JPH0812920B2 - 横型伝導度変調型mosfetおよびその制御方法 - Google Patents

横型伝導度変調型mosfetおよびその制御方法

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JPH0812920B2
JPH0812920B2 JP1026944A JP2694489A JPH0812920B2 JP H0812920 B2 JPH0812920 B2 JP H0812920B2 JP 1026944 A JP1026944 A JP 1026944A JP 2694489 A JP2694489 A JP 2694489A JP H0812920 B2 JPH0812920 B2 JP H0812920B2
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/10Shapes, relative sizes or dispositions of the regions of the semiconductor bodies; Shapes of the semiconductor bodies
    • H10D62/13Semiconductor regions connected to electrodes carrying current to be rectified, amplified or switched, e.g. source or drain regions
    • H10D62/141Anode or cathode regions of thyristors; Collector or emitter regions of gated bipolar-mode devices, e.g. of IGBTs
    • H10D62/142Anode regions of thyristors or collector regions of gated bipolar-mode devices
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D12/00Bipolar devices controlled by the field effect, e.g. insulated-gate bipolar transistors [IGBT]
    • H10D12/411Insulated-gate bipolar transistors [IGBT]

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  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
  • Bipolar Transistors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、横型バイポーラトランジスタのベース電流
をMOSFETのチャネル電流によって供給する横型伝導度変
調型MOSFETおよびその制御方法に関する。
〔従来の技術〕
伝導度変調型MOSFETは絶縁ゲート型バイポーラトラン
ジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor)とも
呼ばれるので以下IGBTと略称する。IGBTは、電圧駆動型
のバイポーラ素子として知られ、当初はたて型の素子と
して開発が進められ、最近になり横型のIGBTが開発され
るようになった。これは、たて型のIGBTは半導体基板の
表面と裏面との間に電流が流れるのに対し、横型のIGBT
は半導体基板の一面側のみを使って形成されるので、基
板への組込みが簡単で同一基板内の集積回路との接続が
容易であることによる。
第2図は従来の横型のNチャネルIGBTを示し、N-基板
1の一面に設けられたPウエル2の表面部にはP++層3
およびそれに接するN+ソース層4が設けられ、その両層
にソース端子Sに接続されるソース電極5が接触してい
る。ソース層4とN-基板領域1の間の上には、ゲート酸
化膜6を介して多結晶シリコンゲート電極7が設けら
れ、ゲート端子Gに接続されている。Pウエル層2と間
隔を置いてP+ドレイン層8を囲むN+バッファ層9が配置
されており、P+層8にはドレイン端子Dに接続されるド
レイン電極10が接触している。このIGBTではゲート電極
7に電圧を印加し、その直下のP層2の表面を反転させ
てNチャネルを形成し、電子をN+ソース層4よりN-層1
に導入する。これに応じて、中性条件を満たすようにド
レイン側のP+層8より正孔がN+バッファ層9を通じてN-
層1に導入される。このようにしてN-層8においてはキ
ャリアの蓄積が生じ、伝導度変調が生ずることとなる。
第3図はポテンシャルバリア図で、ドレインP+層8よ
りN+バッファ層9を通じてN-層1へ正孔31が導入されて
ゆく経路を描いている。従来は、N+バッファ層9の比抵
抗を変化させ、すなわちフェルミレベルを変化させるこ
とにより、正孔のP+ドレイン層8からN+バッファ層9へ
のポテンシャル障壁を制御していた。具体的には、N+
ッファ層の比抵抗を上げるとポテンシャル障壁が低くな
り、比抵抗を下げるとポテンシャル障壁が高くなる。
〔発明が解決しようとする課題〕
IGBTは、実際にはスイッチング素子として使用される
場合が多く、この場合には、オン状態では出来るだけ伝
導度変調が生ずるように、すなわちオン抵抗が出来るだ
け小さくなるようにしたい。そしてまた一方では、オン
状態からオフ状態へ移行する際には、出来るだけ速やか
にオフ状態へ移りたい、すなわち速いスイッチング時間
が要求される。
このような要求に介して、N+バッファ層9の比抵抗お
よび厚さを考慮し、なおかつライフタイムキラーを導入
し特性を得ている。すなわち、伝導度変調の生ずる程度
およびライフタイムキラーによるキャリアの消滅のさせ
方の両者を調整し、最適値を決定しているのが実情であ
る。
このようにN+バッファ層9は単に耐圧を保持するため
の空乏層のストッパという働きばかりでなく、IGBTのス
イッチングに関して大きな役割を追っている。しかし、
N+バッファ層9の不純物濃度と厚さは一義的に決まって
おり、その条件の下でライフタイムキラーを多く入れる
とスイッチング時間は速くなるがオン抵抗が大きくな
り、ライフタイムキラーを少なく入れるとスイッチング
時間は遅くなるがオン抵抗が小さくり、スイッチ時間と
オン状態での電圧降下はトレードオフ関係にある。
本発明は、このトレードオフを解消し、オン状態では
できうる限り伝導度を変調を生じさせ、オフへのスイッ
チング時には伝導度変調を出来うる限り速やかに消滅さ
せることを実現させた横型IGBTおよびその制御方法を提
供することを目的としている。
〔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、本発明は、低不純物濃
度の第一導電形の基板の表面部に選択的に第二導電形の
第一領域と第一導電形の第二領域とが所定の間隔を介し
て位置し、第一領域の表面部にいずれも高不純物濃度の
第二導電形の第三領域と第一導電形の第四領域が選択的
に形成され、第三領域と第四領域はソース電極によって
短絡され、第四領域と基板領域の間の第一領域の表面に
は酸化膜を介してゲート電極が設けられ、かつ第二領域
の表面部にはドレイン電極が接触する高不純物濃度の第
二導電形の第五領域が選択的に形成される横型IGBTにお
いて、第二領域に引き出し電極が接触するものとする。
オン状態ではドレイン電極と引き出し電極を介して第二
領域と第五領域の間のPN接合に対し順方向となる電圧を
印加するものとする。オンよりオフへのスイッチング状
態ではドレイン電極と引き出し電極を介して第二領域と
第五領域の間のPN接合に対して逆方向となる電圧を印加
するものとする。
〔作用〕
第二領域に専用の引き出し電極を設けたので、ドレイ
ン層である第五領域とバッファ層である第二領域との間
に直流電圧を適宜の極性で印加することができ、両層間
のPN接合のポテンシャル障壁が制御できるようになり、
オン状態に対応して一方のキャリアの注入を容易にして
伝導度変調を大きくし、オンよりオフへのスイッチング
状態に対応して一方のキャリアの注入、他方のキャリア
の排出を制御し、伝導度変調を速やかに消滅させること
が可能となる。
〔実施例〕
第1図は本発明の一実施例の横型のNチャネルIGBTを
示す。基板1内に形成される層構造は第2図の従来例と
同じである。すなわち比抵抗50〜100ΩのN-基板1に表
面からの拡散によりいずれも幅40〜50μmで表面不純物
濃度5×1016/cm3のPウエル(第一領域)2と表面不純
物濃度約1018/cm3のN+バッファ層(第二領域)9が50〜
100μmの間隔dを介して形成されている。Pウエル2
にはさらに表面からの不純物拡散で深さ4〜5μm、表
面不純物濃度1019/cm3以上のP++接触層(第三領域)3
と深さ1μm以下、表面不純物濃度約1018/cm3のN+ソー
ス層(第四領域)4が設けられている。一方、N+バッフ
ァ層9にも表面からの不純物拡散で幅20〜30μm、深さ
4〜5μm、表面不純物濃度約1019/cm3のP+ドレイン層
(第五領域)8が設けられている。N+ソース層4と表面
に露出したN-基板1の間の上には、厚さ1000Åのゲート
酸化膜6を介して不純物濃度1017/cm3の多結晶シリコン
により厚さ1μmのゲート電極7で形成されている。さ
らにP++層3とN+ソース層4に接触して両層を短絡する
ソース電極5,P+ドレイン層8に接触するドレイン電極10
のほか、本発明によりN+バッファ層に接触する引き出し
電極11が設けられている。各電極はそれぞれAlまたはMo
からなり、ソース電極4はソース端子Sに、ゲート電極
7はゲート端子Gに、またドレイン電極10はドレイン端
子Dにそれぞれ接続されており、ドレイン端子Dと引き
出し電極11の間には直流電源21あるいは22が接続され
る。
次にこのIGBTの制御方法について述べる。例えば、ド
レイン,ソース間に600Vの電圧が印加されるIGBTに、ま
ずオン状態では伝導度変調を出来うる限り生じさせると
いう観点から、第4図(a)に示すようなポテンシャル
バリアを実現させる。これは電源21によりN+バッファ層
とP+ドレインのPN接合部に順方向になるように、数ない
し数十Vの電圧を印加することにより実現する。これに
より、P+ドレイン層8からN-層1への正孔31の注入、N-
層1からP+ドレイン層8への電子32の排出は容易にな
り、伝導度変調を大きくすることができる。従ってオン
電圧が低下する。これに対し、オフへのスイッチング状
態では、第4図(b)に示すようなポテンシャルバリア
を実現させる。これは、電源22によりN+バッファ層とP+
ドレインのPN接合部に逆方向になるように数ないし数十
Vの電圧を印加することにより実現する。これにより、
P+ドレイン層8からN-層1への正孔31の注入は著しく制
限されるばかりでなく、N-層1からP+ドレイン層8へ排
出してゆく電子32も著しく制限され、この結果スイッチ
ング時間も極めて短くすることが可能となる。例えば、
直流電源21,22の双方を接続すれば、オン電圧が同じIGB
Tにおいてスイッチング損失が半分になる。しかし、直
流電源21,22の一方のみを接続し、一方の効果のみを利
用することも可能である。
以上の実施例は横型のNチャネルIGBTについて述べた
が、各層の導電形を逆にしたPチャネルIGBTにも同様に
実施できる。この場合オン状態およびオフへのスイッチ
ング状態でドレイン電極と引き出し電極の間に印加する
直流電圧の極性は上記の実施例と逆にする。
〔発明の効果〕
本発明によれば、たて型IGBTでは電極引き出し不能の
バッファ層に引き出し電極を設け、ドレイン電極の間に
ドレイン層、バッファ層間のPN接合に対し順方向あるい
は逆方向の電圧を印加することによりポテンシャルバリ
アを制御し、オン状態ではキャリアの注入を容易にし、
オフへのスイッチング状態ではキャリアの注入あるいは
他のキャリアの排出を制限することにより、オン電圧の
低減あるいはスイッチング時間の短縮が可能になる。し
かも、このような効果は印加電圧の大きさのみにより任
意の程度に制御でき、バッファ層の比抵抗の調整あるい
はライフタイムキラー導入量の調整にくらべて極めて容
易に所望の特性のIGBTが得られるのでその効果は極めて
大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の横型IGBTの要部断面図、第
2図は従来の横型IGBTの要部断面図、第3図は従来のP+
ドレイン層−N+バッファ層−N-層のポテンシャルバリア
図、第4図(a),(b)は本発明の一実施例による電
圧印加によって第3図に示したポテンシャルバリアが変
化する状態を示す図である。 1:N-基板、2:Pウエル(第一領域)、3:P++接触層(第三
領域)、4:N+ソース層(第四領域)、5:ソース電極、6:
ゲート酸化膜、7:ゲート電極、8:P+ドレイン層(第五領
域)、9:N+バッファ層(第二領域)、10:ドレイン電
極、11:引き出し電極、21,22:直流電源。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】低不純物濃度の第一導電形の基板の表面部
    に選択的に第二導電形の第一領域と第一導電形の第二領
    域とが所定の間隔を介して位置し、第一領域の表面部に
    いずれも高不純物濃度の第二導電形の第三領域と第一導
    電形の第四領域が選択的に形成され、第三領域と第四領
    域はソース電極によって短絡され、第四領域と基板領域
    の間の第一領域の表面には酸化膜を介してゲート電極が
    設けられ、かつ第二領域にはドレイン電極が接触する高
    不純物濃度の第二導電形の第五領域が選択的に形成され
    るものにおいて、第二領域に引き出し電極が接触するこ
    とを特徴とする横型伝導度変調型MOSFET。
  2. 【請求項2】オン状態でドレイン電極と引き出し電極を
    介して第二領域と第五領域の間のPN接合に対して順方向
    となる電圧を印加することを特徴とする請求項1記載の
    横型伝導度変調型MOSFETの制御方法。
  3. 【請求項3】オンよりオフへのスイッチング状態でドレ
    イン電極と引き出し電極を介して第二領域と第五領域の
    間のPN接合に対して逆方向となる電圧を印加することを
    特徴とする請求項1記載の横型伝導度変調型MOSFETの制
    御方法。
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