductivity type in contact with the back surface of the drift layer in the IGBT element region;
A diode back surface layer of a first conductivity type in contact with the back surface of the drift layer in the diode element region;
A surface layer of a second conductivity type in contact with the surface of the drift layer and extending from the IGBT element region to the diode element region;
A trench gate electrode group formed from the surface of the semiconductor substrate through the surface layer to the drift layer and repeatedly formed from the IGBT element region to the diode element region;
A semiconductor element comprising a floating layer of a first conductivity type formed at an intermediate depth of the surface layer and formed between adjacent trench gate electrodes.
前記IGBT素子領域のトレンチゲート電極群と前記ダイオード素子領域のトレンチゲート電極群の両者に電気的に接続されている配線と、
その配線に接続されており、前記IGBT素子領域のトレンチゲート電極群と前記ダイオード素子領域のトレンチゲート電極群の両者に、第1極性と第2極性の間で経時的に反転する電圧を印加するゲート電圧印加回路を備えていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device according to claim 1;
A wiring electrically connected to both the trench gate electrode group in the IGBT element region and the trench gate electrode group in the diode element region;
A voltage that is connected to the wiring and reverses with time between the first polarity and the second polarity is applied to both the trench gate electrode group in the IGBT element region and the trench gate electrode group in the diode element region. A semiconductor device comprising a gate voltage application circuit.
前記IGBT素子領域をオン状態に切換える際には、少なくとも前記IGBT素子領域のトレンチゲート電極群に第1極性の電圧を印加し、
前記IGBT素子領域をオフ状態に切換える際には、少なくとも前記ダイオード素子領域のトレンチゲート電極群に第2極性の電圧を印加することを特徴とする駆動方法。 A method of driving the semiconductor element of claim 1 or the semiconductor device of claim 2,
When switching the IGBT element region to an ON state, a voltage of the first polarity is applied to at least the trench gate electrode group in the IGBT element region,
A drive method characterized by applying a voltage of the second polarity to at least the trench gate electrode group in the diode element region when the IGBT element region is switched to the off state.
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