JPH08340103A - 電力用半導体装置 - Google Patents

電力用半導体装置

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JPH08340103A
JPH08340103A JP8049033A JP4903396A JPH08340103A JP H08340103 A JPH08340103 A JP H08340103A JP 8049033 A JP8049033 A JP 8049033A JP 4903396 A JP4903396 A JP 4903396A JP H08340103 A JPH08340103 A JP H08340103A
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Kazuya Nakayama
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10D12/00Bipolar devices controlled by the field effect, e.g. insulated-gate bipolar transistors [IGBT]
    • H10D12/411Insulated-gate bipolar transistors [IGBT]
    • H10D12/441Vertical IGBTs

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  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】IGBTを有する電力用半導体装置のオン電
圧、安全動作領域及びラッチアップ耐量を改善する。 【解決手段】電力用半導体装置は複数のIGBTを具備
し、ゲート電極6及びソース電極8が交互に配設され
る。隣り合う2つのIGBT101、102において
は、ゲート電極6がソース電極8、8間に位置し、次に
隣り合う2つのIGBT102、103においては、ソ
ース電極8がゲート電極6、6間に位置する。ゲート電
極6の幅をLG 、P型ベース層3の深さをDB 、P型ベ
ース層3とP型エミッタ層1とで挟まれた部分のN型ベ
ース層1の厚さをWB 、隣接するゲート電極6間の距離
をLS とした時、60μm≦LG 、5≦LG /LS 、及
び1≦LG 2 /(DB ・WB )≦9の条件が満される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は大電力を制御するた
めの電力用半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】電力制御用の半導体回路素子としてIG
BT(Insulated Gate Bipolar Transistor )がある。
IGBTは、パワーMOSFETの高速スイッチング特
性とバイポーラトランジスタの高出力特性とを兼ね備え
た新しい高耐圧回路素子であり、近年、インバータやス
イッチング電源等のパワーエレクトロニクスの分野で多
く利用されている。
【0003】図18は、従来のIGBTを示す断面図で
ある。図18において、高抵抗のN型ベース層81の表
面内にP型ベース層83が選択的に形成される。P型ベ
ース層83の表面内には、低抵抗のN型ソース層84が
選択的に形成される。N型ソース層84とN型ベース層
81とで挟まれたP型ベース層83上には、ゲート絶縁
膜85を介して、ゲート電極86が配設される。ゲート
電極86は隣接する2つのIGBTのゲート電極が一体
化されたものである。また、N型ソース層84及びP型
ベース層83の両方にコンタクトするようにソース電極
88が配設される。一方、N型ベース層81の裏面には
P型エミッタ層82が形成される。P型エミッタ層82
上にはドレイン電極87が配設される。
【0004】このように構成されたIGBTの動作は、
以下の通りである。即ち、ターンオン時には、ゲート電
極86にソース電極88に対して正の電圧(正バイアス
電圧)を印加する。ゲート電極86に正バイアス電圧が
印加されると、ゲート電極86の下部のP型ベース層8
3の表面内にN型チャネルが形成される。これにより、
N型ソース層84とN型ベース層81とが短絡する。
【0005】この結果、N型ソース層84からN型ベー
ス層81に電子が注入され、電子電流が流れるようにな
り、電子電流に応じた量の正孔がP型エミッタ層82か
らN型ベース層81に注入される。これにより、N型ベ
ース層81は導電変調を起こして低抵抗になり、ソース
・ドレイン間に主電流が流れるようになる。
【0006】一方、ターンオフ時には、ゲート電極85
にソース電極88に対してゼロまたは負の電圧(負バイ
アス電圧)を印加する。これにより、上記N型チャネル
が消滅し、N型エミッタ層84からN型ベース層81に
電子が注入されなくなる。この結果、N型ベース層81
は導電変調を起こさなくなり、やがてIGBTは非導通
状態になる。
【0007】ところで、この種のIGBTには以下のよ
うな問題がある。即ち、IGBTはサイリスタなどと比
較すると、カソード(ソース)側からのキャリア(電
子)の注入が少ないため、オン電圧が高くなる。耐圧が
高いものほど基板は厚くなるのでオン電圧は高くなる。
そして、ある程度以上の厚さになると極端にオン電圧が
高くなり、電力損失が大きくなる。このため、従来のI
GBTの耐圧は高々2kV程度である。更に、ゲート電
極間の距離はゲート電極幅と同程度であり、飽和電流が
大きいため、IGBTがラッチアップして制御不能にな
りやすいという問題がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のI
GBTにあっては、ソース側からのキャリアの注入が少
ないため、オン電圧が高い。また、ゲート電極間の距離
がゲート電極幅と同程度であるため、ラッチアップ耐量
(ラッチアップが開始する電流)が低下する。
【0009】従って、本発明は、従来よりもオン電圧の
低い電力用半導体装置を提供することを目的する。本発
明はまた、従来よりもオン電圧、安全動作領域及びラッ
チアップ耐量が改善された電力用半導体装置を提供する
ことを目的とする。本発明はまた、高耐圧、特に3kV
以上の耐圧仕様で利用可能な電力用半導体装置を提供す
ることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の視点は、
並設された複数の回路素子を有する電力用半導体装置で
あって、前記回路素子の夫々が、第1導電型エミッタ層
と、前記第1導電型エミッタ層上に配設された第2導電
型ベース層と、前記第2導電型ベース層の表面内に形成
された第1導電型ベース層と、前記第1導電型ベース層
の表面内に形成された第2導電型ソース層と、前記第2
導電型ソース層と前記第2導電型ベース層とで挟まれた
前記第1導電型ベース層上にゲート絶縁膜を介して配設
されたゲート電極部分と、前記第2導電型ソース層及び
前記第1導電型ベース層にコンタクトするソース電極部
分と、前記第1導電型エミッタ層にコンタクトするドレ
イン電極部分と、を具備し、前記ゲート電極部分は、前
記回路素子の2つの回路素子ごとに一体化されてゲート
電極を構成し、前記ゲート電極の幅をLG 、前記第1導
電型ベース層の深さをDB 、前記第1導電型ベース層と
前記第1導電型エミッタ層とで挟まれた部分の前記第2
導電型ベース層の厚さをWB 、前記ゲート電極間の距離
をLS とした時、60μm≦LG 、5≦LG /LS 、及
び1≦LG 2 /(DB ・WB )≦9の条件を満たすこと
を特徴とする。
【0011】本発明の第2の視点は、第1の視点に係る
電力用半導体装置において、前記第2導電型ベース層の
表面内で且つ前記ゲート電極の下に形成された低抵抗の
第2導電型半導体層を更に具備することを特徴とする。
【0012】本発明の第3の視点は、並設された複数の
回路素子を有する電力用半導体装置であって、前記回路
素子の夫々が、第1導電型エミッタ層と、前記第1導電
型エミッタ層上に配設された第2導電型ベース層と、前
記第2導電型ベース層の表面内に形成された第1導電型
ベース層と、前記第1導電型ベース層の表面内に形成さ
れた第2導電型ソース層と、前記第2導電型ソース層と
前記第2導電型ベース層とで挟まれた前記第1導電型ベ
ース層上にゲート絶縁膜を介して配設されたゲート電極
部分と、前記第2導電型ソース層及び前記第1導電型ベ
ース層にコンタクトするソース電極部分と、前記第1導
電型エミッタ層にコンタクトするドレイン電極部分と、
前記第2導電型ベース層と前記第2導電型ソース層とで
挟まれた前記第1導電型ベース層の表面内に形成された
高移動度半導体層と、を具備することを特徴とする。
【0013】本発明の第4の視点は、第3の視点に係る
電力用半導体装置において、前記ゲート電極部分は、前
記回路素子の2つの回路素子ごとに一体化されてゲート
電極を構成し、前記ゲート電極の幅をLG 、前記ゲート
電極間の距離をLS とした時、60μm≦LG 、及び5
≦LG /LS の条件を満たすことを特徴とする。
【0014】本発明の第5の視点は、第4の視点に係る
電力用半導体装置において、前記第1導電型ベース層の
深さをDB 、前記第1導電型ベース層と前記第1導電型
エミッタ層とで挟まれた部分の前記第2導電型ベース層
の厚さをWB とした時、1≦LG 2 /(DB ・WB )≦
9の条件を満たすことを特徴とする。
【0015】前記低抵抗の第2導電型半導体層の不純物
濃度のピーク値は、3×1014cm-3以上であればよい
が、1×1015cm-3以上であることがより好ましい。
また、前記低抵抗の第2導電型半導体層の深さ(厚さ)
は、前記第1導電型ベース層の深さ(厚さ)の1/2以
上であればよいが、前記第1導電型ベース層の深さ(厚
さ)と同じであることがより好ましい。
【0016】本発明者の研究によれば、60μm≦L
G 、1≦LG 2 /(DB ・WB )≦9に設定することに
より、オン電圧の低下を図れることが判明した。また、
近年の微細加工技術を用いることにより、LG に対して
S を十分に小さくでき(5≦LG /LS )、これによ
り、オン電圧の上昇を招くことなく、飽和電流をラッチ
アップ電流以下に抑えることができ、安全動作領域の拡
大を図れることが判明した。従って、上記知見に基づい
た本発明の第1及び第2の視点によれば、従来よりも、
オン電圧は下がり、安全動作領域は拡大する。
【0017】また、本発明の第3乃至第5の視点によれ
ば、ソース側のキャリアは前記高移動度半導体層を介し
て前記第1導電型ベース層に注入されるので、キャリア
は従来よりも高速に前記第1導電型ベース層に注入され
る。このため、単位時間当たりに前記第1導電型ベース
層に注入されるキャリアの量が多くなり、キャリアの注
入効率が高くなるので、従来よりもオン電圧を下げるこ
とができる。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態を説明する。なお、以下の実施の形態で
は、第1導電型をP型、第2導電型をN型とする。図1
は本発明の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部
(IGBT部)を示す断面図である。本実施の形態の電
力用半導体装置は横並び配列された複数のIGBT(回
路素子)を具備する。これらのIGBTのゲート電極6
及びソース電極8は交互に配設される。図1図示の如
く、ある1つのIGBT102に注目すると、そのゲー
ト電極部分6bは一方側に隣接する別のIGBT101
のゲート電極部分6aと一体となってゲート電極6を構
成し、またソース電極部分8bは他方側に隣接する別の
IGBTの103のソース電極部分8cと一体となって
ソース電極8を構成する。従って、隣り合う2つのIG
BT101、102においては、ゲート電極6がIGB
T101、102のソース電極8、8間に位置し、次に
隣り合う2つのIGBT102、103においては、ソ
ース電極8がIGBT102、103のゲート電極6、
6間に位置することとなる。
【0019】図1において、高抵抗のN型ベース層1の
裏面内にP型エミッタ層2が選択的に形成される。N型
ベース層1の表面内には、低抵抗のN型拡散層9が形成
される。N型拡散層9の表面内には、P型ベース層3が
選択的に形成される。換言すれば、隣接するP型ベース
層3の間のゲート電極6の直下のN型ベース層1の表面
内には、低抵抗のN型拡散層9が形成される。
【0020】低抵抗のN型拡散層9の深さは、図1図示
の如く、P型ベース層3のそれと同じであることが適切
である。しかし、これは、少なくともP型ベース層3の
深さの1/2より深ければよい。
【0021】P型ベース層3の表面内には、低抵抗のN
型ソース層4が選択的に形成される。N型ソース層4と
N型ベース層1(N型拡散層9)とで挟まれたP型ベー
ス層3上には、ゲート絶縁膜5を介して、ゲート電極6
が配設される。また、N型ソース層4及びP型ベース層
3の両方にコンタクトするようにソース電極8が配設さ
れる。
【0022】ここで、図1の中央に示される1つのゲー
ト電極6は、隣り合う2つのIGBT101、102の
ゲート電極として機能する。即ち、IGBT101、1
02のゲート電極6a、6bはP型ベース層3からN型
ベース層1(N型拡散層9)にまで延在して一体化され
る。
【0023】一方、P型エミッタ層2にコンタクトする
ようにドレイン電極7が配設される。このように構成さ
れた電力用半導体装置によれば、N型拡散層9が電子の
注入を促進するので、オン電圧を下げることができる。
【0024】ここで、N型拡散層9の不純物濃度のピー
ク値は3×1014cm-3以上が望ましい。特に、本実施
の形態のようにN型チャネルのIGBTの場合には、1
×1015cm-3以上が望ましい。また、上記不純物濃度
はN型ソース層4直下のP型ベース層3の不純物濃度の
ピーク値を越えてはいけない。
【0025】上記値(1×1015cm-3)は次式より得
られる。N型ベース層1内部の正孔密度nh は次式で表
せれる。 nh =Np ・exp(WB /(Dh ・τ)1/2 ) ここで、Np はP型エミッタ層2の不純物濃度のピーク
値、WB はP型ベース層3とP型エミッタ層2とで挟ま
れた部分のN型ベース層1の厚さ、Dh は正孔の拡散係
数、τは高注入状態でのキャリアライフタイムを示す。
【0026】正孔密度nh よりもN型拡散層9の不純物
濃度のピーク値が高くないと、N型拡散層9は正孔に埋
め尽くされてしまう。従って、N型拡散層9の不純物濃
度のピーク値が正孔密度nh よりも小さい場合には、キ
ャリアの注入を十分に行なえず、IGBTの導通特性を
改善できなくなる。
【0027】これに対して、N型拡散層9の不純物濃度
のピーク値が正孔密度nh よりも高い場合には、N型拡
散層9は正孔に対してエミッタとして働き、電子注入効
率が増大する。各パラメータは装置構造や利用条件によ
りほぼ一意的に決まるが、その値は約1×1015cm-3
になり、上記値が得られる。
【0028】なお、P型チャネルのIGBTの場合に
は、低抵抗のN型拡散層9は低抵抗のP型拡散層とな
り、その不純物濃度のピーク値は3×1014cm-3以上
が望ましい。
【0029】また、ゲート電極6の幅LG はIGBTの
導通特性を決める上で重要なパラメータである。ゲート
電極6の幅LG が長すぎると、IGBTのチャネル密度
が低下して導通特性が悪化するばかりか、ゲート容量の
増加、コストの上昇、制御性の劣化等の問題も発生する
可能性がある。
【0030】一方、ゲート電極6の幅LG が短すぎる
と、P型ドレイン層2から注入された正孔がP型ベース
層3にバイパスされ、高抵抗のN型ベース層1に蓄積さ
れず、導通特性が悪化する。
【0031】本発明者の研究によれば、チャネル密度及
びキャリア蓄積を改善し、オン電圧を下げるためには、
N型拡散層9の有無に関係なく、ゲート電極6の幅LG
を下記の不等式を満たすように設計すればよいことが判
明した。
【0032】1≦LG 2 /(DB ・WB ) ここで、DB はP型ベース層3の深さを示している。こ
の不等式は以下のようにして得られる。
【0033】導電変調が起こった状態におけるIGBT
の電流密度iは、 i=q・n・VF ・(μe +μh )/WB …(1) で表される。
【0034】ここで、qは素電荷量、nは電子及び正孔
のキャリア密度、VF はオン電圧、μe は電子の移動
度、μh は正孔の移動度を示している。また、導通時の
実効的なP型ベース層3のシート抵抗Rは、 R=1/(q・μh ・n・DB ) …(2) で表される。
【0035】シート抵抗Rによる正孔電流の電圧降下が
接合電圧Vj 以上であればよいから、 i・R・LG 2 /32≧Vj …(3) となる。
【0036】式(1)〜(3)を用いれば、 LG 2 /(DB ・WB )≧32Vj ・μh /(VF ・(μe +μh )) と表される。 …(4) ここで、装置材料としてシリコンを用いた場合には、μ
h /(μe +μh )が約0.25、Vj が約0.6Vで
あり、また、電力用半導体装置が通常利用される範囲で
はVF が約4Vであることを考慮すると、式(4)は、 1≦LG 2 /(DB ・WB ) となる。
【0037】また、LG 2 /(DB ・WB )の値が大き
すぎると、図10図示の如く、チャネルが減少し、やは
り導通特性が劣化する。図10による現在得られる知見
によると、チャネルの減少を防止するには、LG 2
(DB ・WB )の値が9を超えないように設定するとよ
い。従って、1≦LG 2 /(DB ・WB )≦9に設定す
ることが好ましい。
【0038】また、LG があまり短いと、正孔がバイパ
スされやすくなり、キャリアの蓄積が起こりにくい。特
に、耐圧が3kVを越えるような装置の場合、通電特性
にとってこのことは致命的な欠点となる。本発明者の実
験によれば、LG がおよそ60μm以上の長さであれ
ば、上記条件と相俟ってキャリアの蓄積が起こることが
判明した。更に、本発明者の実験によれば、2≦LG
S 、望ましくは5≦LG /LS に設定すると、ラッチ
アップが生じにくいことが判明した。ここで、LS は隣
接するゲート電極6間の距離を表す。このことは、当該
半導体装置が破壊に強くなり、安全動作領域が拡大でき
るため、保護回路が簡略化できることを意味する。
【0039】本実施の形態では、従来の場合とは異な
り、LG がLS よりかなり大きいため、飽和電流をラッ
チアップ電流よりも容易に低く抑えることができる。こ
れは従来より多用されるIGBT等の素子のプロセス技
術では無理であるが、近年開発の著しいステップ装置等
を用いた微細加工技術により、このような設計が可能と
なる。
【0040】また、本実施の形態では、パラメータの最
適化により、オン電圧や安全動作領域の改善を図ってい
るので、新たな構造を導入する必要はない。従って、工
程数の増加やプロセスの複雑化は起こらず、製造コスト
の上昇は生じない。
【0041】図2は本発明の別の実施の形態に係る電力
用半導体装置の要部(IGBT部)を示す断面図であ
る。なお、以下の図において、図1と同一符号は同一部
分を示し、詳細な説明は省略する。
【0042】本実施の形態の特徴は、ゲート絶縁膜5の
中央部10の膜厚が他の部分よりも厚くなっていること
にある。これにより、ゲート容量を低減でき、ゲート駆
動回路の簡略化及び高速動作化を図れるようになる。
【0043】N型拡散層9は図1図示の実施の形態のよ
うにゲート電極6の下全体に一様に設けることが望まし
い。しかし、プロセスなどの制約によりこれが困難な場
合には、図2図示の実施の形態のように変更することが
できる。ここで、N型拡散層9は、N型チャネル領域か
ら離れた、ゲート電極6の中央の下には形成せず、N型
チャネル領域の近傍にだけに形成される。これでもオン
電圧を下げる効果は得られる。
【0044】図3は本発明の更に別の実施の形態に係る
電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す断面図で
ある。本実施の形態が図2図示の実施の形態と異なる点
は、N型拡散層9をゲート電極6の下全体に形成したこ
とにある。但し、N型拡散層9は図1図示の実施の形態
の場合とは異なり一様には配設されていない。即ち、N
型拡散層9の中央部の厚さは他の部分よりも薄い。
【0045】このような構造は例えば以下のようにして
得られる。即ち、ゲート絶縁膜5の中央部10の幅を狭
くし、ゲート絶縁膜5をマスクにしてN型不純物をイオ
ン注入し、次に、熱処理(アニール処理)を行う。この
様にすれば、ゲート絶縁膜5の中央部10の下にまで上
記N型不純物が拡散するので、ゲート電極6の下全体に
N型拡散層9を形成できる。
【0046】図3図示の実施の形態の場合、図2図示の
実施の形態に比べて、ゲート絶縁膜5の中央部10の幅
が狭い分だけゲート容量が若干増加する。しかし、本発
明者の研究によれば、この場合でも、ゲート電極6の下
全体にN型拡散層9が配設されていれば、導通特性は改
善されることが判明した。
【0047】図4は本発明の更に別の実施の形態に係る
電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す断面図で
ある。高耐圧、例えば、2kV以上の耐圧を確保する場
合には、ゲート電極6の幅LG は30μm以上に、3k
V以上の耐圧を確保する場合には、ゲート電極6の幅L
G は60μm以上に設定される。この様に、ゲート電極
6の面積が大きくなると、図4図示の如く、ゲート電極
6上にAl電極等の金属電極12を形成することが容易
になる。
【0048】従って、通常、ゲート電極6はポリシリコ
ンのみで形成されるが、ゲート電極6上に金属電極12
を設けることにより、ゲート抵抗が低減され、高速動作
が可能となる。また、ゲート駆動回路の簡略化も図れ
る。
【0049】図5は本発明の更に別の実施の形態に係る
電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す断面図で
ある。本実施の形態が図1図示の実施の形態と異なる点
は、N型ベース層1の一部をドレイン電極7に選択的に
接続したことにある。即ち、本実施の形態では、アノー
ドショート構造を採用している。
【0050】本実施の形態によれば、アノードショート
構造により、ドレイン側からの正孔の注入を抑制できる
ので、特に、ターンオフ時のテール電流を小さくでき、
ターンオフ損失の低減を図れる。これにより、スイッチ
ング周波数を高くしても電力損失を小さく保つことがで
き、インバータ等の装置を効率良く動作させることがで
きるようになる。また、スイッチング周波数が高くなる
ことにより、騒音の低減も図れる。
【0051】なお、アノードショート構造によりドレイ
ン側からのキャリアの注入効率が低くなっても、パラメ
ータの最適化やN型拡散層9によりソース側からのキャ
リアの注入効率が従来よりも高くなっているので、オン
電圧は低く保たれる。
【0052】図6は本発明の更に別の実施の形態に係る
電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す断面図で
ある。本実施の形態が図1図示の実施の形態と異なる点
は、ライフタイム低減層13を形成したことにある。ラ
イフタイム低減層13は、例えば、Au、Pt等の重金
属の拡散や、H、He等の放射線照射により形成でき
る。また、電子線照射を用いたライフタイム低減をこれ
と組み合わせて用いてもよい。図6図示の如く、特にP
型エミッタ層2とN型ベース層1との境界近傍で、N型
ベース層1内にライフタイム低減層13に形成すれば、
ドレイン側からの正孔の注入を効果的に抑制でき、アノ
ードショート構造を採用した図5図示の実施の形態と同
様な効果が得られる。
【0053】図7は本発明の更に別の実施の形態に係る
電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す断面図で
ある。本実施の形態が図6図示の実施の形態と異なる点
は、P型エミッタ層2と高抵抗N型ベース層1との間に
低抵抗N型バッファ層14を配設したことにある。N型
バッファ層14を配設することにより、N型ベース層1
を薄くすることができる。これにより、スイッチング時
のキャリアの排出を速めることができ、高速にスイッチ
ングすることができる。N型バッファ層14の不純物総
量は1×1014cm-2以下であることが望ましい。これ
以上の不純物量があると、ドレインからの正孔の注入が
著しく押さえられ、通電特性が悪化する。
【0054】更に、N型バッファ層14とN型ベース層
1との境界近傍で、N型ベース層1内にライフタイム低
減層13が形成される。これにより、ドレイン側からの
正孔の注入を抑制し、通電特性をさほど悪化させること
なくスイッチング損失を減らし、高速にスイッチングす
ることができるようになる。
【0055】図8は本発明の更に別の実施の形態に係る
電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す断面図で
ある。本実施の形態が図1図示の実施の形態と異なる点
は、ゲート電極6の下に低抵抗N型拡散層9が形成され
ていないことにある。N型拡散層9がない場合も、前述
の、1≦LG 2 /(DB ・WB )≦9並びに、2≦LG
/LS 、望ましくは5≦LG /LS の条件を満たすよう
に設計することにより、当該装置のオン電圧、安全動作
領域及びラッチアップ耐量を改善することができる。
【0056】図9は本発明の更に別の実施の形態に係る
電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す断面図で
ある。本実施の形態が図1乃至図8図示の実施の形態と
異なる点は、パラメータの最適化や低抵抗N型拡散層9
の代わりに高移動度半導体層11を用いて、ソース側の
電子の注入を増大させ、オン電圧を下げていることにあ
る。
【0057】高移動度半導体層11は、P型ベース層
3、N型ソース層4などの層の形成する前に、エピタキ
シャル成長法などの成膜法により、N型ベース層1の表
面内にあらかじめ形成しておく。
【0058】高移動度半導体層11の材料としては、例
えば、N型ベース層1の材料にSiを用いた場合には、
SiGe、アモルファスSi、SiCなどがある。本実
施の形態によれば、N型チャネル領域に高移動度半導体
層11が存在することになるので、ソース側の電子は高
移動度半導体層11を介してN型ベース層1に注入され
る。
【0059】従って、電子は従来よりも高速にN型ベー
ス層1に注入され、単位時間当たりにN型ベース層1に
注入される電子の量が多くなるので、電子の注入効率が
高くなり、オン電圧は下がる。
【0060】なお、本実施の形態では、N型ベース層1
の表面内の全体に高移動度半導体層11を形成したがそ
の必要はなく、高移動度半導体層11は、少なくともN
型ソース層4とN型ベース層1とで挟まれたP型ベース
層3の表面内、つまり、N型チャネル領域に存在すれば
よい。また、このときの高移動度半導体層11の不純物
濃度はチャネル形成のために1×1018cm-3よりも小
さいことが好ましい。更に、高移動度半導体層11の膜
厚は、格子不整合等の問題を考慮すると、0.05μm
以下であることが好ましい。
【0061】なお、高移動度半導体層11を用いた上
で、前述の、1≦LG 2 /(DB ・WB )≦9並びに、
2≦LG /LS 、望ましくは5≦LG /LS の条件を満
たすように設計することにより、よりオン電圧を低くで
き、また、IGBTがラッチアップせず、安全動作領域
を広げることができる。
【0062】次に、図11乃至図16を参照して本発明
に係る電力用半導体装置の平面のレイアウトについての
説明する。図11乃至図16図示のレイアウトは、図1
乃至図9図示の断面のいずれとも組合わせることができ
る。従って、図8及び図9図示の実施の形態のように、
低抵抗N型拡散層9が存在しない場合は、図11乃至図
16中の符号9で示す部分は、高抵抗N型ベース層1と
して理解すべきである。
【0063】図11は本発明の更に別の実施の形態に係
る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す平面図
である。本実施の形態の特徴は、N型ソース層4を櫛状
に形成したことにある。N型ソース層4のうち櫛の歯に
相当する細い部分はソース電極8にコンタクトし、櫛の
背に相当する部分はゲート電極6と伴にMOSFET領
域を形成する。
【0064】本実施の形態によれば、N型ソース層4の
うち櫛の歯に相当する部分が抵抗として働くので、ソー
ス電極8とMOSFETとの間に抵抗が配設されている
ことになり、MOSFETの動作が安定する。
【0065】更に、N型ソース層4のパターンとして櫛
状を用いたことにより、通常サイズのストライプ状のパ
ターンを用いた場合に比べて、N型ソース層4の面積を
小さくでき、ラッチアップ耐量を高くできる。
【0066】図12は本発明の更に別の実施の形態に係
る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す平面図
である。本実施の形態が図11図示の実施の形態と異な
る点は、N型ソース層4を梯子状に形成したことにあ
る。このようにN型ソース層4のパターンを梯子状にし
ても、図11図示の実施の形態と同様にラッチアップ耐
量を高くできる。また、N型ソース層4はソース電極8
を横切るので、図11図示の実施の形態に比べて、N型
ソース層4とソース電極8とのコンタクトが確実なもの
となる。
【0067】更に、本実施の形態では、ソース電極8の
幅を狭くし、ゲート電極間の距離LS を短くしているの
で、素子領域を有効に利用できる。図13は本発明の更
に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部(IG
BT部)を示す平面図である。
【0068】本実施の形態が図12図示の実施の形態と
異なる点は、独立した島として形成したN型ソース層4
を複数個、梯子の各ステップに対応するように配置した
ことにある。このようにN型ソース層4を形成しても、
図12図示の実施の形態と同様にラッチアップ耐量を高
くできる。また、隣接するゲート電極6間の距離LS
小さくすることができるため、素子領域を有効に利用で
きる。
【0069】図14は本発明の更に別の実施の形態に係
る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す平面図
である。本実施の形態が図11図示の実施の形態と異な
る点は、最近の微細加工技術(微細ドライエッチング技
術)を用いて、N型ソース層4を幅が極めて狭いストラ
イプ状に形成したことにある。本実施の形態によれば、
N型ソース層4の幅は狭いので、ストライプ状であって
も、高いラッチアップ耐量を実現できる。
【0070】図15は本発明の更に別の実施の形態に係
る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す平面図
である。本実施の形態の特徴は、独立した矩形の島とし
て形成したP型ベース層3を複数個、周期的に且つマト
リックス状に配列したことにある。N型ソース層4はラ
ッチアップを容易に起こさないように十字状に形成さ
れ、その中央部には開口部が配設され、この開口部を介
してソース電極8はP型ベース層3にコンタクトしてい
る。このようなレイアウトにより、装置を高集積化する
ことができ、通電特性を改善することができる。
【0071】図16は本発明の更に別の実施の形態に係
る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す平面図
である。本実施の形態の特徴は、独立した6角形の島と
して形成したP型ベース層3を複数個、周期的に且つマ
トリックス状に配列したことにある。N型ソース層4は
ラッチアップを容易に起こさないように星状に形成さ
れ、その中央部には開口部が配設され、この開口部を介
してソース電極8はP型ベース層3にコンタクトしてい
る。このようなレイアウトにより、装置を高集積化する
ことができ、通電特性を改善することができる。
【0072】図17は本発明の更に別の実施の形態に係
る電力用半導体装置の要部を示す平面図である。本実施
の形態は、本発明に係るIGBT105と、これに隣接
して配設されたフリーホイールダイオード106及び接
合終端部107を有する。スイッチング素子105とダ
イオード106を同じ基板に同時に形成することによ
り、配線によるインダクタンスやキャパシタンスを低減
し、スイッチングを高速且つ安定的に行うことができ
る。
【0073】ダイオード106はIGBT105のソー
ス電極8及びドレイン電極7に夫々接続されたP型アノ
ード層16及びN型カソード層18を有する。P型アノ
ード層16及びN型カソード層18は、高抵抗のN型層
1及び低抵抗のN型バッファ層14を介して接続され
る。
【0074】接合終端部107の端部において、N型層
1の表面内にN型ストッパ層19が拡散形成される。P
型アノード層16からN型ストッパ層19に亘って接合
終端部107の表面には絶縁膜20が形成される。
【0075】IGBT105とダイオード106とは十
分な距離(キャリアの拡散長以上の長さ)をとる必要が
ある。このため、IGBT105とダイオード106と
の間の領域の表面には電界が集中し、耐圧が劣化する可
能性がある。この問題に対応するため、IGBT105
のP型ベース層3とダイオード106のP型アノード層
16との間に高抵抗のP型拡散層17が配設される。P
型拡散層17は接合終端部107のP型拡散層17と同
時に形成可能で、従って、余分な形成工程を追加する必
要がない。
【0076】P型拡散層17の不純物総量は1×1014
cm-2以下であることが望ましい。これにより接合終端
部107における耐圧を良好に維持すると共に、IGB
T105とダイオード106との分離を十分に行うこと
ができる。
【0077】上述の如く、本発明においては、構造、濃
度の最適設計により優れた通電特性を有する電力用半導
体装置を提供することができる。特に、現在GTO(Ga
te Turn-off Thyristor )が利用されている耐圧3kV
以上において、MOS駆動により制御可能な装置を提供
することができる。
【0078】本装置は寄生サイリスタ構造を有するが、
ラッチアップすることはなく、破壊に強いため、GTO
と比較して保護回路を簡略化することができる。ゲート
回路及び保護回路がGTOと比較して簡略化できるた
め、システムサイズも小さくなり、例えば、インバータ
装置を作成したときには従来の半分の大きさにすること
が可能となる。更に、装置構造がプレーナ(平面)型で
あるため、電流の取出し部の形成が容易となり、様々な
パッケージに組込むことができる。
【0079】
【発明の効果】本発明によれば、60μm≦LG 、5≦
G /LS 、及び1≦LG 2 /(DB・WB )≦9の条
件を満たすように設計することにより、装置のオン電圧
の低減、安全動作領域の拡大及びラッチアップ耐量の増
大を図ることができる。
【0080】また、本発明によれば、第2導電型ベース
層と第2導電型ソース層とで挟まれた第1導電型ベース
層の表面内に高移動度半導体層を形成することにより、
単位時間当たりに第1導電型ベース層に注入されるキャ
リアの量を多くしてキャリアの注入効率を高め、装置の
オン電圧の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る電力用半導体装置の
要部を示す断面図。
【図2】本発明の別の実施の形態に係る電力用半導体装
置の要部を示す断面図。
【図3】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導
体装置の要部を示す断面図。
【図4】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導
体装置の要部を示す断面図。
【図5】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導
体装置の要部を示す断面図。
【図6】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導
体装置の要部を示す断面図。
【図7】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導
体装置の要部を示す断面図。
【図8】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導
体装置の要部を示す断面図。
【図9】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導
体装置の要部を示す断面図。
【図10】{LG 2 /(DB ・WB )}1/2 とオン電圧
F との関係を示す特性図。
【図11】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半
導体装置の要部を示す平面図。
【図12】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半
導体装置の要部を示す平面図。
【図13】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半
導体装置の要部を示す平面図。
【図14】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半
導体装置の要部を示す平面図。
【図15】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半
導体装置の要部を示す平面図。
【図16】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半
導体装置の要部を示す平面図。
【図17】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半
導体装置の要部を示す断面図。
【図18】従来のIGBTを示す断面図。
【符号の説明】
1…N型ベース層(第2導電型のベース層) 2…P型エミッタ層(第1導電型のエミッタ層) 3…P型ベース層(第1導電型のベース層) 4…N型ソース層(第2導電型のソース層) 5…ゲート絶縁膜 6…ゲート電極 7…ドレイン電極 8…ソース電極 9…N型拡散層(第2導電型の半導体層) 10…厚膜部分 11…高移動度半導体層

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】並設された複数の回路素子を有する電力用
    半導体装置であって、 前記回路素子の夫々が、 第1導電型エミッタ層と、 前記第1導電型エミッタ層上に配設された第2導電型ベ
    ース層と、 前記第2導電型ベース層の表面内に形成された第1導電
    型ベース層と、 前記第1導電型ベース層の表面内に形成された第2導電
    型ソース層と、 前記第2導電型ソース層と前記第2導電型ベース層とで
    挟まれた前記第1導電型ベース層上にゲート絶縁膜を介
    して配設されたゲート電極部分と、 前記第2導電型ソース層及び前記第1導電型ベース層に
    コンタクトするソース電極部分と、 前記第1導電型エミッタ層にコンタクトするドレイン電
    極部分と、を具備し、 前記ゲート電極部分は、前記回路素子の2つの回路素子
    ごとに一体化されてゲート電極を構成し、前記ゲート電
    極の幅をLG 、前記第1導電型ベース層の深さをDB
    前記第1導電型ベース層と前記第1導電型エミッタ層と
    で挟まれた部分の前記第2導電型ベース層の厚さをW
    B 、前記ゲート電極間の距離をLS とした時、60μm
    ≦LG 、5≦LG /LS 、及び1≦LG 2 /(DB ・W
    B )≦9の条件を満たすことを特徴とする電力用半導体
    装置。
  2. 【請求項2】前記第2導電型ベース層の表面内で且つ前
    記ゲート電極の下に形成された低抵抗の第2導電型半導
    体層を更に具備することを特徴とする請求項1に記載の
    電力用半導体装置。
  3. 【請求項3】並設された複数の回路素子を有する電力用
    半導体装置であって、 前記回路素子の夫々が、 第1導電型エミッタ層と、 前記第1導電型エミッタ層上に配設された第2導電型ベ
    ース層と、 前記第2導電型ベース層の表面内に形成された第1導電
    型ベース層と、 前記第1導電型ベース層の表面内に形成された第2導電
    型ソース層と、 前記第2導電型ソース層と前記第2導電型ベース層とで
    挟まれた前記第1導電型ベース層上にゲート絶縁膜を介
    して配設されたゲート電極部分と、 前記第2導電型ソース層及び前記第1導電型ベース層に
    コンタクトするソース電極部分と、 前記第1導電型エミッタ層にコンタクトするドレイン電
    極部分と、 前記第2導電型ベース層と前記第2導電型ソース層とで
    挟まれた前記第1導電型ベース層の表面内に形成された
    高移動度半導体層と、を具備することを特徴とする電力
    用半導体装置。
  4. 【請求項4】前記ゲート電極部分は、前記回路素子の2
    つの回路素子ごとに一体化されてゲート電極を構成し、
    前記ゲート電極の幅をLG 、前記ゲート電極間の距離を
    Sとした時、60μm≦LG 、及び5≦LG /LS
    条件を満たすことを特徴とする請求項3に記載の電力用
    半導体装置。
  5. 【請求項5】前記第1導電型ベース層の深さをDB 、前
    記第1導電型ベース層と前記第1導電型エミッタ層とで
    挟まれた部分の前記第2導電型ベース層の厚さをWB
    した時、1≦LG 2 /(DB ・WB )≦9の条件を満た
    すことを特徴とする請求項4に記載の電力用半導体装
    置。
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