JPH06151825A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】スイッチング素子と逆並列に順方向電圧降下が
小さく逆回復特性の良い回生ダイオードを１チップで形
成した小型で高信頼性の半導体装置を提供する。 【構成】静電誘導サイリスタや絶縁ゲート型のトランジ
スタのように、半導体基体の表面に、主電流の量を制御
する構造を有する半導体装置において、その陽極領域
を、下面のみならず側面にも設けて、この陽極領域を取
り囲むように形成した回生ダイオード用の陰極領域と表
面電極により接続した。また、ダイオードの陽極領域
は、高濃度領域と低濃度領域とを交互に備える。 【効果】外部配線を増やすことなく、スイッチング素子
と逆並列にダイオードを接続でき、小型化できるという
効果がある。また、キャリア注入量が制限されて、順方
向電圧が小さく、逆回復特性の良い回生ダイオードを形
成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、静電誘導サイリスタと
逆方向ダイオードを集積した半導体装置に関するもので
あり、例えば、パワーエレクトロニクス分野に用いられ
るインバータ回路の主スイッチング素子として利用され
るものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、パワーエレクトロニクス機器の高
効率化、小型化並びに低コスト化のために、ブリッジ方
式や共振方式のインバータ回路が広く使用されている。
そのうち、特にモーターコントロールや中大型電源に用
いられる三相ブリッジインバータ回路では、図５に示す
ような主回路を一体化したパワーモジュールや、さらに
駆動回路や保護回路を付加したインテリジェントパワー
モジュールが出現して、機器の小型化に大きく貢献して
いる。

【０００３】図６にインテリジェントパワーモジュール
の内部構成を概略的に示している。このモジュールの中
には、三相ブリッジインバータの主回路を構成している
パワースイッチング素子１と回生用のダイオード１３が
各６個ずつと、パワースイッチング素子１を駆動する６
個のドライバーＩＣ２５がモジュール外枠２６上に搭載
されている。

【０００４】上記のようなインテリジェントパワーモジ
ュールを小型化するために、パワースイッチング素子と
回生電流を流すための逆方向ダイオードを１つのデバイ
スの中に作成することが提案されている（国際公開ＷＯ
９１／０３８４２）。例えば、パワースイッチング素
子として静電誘導サイリスタを用いた場合の断面構造を
図７に示す。この例では、表面側に高濃度Ｐ型のゲート
領域１４と高濃度Ｎ型のカソード領域１５とその各々の
電極１６，１７とを有し、その下に低濃度Ｎ型のベース
領域１８を有し、その下に高濃度Ｐ型のアノード領域１
９とその電極２０を有する静電誘導サイリスタにおい
て、ベース領域１８とアノード領域１９の接合を跨ぐよ
うに、高濃度Ｎ型のベース領域２２を設け、さらにベー
ス領域１８の表面側で素子周辺部に、高濃度Ｎ型のエミ
ッタ領域２３を形成して、これとアノード電極２０とを
外部電極２７，２０により短絡させている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図７に示したような構
造にすると、半導体装置の本来の電流通電方向とは逆方
向にも電流が流れるので、図８の等価回路に示すよう
に、逆方向の回生ダイオード２４が接続されていること
になる。特に、図５に示すようなインバータ回路のスイ
ッチング素子として動作させた場合には、静電誘導サイ
リスタ２１がオンするときに、その電流波形に、図１０
の曲線Ａのようなダイオードの逆回復電流が流れるが、
本構造では、それが殆どなくなる。しかし、一方では図
９の曲線ａのように、電流が大きくなる程電圧降下が大
きくなる。これが例えばＩＧＢＴ等の絶縁ゲート型の素
子の場合、内部に寄生ダイオードを有しているので、高
濃度Ｎ型のエミッタ領域２３を併せ持つことにより、図
９の曲線ｂのように逆方向電圧降下は小さいが、図１０
のように、順方向にオンする時に曲線Ｂのような大きな
逆回復電流が流れ、誤動作を招くノイズの原因を誘発す
る。以上のように、主回路に用いるスイッチング素子に
よって、逆導通電圧降下とオン時に流れる逆回復電流と
の間に二律背反が生じて、両者を同時に満足することが
出来ない。また、この方式では、２つのデバイスを逆並
列に接続するために正負両極ともチップ外のワイヤで接
続しなければならないので、そのためのランドが必要に
なるため、やや小型化を阻害する。

【０００６】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、外部配線を減らし
て小型化を実現すると共に、順方向電圧降下が小さく、
逆回復特性の良い回生ダイオードをスイッチング素子と
逆並列に１チップで形成することにより、パワーモジュ
ールに使用したときのスイッチングノイズを小さくし
て、信頼性を向上できる半導体装置を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明にあっては、上記
の課題を解決するために、例えば、図１に示すように、
Ｐ型のアノード領域７と、低濃度Ｎ型のベース領域２を
有するサイリスタにおいて、その主電流を制御するゲー
ト領域３と、カソード領域４を底側と側面で囲むよう
に、且つその素子の耐圧を確保できるような所定の深さ
に形成された、Ｐ型アノード領域７を更に包み込むよう
に、回生ダイオードを形成するための低濃度Ｎ型の第２
カソード領域８を設け、さらに、逆回復特性の良いダイ
オードにするために、その下に、高濃度Ｐ型領域１０と
低濃度Ｐ型領域１１を併せ持つ第２のアノード領域を形
成し、さらに２つの素子の逆並列回路の一方を成立させ
るために、主電流を制御する領域を囲んでいるＰ型アノ
ード領域７と、第２のカソード領域８を表面金属電極９
により短絡することを特徴とするものである。

【０００８】なお、図１では、Ｐ型アノード領域７とＮ
型カソード領域４を有する静電誘導サイリスタを例示し
ているが、これに代えて、Ｐ型コレクタ領域とＮ型ソー
ス領域を有する絶縁ゲート型トランジスタに同様の構造
を適用しても良い。また、アノード領域とカソード領域
を逆にする場合には、Ｎ型とＰ型を逆にすれば良い。

【０００９】

【作用】本発明の構造によれば、主電流を制御する領域
を囲んでいるＰ型アノード領域７が、本来のスイッチン
グ素子の一部として機能し、ダイオードのカソード領域
８と短絡しているので、図２の回路と等価な構造になっ
ている。また、ダイオードのアノード領域が、高濃度と
低濃度のＰ型領域１０，１１で形成されているので、オ
ン時の注入キャリア量が抑えられ、図３のように逆方向
導通時の電圧降下Ｖｃが０．７〜０．９Ｖと小さく、イ
ンバータ回路に使用した場合には、図４の曲線Ｃのよう
にオン時の逆回復電流も小さくなる。またスイッチング
素子１のアノード領域７とダイオード１３のカソード領
域８が、表面電極９で接続されているので、ワイヤを打
つためのランドも少なくてよい。

【００１０】

【実施例】本発明の一実施例の断面構造を図１に示す。
本実施例では、スイッチング素子として図２に示すよう
な静電誘導サイリスタ１が使用されており、低濃度Ｎ型
ベース領域２の表面側に、高濃度Ｐ型ゲート領域３と、
これに挟まれた高濃度Ｎ型カソード領域４と、各々のゲ
ート電極５とカソード電極６が形成されている。そし
て、この低濃度Ｎ型ベース領域２を囲むように、高濃度
Ｐ型アノード領域７があり、さらにこの外側に図２に示
すような回生ダイオード１３の低濃度Ｎ型カソード領域
８があり、高濃度Ｐ型アノード領域７と低濃度Ｎ型カソ
ード領域８を短絡する表面電極９が形成されている。裏
面側には、低濃度Ｎ型カソード領域８と接合を形成して
いる第２の高濃度Ｐ型アノード領域１０とこれ以外の所
に低濃度Ｐ型アノード領域１１があり、これらに接続さ
れる裏面のアノード電極１２が設けられている。このよ
うに、１チップ内にスイッチング素子と逆並列に接続さ
れた逆回復特性の良いダイオードを有することにより、
パワーモジュールの小型化を実現できると共に、特にイ
ンバータ回路に使用した場合において、スイッチング素
子のオン時の逆回復電流を少なくすることができる。

【００１１】図示実施例では、低濃度Ｎ型のベース領域
２の表面に、高濃度Ｎ型のカソード領域４と、前記カソ
ード領域４を挟むように前記Ｎ型のベース領域２の表面
に高濃度Ｐ型のゲート領域３を有する静電誘導型の半導
体装置において、前記高濃度Ｎ型のカソード領域４と高
濃度Ｐ型のゲート領域３から成る主電流の量を制御する
領域の外側と、前記低濃度Ｎ型のベース領域２の所定の
深さの部分に、前記主電流の量を制御する領域を囲むよ
うに形成された第２の高濃度Ｐ型領域７を有し、前記第
２の高濃度Ｐ型領域７により分離され、前記主電流の量
を制御する領域とは別の低濃度Ｎ型の第１の領域８と、
前記第２の高濃度Ｐ型領域７とを前記ベース領域２を構
成する半導体基体の表面で金属電極９により短絡し、前
記低濃度Ｎ型のベース領域２を構成する半導体基体のも
う一方の表面に第３の高濃度Ｐ型領域１０と、低濃度Ｐ
型領域１１とを交互に有する静電誘導サイリスタを例示
しているが、請求項３に記載したように、ＩＧＢＴのよ
うな絶縁ゲート型の半導体装置に適用することもでき
る。すなわち、低濃度Ｎ型の半導体基体の表面に、中濃
度Ｐ型のウェル領域を形成し、前記中濃度Ｐ型のウェル
領域内に高濃度Ｎ型のソース領域を形成し、前記中濃度
Ｐ型のウェル領域と前記高濃度Ｎ型のソース領域とを短
絡させる第１の表面金属電極を設け、絶縁膜を介して中
濃度Ｐ型のウェル領域上で前記第１の表面金属電極の無
い部分に形成された第２の表面金属電極を設けた絶縁ゲ
ート型の半導体装置において、前記中濃度Ｐ型のウェル
領域と前記高濃度Ｎ型のソース領域と前記第１の表面金
属電極と前記第２の表面金属電極から成る主電流の量を
制御する領域の外側と、前記低濃度Ｎ型の半導体基体の
所定の深さの部分に、前記主電流の量を制御する領域を
囲むように形成された第１の高濃度Ｐ型領域を有し、前
記第１の高濃度Ｐ型領域により分離され、前記主電流の
量を制御する領域とは別の低濃度Ｎ型の第１の領域と、
前記第１の高濃度Ｐ型領域とを前記半導体基体の表面で
金属電極により短絡し、前記低濃度Ｎ型の半導体基体の
もう一方の表面に第２の高濃度Ｐ型領域と、低濃度Ｐ型
領域とを交互に有する構造を用いても良い。また、実施
例の説明では、第１導電型をＮ型とし、第２導電型をＰ
型としたが、第１導電型をＰ型とし、第２導電型をＮ型
としても良い。

【００１２】

【発明の効果】本発明によれば、上述のように、静電誘
導サイリスタや絶縁ゲート型のトランジスタのように、
半導体基体の表面に、主電流の量を制御する構造を有す
る半導体装置において、その陽極領域を下面のみならず
側面にも設けて、この陽極領域を取り囲むように形成し
た回生ダイオード用の陰極領域と表面電極により接続し
たので、外部配線を増やすことなく、スイッチング素子
と逆並列にダイオードを接続することができ、小型化が
実現できるという効果がある。また、ダイオードの陽極
領域は、高濃度領域と低濃度領域とを交互に有するの
で、キャリア注入量が制限されて、順方向電圧が小さ
く、逆回復特性の良い回生ダイオードを形成できるの
で、例えば、インバータ回路の主回路を構成するための
パワーモジュールに使用した場合には、逆回復電流が小
さくなり、スイッチングノイズを小さくして、信頼性を
向上できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の断面図である。

【図２】本発明の一実施例の等価回路図である。

【図３】本発明の一実施例の双方向電流−電圧特性図で
ある。

【図４】本発明の一実施例のスイッチング波形図であ
る。

【図５】従来のインバータ回路の主回路の回路図であ
る。

【図６】従来のインテリジェントパワーモジュールの内
部構成を示す斜視図である。

【図７】従来例の断面図である。

【図８】従来例の等価回路図である。

【図９】従来例の双方向電流−電圧特性図である。

【図１０】従来例のスイッチング波形図である。

【符号の説明】

１ 静電誘導サイリスタ ２ ベース領域 ３ ゲート領域 ４ カソード領域 ５ ゲート電極 ６ カソード電極 ７ アノード領域 ８ 第２カソード領域 ９ 表面電極 １０ 高濃度Ｐ型領域 １１ 低濃度Ｐ型領域 １２ 裏面アノード電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 低濃度第１導電型の半導体基体の表面
   に、主電流の量を制御する構造を有する半導体装置にお
   いて、前記主電流の量を制御する領域の外側と、前記低
   濃度第１導電型の半導体基体の所定の深さの部分に、前
   記主電流の量を制御する領域を囲むように形成された高
   濃度第２導電型領域を有し、前記高濃度第２導電型領域
   により分離され、前記主電流の量を制御する領域とは別
   の低濃度第１導電型の第１の領域と、前記高濃度第２導
   電型領域とを前記半導体基体の表面で金属電極により短
   絡し、前記低濃度第１導電型の半導体基体のもう一方の
   表面に高濃度第２導電型領域と、低濃度第２導電型領域
   とを交互に有することを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 低濃度第１導電型の半導体基体の表面
   に、高濃度第１導電型のカソード領域と、前記カソード
   領域を挟むように前記第１導電型の半導体基体の表面に
   高濃度第２導電型のゲート領域を有する静電誘導型半導
   体装置において、前記高濃度第１導電型のカソード領域
   と高濃度第２導電型のゲート領域から成る主電流の量を
   制御する領域の外側と、前記低濃度第１導電型の半導体
   基体の所定の深さの部分に、前記主電流の量を制御する
   領域を囲むように形成された第２の高濃度第２導電型領
   域を有し、前記第２の高濃度第２導電型領域により分離
   され、前記主電流の量を制御する領域とは別の低濃度第
   １導電型の第１の領域と、前記第２の高濃度第２導電型
   領域とを前記半導体基体の表面で金属電極により短絡
   し、前記低濃度第１導電型の半導体基体のもう一方の表
   面に第３の高濃度第２導電型領域と、低濃度第２導電型
   領域とを交互に有することを特徴とする半導体装置。
3. 【請求項３】 低濃度第１導電型の半導体基体の表面
   に、中濃度第２導電型のウェル領域と、前記中濃度第２
   導電型のウェル領域内に高濃度第１導電型のソース領域
   と、前記中濃度第２導電型のウェル領域と前記高濃度第
   １導電型のソース領域とを短絡させる第１の表面金属電
   極と、絶縁膜を介して中濃度第２導電型のウェル領域上
   であって前記第１の表面金属電極の無い部分に形成され
   た第２の表面金属電極とを有する絶縁ゲート型半導体装
   置において、前記中濃度第２導電型のウェル領域と前記
   高濃度第１導電型のソース領域と前記第１の表面金属電
   極と前記第２の表面金属電極から成る主電流の量を制御
   する領域の外側と、前記低濃度第１導電型の半導体基体
   の所定の深さの部分に、前記主電流の量を制御する領域
   を囲むように形成された第１の高濃度第２導電型領域を
   有し、前記第１の高濃度第２導電型領域により分離さ
   れ、前記主電流の量を制御する領域とは別の低濃度第１
   導電型の第１の領域と、前記第１の高濃度第２導電型領
   域とを前記半導体基体の表面で金属電極により短絡し、
   前記低濃度第１導電型の半導体基体のもう一方の表面に
   第２の高濃度第２導電型領域と、低濃度第２導電型領域
   とを交互に有することを特徴とする半導体装置。