JP6964538B2 - 半導体装置および電力変換装置 - Google Patents
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Description
なお、上アームのIGBT200とは、コレクタがプラス側電源端子900に繋がるIGBT200のことをいう。また、下アームのIGBT200とは、エミッタがマイナス側電源端子901に繋がるIGBT200のことをいう。
そして、前記ゲート電極が前記ゲート絶縁膜を介して前記半導体基体と接する面は、前記第3の半導体層と前記第4の半導体層と前記第5の半導体層とに囲まれており、前記ゲート電極と前記第3の半導体層と前記第4の半導体層と前記第5の半導体層とによりMOSFETが形成されること、
前記アノード電極は、前記第5の半導体層の少なくとも一部で電気的に低抵抗に接触し、前記アノード電極の電位に対して前記第3の半導体層が負の電位になる電圧が印加された場合には、前記アノード電極と前記第3の半導体層とをつなぐ経路の中に逆方向の阻止特性となる接合を有していることを特徴とする。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置1の断面構造の例を示した図である。図1に示すように、半導体装置1の半導体基体は、n+層11、n−層12、p層13、n層14、p層15、p+層16からなる。n+層11にはカソード電極21が電気的に低抵抗に接触している。一方、アノード電極22側では、p層15内にp+層が設けられ、p+層16の少なくとも一部はアノード電極22と低抵抗に接触している。また、アノード電極22とn層14との間には、ショットキー接合が形成されている。
図10は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置2の断面構造の例を示した図である。第2の実施形態に係る半導体装置2と第1の実施形態に係る半導体装置1とは、ゲート電極23が半導体基体の一方の側面に接しているか、または両方の側面に接しているかで相違している。すなわち、図1に示された半導体装置1では、ゲート電極23の両側面は、ゲート絶縁膜32を介して半導体基体(p層13、n層14、p+層16)に接している。それに対し、本実施形態に係る半導体装置1では、ゲート電極23の一方の側面は、ゲート絶縁膜32を介して半導体基体(p層13、n層14、p + 層16)に接し、他方の側面は、厚い絶縁膜31に接している。なお、このように一方の側面がゲート絶縁膜32を介して半導体基体に接し、他方の側面が絶縁体層に接しているゲート電極23は、しばしば、サイドウォールゲートと呼ばれる。
図11は、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置3の断面構造の例を示した図である。第3の実施形態に係る半導体装置3は、ゲート電極23が半導体基体の表面に設けられたプレーナ構造である点で、第1の実施形態に係る半導体装置1(図1参照)と相違している。プレーナ構造の半導体装置3は、半導体基体にトレンチを掘る必要がないので、製造プロセスが容易という効果がある。なお、これ以外の効果は、第1の実施形態の場合とほぼ同じである。
図12は、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置4の断面構造の例を示した図である。第4の実施形態に係る半導体装置4は、アノード電極22がn層14だけでなくp層13にも接触しており、p層13との間にp型ショットキー接合42が形成されている点で、第1の実施形態に係る半導体装置1とは相違している。本実施形態では、p型ショットキー接合42が形成されたことにより、第1の実施形態で説明した寄生npnトランジスタによる阻止特性の低下や、逆回復時にアノード電極22の底のn層14がホールの流れを阻害する懸念が解消される。
図14は、本発明の第5の実施形態に係る半導体装置5の断面構造の例を示した図である。第5の実施形態に係る半導体装置5は、ゲート電極23がサイドウォールゲートとなっている点で、図12の第4の実施形態に係る半導体装置4と相違している。したがって、本実施形態でサイドウォールゲートとした効果は、図10の第2の実施形態に係る半導体装置2で説明した効果と同様の効果が得られる。また、その他の効果は、第4の実施形態に係る半導体装置4の効果と同様である。
図15は、本発明の第6の実施形態に係る半導体装置6の断面構造の例を示した図である。第6の実施形態に係る半導体装置6は、ゲート電極23が半導体基体の表面に設けられたプレーナ構造である点で、図12の第4の実施形態に係る半導体装置4と相違している。したがって、本実施形態でゲート電極23をプレーナ構造とした効果は、図11の第3の実施形態に係る半導体装置3で説明した効果と同様の効果が得られる。また、その他の効果は、第4の実施形態に係る半導体装置4の効果と同様である。
図1、図10に示されたアノード電極22の構造と、図12、図14に示されたアノード電極22の構造とは、半導体基体内に形成されたトレンチ(溝)の深さが異なっている。すなわち、アノード電極22形成用のトレンチは、前者のケースでは、n層14内で留まっているが、後者のケースでは、p層13まで到達している。
図16は、本発明の第7の実施形態に係る電力変換装置1000の回路構成の例を示した図である。本実施形態に係る電力変換装置1000は、図21に示した従来の一般的なインバータ990の回路構成において、pnダイオードからなるフライホイールダイオード100をMOS制御ダイオード700に置き換えたものである。ここで、MOS制御ダイオード700は、図1、図10、図11、図12、図14、図15に示された構造を有する半導体装置1,2,3,4,5,6のいずれであってもよい。なお、図16では、MOS制御ダイオード700は、図3に示した回路記号で表されている。
図17は、本発明の第8の実施形態に係る電力変換装置1100の回路構成の例を示した図である。本実施形態に係る電力変換装置1100は、図16に示した第7の実施形態に係る電力変換装置1000の回路構成において、IGBT200をデュアルゲートIGBT800に置き換えたものである。ここで、デュアルゲートIGBT800とは、時間差駆動が可能な2つのゲートを有するIGBTをいう。
図18に示したデュアルゲートIGBT800の断面構造、とくにゲート電極231、232の断面構造は、図10に示した半導体装置2のゲート電極23の構造と似ている。しかしながら、半導体基体部分のn型、p型の領域区分には相違があり、また、半導体基体の表面側(上面側)、裏面側(下面側)に形成される電極の名称も相違している。デュアルゲートIGBT800では、表面側(上面側)には、エミッタ電極52が形成され、裏面側(下面側)には、コレクタ電極51が形成されている。
11 n+層
12 n−層
13 p層
14 n層
15 p層
16 p+層
21 カソード電極
22 アノード電極
23 ゲート電極
31 絶縁膜
32 ゲート絶縁膜
41 n型ショットキー接合
42,45 p型ショットキー接合
51 コレクタ電極
52 エミッタ電極
80 電力変換装置
81 IGBT
82 MOS制御ダイオード
100,101 フライホイールダイオード
200 IGBT
210 ドレイン電極
220 ソース電極
221 電極
231 Gcゲート
232 Gsゲート
400 ショットキーダイオード
500 パワーMOSFET
700 MOS制御ダイオード
800 デュアルゲートIGBT
900 プラス側電源端子
901 マイナス側電源端子
910 U相
911 V相
912 W相
950 モータ
990 インバータ
Vcc 直流電源
Claims (16)
- 一対の表面をもつ半導体基体と、
前記半導体基体の一方の表面に露出する第1導電型の第1の半導体層と、
前記半導体基体の他方の表面側に設けられ前記第1の半導体層に接し前記第1の半導体層より不純物濃度が低い第1導電型の第2の半導体層と、
前記第2の半導体層内に形成され第2の半導体層より不純物濃度が高い第2導電型の第3の半導体層と、
前記第3の半導体層内に形成された第1導電型の第4の半導体層と、
前記第4の半導体層内に形成された第2導電型の第5の半導体層と、
前記半導体基体の前記一方の表面側に設けられ前記第1の半導体層にオーミックに接触したカソード電極と、
前記半導体基体の前記他方の表面に設けられ前記第5の半導体層と前記第4の半導体層とに接触したアノード電極と、
前記半導体基体の前記他方の表面に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極と前記半導体基体の間に形成されたゲート絶縁膜と
を備え、
前記ゲート電極が前記ゲート絶縁膜を介して前記半導体基体と接する面は、前記第3の半導体層と前記第4の半導体層と前記第5の半導体層とに囲まれており、前記ゲート電極と前記第3の半導体層と前記第4の半導体層と前記第5の半導体層とによりMOSFETが形成され、
前記アノード電極は、前記第5の半導体層の少なくとも一部で電気的に低抵抗に接触し、前記アノード電極の電位に対して前記第3の半導体層が負の電位になる電圧が印加された場合には、前記アノード電極と前記第3の半導体層とをつなぐ経路の中に逆方向の阻止特性となる接合を有している
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記アノード電極は、さらに、前記第3の半導体層に接触している
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記アノード電極と前記第4の半導体層との接合はショットキー接合である
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項2に記載の半導体装置において、
前記アノード電極と前記第3の半導体層との接合はショットキー接合である
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項3または請求項4に記載の半導体装置において、
前記半導体基体がシリコン半導体からなり、前記ショットキー接合は、その障壁の高さが0.4eVないし0.7eVである
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記アノード電極の少なくとも前記第4の半導体層に接する領域がTiまたはTiシリサイドで形成されている
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項2に記載の半導体装置において、
前記アノード電極の少なくとも前記第3の半導体層に接する領域がTiまたはTiシリサイドで形成されている
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記第3の半導体層の不純物濃度および前記第4の半導体層の不純物濃度は、いずれも5×1017cm-3以下である
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
1つまたは2つの前記ゲート電極からなり、前記半導体基体上に繰り返し配列される基本セルを有し、
前記ゲート電極が前記ゲート絶縁膜を介して前記第5の半導体層と接する前記半導体基体表面上の位置を点Xとし、前記点Xと一方の側に隣接する第2の点Xとの間に前記アノード電極が前記第5の半導体層に接触する領域を有するとき、前記点Xと前記第2の点Xの間の間隔をAとし、前記点Xと前記第2の点Xとは反対側に隣接する第3の点Xとの間の間隔をBとした場合、B>Aである
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記ゲート電極は、前記半導体基体の前記他方の表面に設けられたプレーナ構造、前記半導体基体の前記他方の表面から半導体基体に掘られたトレンチゲート構造、および、前記半導体基体の側面に設けられたサイドゲート構造のうちのいずれかの構造である
ことを特徴とする半導体装置 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記MOSFETをオンし、前記アノード電極と前記カソード電極の間が順バイアスされ導通している状態から、前記MOSFETをオフし、前記MOSFETが非導通の状態になった後に、前記アノード電極と前記カソード電極の間が逆バイアスされ、前記アノード電極と前記カソード電極の間に逆方向に電流が流れ始めたことを契機に、前記MOSFETを再びオンする
ことを特徴とする半導体装置。 - 一対の直流端子と、電流をオン・オフするIGBT素子が前記直流端子間に2つ直列に接続されて構成される直交流変換回路と、前記直交流変換回路の2つの前記IGBT素子が互いに接続される箇所に接続される交流端子と、を含んで構成される電力変換装置において、
前記IGBT素子のそれぞれに逆並列に、請求項1ないし請求項11のいずれか1項に記載の半導体装置からなるMOS制御ダイオードが接続されている
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項12に記載の電力変換装置において、
前記IGBT素子は、前記半導体装置と同一の半導体基体に形成されている
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項12に記載の電力変換装置において、
前記IGBT素子は、互いに独立にオン・オフ制御が可能な第1のゲートと第2のゲートを有するデュアルゲートIGBTである
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項14に記載の電力変換装置において、
前記半導体装置の前記MOSFETがオフしている期間内に、前記MOS制御ダイオードに並列接続されている前記IGBT素子の前記第1のゲートおよび前記第2のゲートの両方をオフする
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項14に記載の電力変換装置において、
前記半導体装置は、互いに並列接続された第1の半導体装置と第2の半導体装置からなり、
前記第2の半導体装置の前記第2の半導体層のキャリアのライフタイムは、前記第1の半導体装置の前記第2の半導体層のキャリアのライフタイムよりも長く、
順方向時の少なくとも一時期において、前記第1の半導体装置および前記第2の半導体装置のそれぞれの前記MOSFETがともにオンの導通状態となり、
逆回復時には、逆回復の直前に、前記第2の半導体装置のMOSFETを前記第1の半導体装置のMOSFETに先行してオフし、その後、前記第1の半導体装置のMOSFETをオフする
ことを特徴とする電力変換装置。
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