JPH08274317A - 電力用半導体装置 - Google Patents

電力用半導体装置

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JPH08274317A
JPH08274317A JP7074318A JP7431895A JPH08274317A JP H08274317 A JPH08274317 A JP H08274317A JP 7074318 A JP7074318 A JP 7074318A JP 7431895 A JP7431895 A JP 7431895A JP H08274317 A JPH08274317 A JP H08274317A
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JP
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layer
type
conductivity
conductivity type
electrode
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JP7074318A
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English (en)
Inventor
Kenichi Matsushita
憲一 松下
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本願発明は陽極に過電圧および高dv/dt
が印加されても破壊しない電力用半導体装置を提供する
ことを目的とする。 【構成】 本発明はn- 型基板1に半導体素子領域が形
成され、それを取り囲むように、リング状のp型リング
層8とストッパー層9及びストッパー電極10と、電界
緩和のためのRESURF層11とによって、接合終端
領域が形成され、p型リング層8にはn型拡散層12が
拡散形成され、このn型拡散層12は電極12によって
p型リング層8と短絡されて、電極13はソース電極5
に接続され、n型拡散層12の外側にはn型拡散層14
が拡散形成され、このn型拡散層14は電極15によっ
てp型リング層8に短絡されてなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は絶縁ゲート型ターンオフ
サイリスタや導電変調型トランジスタ(絶縁ゲート型バ
イポーラトランジスタ)等の電力用半導体装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】図11には電力用半導体装置の一つであ
る絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(Insula
ted Gate Bipalar Tramsist
or::IGBT)の素子断面図が示されている。
【0003】図中、n- 型基板201には、p型ウェル
層202とn+ - ソース層203とp型ドレイン層20
4が選択的に拡散形成され、p型ウェル層202とn+
- ソース層203はソース電極205によって短絡され
ている。p型ドレイン層204にはドレイン電極207
が接続され、これらとゲート電極206によってIGB
T素子領域が構成されている。それを取り囲むように、
リング状のp型リング層208とストッパー層209及
びストッパー電極210と、電界緩和のためのRESU
RE層211とによって、接合終端領域が形成されてい
る。
【0004】この様な電力用半導体装置は、主に大電流
・高電圧スイッチング素子として利用されており、何ら
かの原因でドレイン電極207に過電圧や高dv/dt
が印加されても極力、誤点弧しない様に設計される。
【0005】しかし、ドレイン電極207に印加できる
電圧やdv/dtにも物理的な限界があり、この限界値
を越えると、過電圧による降伏電流の急増やdv/dt
による寄生サイリスタ構造のラッチアップ等の現象が発
生する。これらの現象は、様々な要因による半導体装置
内の不均一性のため局所的な現象であり、結果、その部
分の電流密度が異常に高くなってしまい、一旦これらの
現象が発生すると半導体装置は瞬間的に破壊する。
【0006】また図12は従来の絶縁ゲート型サイリス
タの素子構造の断面図が示されている。このサイリスタ
では、高抵抗のn型ベース層221の表面にp型ベース
層222が形成され、このp型ベース層222内には、
n型エミッタ層223が選択的に形成されている。ま
た、n型ベース層221の裏面には、高濃度のn型バッ
ファ層224を介してp型エミッタ層225が形成され
ている。n型エミッタ層223には、カソード電極22
6が、p型エミッタ層225にはアノード電極227が
設けられ、サイリスタが構成される。
【0007】p型ベース層222の周辺部には、n型エ
ミッタ層223とp型ベース層222及びn型ベース層
221で、p型ベース層222の表面にnチャネルが形
成されるようなMOSFETを形成するために、ゲート
酸化膜228を介してターンオンゲート電極229が形
成される。
【0008】所定距離離れて形成されたp型ベース層2
22の間にp型ウェル層230を形成し、このp型ウェ
ル層230内にn型ソース層231と、このn型ソース
層231とp型ウェル層230を短絡するようなソース
電極232と、p型高濃度層233を形成し、さらにゲ
ート酸化膜234を介してターンオフゲート電極235
と、n型ドレイン層236と、このn型ドレイン層表面
にドレイン電極237を形成することによって、ターン
オフ用MOSFETを形成する。
【0009】ドレイン電極237は、電極238及びp
型高濃度層239を介してp型ベース層222に接続さ
れ、ソース電極232は、カソード電極226に接続さ
れている。
【0010】一般的に、p型ベース層222とp型ウェ
ル層230はコスト削減のため同時に拡散形成されるた
め、その深さ方向の不純物濃度分布及び拡散深さは同じ
になる。
【0011】この様な絶縁ゲート型サイリスタにおい
て、ターンオフゲート電極235に0或いは負の電圧を
印加したままターンオフゲート229に正の電圧を印加
すると、n型エミッタ層223、p型ベース層222、
n型ベース層221、p型エミッタ層225で構成され
るサイリスタが導通状態となる。
【0012】次にターンオフゲート電極225に正の電
圧を印加すると、p型ベース層222がp型ウェル層2
30内に形成されたMOSFET及びカソード電極22
6を通してn型エミッタ層223と短絡されるため、n
型エミッタ層223からp型ベース層222への電子注
入は止まり、電子はターンオフゲート電極229によっ
て形成されるチャネルによって直接n型ベース層221
に注入される。
【0013】次にこの状態でターンオフゲート電極23
5に印加されている電圧を0或いは負にすると、n型エ
ミッタ層223からの電子注入は全て止まるため、空乏
層がp型ベース層222とn型ベース層221による接
合J1と、p型ウェル層230とn型ベース層221と
による接合J2から広がり、ターンオフが始まる。
【0014】しかし、上述の構造の絶縁ゲート型サイリ
スタでは、ターンオフの最中に何らかの原因によりアノ
ード電極227とカソード電極226間に過電圧が印加
されると、p型ベース層222とp型ウェル層230は
深さ方向の不純物濃度分布と拡散深さが同じ為、接合J
1と接合J2が同時に降伏し、同じだけの降伏電流が、
それぞれp型ベース層222及びp型ウェル層230に
流れ込む。
【0015】p型ベース層222に流れ込む電流がある
一定値より大きくなると、一担は止まっていたn型エミ
ッタ層223からの電子注入が再び始まり、n型エミッ
タ層223、p型ベース層222、n型ベース層22
1、p型エミッタ層225で構成されるサイリスタが再
点弧し、この絶縁ゲート型ターンオフサイリスタが制御
不能になるという問題がある。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】上述のごとく、従来の
IGBTでは、過電圧や限界を越えたdv/dtが印加
されると瞬間的に破壊するという問題が、また絶縁ゲー
ト型シリスタでは再点弧するという問題があった。
【0017】本発明はこの様な問題に鑑み、降伏電流の
増大や寄生サイリスタ構造の誤点弧が発生しても瞬間的
に破壊しなく、又再点弧もしない電力様半導体装置を提
供することを目的とする。
【0018】
【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、本発明の電力用半導体装置(請求項1)は、第1
導電型の高抵抗基板の第1の表面に、半導体素子領域と
第1の主電極が形成され、前記半導体素子領域を取り囲
むように、前記第1の主電極と接続された第1の第2導
電型高濃度層と、前記第1の第2導電型高濃度層から所
定距離外側に前記第1の第2導電型高濃度層を取り囲む
ように形成された第1の第1導電型高濃度層と、前記第
1の第1導電型高濃度層の表面に前記半導体素子領域を
取り囲むように形成された第1の電極と、前記第1の第
2導電型高濃度層と前記第1の第1導電型高濃度層の間
に形成された電界緩和領域と、による接合終端領域が形
成され、前記第1の表面と反対側の第2の表面には、第
2の第2導電型高濃度層と、第2の主電極が形成された
半導体電力用半導体装置において、前記第1の第2導電
型高濃度層に、前記素子領域を取り囲むように、選択的
に一つあるいは複数の第2の第1導電型高濃度層と、前
記第2の第1導電型高濃度層と前記第1の第2導電型高
濃度層と前記第1の主電極を短絡するような第2の電極
とが形成され、前記第2の第1導電型高濃度層と前記第
1の第2導電型高濃度層と前記第1導電の高抵抗基板と
前記第2の第2導電型高濃度層とで構成されるサイリス
タ構造のブレークオーバー電圧が、前記接合終端領域あ
るいは前記素子領域が破壊する電圧よりも低いことを特
徴とする。
【0019】また、本発明の他の電力用半導体装置(請
求項2)は、第1導電型の高抵抗基板の第1の表面に、
半導体素子領域と第1の主電極が形成され、前記半導体
素子領域を取り囲むように、前記第1の主電極と接続さ
れた第1の第2導電型高濃度層と、前記第1の第2導電
型高濃度層から所定距離外側に前記第1の第2導電型高
濃度層を取り囲むように形成された第1の第1導電型高
濃度層と、前記第1の第1第1導電型高濃度層の表面に
前記半導体素子領域を取り囲むように形成された第1の
電極と、前記第1の第2導電型高濃度層と前記第1の第
1導電型高濃度層の間に形成された電界緩和領域と、に
よる接合終端領域が形成され、前記第1の表面と反対側
の第2の表面には、第2の第2導電型高濃度層と、第2
の主電極が形成された半導体電力用半導体装置におい
て、前記第1の第2導電型高濃度層に、前記素子領域を
取り囲むように、選択的に一つあるいは複数の第2の第
1導電型高濃度層と、前記第2の第1導電型高濃度層と
前記第1の第2導電型高濃度層と前記第1の主電極を短
絡するような第2の電極とが形成され、前記第2の第1
導電型高濃度層の外側の前記第1の第2導電型高濃度層
領域に選択的に形成された第3の第1導電型高濃度層
と、前記第3の第1導電型高濃度層と前記第1の第2導
電型高濃度層を短絡し前記第1の電極を取り囲むように
形成された第3の電極と、による増幅段が形成されてい
ることを特徴とす る。
【0020】また、本発明の電力用半導体装置(請求項
3)は、前記電力用半導体装置(請求項2)の前記増幅
段が前記第1の第1導電型高濃度層に向かって直列に複
数段形成されていることを特徴とする。
【0021】また、本発明の他の電力用半導体装置(請
求項4)は、前記電力用半導体装置(請求項2および請
求項3)の前記第3の第1導電型高濃度層が部分的に形
成され、前記第3の第1導電型高濃度層が部分的に形成
されている領域の降伏電圧が最も低いことを特徴とす
る。
【0022】また、本発明の他の電力用半導体装置(請
求項5)は、前記電力用半導体装置(請求項1および請
求項2および請求項3および請求項4)の前記電界緩和
領域が、前記第1の第2導電型高濃度層に接した第2導
電型高濃度層であることを特徴とする。
【0023】また、本発明の他の電力用半導体装置(請
求項6)は、前記電力用半導体装置(請求項2および請
求項3および請求項4)の前記電界緩和領域が、前記第
1の第2導電型高濃度層に接した第2導電型高濃度層で
あり、前記増幅段が前記電界緩和領域にも形成されてい
ることを特徴とする。
【0024】また、本発明の他の電力用半導体装置(請
求項7)は、前記電力用半導体装置(請求項1および請
求項2および請求項3および請求項4)の前記電界緩和
領域が、前記第1の第2導電型高濃度層を取り囲むよう
に選択的に形成された一つあるいは複数の第3の第2導
電型高濃度層で形成されていることを特徴とする。
【0025】また、本発明の他の電力用半導体装置(請
求項8)は、第1導電型のベース層と、前記第1導電型
ベース層の一方の面に形成された第2導電型エミッタ層
と、この第2導電型エミッタ層と反対側の前記第1導電
型ベース層の表面に複数個に分割されて選択的に形成さ
れた第2導電型ベース層と、この第2導電型ベース層の
表面に選択的に形成された第1導電型エミッタ層と、前
記第1導電型エミッタ層に形成された第1の主電極と、
前記第2導電型エミッタ層に形成された第2の主電極
と、を具備したサイリスタ構造を有し、前記複数の第2
導電型ベース層の間の前記第1導電型ベース層表面には
第2導電型ウェル層が選択的に形成され、前記第2導電
型ウェル層内にはダイオード、トランジスタ、或いは、
MOSFETの何れかにより構成される半導体装置が形
成され、前記第2導電型ウェル層内に形成された半導体
装置は所定の電極接続により前記サイリスタと電気的に
接続されており、前記第2導電型ベース層および前記第
2導電型ウェル層よりも降伏電圧が低い第1の第2導電
型層が前記第1導電型ベース層表面に形成され、前記第
1の第2導電型層は前記第1の主電極に接続されている
ことを特徴とする。
【0026】
【作用】本発明(請求項1)によれば、この電力用半導
体装置の陽極に過電圧や高いdv/dtの変化が印加さ
れたとき、第2の第1導電型高濃度層と第1の第2導電
型高濃度層と第1導電型の高抵抗基板と第2の第2導電
型高濃度層とで構成されるサイリスタ構造のブレークオ
ーバー電圧が、接合終端領域あるいは前記素子領域が破
壊する電圧よりも低いために、前記接合終端領域や前記
素子領域に局所的な電流が流れる前に前記サイリスタ構
造がオン状態になり、それ以上の電圧が陰極と陽極間に
印加されるのを防ぐ。このとき、前記サイリスタ構造
は、素子領域を取り囲むように形成されているために、
サイリスタ構造を流れる電流は、前記素子領域を取り囲
むように均一に流れ、局所的な電流による半導体装置の
破壊を防ぐ。
【0027】本発明(請求項2)によれば、この半導体
装置は第2の第1導電型高濃度層と第1の第2導電型高
濃度層と第1導電型の高抵抗基板と第2の第2導電型高
濃度層とで構成されるサイリスタ構造の外側の前記第1
の第2導電型高濃度層に、選択的に形成された第3の第
1導電型高濃度層と、前記第3の第1導電型高濃度層と
前記第1の第2導電型高濃度層を短絡し第1の電極を取
り囲む様に形成された第3の電極と、による増幅段が形
成されているために、何らかの原因で、この電力用半導
体装置の陽極に過電圧が印加され降伏電流が流れ始めて
も、この降伏電流は前記増幅段によって増幅され、この
降伏電流を増幅した電流は、前記サイリスタ構造を取り
囲むように形成された第3の電極により速やかに前記サ
イリスタ構造全体に供給され、これを均一にオン状態に
移行させる。結果、陽極電圧は急激に低下し、局所的な
電流による半導体装置の破壊を防ぐ。
【0028】本発明(請求項3)によれば、前記電力用
半導体装置(請求項2)の増幅段の外側に、第1の第1
導電型高濃度層に向かって直列に複数段形成することに
より、さらに微小な降伏電流でも、これを検知し、前記
サイリスタ構造をオンさせることができ、この半導体の
破壊を防ぐ。
【0029】本発明(請求項4)によれば、前記電力用
半導体装置(請求項2および3)の第3の第1導電型高
濃度層をある特定の領域に小さく形成し、この領域の耐
圧を、他の領域のそれよりも低く設計することにより、
より小さな降伏電流で前記サイリスタ構造をオンさせる
ことができ、この半導体装置の破壊を防ぐ。
【0030】本発明(請求項5)によれば、前記電力用
半導体装置(請求項1および2および3および4)の電
界緩和領域を第1の第2導電型高濃度層に接した第2導
電型高濃度層で形成することにより、前記電力用半導体
装置(請求項1および2および3および4)と同様の効
果を得ることができる。
【0031】本発明(請求項6)によれば、前記電力用
半導体装置(請求項2および3および4)の電界緩和領
域を第1の第2導電型高濃度層に接した第2導電型低濃
度層で形成し、前記電界緩和領域にも前記増幅段を形成
することにより、より微小な降伏電流によって前記サイ
リスタ構造をオンさせることができ、この半導体装置の
破壊を防ぐ。
【0032】本発明(請求項7)によれば、前記電力半
導体装置(請求項1および2および3および4)の電界
緩和領域を、第1の第2導電型高濃度層を取り囲むよう
に選択的に形成された一つあるいは複数の第3の第2導
電型高濃度層で形成することにより、前記電力用半導体
装置(請求項1および2および3および4)と同様の効
果を得ることができる。
【0033】本発明(請求項8)によれば、第1の導電
型n型、第2の導電型をp型としたものは図6の様にな
り、ここで、ターンオフの最中に何らかの原因で過電圧
がアノード電極7とカソード電極6の間に印加されて
も、接合J1、接合J2よりも接合J4の方が降伏電圧
に低く、降伏電流は全てp型拡散層20に流れ込む。結
果、n型エミッタ層からの電子の再注入は起こらず、こ
の絶縁ゲート型ターンオフサイリスタは制御不能状態に
は陥らない。
【0034】
【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。また実施
例1〜4において同一のものを指す場合には同一の番号
を割り当てる。図1は本発明の第1の実施例に関わる、
第1導電型n型、第2導電型p型とした場合のIGBT
の基本構成図である。
【0035】n- 型基板1には、p型ウェル層2とn+
- ソース層3とp型ドレイン層4が選択的に拡散形成さ
れ、p型ウェル層2とn+ - ソース層3はソース電極5
によって短絡されている。p型ドレイン層4にはドレイ
ン電極7が接続され、これらとゲート電極6によってI
GBT素子領域が構成されている。それを取り囲むよう
に、リング状のp型リング層8とストッパー層9及びス
トッパー電極10と、電界緩和のためのRESURF層
11とによって、接合終端領域が形成されている。p型
リング層8には、n型拡散層12が拡散形成され、この
n型拡散層12は、電極13によってp型リング層8と
短絡されている。ここで電極13はソース電極5に接続
されている。さらに、n型拡散層12の外側には、n型
拡散層14が拡散形成され、このn型拡散層14は電極
15によってp型リング層8に短絡されている。この半
導体装置をソース側から見た全体図を図2に示す。ただ
し、p型ウェル層2とn+ - source層3およびソ
ース電極5、ゲート電極6は省略した。図中A−A’に
おける断面が図1となる。
【0036】この半導体装置は、n+ - ソース層3とp
型ウェル層2とn- 型基板1とp型ドレイン層4で構成
される寄生サイリスタ構造と、n型拡散層12とp型リ
ング層8とn- 型基板1とp型ドレイン層4で構成され
る寄生サイリスタ構造2を内蔵している。この様なIG
BTがオフ状態の時にドレイン電極7とソース電極5の
間に高いdv/dtの順方向の電圧が印加されると、大
きな変位電流がドレイン電極7とソース電極5間に流れ
る。この変位電流は、半導体装置内部ではドレイン電極
7- p型ドレイン層4- n- 型基板1- p型ウェル層2
- ソース電極5という経路1と、ドレイン電極7- p型
ドレイン層4- n- 型基板1- p型リング層8- 電極1
3- ソース電極5という経路2で流れる。この経路1及
び経路2を流れる変位電流とドレイン電圧との関係で、
前記寄生サイリスタ構造1および2がオン状態になるか
どうかが決定されるが、この半導体装置では、寄生サイ
リスタ構造2の方がサイリスタ構造1よりも常にさきに
オン状態になるように設計されているために、寄生サイ
リスタ構造1はオンしない。図2に示すように、寄生サ
イリスタ構造2は、素子領域を取り囲むようにリング状
に形成されている。かりに局所的に寄生サイリスタ構造
2がオンしたとしても、オン状態はリングに沿って速や
かに寄生サイリスタ構造2全体に広がり、局所的な電流
密度の上昇による半導体装置の破壊を防止することがで
きる。
【0037】また、高いdv/dtの代わりに接合終端
領域の降伏電圧を越える過電圧が印加された場合には、
降伏電流がRESURE層11からp型リング層8を通
り、電極13に流れ込む。このとき、n型拡散層14の
直下を降伏電流が流れると、この部分のp型リング層シ
ート抵抗Rs による電位差が発生し、p型リング層8と
n型拡散層14の接合に0.7V以上の電圧が印加され
ると、n型拡散層14とp型リング層8とn- 型基板1
とp型ドレイン層4で構成される寄生サイリスタ構造3
がオン状態になり、降伏電流よりもはるかに大きな電流
がドレイン電極7- p型ドレイン層4- n- 型基板1-
p型リング層8- n型拡散層14- 電極15という経路
3で流れる。図2に示すように、電極15はn型拡散層
12を取り囲むように形成されており、かつp型リング
層8とも接続されている。すなわち、経路3電極15に
流れ込んだ電流は、電極15全体から均一にp型リング
層8に供給される。結果、この電極15から均一に供給
された電流によって、寄生サイリスタ構造2は均一にオ
ン状態に移行することになり、局所的な電流密度の上昇
による半導体装置の破壊を防止することができる。
【0038】図3は、本発明の第2の実施例に関わる電
力用半導体素子のソース側表面から見た構造図である。
ここで、図中B−B’断面は図1となる。すなわち、本
実施例の電力用半導体装置が第1の実施例のそれと異な
る点は、n型拡散層14がリング状ではなく、短く部分
的に形成されていることと、このn型拡散層14が形成
されている部分のp型リング層8がリングの外側に張り
出して形成されている点である。この様な構造の半導体
素子では、p型リング層8が張り出している部分の接合
終端領域の耐圧がその他の領域と比較して低くなるた
め、何らかの原因で過電圧が印加されたときには降伏電
流がこの部分から流れ始める。したがって、これ以降は
第1の実施例の場合と同様に、寄生サイリスタ構造3が
オンすることによって流れる電流が、電極15を介し
て、リング状に形成されている寄生サイリスタ構造2全
体に供給され、寄生サイリスタ構造2が均一にオン状態
に移行し、局所的な電流密度の上昇による半導体装置の
破壊を防止することができる。
【0039】図4は、本発明の第3の実施例に関わる電
力用半導体素子の断面図である。本実施例の電力用半導
体装置が第1の実施例および第2の実施例のそれと異な
る点は、IGBTセルがトレンチにより形成されている
点と、n型拡散層14と電極15で構成される増段幅が
直列に複数段になり、RESURF層11中にも形成さ
れている点である。この様な構造では、増幅段が複数段
になっているため、より微小な降伏電流でも上述のメカ
ニズムによって半導体装置を保護することができる。
【0040】図5は本発明の第4の実施例に関わる電力
用半導体素子の断面図である。本実施例の電力用半導体
装置が第1の実施例のそれと異なる点は、電界緩和領域
がRESURF層11ではなく、複数のp型リング層1
7ガードリングで構成されている点である。この様な構
造の電力層半導体装置でも、第1の実施例と同様の効果
を得ることができる。
【0041】次に図6〜図10を用いて本発明の他の実
施例を説明する。尚図6〜図10において同一のものを
指す場合には同一の番号を割り当てる。図6は本発明の
第1導電型をn型、第2導電型をp型とした場合の絶縁
ゲート型ターンオフサイリスタの基本構成図である。
【0042】高抵抗のn型ベース層101の表面にp型
ベース層102が形成され、このp型ベース層102内
には、n型エミッタ層103が選択的に形成されてい
る。また、n型ベース層101の裏面には、高濃度のn
型バッファ層104を介してp型エミッタ層105が形
成されている。n型エミッタ層103には、カソード電
極106が、p型エミッタ層105にはアノード電極1
07が設けられ、サイリスタが構成される。
【0043】p型ベース層102の周辺部には、n型エ
ミッタ層103とp型ベース層102及びn型ベース層
101で、p型ベース層102の表面にチャネルが形成
されるようなMOSFETを形成するために、ゲート酸
化膜108を介してターンオンゲート電極109が形成
される。
【0044】所定距離離れて形成されたp型ベース層1
02の間に、p型ウェル層110とp型拡散層120を
形成し、このp型拡散層120は降伏電圧がp型ウェル
層110およびp型ベース層102よりも低くなるよう
に拡散深さと幅が調節されており電極121を介してカ
ソード電極106と接続されている。
【0045】また、このp型ウェル層110内には、n
型ソース層111と、このn型ソース層111とp型ウ
ェル層110を短絡するようなソース電極112と、p
型高濃度層113とを形成し、されにゲート酸化膜11
4を介してターンオフゲート電極115と、n型ドレイ
ン層116と、このn型ドレイン層表面にドレイン電極
117とを形成することによって、ターンオフ用MOS
FETを形成する。
【0046】ドレイン電極117は、電極118及びp
型高濃度層119を介してp型ベース層102に接続さ
れ、ソース電極112は、カソード電極116に接続さ
れている。
【0047】ここで、ターンオフの最中に何らかの原因
で過電圧がアノード電極117とカソード電極116の
間に印加されても、接合J4の方が降伏電圧が低く、降
伏電流は全てp型拡散層120に流れ込む。結果、n型
エミッタ層103からの電子の再注入が起こらず、この
絶縁ゲーソ型ターンオフサイリスタは制御不能状態には
陥らない。
【0048】図7は、図6の変形を示す素子構成図であ
る。図6の実施例の構成図と異なる点は、高濃度n型バ
ッファ層114がないことと、p型拡散層120がな
く、p型高濃度層113がp型ベース層102とp型ウ
ェル層110のそれよりも深く拡散形成されている点で
ある。このときのp型高濃度層113の幅は、p型ウェ
ル層よりも降伏電圧が低くなるように決定する。
【0049】このような構造で、ターンオフの最中に何
らかの原因によってアノード電極107とカソード電極
106との間に過電圧が印加されると、p型高濃度層1
13とn型ベース層101との接合J3の降伏電圧が他
の接合に比べて最も低いため、降伏電流はp型高濃度層
113に全て流れ込む。さらにp型高濃度層113の抵
抗はp型ウェル層110よりも低いために、降伏電流は
全てp型高濃度層113中を流れてカソード電極106
に流れ込み、n型エミッタ層101からの電子注入のほ
かにp型ウェル層110内のn型ソース層111あるい
はn型ドレイン層116と、p型ウェル層110、n型
ベース層101、p型エミッタ層105とで構成される
寄生サイリスタの誤動作も防止できる。
【0050】ここで、ターンオフの最中に何らかの原因
で過電圧がアノード電極107とカソード電極106の
間に印加されても、p型ウェル層110の方がp型ベー
ス層102よりも深く形成されているために、接合J1
よりも接合J2の方が降伏電圧が低く、降伏電流は全て
p型ウェル層110に流れ込む。結果、n型エミッタ層
103からの電子の再注入は起こらず、この絶縁ゲート
型ターンオフサイリスタは制御不能状態には陥らない。
【0051】図8は本発明の他の実施例の構成図であ
る。高抵抗のn型ベース層131の表面にp型ベース層
132が形成され、このp型ベース層132内には、n
型エミッタ層133が選択的に形成されている。また、
n型ベース層131の裏面には、p型エミッタ層135
が形成されている。n型エミッタ層133は、電極13
6が、p型エミッタ層135にはアノード電極137が
設けられ、サイリスタが構成される。
【0052】p型ベース層132の周辺部には、n型エ
ミッタ層133とp型ベース層132及びn型ベース層
131で、p型ベース層132の表面にnチャネルが形
成されるようなMOSFETを形成するために、ゲート
酸化膜138を介してターンオンゲート電極139が形
成される。
【0053】所定距離離れて形成されたp型ベース層1
32の間にp型ウェル層140を形成し、このp型ウェ
ル層140内にn型ソース層141と、このn型ソース
層141とp型ウェル層140を短絡するようにカソー
ド電極142と、p型ベース層132及びp型ウェル層
140よりも深いp型高濃度層143とを形成し、さら
にゲート酸化膜144を介してターンオフゲート電極1
45と、n型ドレイン層146と、このn型ドレイン層
表面にドレイン電極147とを形成することによって、
ターンオフ用MOSFETを形成する。またドレイン電
極147は、電極136に接続されている。
【0054】この構造で、ターンオフの最中に何らかの
原因で過電圧がアノード電極137とカソード電極14
2の間に印加されると、最も深く拡散形成されているp
型高濃度層143とn型ベース層131との接合が、最
も早く降伏する。その結果、降伏電流は全てp型高濃度
層143を通してカソード電極142に流れ込み、p型
ウェル層140内のn型ソース層141あるいはn型ド
レイン層146と、p型ウェル層140、n型ベース層
131、p型エミッタ層135とで構成されるサイリス
タは動作せず、この絶縁ゲート型ターンオフサイリスタ
は制御不能に陥ることはない。
【0055】図9は、本発明の他の実施例に関わる素子
構成図である。図7の実施例と異なる点は、p型ベース
層102とp型ウェル層110が接触して形成されてい
る点である。このような構造でも図6の実施例と同様の
効果を得ることができる。
【0056】図10は、本発明の他の実施例に関わる素
子構成図である。図8の実施例と異なる点は、p型ベー
ス層132とp型ウェル層140が接触して形成されて
いる点である。このような構造でも図8の実施例と同様
の効果を得ることができる。
【0057】
【発明の効果】以上説明したように本発明(図1〜図
5)によれば、第1の第2導電型高濃度層内に、接合終
端領域あるいは前記素子領域が破壊する前にオン状態に
なる寄生サイリスタ構造を設けることにより、陽極に過
電圧および高dv/dtが印加されても破壊しない半導
体装置を実現できるようになる。
【0058】また本発明の電力用半導体装置の絶縁ゲー
ト型ターンオフサイリスタ(図6〜図10)によれば、
高抵抗のn型ベース層101の表面にp型ベース層10
2が形成され、このp型ベース層102内には、n型エ
ミッタ層103が選択的に形成され、n型ベース層10
1の裏面には、高濃度のn型バッファ層104を介して
p型エミッタ層106が形成され、n型エミッタ層10
3には、カソード電極106が、p型エミッタ層105
にはアノード電極107が設けられ、サイリスタが構成
され、p型ベース層102の周辺部には、n型エミッタ
層103とp型ベース層102及びn型ベース層101
で、p型ベース層102の表面にnチャネルが形成され
るようなMOSFETを形成するために、ゲート酸化膜
108を介してターンオンゲート電極109が形成さ
れ、所定距離離れて形成されたp型ベース層102の間
に、p型ウェル層110とp型拡散層120を形成し、
このp型拡散層120は降伏電圧がp型ウェル層110
およびp型ベース層101よりも低くなるように拡散深
さと幅が調節されており、電極121を介してカソード
電極106と接続され、また、このp型ウェル層110
内には、n型ソース層111と、このn型ソース層11
1とp型ウェル層110を短絡するようなソース電極1
12と、p型高濃度層113とを形成し、さらにゲート
酸化膜114を介してターンオフゲート電極115と、
n型ドレイン層116と、このn型ドレイン層表面にド
レイン電極117とを形成することによって、ターンオ
フ用MOSFETが形成され、ドレイン電極117は、
電極118及び117とを形成することによって、ター
ンオフ用MOSFETが形成され、ドレイン電極117
は、電極118及びp型高濃度層119を介してp型ベ
ース層102に接続され、ソース電極112は、カソー
ド電極106に接続されているような絶縁ゲート型ター
ンオフサイリスタにおいて、ターンオフの最中に何らか
の原因で過電圧がアノード電極107とカソード電極1
06の間に印加されても、接合J4の方が降伏電圧が低
く、降伏電流は全てp型拡散層120に流れ込むため、
n型エミッタ層103からの電子の再注入は起こらず、
この絶縁ゲート型ターンオフサイリスタは制御不能状態
には陥らない。
【0059】また、p型拡散層120を形成する代わり
に、p型高濃度層113をp型ベース層102及びp型
ウェル層110よりも降伏電圧が低くなるように形成し
ても、同様の効果が得られる。またそのときp型ベース
層102とp型ウェル層110が接触して形成されてい
ても同様である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例を示す概略図
【図2】 本発明の実施例を示す概略図
【図3】 本発明の実施例を示す概略図
【図4】 本発明の実施例を示す概略図
【図5】 本発明の実施例を示す概略図
【図6】 本発明の実施例を示す概略図
【図7】 本発明の実施例を示す概略図
【図8】 本発明の実施例を示す概略図
【図9】 本発明の実施例を示す概略図
【図10】 本発明の実施例を示す概略図
【図11】 従来例を示す概略図
【符号の説明】
1…n- 型基板 2…p型ウェル層 3…n+ - ソース層 4…p型ドレイン層 5…ソース電極 6…ゲート電極 7…ドレイン電極 8…p型リング層 9…ストッパー層 10…ストッパー電極 11…RESURF層 12…n型拡散層 13…電極 16…トレンチ酸化膜 101…n型ベース層 102…p型ベース層 103…n型エミッタ層 104…n型バッファ層 105…p型エミッタ層 106…カソード電極 107…アノード電極 108…ゲート酸化膜 109…ターンオン用ゲート電極 110…p型ウェル層 111…n型ソース層 112…ソース電極 113…p型高濃度層 114…ゲート酸化膜 115…ターンオフ用ゲート電極 116…n型ドレイン層 117…ドレイン電極 118…電極 120…p型拡散層 J1〜J4…接合

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1導電型の高抵抗基板の第1の表面に、 半導体素子領域と第1の主電極が形成され、 前記半導体素子領域を取り囲むように、 前記第1の主電極と接続された第1の第2導電型高濃度
    層と、 前記第1の第2導電型高濃度層から所定距離外側に前記
    第1の第2導電型高濃度層を取り囲むように形成された
    第1の第1導電型高濃度層と、 前記第1の第1導電型高濃度層の表面に前記半導体素子
    領域を取り囲むように形成された第1の電極と、 前記第1の第2導電型高濃度層と前記第1の第1導電型
    高濃度層の間に形成された電界緩和領域と、 による接合終端領域が形成され、 前記第1の表面と反対側の第2の表面には、 第2の第2導電型高濃度層と、 第2の主電極が形成された半導体電力用半導体装置にお
    いて、 前記第1の第2導電型高濃度層に、 前記素子領域を取り囲むように、 選択的に一つあるいは複数の第2の第1導電型高濃度層
    と、 前記第2の第1導電型高濃度層と前記第1の第2導電型
    高濃度層と前記第1の主電極を短絡するような第2の電
    極と、 が形成され、 前記第2の第1導電型高濃度層と前記第1の第2導電型
    高濃度層と前記第1導電型の高抵抗基板と前記第2の第
    2導電型高濃度層とで構成されるサイリスタ構造のブレ
    ークオーバー電圧が、 前記接合終端領域あるいは前記素子領域が破壊する電圧
    よりも低いことを特徴とする電力用半導体装置。
  2. 【請求項2】第1導電型の高抵抗基板の第1の表面に、 半導体素子領域と第1の主電極が形成され、 前記半導体素子領域を取り囲むように、 前記第1の主電極と接続された第1の第2導電型高濃度
    層と、 前記第1の第2導電型高濃度層から所定距離外側に前記
    第1の第2導電型高濃度層を取り囲むように形成された
    第1の第1導電型高濃度層と、 前記第1の第1導電型高濃度層の表面に前記半導体素子
    領域を取り囲むように形成された第1の電極と、 前記第1の第2導電型高濃度層と前記第1の第1導電型
    高濃度層との間に形成された電界緩和領域と、 による接合終端領域が形成され、 前記第1の表面と反対側の第2の表面には、 第2の第2導電型高濃度層と、第2の主電極が形成され
    た半導体電力用半導体装置において、 前記第1の第2導電型高濃度層に、 前記素子領域を取り囲むように、 選択的に一つあるいは複数の第2の第1導電型高濃度層
    と、 前記第2の第1導電型高濃度層と前記第1の第2導電型
    高濃度層と前記第1の主電極を短絡するような第2の電
    極と、 が形成され、 前記第2の第1導電型高濃度層の外側の前記第1の第2
    導電型高濃度層領域に選択的に形成された第3の第1導
    電型高濃度層と、 前記第3の第1導電型高濃度層と前記第1の第2導電型
    高濃度層を短絡し前記第1の電極を取り囲むように形成
    された第3の電極と、 による増幅段が形成されていることを特徴とする電力用
    半導体装置。
  3. 【請求項3】前記増幅段が前記第1の第1導電型高濃度
    層に向かって直列に複数段形成されていることを特徴と
    する請求項2記載の電力用半導体装置。
  4. 【請求項4】前記第3の第1導電型高濃度層が部分的に
    形成され、 前記第3の第1導電型高濃度層が部分的に形成されてい
    る領域の降伏電圧が最も低いことを特徴とする請求項2
    記載の電力用半導体装置。
  5. 【請求項5】前記電界緩和領域が、 前記第1の第2導電型高濃度層に接した第2導電型低濃
    度層であることを特徴とする請求項1または2記載の電
    力用半導体装置。
  6. 【請求項6】前記電界緩和領域が、 前記第1の第2導電型高濃度層に接した第2導電型低濃
    度層であり、 前記増幅段が、 前記電界緩和領域にも形成されていることを特徴とする
    請求項2記載の電力用半導体装置。
  7. 【請求項7】前記電界緩和領域が、 前記第1の第2導電型高濃度層を取り囲むように選択的
    に形成された一つあるいは複数の第3の第2導電型高濃
    度層で形成されていることを特徴とする請求項1又は2
    記載の電力用半導体装置。
  8. 【請求項8】第1導電型のベース層と、 前記第1導電型ベース層の一方の面に形成された第2導
    電型エミッタ層と、 この第2導電型エミッタ層と反対側の前記第1導電型ベ
    ース層の表面に複数個に分割されて選択的に形成された
    第2導電型ベース層と、 この第2導電型ベース層の表面に選択的に形成された第
    1導電型エミッタ層と、 前記第1導電型エミッタ層に
    形成された第1の主電極と、 前記第2導電型エミッタ層に形成された第2の主電極
    と、 を具備したサイリスタ構造を有し、 前記複数の第2導電型ベース層の間の前記第1導電型ベ
    ース層表面には第2導電型ウェル層が選択的に形成さ
    れ、 前記第2導電型ウェル層内にはダイオーオ、トランジス
    タ、或いはMOSFETの何れかにより構成される半導
    体素子が形成され、 前記第2導電型ウェル層内に形成された半導体装置は所
    定の電極接続により前記サイリスタと電気的に接続され
    ており、 前記第2導電型ベース層および前記第2導電型ウェル層
    よりも降伏電圧が低い第1の第2導電型層が前記第1導
    電型ベース層表面に形成され、 前記第1の第2電導型層は前記第1の主電極に接続され
    ていることを特徴とする電力用半導体装置。
  9. 【請求項9】第1導電型のベース層と、 前記第1導電型ベース層の一方の面に形成された第2導
    電型エミッタ層と、 この第2導電型エミッタ層と反対側の前記第1導電型ベ
    ース層の表面に複数個に分割されて選択的に形成された
    第2導電型ベース層と、 この第2導電型ベース層の表面に選択的に形成された第
    1導電型エミッタ層と、 前記第1導電型エミッタ層に
    形成された第1の主電極と、 前記第2導電型エミッタ層に形成された第2の主電極
    と、 を具備したサイリスタ構造を有し、 前記複数の第2導電型ベース層の間の前記第1導電型ベ
    ース層表面には第2導電型ウェル層が選択的に形成さ
    れ、 前記第2導電型ウェル層内にはダイオード、トランジス
    タ、或いはMOSFETの何れかにより構成される半導
    体素子が形成され、 前記第2導電型ウェル層内に形成された半導体装置は所
    定の電極接続により前記サイリスタと電気的に接続され
    ており、 前記第2導電型ウェル層は、前記第1の主電極に接続さ
    れ、 かつ前記第2導電型ウェル層の降伏電圧の方が前記第2
    導電型ベース降伏電圧よりも低いことを特徴とする電力
    用半導体装置。
  10. 【請求項10】第2導電型ベース層と第2導電型ウェル
    層が接触して形成されていることを特徴とする請求項9
    記載の電力用半導体装置。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11288949A (ja) * 1998-02-24 1999-10-19 Samsung Electronics Co Ltd 半絶縁ポリシリコン(sipos)を用いた電力半導体装置及びその製造方法
KR100401737B1 (ko) * 1996-12-27 2003-12-18 페어차일드코리아반도체 주식회사 고내압 구조를 가지는 반도체소자
US12419068B2 (en) 2021-09-21 2025-09-16 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device

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