JP3199857B2 - 伝導度変調型mosfet - Google Patents

伝導度変調型mosfet

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は伝導度変調型MOSFE
Tの構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】電力用半導体装置として、従来からバイ
ポ−ラトランジスタ(B.J.T.)及びパワ−用MOS
FETが知られている。又、それらを同一チップ上にカ
スケ−ド接続したMOSゲ−ト型トランジスタ(M.
G.T.)が既に、提案されている。
【0003】図1(a)は、M.G.T.の断面構造図
であり、1はコレクタ・ドレイン領域となる一導電型
(例えば、N型)半導体基体、2は逆導電型(例えば、
P型)半導体からなるチャネル領域、3は一導電型半導
体からなるソ−ス領域、4は絶縁膜とポリシリコン等か
らなるゲ−ト電極、5は逆導電型半導体からなるベ−ス
領域、6はベ−ス電極、7は一導電型半導体からなるエ
ミッタ領域、8はエミッタ電極、9はソ−ス電極であ
る。
【0004】図1(b)は等価回路図であり、(a)に
対応して、ベ−スB、コレクタC、ドレインD、エミッタ
E、ゲ−トGを示す。
【0005】図1において、NチャネルMOSFETの
ソ−ス電極9とNPN型バイポ−ラトランジスタ(B.
J.T.)のベ−ス電極6を短絡した構造として、MO
S型ゲ−トGからの入力制御により、高入力インピ−ダ
ンス特性を得ると(3)共に、バイポ−ラトランジスタ
の特徴である低飽和電圧を狙うことができる。
【0006】しかしながら、図1のM.G.T.の順方
向電圧はドレイン・ソ−ス間電圧VDSとベ−ス・エミッ
タ間電圧VBEの和となるので、順方向電圧を低減するに
は、B.J.T.の直流増幅率を増加し、ベ−ス電流を
小さくすることにより、VDSの低下を図るしか手段がな
く、VDSそのものを伝導度変調により小さくすることは
できなかった。
【0007】又、PNP型トランジスタとMOSFET
のカスケ−ド接続構造による所謂、IGBT(Insulate
d Gate Bipolar Transistor)は伝導度変調型とし
て、既に、実用化されているが、PNPNサイリスタ接
合が寄生しているため、ラッチアップによるゲ−トタ−
ンオフ不能現象が起こり、順方向電圧降下を低下させる
ことが困難であった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】高入力インピ−ダンス
特性をもつMOSゲ−ト半導体装置において、伝導度変
調の発生する領域をMOSFETのドレイン領域にも起
こすようにして、優れた低飽和電圧特性をもたしめ、
又、ラッチングによるゲ−ト不能現象を発生させない構
造を得ることを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】(1)コレクタ・ドレイ
ン領域となる一導電型半導体基体、一導電型半導体基体
表面に形成する逆導電型半導体からなるベ−ス・チャネ
ル領域、ベ−ス・チャネル領域表面に形成する一導電型
半導体からなる第1ソ−ス領域とエミッタ・第2ソ−ス
領域、第1ソ−ス領域表面とコレクタ・ドレイン領域表
面にまたがりチャネルを誘起させる第1ゲ−ト電極、第
2ソ−ス領域表面とコレクタ・ドレイン領域表面にまた
がりチャネルを誘起させる第2ゲ−ト電極により構成
し、第1ゲ−ト電極と(4)第2ゲ−ト電極を接続する
と共に、第1ソ−ス領域表面とベ−ス・チャネル領域表
面を金属電極により短絡接続したことを特徴とする伝導
度変調型MOSFET。
【0010】(2)コレクタ・ドレイン領域となる一導
電型半導体基体、一導電型半導体基体表面に形成する逆
導電型半導体からなるベ−ス・チャネル領域、ベ−ス・
チャネル領域表面に形成する一導電型半導体からなる第
1ソ−ス領域とエミッタ・第2ソ−ス領域、第1ソ−ス
領域表面とコレクタ・ドレイン領域表面とエミッタ・第
2ソ−ス領域表面にまたがり二つのチャネルを誘起させ
るゲ−ト電極により構成し、各ゲ−ト電極を接続すると
共に、第1ソ−ス領域表面とベ−ス・チャネル領域表面
を金属電極により短絡接続したことを特徴とする伝導度
変調型MOSFET。 を、主たる構成手段とし、前記(1)(2)項共に、エ
ミッタ・第2ソ−ス領域をエミッタ領域と第2ソ−ス領
域の独立領域とすること、複数のゲ−ト電極を接続しな
いようにすること、ベ−ス・チャネル領域の繰返しピッ
チをコレクタ・ドレイン領域中の少数キャリアの拡散長
の2倍以下とすること、を含んでいる。
【0011】
【実施例】図2は、本発明の実施例を示す断面構造図で
ある。10はコレクタ・ドレイン領域となる一導電型
(例えば、N型)半導体基体であり、例えば、シリコン
単結晶基板(N+)上にエピタキシアル成長層(N-)を
形成する。11は逆導電型(例えば、P型)半導体から
なるベ−ス・チャネル領域、12は一導電型半導体から
なる第1ソ−ス領域、13は一導電型半導体からなるエ
ミッタ・第2ソ−ス領域、14は第1ソ−ス領域12の
表面とコレクタ・ドレイン領域10の表面にまたがり、
チャネルを誘起させる第1ゲ−ト電極、15はエミッタ
・第2ソ−ス領域13の表面とコレクタ・ドレイン領域
(5)10の表面にまたがり、チャネルを誘起させる第
2ゲ−ト電極、16は第1ソ−ス領域12表面とベ−ス
・チャネル領域11表面を短絡接続する金属電極、17
は13の電極である。通常、ベ−ス・チャネル領域11
は半導体基体10表面に複数個のセル構成とし、並列接
続により集積化構造とする。又、チャネル電位を固定す
るためのバックゲ−トは、例えば、エミッタ・第2ソ−
ス領域13中にベ−ス・チャネル領域11の一部を露出
させ、エミッタ・第2ソ−ス領域13と同一電極で接続
することによって容易に可能とする。
【0012】図2の動作は、第1ゲ−トG1(又は第2
ゲ−トG2)をオン→iD1が流れ第1ソ−ス領域12を
通り→金属電極16を通して、ベ−ス・チャネル領域1
1に入り→エミッタ・第2ソ−ス領域13にベ−ス電流
bとして流れる→コレクタ電流iCが流れ→エミッタ・
第2ソ−ス領域13に到達する→このとき、少数キャリ
アであるホ−ルHの注入が11から10の方に起きる。
このように、伝導度変調を起こして、飽和電圧の低下に
導く。
【0013】図3は本発明の構成説明図で、(a)は断
面図、(b)は等価回路図であり、図2と同一符号は同等
部分をあらわす。以下、図3により、本発明をさらに、詳
述する。
【0014】MOS1の第1ゲ−トG1とMOS2の第
2ゲ−トG2は共通ゲ−トを形成し、ゲ−ト電圧に十分
な正バイアスを加えるとMOS1はオン状態となり、ド
レイン電流iD1はB.J.T.のベ−ス電流として流れ
込み、B.J.T.をオン状態とする。又、icxRcに
よる電圧降下が増加すると、B.J.T.のベ−ス・コ
レクタが順バイアスとなり、少数キャリアの注入が起こ
る。一方、iD2 xRD2による電圧降下の増加で、B−
D2間が順バイアスになってくると、同様に、B.J.
T.のベ−スから少数キャリアの注入が起こる。これに
より、RD2とRCの抵抗は、伝導度変調され、著しく低
下し、電(6)流分布は、VDS2あるいはVCEがバラン
スを保つように分布して行く。最終的には、RD1も少数
キャリアの注入により大きく低減されて行き、MOS1
の順方向電圧降下+B.J.T.のVBEの値は、VBEに
接近した値になる。
【0015】このように、MOS1のドレイン領域に少
数キャリアを拡散させるためには、少数キャリアの拡散
長よりも近い距離にMOS1を配置することが必要であ
る。従って、ベ−ス・チャネル領域11の繰返しピッチ
(セルピッチの幅)Qは最大でも2x拡散長であり、例え
ば、ライフタイムを0.1μsとすると、拡散長L≒1
0μmとなり、Q=2xL=20μm以下にすることが
望ましい。
【0016】図4は本発明の他の実施例を示す断面構造
図で、図2及び図3と同一符号は同等部分をあらわす。
図4においては、第1ソ−ス領域12表面とコレクタ・
ドレイン領域10表面とエミッタ・第2ソ−ス領域13
にまたがり二つのチャネルを誘起させるゲ−ト電極G3
を設ける。又、例えば、二個のベ−ス・チャネル領域1
1に形成する第1ソ−ス領域12とエミッタ・第2ソ−
ス領域13の配置が、図2では12−13−13−12
の順に対し、図4では12−13−12−13の順と相
異する。それに伴い、金属電極16の位置が異なる。従
って、図2と図4では、MOS1、MOS2、B.J.
T.等の配置を異にするが、目的、作用、効果等は均等
であり、等価的構造となる。
【0017】図5も本発明の他の実施例を示す断面構造
図で、図2及び図3と同一符号は同等部分をあらわす。
図5においては、図2のエミッタ・第2ソ−ス領域13
をエミッタ領域19と第2ソ−ス領域20のそれぞれ独
立した領域とした構造であり、図2と均等、かつ、等価
的構造となる。又、エミッタ領域19及び第2ソ−ス領
域20をベ−ス・チャネル領域11を含む面で電極17
により短絡させれば、ベ−ス・エミッタ間にバイパスも
ぐり抵抗を挿入させる効果を生じる。又、MOS1及び
MOS2に対し、ベ−ス・チャネル領域11(7)の電位
を固定することが可能となり、所謂、バックゲ−トを容
易に形成することができる。
【0018】このように、エミッタ・第2ソ−ス領域1
3をエミッタ領域と第2ソ−ス領域にそれぞれ独立した
領域とする構造は、図4の本発明の他の実施例に適用し
得るのは当然である。又、設計上の必要から、独立させ
たエミッタ領域と第2ソ−ス領域のそれぞれ、別個に電
極を設けることも可能である。
【0019】前記せる本発明構造は、図2の第1ゲ−ト
電極14と第2ゲ−ト電極15を連結接続しており、
又、図4の複数個のゲ−ト電極18も相互に連結接続と
した構造としているが、必要に応じて、第1ゲ−ト電極
14と第2ゲ−ト電極15間、ゲ−ト電極18の相互間
を分離した構造にもなし得る。このように、ゲ−ト電極
分離型とした場合は、例えばMOS1及びMOS2を2
段階でオフ状態とすることができるので、少数キャリア
消滅後に、主スイッチであるMOS2をオフすることに
より、スイッチング損失を減少させる回路設計を可能と
する。
【0020】その他の実施例としては、図2、図4、図
5等の断面構造図において、コレクタ・ドレイン領域と
なる一導電型半導体基体10の下面(C&D側N+の下
面)に逆導電型半導体層(図においてはP型)を形成す
ることにより、その逆導電型半導体層からも少数キャリ
アの注入があり伝導度変調による抵抗値減少を促進し、
サイリスタ効果の強い大電力駆動型デバイスの実現が可
能となる。ただし、本発明の特徴の一つであるラッチン
グを回避する機能は失われる。
【0021】前記せる実施例において、本発明の要旨の
範囲で、各部の変形、導電型や領域の等価的変換、他部
分の付加、他部との集積化、複合化をなし得るものであ
る。(8)
【0022】以上、説明のとおり、高入力インピ−ダン
ス特性で、伝導度変調の発生をMOSFETのドレイン
領域にも起こさせるMOSゲ−ト型の順方向電圧の小さ
い伝導度変調型MOSFETを、高集積化で、かつ、製
造容易な構造により実現できるので、電源機器をはじめ
各種機器に組込む半導体装置に利用してその産業上の効
果、極めて大なるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のMOSゲ−ト型トランジスタの断面構造
図である。
【図2】本発明の実施例を示す断面構造図である。
【図3】本発明の構成説明図で、(a)は断面図、
(b)は等価回路図である。
【図4】本発明の他の実施例を示す構造図で、(a)は
断面図、(b)は等価回路図である。
【図5】本発明の他の実施例を示す断面構造図である。
【符号の説明】
1 コレクタ・ドレイン領域となる一導電型(例え
ば、N型)半導体基体 2 逆導電型(例えば、P型)半導体からなるチャ
ネル領域 3 一導電型半導体からなるソ−ス領域 4 ゲ−ト電極 5 逆導電型半導体からなるベ−ス領域 6 ベ−ス電極 7 一導電型半導体からなるエミッタ領域 8 エミッタ電極 (9) 9 ソ−ス電極 10 コレクタ・ドレイン領域となる一導電型半導体
基体 11 逆導電型半導体からなるベ−ス・チャネル領域 12 一導電型半導体からなる第1ソ−ス領域 13 一導電型半導体からなるエミッタ・第2ソ−ス
領域 14 第1ゲ−ト電極 15 第2ゲ−ト電極 16 金属電極 17 13、又は19と20の電極 18 ゲ−ト電極 19 エミッタ領域 20 第2ソ−ス領域 B ベ−ス C コレクタ D ドレイン E エミッタ G、G1 第1ゲ−ト G2 第2ゲ−ト G3 ゲ−ト S1 第1ソ−ス S2 第2ソ−ス MOS1 MOSFET 1 MOS2 MOSFET 2 B.J.T. バイポ−ラ・トランジスタ b ベ−ス電流

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】コレクタ・ドレイン領域となる一導電型半
    導体基体、一導電型半導体基体表面に形成する逆導電型
    半導体からなるベース・チャネル領域、ベース・チャネ
    ル領域表面に形成する一導電型半導体からなる第1ソー
    ス領域とエミッタ・第2ソース領域、第1ソース領域表
    面とコレクタ・ドレイン領域表面にまたがり、チャネル
    を誘起させる第1ゲート電極、第2ソース領域表面とコ
    レクタ・ドレイン領域表面にまたがり、チャネルを誘起
    させる第2ゲート電極により構成し、該第1ゲート電極
    と第2ゲート電極を接続し、もしくは個別に導出すると
    共に該第1ソース領域表面とベース・チャネル領域表面
    を金属電極により短絡接続し且つ、該ベース・チャネル
    領域の繰返しピッチを、該コレクタ・ドレイン領域中の
    少数キャリアの拡散長の2倍以下としたことを特徴とす
    る伝導度変調型MOSFET.
  2. 【請求項2】コレクタ・ドレイン領域となる一導電型半
    導体基体、一導電型半導体基体表面に形成する逆導電型
    半導体からなるベース・チャネル領域、ベース・チャネ
    ル領域表面に形成する一導電型半導体からなる第1ソー
    ス領域とエミッタ・第2ソース領域、第1ソース領域表
    面とコレクタ・ドレイン領域表面とエミッタ・第2ソー
    ス領域表面にまたがり二つのチャネルを誘起させるゲー
    ト電極により構成し、該各ゲート電極を接続し、もしく
    は個別に導出すると共に該第1ソース領域表面とベース
    ・チャネル領域表面を金属電極により短絡接続し且つ、
    該ベース・チャネル領域の繰返しピッチを、該コレクタ
    ・ドレイン領域中の少数キャリアの拡散長の2倍以下と
    したことを特徴とする伝導度変調型MOSFET.、
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