JPH04233232A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH04233232A
JPH04233232A JP2408533A JP40853390A JPH04233232A JP H04233232 A JPH04233232 A JP H04233232A JP 2408533 A JP2408533 A JP 2408533A JP 40853390 A JP40853390 A JP 40853390A JP H04233232 A JPH04233232 A JP H04233232A
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重兼　寿夫
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    • H10D84/613—Combinations of vertical BJTs and one or more of diodes, resistors or capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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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】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高速スイッチング電力
用半導体素子として用いられるパワートランジスタある
いは絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）
のようなトランジスタに別の機能を付設した半導体装置
に関する。
【０００２】
【従来の技術】パワートランジスタやＩＧＢＴのような
トランジスタを用いて回路を構成する場合、エミッタ・
コレクタ間をバイパスするダイオードを接続することは
よく知られている。例えば図２に示すモータ２１の速度
を順変換器２２とトランジスタインバータ２３を用いて
制御するような誘導性負荷回路において、図３に示すよ
うにトランジスタ１にフリーホイリングダイオード（Ｆ
ＷＤ）として高速ダイオード２が接続され、エミッタ１
１からコレクタ１２に至る電流の径路を形成している。
【０００３】一方、コレクタ側に発生する各種サージ電
圧からトランジスタ１を保護するためには、ＦＷＤは図
４の等価回路で示されるように、ツエナダイオードある
いはアバランシェダイオードのような定電圧ダイオード
３の機能を有することが求められる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】定電圧ダイオード３と
して用いられるツエナダイオードとしては、図５に示す
ような断面構造をもつリーチスルー型ツエナダイオード
が知られている。すなわち、Ｎ＋　層３２上に積層され
たＮ−　層３１にＰ＋　層３３を形成し、Ｐ＋　層３３
に酸化膜３４の開口部で接触するアノード電極３５、Ｎ
＋　層３２に接触するカソード電極３６を備えたもので
ある。このツエナダイオードのツエナ電圧はＮ−　層３
１の比抵抗と幅Ｗｉで決まる。しかし、このようなツエ
ナダイオードは、ｔｒｒが長いため、図３に示す高速ダ
イオード２としては役立たない。ｔｒｒを短くするため
にライフタイムキラーを用いてＮ−　層３１のライフタ
イムを制御しようとするとツエナ電圧が安定化しない。
【０００５】本発明の目的は、このような問題を解決し
、トランジスタに、高速でスイッチングできるエミッタ
・コレクタ間バイパス機能とコレクタに加わる異常電圧
に対する保護機能の双方を付設した半導体装置を提供す
ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の半導体装置は、トランジスタのコレクタ
・エミッタ間に、逆流防止ダイオードが逆直列接続され
た定電圧ダイオードと高速ダイオードとがトランジスタ
のベース・エミッタ接合に対してそれぞれ逆並列接続さ
れたものとする。そして、定電圧ダイオードと逆流防止
ダイオードが一体化され、高速ダイオードと共にトラン
ジスタのコレクタに接続される電極板に接続されること
が有効である。また、定電圧ダイオードチップ上に逆流
防止ダイオードチップがろう付けされるか、あるいは定
電圧ダイオードの接合が半導体素体の第一導電型の第一
層と第二導電型の第二層とによって形成され、逆流防止
ダイオードの接合が前記半導体素体の第一層とその第一
層の表面に接触する金属層との間のショットキーバリア
によって形成されることによって定電圧ダイオードと逆
流防止ダイオードが一体化されることが有効である。さ
らに、トランジスタが半導体素体の第一導電型の第一層
、その第一層の一面側の表面層内に選択的に形成された
第二導電型の第二層およびその第二層の表面層内に選択
的に形成された第一導電型の第三層からなり、高速ダイ
オードが第一層の中のライフタイム制御された領域およ
びその領域上の一面側に形成された第二導電型の第四層
からなり、定電圧ダイオードが第一層およびその一面側
の表面層内に選択的に形成された第二導電型の第五層か
らなり、逆流防止ダイオードが第一層およびその他面側
に接触するショットキーバリア金属層よりなることも有
効である。
【０００７】
【作用】トランジスタに逆並列接続されるＦＷＤの高速
ダイオードと定電圧ダイオードを別個に並列接続するこ
とにより、ＦＷＤの高速スイッチング特性と定電圧ダイ
オードの安定した定電圧特性を両立させることができる
。そして定電圧ダイオードに逆直列接続される逆流防止
ダイオードは、定電圧ダイオードに逆電圧は印加される
ようにするが順電流が流れるのを防止する。
【０００８】
【実施例】図１は本発明の実施例の等価回路を示し、図
３，図４と共通の部分には同一の符号が付されている。 この回路ではトランジスタ１のエミッタ１１とコレクタ
１２の間に高速ダイオード２と別に定電圧ダイオード３
が逆直列接続の逆流防止ダイオード４と共に逆並列接続
されている。図６はこの回路を実現したモジュールであ
る。図において５１はトランジスタ、５２は高速ダイオ
ードの個別チップであり、５３は定電圧ダイオードと逆
流防止ダイオードとの逆直列接続を一体化した部材であ
る。高速ダイオード５２と一体化部材５３の下部端子は
トランジスタ５１のコレクタの接続されるコレクタ電極
板５４に固着され、上部端子はトランジスタ５１のエミ
ッタと共に導線５５でエミッタ電極板５６に接続されて
いる。そしてコレクタ電極板５４とエミッタ電極板５６
は下面に冷却板５８が取付けられる絶縁板５７に固着さ
れている。
【０００９】図７，図８，図９は定電圧ダイオード３と
逆流防止ダイオード４の逆直列接続部材５３の実施例を
示す。図７においてはＮ層３１とＰ層３３からなるツエ
ナダイオードチップ５９とＮ層６１，Ｐ層６２からなる
ダイオードチップ６０がはんだ６３によって順方向が逆
向きになるようにろう付けされている。なお、ダイオー
ドチップ６０も逆回復時間の短いファストリカバリーダ
イオード（ＦＲＤ）として形成されることが望ましい。
【００１０】図８に示す実施例においては、図１の定電
圧ダイオード３と逆流防止ダイオード４が１チップに集
積されている。図（ａ）に示すように定電圧ダイオード
は、Ｎ−　層３１と選択拡散によるＰ＋　層３３との間
のＰＮ接合によって形成され、逆流防止ダイオードはＮ
−　層３１とその上に接触するＣｒあるいはＡｌなどの
金属層３７とからなるショットキーバリアによって形成
されている。逆流防止ダイオード４の耐圧は定電圧ダイ
オード３の順方向電圧降下分だけあればよいから、ショ
ットキーバリアダイオードの耐圧で十分である。このチ
ップの等価回路は図（ｂ）の通りで、Ｐ＋　層３３に酸
化膜３４の開口部で接触するアノード電極３５によって
図１におけるトランジスタ１のエミッタ１１と、ショッ
トキーバリア電極３７によってトランジスタ１のコレク
タ１２と接続される。
【００１１】図９に示す実施例では、図８と同様にＰＮ
接合を有する定電圧ダイオードとショットキー接合を有
する逆流防止ダイオードが１チップに複合されているが
、図（ａ）に示すようにＰ−　層３８を基材にしている
ため、順方向が逆になる。すなわち、等価回路は図（ｂ
）のようになり、Ｎ＋　層３２に接触するカソード電極
３６が図１におけるトランジスタ１のコレクタ１２に、
また半導体から金属に向かって順方向となるショットキ
ーバリアを形成する金属層３９がトランジスタ１のエミ
ッタ１１に接続される。なお、定電圧ダイオード３のツ
エナ電圧が５００Ｖ以上を要するときは、この実施例の
構造は不適で、図８に示すようにＮ−　層３１を基材に
することが望ましい。
【００１２】図１０に示す実施例においては、図１にお
けるトランジスタ１，高速ダイオード（ＦＲＤ）２，定
電圧ダイオード３および逆流防止ダイオード４を１チッ
プに集積したものである。図に示すように、Ｎ−　シリ
コン基板４０を用い、酸化膜マスクを用いた１回の選択
拡散によりＰ＋　層４１，Ｐ＋　層４２，Ｐ＋　層４３
が形成されている。Ｐ＋　層４１はトランジスタ１のベ
ース層であり、その中に形成されるＮ＋　層４４をエミ
ッタ層とし、Ｎ−　層４０をコレクタとしてトランジス
タ１が構成される。Ｐ＋　層はＦＲＤ２のアノード側層
であり、それとＰＮ接合をつくるＮ−　層４０の部分に
は、例えば選択的塗布拡散により金などのライフタイム
キラー４５が導入され、キャリアの再結合を促進してダ
イオード２の高速化が図られている。Ｐ＋　層４３の一
部には不純物の再拡散により深いＰ＋　層３３が形成さ
れている。これによって生ずるＰ＋　層３３とＮ−　層
４０との間のＰＮ接合により定電圧ダイオード３が形成
され、Ｎ−　層４０とその下面に接触する金属層３７に
より逆流防止ダイオード４となるショットキーダイオー
ドが形成されるので、図８（ａ）と同様の構成ができ上
がる。この場合、Ｐ＋　層３３はＰ＋　層４３と同一面
積でもよい。金属層３７はＮ＋　層４６を介してトラン
ジスタ部１，高速ダイオード部２のＮ−　層４０にも接
触し、トランジスタ１のコレクタ電極、高速ダイオード
のカソード電極の役目を兼ねる。そのほかＰ＋　　層４
１にはトランジスタ１のベース電極４７、Ｎ＋　層４４
にはエミッタ電極４８、Ｐ＋　層４２には高速ダイオー
ド２のアノード電極４９、Ｐ＋　層４３には定電圧ダイ
オード３のアノード電極３５が接触し、電極４８，４９
，３５が相互に接続されることにより図１に示す等価回
路が構成される。この構造で、Ｐ＋　層３３とショット
キーバリア電極３７の間のＮ−　層４０の幅Ｗｉは、例
えば定電圧ダイオード３のツエナ電圧を４００Ｖにする
ときには３５μｍ程度にされる。一方、Ｐ＋　層４１，
Ｐ＋　層４２の下に残るＮ−　層４０の幅は６０μｍ程
度である。なお、図１０におけるトランジスタ１は通常
のバイポーラトランジスタであるが、エミッタ層４４の
表面部にＰ＋　ソース層を形成し表面上にＭＯＳ構造を
設ければ、ＩＧＢＴとすることもできる。また、いずれ
の場合も導電型を逆にすることが可能なことはもちろん
である。
【００１３】
【発明の効果】本発明によれば、トランジスタのバイパ
ス機能をもつＦＷＤに過電圧保護のための定電圧ダイオ
ードとしての機能を兼ねさせないで、定電圧ダイオード
を逆流防止ダイオードと直列に接続して別個にトランジ
スタに逆並列接続することにより、ＦＷＤの高速スイッ
チング性と定電圧ダイオードの安定した定電圧特性を容
易に両立させることができるようになった。そして、少
なくとも定電圧ダイオードと逆流防止ダイオードを一体
化することにより、特に逆流防止ダイオードをショット
キーダイオードとすることにより定電圧ダイオードと１
チップ化することによって回路構成が簡素化できた。さ
らに、トランジスタも含めて各素子を１チップに集積す
ることにより、簡素化の効果はより大きくなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の等価回路図
【図２】モータ速度制御回路図
【図３】図２の回路に用いる半導体装置の等価回路図
【
図４】図２の回路に用いる別の半導体装置の等価回路図
【図５】リーチスルー型ツエナダイオードの断面図
【図
６】本発明の一実施例のモジュールの正面図
【図７】本
発明の別の実施例に用いる逆直列接続ダイオードの断面
図
【図８】本発明の異なる実施例に用いる逆直列接続ダイ
オードの（ａ）断面図および（ｂ）等価回路図
【図９】
本発明のさらに異なる実施例に用いる逆直列接続ダイオ
ードの（ａ）断面図および（ｂ）等価回路図
【図１０】
図１の等価回路を１チップに構成する本発明の他の実施
例の半導体装置の断面図
【符号の説明】
１　　　　トランジスタ ２　　　　高速ダイオード ３　　　　定電圧ダイオード ４　　　　逆流防止ダイオード ３１　　　　Ｎ−　層 ３２　　　　Ｎ＋　層 ３３　　　　Ｐ＋　層 ３５　　　　アノード電極 ３６　　　　カソード電極 ３７　　　　ショットキーバリア電極 ３８　　　　Ｐ−　層 ３９　　　　ショットキーバリア電極 ４０　　　　Ｎ−　シリコン基板 ４１　　　　Ｐ＋　ベース層 ４２　　　　Ｐ＋　層 ４３　　　　Ｐ＋　層 ４４　　　　Ｎ＋　エミッタ層 ４５　　　　ライフタイムキラー ４７　　　　ベース電極 ４８　　　　エミッタ電極 ４９　　　　アノード電極 ５１　　　　トランジスタチップ ５２　　　　高速ダイオードチップ ５３　　　　逆直列接続ダイオード ５４　　　　コレクタ電極板 ５６　　　　エミッタ電極板 ５９　　　　ツエナダイオードチップ ６０　　　　ダイオードチップ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】トランジスタのコレクタ・エミッタ間に、
    逆流防止ダイオードが逆直列接続された定電圧ダイオー
    ドと高速ダイオードとがトランジスタのベース・エミッ
    タ接合に対してそれぞれ逆並列接続された半導体装置。
  2. 【請求項２】請求項１記載のものにおいて、定電圧ダイ
    オードと逆流防止ダイオードとが一体化され、高速ダイ
    オードと共にトランジスタのコレクタに接続される電極
    板に接続された半導体装置。
  3. 【請求項３】請求項１あるいは請求項２記載のものにお
    いて、定電圧ダイオードチップと逆流防止ダイオードチ
    ップとを上下に重ねてろう付けすることにより定電圧ダ
    イオードと逆流防止ダイオードが一体化された半導体装
    置。
  4. 【請求項４】請求項１あるいは２記載のものにおいて、
    定電圧ダイオードの接合が半導体素体の第一導電型の第
    一層と第二導電型の第二層とによって形成され、逆流防
    止ダイオードの接合が前記半導体素体の第一層とその第
    一層の表面に接触する金属層との間のショットキーバリ
    アによって形成されることにより定電圧ダイオードと逆
    流防止ダイオードが一体化された半導体装置。
  5. 【請求項５】請求項１記載のものにおいて、トランジス
    タが半導体素体の第一導電型の第一層、その第一層の一
    面側の表面層内に選択的に形成された第二導電型の第二
    層およびその第二層の表面層内に選択的に形成された第
    一導電型の第三層からなり、高速ダイオードが第一層の
    中のライフタイム制御された領域およびその領域上の一
    面側に形成された第二導電型の第四層からなり、定電圧
    ダイオードが第一層およびその一面側の表面層内に選択
    的に形成された第二導電型の第五層からなり、逆流防止
    ダイオードが第一層およびその他面側に接触するショッ
    トキーバリア金属層よりなる半導体装置。
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