JP5609087B2 - 内燃機関点火装置用半導体装置 - Google Patents
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Description
半導体基板が第1導電型コレクタ層と、該コレクタ層に接する第2導電型バッファ層と、該バッファ層に接する第2導電型ベース層と、をこの順に備え、
前記半導体基板の前記ベース層の表面層に配置される第1導電型ベース領域と、
該ベース領域内の表面には、
主電流を流す活性領域と、
該活性領域に隣接し、活性領域の破壊を防止するための制御回路領域と、
前記半導体基板の前記第2導電型ベース層の表面外周側に形成され、前記活性領域および前記制御回路領域を環状に取り囲む耐圧領域と、を有し、
前記制御回路領域は、前記耐圧領域および前記活性領域に取り囲まれ、
前記活性領域には、前記半導体基板の前記第2導電型ベース層の表面層に配置される第2導電型エミッタ領域と前記ベース層表面とに挟まれる前記ベース領域の表面にゲート絶縁膜を介してゲート電極とを有し、
前記コレクタ層表面にコレクタ電極、前記ベース領域と前記エミッタ領域とに共通に接触するエミッタ電極とを備える絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含み、
前記ゲート電極と前記コレクタ電極間には前記ゲート電極側をアノード側とするクランプダイオードを有し、
前記制御回路領域には、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタと共通の前記半導体基板上にあって、前記エミッタ電極に電気的に接続する第1導電型拡散領域と、該拡散領域の表面層に形成され、前記エミッタ電極からの信号により前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタの異常状態を検知して、ゲート電圧を制御することによって絶縁ゲートバイポーラトランジスタの破壊を防止するように構成される制御回路を複数備え、
該制御回路の拡散領域は、前記第2導電型ベース層を挟んで互いに分離されており、
前記制御回路領域と、前記耐圧領域および前記活性領域との間には、前記エミッタ電極に接続配線されるとともに前記制御回路領域を環状に取り囲む第1導電型環状領域を備え、
前記環状領域は前記ベース領域に隣接する内燃機関用点火装置用半導体装置とする。
図10および図11はそれぞれバッファ層の厚さと不純物濃度に対して、エネルギー耐量との関係を示した図である。図11から、エネルギー耐量に対するバッファ層の不純物濃度の依存性は低く、1×1017cm-3以上の高不純物濃度でやや特性が改善する程度である。しかし、図10では、エネルギー耐量に対するバッファ層厚さの依存性は強く、バッファ層が厚いほど耐量が向上することを示している。この理由は、IGBTに高電圧が印加されている状態で、電流が流れている場合には、空乏層の広がっている図5のn型ベース層26で損失が発生して温度が上昇するからである。すなわち、熱破壊を引き起こす熱暴走は裏面p+基板25からの正孔の注入が大きくなって起きるので、損失が発生するn型ベース層26からpn接合27が遠いほど、熱暴走にいたる時間が遅くなる。その結果、温度上昇が緩やかになり、熱破壊が緩和されるのである。さらに、前記損失によって最も温度が高くなるときは電流のもっとも大きい初期の時間であることから、この時間帯を過ぎれば放熱によって温度が低下する。従って、バッファ層24を設けることにより、pn接合27をn型ベース層26から遠ざけることができるので、エネルギー耐量が大きくなるのである。
2 ゲート
3 エミッタ
6 pベース領域
7 n+エミッタ領域
8 p領域
9 チャネル領域
10−1、10−2 ソースまたはドレイン
10a、10b 分離用トレンチ
11 ゲート絶縁膜
12 ゲート電極
13 ゲート絶縁膜
14 ゲート電極
16 クランプ用ツエナーダイオード
17 ゲート制御回路
18 耐圧構造部
20 IGBT部
21 制御回路部
24 第2バッファ層
25 p+コレクタ層
26 nベース層
36 第1のゲート抵抗
37 第2のゲート抵抗
41 電源
42 2次側コイル
43 放電用スイッチ
44 スパークギャップ
45 一次側コイル
46 抵抗R1
47 抵抗R2
48 コンデンサ
49 電源
50 第1バッファ層
51 保護回路
131 金属電極
134 回路ブロック
137 p+領域
138 回路ブロック
150 高濃度p+領域
151 ツエナーダイオード
152 ゲートパッド
153 p領域
154 IGBT
155 測定用電極パッド
156 測定用電極パッド
157 回路ブロック
158 回路ブロック
159 p+領域
Claims (7)
- 半導体基板が第1導電型コレクタ層と第2導電型バッファ層と第2導電型ベース層とをこの順に備え、
前記第2導電型バッファ層が、前記第2導電型ベース層より高不純物濃度で前記第2導電型ベース層側に配置される第2バッファ層と該第2バッファ層より高不純物濃度で前記第1導電型コレクタ層側に配置される第1バッファ層とを有し、
前記半導体基板の前記第2導電型ベース層の表面には、
主電流を流す活性領域と、
該活性領域に隣接し、活性領域の破壊を防止するための制御回路領域と、
前記半導体基板の前記第2導電型ベース層の表面外周側に形成され、前記活性領域および前記制御回路領域を環状に取り囲む耐圧領域と、を有し、
前記制御回路領域は、前記耐圧領域および前記活性領域に取り囲まれ、
前記活性領域には、前記半導体基板の前記第2導電型ベース層の表面層に配置される第1導電型ベース領域と、
該第1導電型ベース領域内の表面層に配置される第2導電型エミッタ領域と前記第2導電型ベース層表面とに挟まれる前記第1導電型ベース領域の表面にゲート絶縁膜を介してゲート電極とを有し、
前記第1導電型コレクタ層表面にコレクタ電極、前記第1導電型ベース領域と前記第2導電型エミッタ領域とに共通に接触するエミッタ電極とを備える絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含み、
前記ゲート電極と前記コレクタ電極間には前記ゲート電極側をアノード側とするクランプダイオードを有し、
前記制御回路領域には、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタと共通の前記半導体基板上にあって、前記エミッタ電極に電気的に接続する第1導電型拡散領域と、該拡散領域の表面層に形成され、前記エミッタ電極からの信号により前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタの異常状態を検知して、ゲート電圧を制御することによって絶縁ゲートバイポーラトランジスタの破壊を防止するように構成される制御回路を複数備え、
該制御回路の拡散領域は、前記第2導電型ベース層を挟んで互いに分離されており、
前記制御回路領域と、前記耐圧領域および前記活性領域との間には、前記エミッタ電極に接続配線されるとともに前記制御回路領域を環状に取り囲む第1導電型の他導電型領域を備え、
前記第1バッファ層と前記第2バッファ層の合計の厚さが50μm以下で、両層の総不純物量が20×1013cm-2以下であり、
前記第1バッファ層の厚さが1乃至10μm以下、前記第1バッファ層の不純物濃度が2×1016cm-3乃至8×1016cm-3の範囲であり、前記第2バッファ層の厚さが49μm以下、前記第2バッファ層の不純物濃度が1×1016cm-3乃至4×1016cm-3の範囲であり、
前記第1バッファ層と前記第2バッファ層の合計の厚さが30μm以上であることを特徴とする内燃機関用点火装置用半導体装置。 - 前記エミッタ電極に接続される他導電型領域に代えて、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタと前記制御回路との間に、絶縁体が充填されたトレンチを備えることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用点火装置用半導体装置。
- 前記トレンチの深さが前記第1導電型コレクタ層に達することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関用点火装置用半導体装置。
- 前記トレンチの幅が1μm以下であって、並行に複数備えていることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関用点火装置用半導体装置。
- 前記複数の制御回路が島状の回路ブロックを形成し、該島状の回路ブロックが互いに分離するとともにそれぞれ前記エミッタ電極に接続配線されていることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用点火装置用半導体装置。
- 前記島状の回路ブロックの間に高濃度の他導電型帯状領域が介在し、該高濃度の他導電型帯状領域が前記エミッタ電極と前記拡散領域とに接続配線されていることを特徴とする請求項5に記載の内燃機関用点火装置用半導体装置。
- 半導体基板が第1導電型コレクタ層と、該コレクタ層に接する第2導電型バッファ層と、該バッファ層に接する第2導電型ベース層と、をこの順に備え、
前記半導体基板の前記ベース層の表面には、
主電流を流す活性領域と、
該活性領域に隣接し、活性領域の破壊を防止するための制御回路領域と、
前記半導体基板の前記第2導電型ベース層の表面外周側に形成され、前記活性領域および前記制御回路領域を環状に取り囲む耐圧領域と、を有し、
前記制御回路領域は、前記耐圧領域および前記活性領域に取り囲まれ、
前記活性領域には、前記半導体基板の前記第2導電型ベース層の表面層に配置される第1導電型ベース領域と、
該ベース領域内の表面層に配置される第2導電型エミッタ領域と前記ベース層表面とに挟まれる前記ベース領域の表面にゲート絶縁膜を介してゲート電極とを有し、
前記コレクタ層表面にコレクタ電極、前記ベース領域と前記エミッタ領域とに共通に接触するエミッタ電極とを備える絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含み、
前記ゲート電極と前記コレクタ電極間には前記ゲート電極側をアノード側とするクランプダイオードを有し、
前記制御回路領域には、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタと共通の前記半導体基板上にあって、前記エミッタ電極に電気的に接続する第1導電型拡散領域と、該拡散領域の表面層に形成され、前記エミッタ電極からの信号により前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタの異常状態を検知して、ゲート電圧を制御することによって絶縁ゲートバイポーラトランジスタの破壊を防止するように構成される制御回路を複数備え、
該制御回路の拡散領域は、前記第2導電型ベース層を挟んで互いに分離されており、
前記制御回路領域と、前記耐圧領域および前記活性領域との間には、前記エミッタ電極に接続配線されるとともに前記制御回路領域を環状に取り囲む第1導電型環状領域を備え、
前記環状領域は前記ベース領域に隣接することを特徴とする内燃機関用点火装置用半導体装置。
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