JPH0212969A - スイッチオフ機構を有する電力用半導体部品 - Google Patents

スイッチオフ機構を有する電力用半導体部品

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JPH0212969A
JPH0212969A JP1099898A JP9989889A JPH0212969A JP H0212969 A JPH0212969 A JP H0212969A JP 1099898 A JP1099898 A JP 1099898A JP 9989889 A JP9989889 A JP 9989889A JP H0212969 A JPH0212969 A JP H0212969A
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mct
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Friedhelm Bauer
フリートヘルム バウエル
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ABB AB
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、電力用電子部品の分野に係る。特に、本発明
は、スイッチオフ機構を有する電力用半導体部品であっ
て、複数のユニットセルが互いに隣接配置されそして半
導体基体においてアノードとカソードとの間に並列に接
続されており、上記ユニットセル各々は、電界効果制御
式の短絡回路によってスイッチオフすることのできるM
O8制御サイリスタ(MCT=MOSControll
ed Thyristor)として構成され、そして上
記部品の電界効果制御式のスイッチオンを確保する更に
別の手段が設けられているような電力用半導体部品に係
る。
従来の技術 このような部品は、例えば、1986年発行のIEEE
 Trans、 Electron Devices、
 ED−33の第1609−1618頁に掲載されたV
、A、に、テンプル氏の論文から知ることができる。
過去何年間に、電力用電子部品においては、MOS制御
式部品の開発が益々盛んに行なわれるようになってきた
。このような傾向は、D M OS構造を有するユニポ
ーラ電力用MOSFETによって始まったものである。
これらのMOS制御式部品の利点は、主として、ゲート
電極の入力インピーダンスが高いことに基づいている。
これにより、比較的低い消費電力で部品をトリガするこ
とができる。
然し乍ら、DMO8FETには、重大な欠点がある。即
ち、ユニポーラ特性での導通であるために、これら部品
では高いオン状態抵抗において高いブレークダウン電圧
を印加しなければならず、最大電流レベルが制限される
この問題に対しては、I G B ”「(Insula
LedGate旦1polar Transist、o
r)による解決策が最近提供されている(この点につい
ては、1984年発行のIEEE Trans、 El
ectron Devices、 ED−31の第82
1−828頁に掲載されたB、J、バリガ氏等の論文を
参照されたい)。
IGBTは、DMOSFETにはゾ類似したカソード構
造を有している。簡単にいうと、これは、DMOSFE
T及びバイポーラトランジスタより成るカスケード回路
と考えることができる。
高抵抗のn型のベース層におけるバイポーラ電流伝達特
性により、この領域は導電率を調整することができ、こ
れにより、高い逆電圧のか)る部品の場合でもオン状態
抵抗として低い値を得ることができる。
現在では、更に、最も高い電力クラスの部品、即ち、サ
イリスタの場合でも、MOSゲートにより電力用半導体
部品を制御するという前記の概念を達成することが提案
されている(この点については、V、A、に、テンプル
氏の前記論文を参照されたい)。
複数の並列接続されたユニットセルが互いに隣接配置さ
れたこのようなMOS制御サイリスタ、即ちM CT 
(MOSControlled Thyristor)
においては、スイッチ可能なエミッタ短絡回路によって
エミッタをp型ベースに短絡することによってスイッチ
オフが達成される。この目的のために、エミッタと一体
化されそしてn又はpチャンネルMOSFETとして本
来任意に構成することのできるMOS F ETがスイ
ッチとして使用される。
簡単な回路技術という点に鑑み、MOSゲートを用いて
サイリスタをスイッチオフするだけでなく、スイッチオ
ンもすることが本来的に所望される。これは、もしでき
るならば、単一のゲート電極で達成しなければならない
このような条件を満たす構造体は、V、A。
K、テンプル氏の論文(その第5図)に既に提案されて
いる。これは、スイッチオン/スイッチオフの複合セル
であり、元のMCTユニットセルの内部に更に別のDM
OS構造体が使用され、基体表面までプルアップされた
n型ベース層のチャンネルを経てn型ベース層に電子が
注入される。
発明が解決しようとする課題 然し乍ら、これらの公知のスイッチオン/スイッチオフ
セルは、2つの問題を提起する。
即ち、スイッチオンするために用いられるr〕MOS 
F ETのチャンネルは、表面まで引っ張られたn型ベ
ース層によって形成される。典型的なサイリスタの場合
、n型ベース層の深さは、少なくとも20マイクロメー
タの範囲で変化する。それ故、この寸法は、DMOSF
ETのチャンネル長さにはゾ対応する。従って、これは
、約1マイクロメータであるIGBTの典型的なチャン
ネル長さよりも著しく大きなものである。この大きなチ
ャンネル長さにより、n型ベース層に注入される電子が
少数となり、スイッチオン中のプラズマの効率的な発生
を防ぎ、スイッチオン時間を長くする。
一方、複合スイッチオン/スイッチオフセルを用いると
、せいぜいスイッチオフ素子と同程度のスイッチオン素
子が部品内に存在するだけとなる。それ故、部品に課せ
られた要求に対しこれら素子の数及び分布を互いに独立
して最適化することはできない。
そこで、本発明の1つの目的は、スイッチオフ機構を有
する電力用半導体部品であって、スイッチング特性を著
しく改善すると同時に、より簡単に最適化することので
きる新規な部品を提供することである。
課厘を解決するための手段 この目的は、前記で述べた形式の部品であって、上記更
に別の手段は、上記MCTユニットセル間に配置されて
これらセルと並列に接続された更に別のユニットセルを
備え、そしてこれら更に別のユニットセルの各々は、絶
縁ゲートを含むバイポーラトランジスタ(IGBT)の
構造を有していることを特徴とする電力用半導体部品に
おいて達成される。
それ故、本発明の要旨は、前記の複合スイッチオン/ス
イッチオフセルに代わって、並列接+、りされた2つの
別々のMCT及びI G B Tユニットセルを用いる
ことである。
このように、スイッチオンの役割を果たすIGBTユニ
ットセルは、そのチャンネル長さに対して最適に設計す
ることができる。更に、IGBTユニットセルは、スイ
ッチオン状態においてオン状態電流の若干を引き継ぐと
共に、MCTユニットセルのスイッチオフ機能をサポー
トすることができる。最後に、MCTユニットよりも多
数のIGBTユニットを設けて、部品内に電流フィラメ
ントが形成されるのを防ぐことができる。
それ故、本発明の好ましい実施例においては、各MCT
ユニットセルは、アノードとカソードとの間に、p+ド
ープのp型エミッタ層と、nドープのn型ベース層と、
nドープのn型ベース層と、nドープのチャンネル領域
が横方向に隣接したn+ドープのn型エミッタ領域と、
埋設されたp+ドープのソース領域とで構成された一連
の層を備えており、上記MCTユニットセルにおいて、
上記ソース領域、チャンネル領域及びn型ベース層は、
半導体基体のカソード側の面において互いに隣に現われ
、そして各々の場合に、その上に配置される絶縁ゲート
電極とでpチャンネルMOSFETを形成し、各IGB
Tユニットセルは、アノードとカソードとの間に、p+
ドープのp型エミッタ層と、nドープのn型ベース層と
、nドープのチャンネル領域が横方向に隣接したp+ド
ープのp十型領域と、埋設されたn+ドープのソース領
域とで構成された一連の層を備えており、上記IGBT
ユニットセルにおいて、ソース領域、チャンネル領域及
びn型ベース層は、半導体基体のカソード側の而におい
て互いに隣に現われ、そして各々の場合に、その上に配
置される絶縁ゲート電極とでnチャンネルMOS F 
ETを形成し、両方の基本的なセルのp型エミッタ層及
びn型ベース層は、各々の場合に、半導体基体上に各々
横方向に延びる共通のp型エミッタ帰又はn型ベース層
の一部分である。
然し乍ら、同様に、nチャンネルMOSFET′IJ(
MCTユニットセルに用いられそしてpチャンネルMO
SFETがIGBTユニットセルに用いられる相補的な
部品も実現することができる。
更に別の実施例は請求項2以降から明らかであろう。
本発明及びそれに付随する多数の効果は、添付図面を参
照した以下の詳細な説明より容易に理解されよう。
実施例 添付図面は、全体にわたって同じ又は対応する部分が同
じ参照番号で示されており、特に、第1図は、前記出版
物の第3b図から知られているMOS制御サイリスタの
MCTユニットセルの断面図である。
このユニットセルにおいては、複数の色々にドープされ
た層が半導体基体14においてアノードAとカソードに
との間にある層シーケンスで配置されている。この層シ
ーケンスは、p+ドープのp型エミッタ層9と、n−ド
ープのn型ベース層8と、nドープのn型ベース層7と
、nドープのチャンネル領域5が横方向に隣接したn+
ドープのn型エミッタ領域6と、埋設されたp+ドープ
のソース領域4と゛で構成される。
n型のエミッタ領域6は、半導体基体14のカソード側
の面において埋設ソース領域4間に現われ、この点にお
いて該領域への接触は、金属化の形態のカソード接触部
lによって行なわれる。
p型エミッタ層9.n型ベース層8、n型ベース層7及
びn型エミッタ領域6は、この領域において通常のpn
pnサイリスタ構造体を形成する。
このサイリスタのスイッチオフ動作は、カソード側にあ
るMOS制御の短絡回路をスイッチオンすることによっ
て行なわれ、この短絡回路は、n型ベース層7をカソー
ド接触部1に短絡する。
このために、ソース領域4、チャンネル領域5及びn型
ベース層7は、カソード側の基体表面において互いに隣
合って現われ、そして各々の場合にその点にpチャンネ
ル領域 S F ETを形成し、これは、その上に配置
されてゲート絶縁材2によって絶縁された絶縁ゲート電
w!3によって制御される。
サイリスタがスイッチオンになった場合には、p型エミ
ッタ届9からn型ベース層へ注入されるホール(第1図
に丸で示す)がn型エミッタ領域6を経てカソードにへ
引き込まれる。
ゲート電極3が充分に負にバイアスされると、基体表面
の下のチャンネル領域5にp型の導通逆転チャンネルが
形成され、該チャンネルは、導電率が高いことにより、
ホール電流の大部分を引継ぎ、従って、サイリスタ領域
の電流を保持電流のレベルより下げ、ひいては、サイリ
スタをスイッチオフにする。
第1図に示された構造体は、サイリスタのスイッチオフ
機構のみに関連したものである。従って、スイッチオン
するためには、更に別の手段を設けなければならない。
V、A、に、テンプル氏の前記論文からも知られている
1つの手段について第2図を参照して以下に説明する。
第2図においては、第1図に示されたユニットセルが、
スイッチオフ機能に加えてスイッチオン機能を行なうよ
うに拡張されており、即ち、複合スイッチオン/スイッ
チオフセルを構成する。
ゲート電極3より下のp型ベース領域7及びn型ベース
層8がカソード側の基体表面まで引っ張り上げられてい
るという点でスイッチオンの追加機能が実現される。又
、n型ベース層7の表面付近の領域は、チャンネル領域
を形成し、各々の場合に、隣接するチャンネル領域5及
びn型ベース層8と共にnチャンネルMOSFETを形
成する。
ゲート?tt極が充分正にバイアスされると、これら第
2M03FETのnチャンネルが導通状態になる。従っ
て、電子がn型ベース層8に入り、次いで、p型エミッ
タ層9からのホールの注入を引き起こす。チャンネル領
域5における第1M03FETのpチャンネルは、この
ゲートバイアスでは非導通である。それ故、短絡回路が
スイッチオフとなり、従って、サイリスタは、トリガの
ための最大スタンバイ状態にあり、その結果、開始され
たプラズマが妨げを受けずに分散することができ、サイ
リスタをオン状態にセットする。
この説明から明らかなように、トリガプロセスは、電子
がn型ベース層8に入るところのnチャンネルの特性に
厳密に基づくものである。従って、良好なトリガ動作を
得るためには、nチャンネルの抵抗をできるだけ低くし
なければならず、即ち、所与の導電率に対して長さをで
きるだけ短くしなければならない。
然し乍ら、この条件は、第2図に示されたl’l’&造
では不完全に満たされるに過ぎない。というのは、nチ
ャンネルの長さを独立して最適化することができず、n
型ベース層8の比較的大きな深さによって厳密に決定さ
れるからである。
それ故、本発明によれば、全く異なった経路が得られ、
即ち、スイッチオン/スイッチオフ機能はもはや複合ユ
ニットセルによって実行されず、B、J、バリガ氏等の
論文から知られているIGBT構造を有する別のユニッ
トセルが第1図においてMCTユニットセルと並列に接
続される。
第3図に示された構造体の左側の部分は、第1図から明
らかなMOS制御短絡回路を有するMCTユニットセル
を形成する。このMCTユニットセルは、本質的にスイ
ッチオフプロセスを果たす。
この構造体の右側の部分は、それ自体既に知られている
IGBTユニットセルを形成する。p型エミッタ層9及
びn型ベース層8は、連続的な層と同時に構成される。
p型のベース層7は、MCTユニットセルの外部で表面
へと引っ張られ、これは、マスクをしてインプランテー
ションを行なった後に拡散を行なうだけで達成すること
ができる。
p型エミッタ層9及びn型ベース層8に加えて、IGB
Tユニットセルは、pドープのチャンネル領域12が横
方向に隣接したp十型領域13と、埋設したn+ドープ
のソース領域11とを備えており、このソース領域は、
チャンネル領域12及びn型ベース層8と共に各々の場
合にnチャンネルMOSFETを形成する。
サイリスタのスイッチオン動作は、I G r3 ’V
ユニットセルによって確保される。この場合に、ゲート
電極3はその全てが同じ電位にあるのが好ましく、これ
により、隣接するMCT及びIGI”3Tユニツトセル
は、同じゲート電極(第3図に示す)で均一にトリガさ
れる。
IGBTユニットセルの機能は、次の通りである。I 
GBT構遺体は、nチャンネル型の部品である。それ故
、当該ゲート電極3が充分に正にバイアスされたときに
は、nチャンネルが導通し、原理的には、第2図の構造
体のトリガプロセスについて述べたものと同じ状態が生
じる。
負のゲートバイアスでスイッチオフする場合には、MC
Tユニットセルの短絡回路が既知のやり方でスイッチオ
ンしそしてIGBTユニットセルのnチャンネルが阻止
され、その結果、電流が確実に保持電流より低くなる。
第2図の構成体に勝る第3図の+か成体の利点は、次の
ような点から得られる。即ち、第2図の基本的な構造体
は、n型ベース層7に局部的に埋設されるn型エミッタ
領域6を儂えている。n型エミッタ領域6は、更に、ソ
ース領域4と、短絡回路をスイッチングするためのpチ
ャンネル間O3FETのチャンネルを表わすチャンネル
領域5とを備えている。
チャンネル領域5に続いて、サイリスタをトリガするn
チャンネル長OS F ETのためのソース領域がある
。チャンネルは、この場合、表面まで引っ張られたn型
ベース層7によって形成される。前記したように、この
構造体は、第3図によるMCTユニットセル及びI G
BTユニットセルの複合体と同様に機能する。
典型的なサイリスタの場合に、n型ベース層7の深さは
、少なくとも20マイクロメータの領域になければなら
ない。この寸法は、nチャンネルMOSFETのチャン
ネル長さにはS゛対応ることが明らかであろう。
それ故、チャンネル長さは、約1マイクロメータである
IGBTの典型的なチャンネル長さよりも実質的に大き
い。この点については、この条件により、IGBTが第
2図の11り遺体よりも多数の電子をベースに注入する
。これにより得られる重要な結1冒よ、プラズマが実質
的により効率的に確立されることである。IGBTのス
イッチオン時間は短いことが知られているので、部品全
体を確実にトリガするに充分なプラズマが短い時間の後
に得られる。
ここに提案するMCT−IGBTの組合せは、2つの部
品を並列接続したものである。従って、IGBTユニッ
トセルは、オン状態電流の一部分を受は持つ。
更に重要なことは、I GBTがスイッチオフ中に実質
的に能動的な役割を果たせることである。
これは、n型ベース層8がらホールを引き出し、従って
、MCTのスイッチオフプロセスを支援する。
又、MCTに生じる問題、即ち、スイッチオフ中に電流
フィラメントが生じる問題を解決するためにもこの条件
を使用することができる。本発明による部品では、MC
T及びIGBTユニットセルを互いに独立して異なった
個数及び分布で設けることができるので、2:1よりも
大きな比で、好ましくは約3:1の比でIGBT及びM
CTユニットセルを組み込むことが可能であり且つ効果
的である。
IGBTユニットセルの数が大きいので、このような混
合部品は、フィラメントの形成がない(IGBTでは生
じない)が、一方、MCTユニットセルにより純粋なI
GBTよりも実質的に低いオン状態抵抗をもっことにな
る。
更に、二のような部品は、第3図とは相補的な構造で、
nチャンネルMCT及びpチャンネルIGBTの組合せ
として借成できることも指摘しておく。
上記の技術に鑑み、本発明において種々の変更や修正が
なされ得ることが明らかであろう。それ故、本発明は、
特許請求の範囲内において、」ユ記とは別のやり方で実
施できることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
第1図は、公知技術によるMOS制御式サイリスタのM
CTユニットセルを示す図、第2図は、公知技術による
MOS制御式サイリスタの複合スイッチオン/スイッチ
オフセルを示す図、そして 第3図は、本発明による隣接配置のM CT及びIGB
Tユニットセルの実施例を示す図である。 1・・・カソード接触部 2・・・ゲート絶縁材 3・・・ゲート電極 4 ・ ・ 5 ・ ・ 6 ・ ・ 7 ・ ・ 8 ・ ・ 9 ・ ・ 10 ・ 11 ・ l 2 ・ 13 ・ 14 ・ A ・ ・ K ・ ・ ・埋設したp+ドープのソース領域 ・nドープの隣接領域 ・n+ドープのn型エミッタ領域 ・nドープのn型ベース層 ・n−ドープのn型ベース層 ・p+ドープのp型エミッタ層 ・・アノード接触部 ・・埋設したn+ドープのソース領域 ・・nドープのチャンネル領域 ・・p十型の領域 ・・半導体基体 ・アノード ・カソード F I G、1 FIG、2 FIG、3

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)スイッチオフ機構を有する電力用半導体部品であ
    って、 a)複数のユニットセルが互いに隣接配置されそして半
    導体基体(14)においてアノード(A)とカソード(
    K)との間に並列に接続されており、b)上記ユニット
    セル各々は、電界効果制御式の短絡回路によってスイッ
    チオフすることのできるMOS制御サイリスタ(MCT
    =¥M¥OS¥C¥ontrolled¥T¥hyri
    stor)として構成され、そしてc)上記部品の電界
    効果制御式のスイッチオンを確保する更に別の手段が設
    けられているような電力用半導体部品において、 d)上記更に別の手段は、上記MCTユニットセル間に
    配置されてこれらセルと並列に接続された更に別のユニ
    ットセルを備え、そして e)これら更に別のユニットセルの各々は、絶縁ゲート
    を含むバイポーラトランジスタ(IGBT=¥I¥ns
    ulated¥G¥ate¥B¥ipolar¥T¥r
    ansistor)の構造を有していることを特徴とす
    る電力用半導体部品。
  2. (2)a)各MCTユニットセルは、アノード(A)と
    カソード(K)との間に、p+ドープのp型エミッタ層
    と、nドープのn型ベース層と、pドープのp型ベース
    層(7)と、nドープのチャンネル領域(5)が横方向
    に隣接したn+ドープのn型エミッタ領域(6)と、埋
    設されたp+ドープのソース領域(4)とで構成された
    一連の層を備えており、b)上記MCTユニットセルに
    おいて、上記ソース領域(4)、チャンネル領域(5)
    及びp型ベース層(7)は、半導体基体(14)のカソ
    ード側の面において互いに隣に現われ、そして各々の場
    合に、その上に配置される絶縁ゲート電極(3)とでp
    チャンネルMOSFETを形成し、 c)各IGBTユニットセルは、アノード (A)とカソード(K)との間に、p+ドープのp型エ
    ミッタ層と、nドープのn型ベース層と、pドープのチ
    ャンネル領域(12)が横方向に隣接したp+ドープの
    p+型領域(13)と、埋設されたn+ドープのソース
    領域(11)とで構成された一連の層を備えており、 d)上記IGBTユニットセルにおいて、ソース領域(
    11)、チャンネル領域(12)及びn型ベース層は、
    半導体基体(14)のカソード側の面において互いに隣
    に現われ、そして各々の場合に、その上に配置される絶
    縁ゲート電極(3)とでnチャンネルMOSFETを形
    成し、 e)両方の基本的なセルのp型エミッタ層及びn型ベー
    ス層は、各々の場合に、半導体基体(14)上に各々横
    方向に延びる共通のp型エミッタ層(9)又はn型ベー
    ス層(8)の一部分である請求項1に記載の電力用半導
    体部品。
  3. (3)全てのユニットセルの上記一連の層をそれらの相
    補的な一連の層と交換した請求項2に記載の電力用半導
    体部品。
  4. (4)全てのユニットセルのゲート電極(3)は、同じ
    電位にある請求項2及び3の一方に記載の電力用半導体
    部品。
  5. (5)部品当たりのMCTユニットセル及びIGBTユ
    ニットセルの個数は異なる請求項1に記載の電力用半導
    体部品。
  6. (6)IGBTユニットセルの個数とMCTユニットセ
    ルの個数との比は、2:1よりも大きい請求項5に記載
    の電力用半導体部品。
  7. (7)上記比は約3:1である請求項6に記載の電力用
    半導体部品。
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