DE102012203595B4 - Halbleitervorrichtung und Halbleiterelement - Google Patents

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Abstract

Halbleitervorrichtung mit
einem Halbleiterelement (20, 80, 90), das einen ersten Elementabschnitt (10, 82, 92) mit einem ersten Gate (G1) und einen zweiten Elementabschnitt (12, 84, 94) mit einem zweiten Gate (G2) enthält, wobei das Ein- und Ausschalten des ersten Elementabschnitts (10, 82, 92) durch ein Signal an dem ersten Gate (G1) gesteuert wird und das Ein- und Ausschalten des zweiten Elementabschnitts (12, 84, 94) durch ein Signal an dem zweiten Gate (G2) gesteuert wird, und
einem Signalübertragungsmittel (14), das mit dem ersten Gate (G1) und dem zweiten Gate (G2) verbunden ist und ein Signal an das erste Gate (G1) und das zweite Gate (G2) so überträgt, dass der erste Elementabschnitt (10, 82, 92) und der zweite Elementabschnitt (12, 84, 94) gleichzeitig eingeschaltet werden, wenn das Halbleiterelement (20, 80, 90) eingeschaltet werden soll, und dass der zweite Elementabschnitt (12, 84, 94) um eine Verzögerungszeit später ausgeschaltet wird, nachdem der erste Elementabschnitt (10, 82, 92) ausgeschaltet wurde, wenn das Halbleiterelement (20, 80, 90) ausgeschaltet werden soll, bei der der zweite Elementabschnitt (84, 94) so gebildet ist, dass er den ersten Elementabschnitt (82, 92) umgibt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung und ein Halbleiterelement, die z. B. für eine Leistungssteuerung verwendet werden.
  • JP 2004-319624 A offenbart eine Halbleitervorrichtung mit einem durch Gatespannung gesteuerten ersten Halbleiterelement, einem durch Gatespannung gesteuerten zweiten Halbleiterelement, einem ersten und zweiten Gatemuster, der mit dem Gate des ersten bzw. zweiten Halbleiterelements verbunden ist. In einer Ausführungsform werden eine erste Gatespannung des ersten Halbleiterelements und eine zweite Gatespannung des zweiten Halbleiterelements mit unterschiedlichen Takten ausgeschaltet.
  • JP H07-321304 A beschreibt einen durch ein isoliertes Gate gesteuerten Bipolartransistor (IGBT), bei dem durch eine Dotierungskonzentration des Kollektors die ON-Spannung und die Abschaltzeit reguliert wird.
  • JP H04-280475 A offenbart eine Halbleitervorrichtung, die ein Halbleiterelement enthält, das bei Vorhandensein oder Fehlen einer Spannung an seinem Gate ein- und ausgeschaltet wird.
  • Wenn ein Halbleiterelement ein- und ausgeschaltet wird, tritt ein Schaltverlust auf. Um den gesamten Schaltverlust des Halbleiterelements zu verringern, ist es nötig, sowohl den Einschaltverlust als auch den Ausschaltverlust des Elements, die den Schaltverlust bilden, zu verringern. Bei bekannten Halbleiterelementen gibt es jedoch eine Abwägung zwischen dem Einschaltverlust und dem Ausschaltverlust, was es nicht möglich macht, den gesamten Schaltverlust zu verringern.
  • Die vorliegende Erfindung wurde durchgeführt, um dieses Problem zu lösen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Halbleitervorrichtung und ein Halbleiterelement bereitzustellen, die einen verringerten Schaltverlust aufweisen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1.
  • Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
  • 1 ist ein Schaltbild einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.
  • 2 ist eine Ansicht eines Halbleiterelements der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform.
  • 3 ist eine Schnittansicht entlang einer gestrichelten Linie in 2.
  • 4 ist ein Zeitverlaufsdiagramm, das den Betrieb der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform zeigt.
  • 5 ist ein Diagramm, das den Einschaltverlust der Halbleitervorrichtung unter zwei verschiedenen Betriebsbedingungen zeigt.
  • 6 ist ein Diagramm, das den Ausschaltverlust der Halbleitervorrichtung unter zwei verschiedenen Betriebsbedingungen zeigt.
  • 7 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Ausschaltverlust und der Elementfläche zeigt.
  • 8 ist eine Ansicht einer Abwandlung des Halbleiterelements der ersten Ausführungsform.
  • 9 ist eine Ansicht eines Halbleiterelements einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
  • 10 ist eine Ansicht eines Halbleiterelements einer Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
  • 11 ist ein Diagramm, das eine Temperaturverteilung in dem Halbleiterelement entlang der gestrichelten Linie in 10 zeigt.
  • 12 ist eine Ansicht einer Abwandlung des Halbleiterelements der dritten Ausführungsform.
  • 13 ist eine Ansicht einer weiteren Abwandlung des Halbleiterelements der dritten Ausführungsform.
  • 14 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterelements einer vierten Ausführungsform.
  • 15 ist ein Diagramm, das einen Unterschied zwischen der Spezifikation für den ersten Elementabschnitt und der für den zweiten Elementabschnitt zeigt.
  • 16 ist ein Diagramm, das Simulationsergebnisse der Ausschaltverluste usw. in dem ersten und zweiten Elementabschnitt zeigt.
  • 17 ist ein Diagramm, das Lebensdauerreduzierer zeigt, die in einer n–-Schicht gebildet sind, um die Lebensdauer von Trägern zu steuern.
  • 18 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterelements einer fünften Ausführungsform.
  • 19 ist eine Ansicht einer Abwandlung des Halbleiterelements der fünften Ausführungsform.
  • 20 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterelements einer sechsten Ausführungsform.
  • 1 ist ein Schaltbild einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform enthält einen ersten Elementabschnitt 10 und einen zweiten Elementabschnitt 12. Der erste Elementabschnitt 10 und der zweite Elementabschnitt 12 bilden zusammen ein einziges Halbleiterelement. Das Gate des ersten Elementabschnitts 10 und das Gate des zweiten Elementabschnitts 12 sind mit einem Signalübertragungsmittel 14 verbunden. Die Gates des ersten und zweiten Elementabschnitts 10, 12 werden im Folgenden jeweils als erstes Gate und zweites Gate bezeichnet. Das Signalübertragungsmittel 14 übermittelt Signale getrennt an das erste Gate und das zweite Gate.
  • Das Signalübertragungsmittel 14 enthält einen IC 16 zum Empfangen eines Treibersignals. Der IC 16 gibt entsprechend dem empfangenen Treibersignal ein Signal an einem Ausgang 1 und an einem Ausgang 2 aus. Das von dem Ausgang 1 ausgegebene Signal schaltet die Schalter Q1 und Q2 ein und schaltet dadurch den ersten Elementabschnitt 10 und den zweiten Elementabschnitt 12 ein. Das von dem Ausgang 2 abgegebene Signal schaltet die Schalter Q3 und Q4 ein und schaltet dadurch den ersten Elementabschnitt 10 und den zweiten Elementabschnitt 12 aus.
  • 2 ist eine Ansicht des Halbleiterelements 20 der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform. Das Halbleiterelement 20 ist durch den ersten Elementabschnitt 10 und den zweiten Elementabschnitt 12 gebildet, die auf einem einzigen Chip gebildet sind. Die Elementfläche des ersten Elementabschnitts 10 ist gleich derjenigen des zweiten Elementabschnitts 12. Der erste Elementabschnitt 10 wird über das Signal an dem ersten Gate G1 ein- und ausgeschaltet. Der zweite Elementabschnitt 12 wird über das Signal an dem zweiten Gate G2 ein- und ausgeschaltet. Das heißt, dass der erste Elementabschnitt 10 und der zweite Elementabschnitt 12 durch verschiedene Signale gesteuert werden.
  • 3 ist eine Schnittansicht entlang einer gestrichelten Linie in 2. Die obersten Oberflächenstrukturen der Gates usw. sind in 3 vereinfacht dargestellt. Das Halbleiterelement 20 ist ein IGBT. Das Halbleiterelement 20 enthält eine n–-Schicht (oder Driftschicht) 30. Auf der Deckfläche der n–-Schicht 30 sind eine Basisschicht 32 und eine Kanalschicht 34 in der genannten Reihenfolge gebildet. In dem ersten Elementabschnitt 10 sind Polysiliziumgates 36a so gebildet, dass sie durch die Basisschicht 32 und die Kanalschicht 34 hindurchdringen. Die Polysiliziumgates 36a sind mit dem ersten Gate G1 verbunden. In dem zweiten Elementabschnitt 12 sind Polysiliziumgates 36b so gebildet, dass sie durch die Basisschicht 32 und die Kanalschicht 34 hindurchdringen. Die Polysiliziumgates 36b sind mit dem zweiten Gate G2 verbunden. Eine Pufferschicht 38 und eine Kollektorschicht 40 sind auf der Grundfläche der n–-Schicht 30 in der genannten Reihenfolge gebildet.
  • Der Betrieb der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform wird nun beschrieben. 4 ist ein Zeitverlaufsdiagramm, das den Betrieb der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform zeigt. Die Zeit t1 ist der Zeitpunkt, in dem das Halbleiterelement 20 zum ersten Mal eingeschaltet wird. Insbesondere wird zum Zeitpunkt t1 ein externes Treibersignal DS zu dem IC 16 übertragen. Als Reaktion darauf gibt der IC 16 ein Signal von seinem Ausgang 1 aus, so dass die Signale an dem ersten Gate G1 und dem zweiten Gate G2 gleichzeitig auf einen HIGH-Pegel geändert werden. Das führt dazu, dass der erste Elementabschnitt 10 und der zweite Elementabschnitt 12 gleichzeitig eingeschaltet werden.
  • Die Zeit t2 ist der Zeitpunkt, in dem der erste Elementabschnitt 10 anschließend ausgeschaltet wird. Insbesondere wird das externe Treibersignal DS zu dem IC 16 unterbrochen. Als Reaktion darauf gibt der IC 16 ein Signal von seinem Ausgang 2 aus, so dass das Signal an dem ersten Gate G1 auf einen LOW-Pegel geändert wird. Das führt dazu, dass der erste Elementabschnitt 10 ausgeschaltet wird.
  • Während der Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t3 geben sowohl der Ausgang 1 als auch der Ausgang 2 des IC 16 ein Signal aus. Der Schalter Q4 ist während dieser Zeitspanne jedoch ausgeschaltet, weil das Signal von dem Ausgang 2 durch eine Verzögerungsschaltung DLY2 auf seinem Weg zu dem Schalter Q4 verzögert wird. Das führt dazu, dass der zweite Elementabschnitt 12 während dieser Zeitspanne in seinem eingeschalteten Zustand gehalten wird.
  • Der zweite Elementabschnitt 12 wird zum Zeitpunkt t3 ausgeschaltet. Insbesondere wird zum Zeitpunkt t3 das Signal von dem Ausgang 1 unterbrochen, und der zweite Elementabschnitt 12 wird durch das verzögerte Signal von dem Ausgang 2 ausgeschaltet. Somit sind zum Zeitpunkt t3 sowohl der erste Elementabschnitt 10 als auch der zweite Elementabschnitt 12 ausgeschaltet, wodurch das Ausschalten des Halbleiterelements 20 beendet wird.
  • Somit wird das Halbleiterelement 20 eingeschaltet durch gleichzeitiges Einschalten des ersten Elementabschnitts 10 und des zweiten Elementabschnitts 12. Andererseits wird das Halbleiterelement 20 ausgeschaltet, indem zunächst der erste Elementabschnitt 10 ausgeschaltet wird und dann nach einer Verzögerung der zweite Elementabschnitt 12 ausgeschaltet wird.
  • Die Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform ist daran angepasst, sowohl beim Einschalten als auch beim Ausschalten einen verringerten Schaltverlust zu haben. Zunächst wird der Schaltverlust beschrieben, der in der Halbleitervorrichtung auftritt, wenn die Vorrichtung eingeschaltet wird (als Einschaltverlust bezeichnet). 5 ist ein Diagramm, das den Einschaltverlust der Halbleitervorrichtung unter zwei verschiedenen Betriebsbedingungen zeigt. In 5 gibt der Ausdruck ”2× GLEICHZEITIGES EINSCHALTEN” an, dass der erste Elementabschnitt 10 und der zweite Elementabschnitt 12 gleichzeitig eingeschaltet werden. Der Ausdruck ”2× VERSETZTES EINSCHALTEN” gibt an, dass entweder der erste Elementabschnitt 10 oder der zweite Elementabschnitt 12 mit einer Verzögerungszeit eingeschaltet wird, nachdem der andere Abschnitt eingeschaltet wurde.
  • 5 zeigt, dass der Einschaltverlust der Halbleitervorrichtung in dem ”2× GLEICHZEITIGES EINSCHALTEN”-Betrieb niedriger ist als in dem ”2× VERSETZTES EINSCHALTEN”-Betrieb. Es sei angemerkt, dass der Einschaltverlust um so niedriger ist, je größer die Elementfläche ist, die beim Einschalten des Halbleiterelements verwendet wird. Bei der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform werden die Flächen sowohl des ersten als auch des zweiten Elementabschnitts 10, 12 beim Einschalten des Halbleiterelements verwendet, da diese Elementabschnitte gleichzeitig eingeschaltet werden, was zu einem verringerten Einschaltverlust führt.
  • Nun wird der Schaltverlust beschrieben, der in der Halbleitervorrichtung auftritt, wenn die Vorrichtung ausgeschaltet wird (als Ausschaltverlust bezeichnet). 6 ist ein Diagramm, das den Einschaltverlust der Halbleitervorrichtung unter zwei verschiedenen Betriebsbedingungen zeigt. In 6 gibt der Ausdruck ”2× GLEICHZEITIGES AUSSCHALTEN” an, dass der erste Elementabschnitt 10 und der zweite Elementabschnitt 12 gleichzeitig ausgeschaltet werden. Der Ausdruck ”2× VERSETZTES AUSSCHALTEN” gibt an, dass entweder der erste Elementabschnitt 10 oder der zweite Elementabschnitt 12 mit einer Verzögerungszeit ausgeschaltet wird, nachdem der andere Abschnitt ausgeschaltet wurde.
  • 6 zeigt, dass der Ausschaltverlust der Halbleitervorrichtung in dem ”2× VERSETZTES AUSSCHALTEN”-Betrieb niedriger ist als derjenige in dem ”2× GLEICHZEITIGES AUSSCHALTEN”-Betrieb. Bei dem ”2× VERSETZTES AUSSCHALTEN”-Betrieb wird die Halbleitervorrichtung (das Halbleiterelement) ausgeschaltet, indem im Wesentlichen nur der zweite Elementabschnitt 12 verwendet wird. Das bedeutet, dass die Elementfläche, die verwendet wird, wenn das Halbleiterelement in dem ”2× VERSETZTES AUSSCHALTEN”-Betrieb ausgeschaltet wird, kleiner ist als diejenige, die verwendet wird, wenn das Halbleiterelement in dem ”2× GLEICHZEITIGES AUSSCHALTEN”-Betrieb ausgeschaltet wird. Es sei angemerkt, dass der Ausschaltverlust um so niedriger ist, je kleiner die beim Ausschalten verwendete Elementfläche ist. Bei der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform wird die Vorrichtung ausgeschaltet, indem erst der erste Elementabschnitt 10 ausgeschaltet wird und dann nach einer Verzögerung der zweite Elementabschnitt 12 ausgeschaltet wird, was zu einem verringerten Ausschaltverlust führt.
  • 7 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Ausschaltverlust und der Elementfläche zeigt. Diese Kurve wurde ermittelt durch Messen der Ausschaltverluste von drei Elementen, nämlich eines Elements A, eines Elements B und eines Elements C. Die Fläche des Elements B ist 66,7% der Fläche des Elements A, und die Fläche des Elements C ist 33,3% der Fläche des Elements A. Wie aus 7 ersichtlich, ist der Ausschaltverlust EOFF um so niedriger, je kleiner die Elementfläche ist.
  • Daher kann der Ausschaltverlust eines Halbleiterelements durch Verringern der Elementfläche verringert werden.
  • Somit ermöglicht der Aufbau der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform sowohl eine Verringerung des Einschaltverlusts als auch des Ausschaltverlusts, was es ermöglicht, den gesamten Schaltverlust in der Vorrichtung zu verringern.
  • Verschiedene Abwandlungen können an der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform vorgenommen werden. Auch wenn beispielsweise in der ersten Ausführungsform das Halbleiterelement 20 in zwei Elementabschnitte unterteilt ist, nämlich den ersten Elementabschnitt 10 und den zweiten Elementabschnitt 12, ist klar, dass das Halbleiterelement auch in drei oder mehr Elementabschnitte unterteilt werden kann, wobei auf jedem ein separates Gate gebildet ist. In solchen Fällen wird das Halbleiterelement eingeschaltet, indem alle Elementabschnitte gleichzeitig eingeschaltet werden, und es wird ausgeschaltet, indem die Elementabschnitte der Reihe nach ausgeschaltet werden.
  • 8 ist eine Ansicht einer Abwandlung des Halbleiterelements der ersten Ausführungsform. Bei dem in 8 gezeigten Halbleiterelement 60 ist auf dem ersten Elementabschnitt 10 eine Messanschlussfläche 10a gebildet. Die Messanschlussfläche 10a kann verwendet werden, um das Vorhandensein eines Kurzschlusses in dem Halbleiterelement während des Einschaltbetriebs zu überprüfen und dadurch einen Überstromschutz bereitzustellen.
  • 9 ist eine Ansicht eines Halbleiterelements 70 einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Halbleiterelement 70 enthält einen ersten Elementabschnitt 72 und einen zweiten Elementabschnitt 74. Komponenten der Halbleitervorrichtung, die in 9 nicht gezeigt sind, sind identisch mit denjenigen der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform. Weiter ist der Betrieb dieser Halbleitervorrichtung ebenfalls ähnlich demjenigen der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform.
  • Es wurde in einigen Fällen herausgefunden, dass beim Ausschalten des Halbleiterelements der ersten Ausführungsform die Stromdichte in dem zweiten Elementabschnitt in einem solchen Ausmaß ansteigt, dass der Abschnitt verschlechtert wird. Im Fall des Halbleiterelements der zweiten Ausführungsform ist jedoch das Ansteigen der Stromdichte des zweiten Elementabschnitts 74 beim Einschalten des Elements nicht signifikant, weil die Fläche des zweiten Elementabschnitts 74 relativ groß ist, wodurch die Verschlechterung des zweiten Elementabschnitts 74 verhindert wird. Weiter ermöglicht der Aufbau der Halbleitervorrichtung der zweiten Ausführungsform wie derjenige der ersten Ausführungsform eine Verringerung des Schaltverlusts in der Vorrichtung. Es sei angemerkt, dass bei dem Halbleiterelement der zweiten Ausführungsform mindestens die Abwandlungen durchgeführt werden können, die ähnlich denjenigen sind, die bei dem Halbleiterelement der ersten Ausführungsform durchgeführt werden können.
  • 10 ist eine Ansicht eines Halbleiterelements 80 einer Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform. Das Halbleiterelement 80 enthält einen ersten Elementabschnitt 82 und einen zweiten Elementabschnitt 84. Der zweite Elementabschnitt 84 ist so gebildet, dass er den ersten Elementabschnitt 82 umgibt. Die Fläche des ersten Elementabschnitts 82 ist gleich derjenigen des zweiten Elementabschnitts 84. Komponenten der Halbleitervorrichtung, die in 10 nicht gezeigt sind, sind identisch mit denjenigen der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform. Weiter ist der Betrieb dieser Halbleitervorrichtung ebenfalls ähnlich demjenigen der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform.
  • Ein Halbleiterelement erzeugt z. B. aufgrund des Ausschaltverlusts Wärme in sich. Der mittlere Abschnitt des Halbleiterelements neigt dazu, auf eine hohe Temperatur erwärmt zu werden, da die Wärmeabgabe von diesem Abschnitt relativ niedrig ist. Der Randabschnitt des Halbleiterelements neigt andererseits nicht dazu, auf eine hohe Temperatur erwärmt zu werden, da Wärme von dem Randabschnitt an die Umgebung abgegeben werden kann. Es wurde in manchen Fällen gefunden, dass der Mittelabschnitt der Halbleitervorrichtung auf eine hohe Temperatur erwärmt wird, was zu einer Verschlechterung des Elements führt.
  • Im Fall des Halbleiterelements 80 der dritten Ausführungsform wird jedoch der erste Elementabschnitt 82, der dem mittleren Abschnitt des Halbleiterelements entspricht, ausgeschaltet, bevor der zweite Elementabschnitt 84 ausgeschaltet wird, so dass die Wärmemenge, die von dem ersten Elementabschnitt 82 erzeugt wird, niedriger ist als diejenige, die von dem zweiten Elementabschnitt 84 erzeugt wird. Das verhindert, dass der mittlere Abschnitt der Halbleitervorrichtung 80 auf eine hohe Temperatur erwärmt wird.
  • 11 ist ein Diagramm, das eine Temperaturverteilung in dem Halbleiterelement 80 entlang der gestrichelten Linie in 10 zeigt. In 11 stellt die durchgezogene Linie die Temperaturverteilung dar, wenn der zweite Elementabschnitt 84 ausgeschaltet wird, nachdem der erste Elementabschnitt 82 ausgeschaltet wurde. Die gestrichelte Linie in 11 stellt die Temperaturverteilung dar, wenn der erste Elementabschnitt 82 und der zweite Elementabschnitt 84 gleichzeitig ausgeschaltet werden. Wie aus 11 ersichtlich, ist die Temperatur des mittleren Abschnitts P2 des Halbleiterelements 80, der dem ersten Elementabschnitt 82 entspricht, in dem Fall, in dem der zweite Elementabschnitt 84 ausgeschaltet wird, nachdem der erste Elementabschnitt 82 ausgeschaltet wurde, niedriger als diejenige in dem Fall, in dem der erste Elementabschnitt 82 und der zweite Elementabschnitt 84 gleichzeitig ausgeschaltet werden.
  • 12 ist eine Ansicht einer Abwandlung des Halbleiterelements der dritten Ausführungsform. Dieses Halbleiterelement 90 enthält einen ersten Elementabschnitt 92, der in seinem Mittelabschnitt gebildet ist. Ein zweiter Elementabschnitt 94 ist entlang dem Rand des Halbleiterelements 90 gebildet. Der zweite Elementabschnitt 94 hat eine größere Fläche als der erste Elementabschnitt 92. Das verringert weiter die Wärmemenge, die von dem ersten Elementabschnitt 92 erzeugt wird, und verringert dadurch die Temperatur des Mittelabschnitts des Halbleiterelements 90 verglichen mit dem Halbleiterelement 80 der dritten Ausführungsform. Da die Fläche des zweiten Elementabschnitts 94 groß ist, kann auch die Temperatur dieses Abschnitts verringert werden.
  • 13 ist eine Ansicht einer weiteren Abwandlung des Halbleiterelements der dritten Ausführungsform. Auf dem ersten Elementabschnitt 82 dieses Halbleiterelements ist eine Messanschlussfläche 82a gebildet. Die Messanschlussfläche 82a kann verwendet werden, um das Vorhandensein eines Kurzschlusses in dem Halbleiterelement während des Einschaltbetriebs zu überprüfen und dadurch einen Überstromschutz bereitzustellen. Es sei angemerkt, dass bei dem Halbleiterelement der dritten Ausführungsform zumindest die Abwandlungen vorgenommen werden können, die ähnlich denjenigen sind, die bei dem Halbleiterelement der ersten Ausführungsform durchgeführt werden können.
  • Ein Halbleiterelement gemäß einer vierten Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Elementabschnitt verschiedene Schaltgeschwindigkeiten haben. 14 ist eine Schnittansicht des Halbleiterelements der vierten Ausführungsform. Das Halbleiterelement ist ein Halbleiterelement vom Leitfähigkeitsmodulationstyp, bei dem Träger von Kollektorschichten 40a und 40b in die Driftschicht 40 injiziert werden. Die Schnittansicht von 14 enthält Kollektorschichten, die sich von den in der Schnittansicht von 3 gezeigten unterscheiden. Es sei angemerkt, dass Komponenten der Halbleitervorrichtung, die nicht in 14 gezeigt sind, identisch mit denjenigen der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform sind. Weiter ist der Betrieb dieser Halbleitervorrichtung ebenfalls ähnlich demjenigen der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform.
  • Die erste Kollektorschicht 40a des ersten Elementabschnitts 10 ist so gebildet, dass sie eine relativ hohe Dotierungskonzentration aufweist, so dass der erste Elementabschnitt 10 eine Niedriggeschwindigkeitsspezifikation erfüllt. Die Niedriggeschwindigkeitsspezifikation spezifiziert, dass der Dauerbetriebsverlust EVice niedrig ist, auch wenn der Ausschaltverlust Eoff relativ hoch sein kann. Die zweite Kollektorschicht 40b des zweiten Elementabschnitts 12 ist dagegen so gebildet, dass sie eine niedrigere Dotierungskonzentration aufweist als die erste Kollektorschicht 40a, so dass der zweite Elementabschnitt 12 eine Hochgeschwindigkeitsspezifikation erfüllt. Die Hochgeschwindigkeitsspezifikation spezifiziert, dass der Ausschaltverlust Eoff niedrig ist, auch wenn der Dauerbetriebsverlust EVice relativ hoch sein kann.
  • 15 ist ein Diagramm, das den Unterschied zwischen der Spezifikation für den ersten Elementabschnitt 10 und demjenigen für den zweiten Elementabschnitt 12 zeigt. Insbesondere ist der erste Elementabschnitt 10 entsprechend der Niedriggeschwindigkeitsspezifikation entworfen, und der zweite Elementabschnitt 12 ist entsprechend der Hochgeschwindigkeitsspezifikation entworfen. Da die Schaltgeschwindigkeit des zweiten Elementabschnitts 12 größer als diejenige des ersten Elementabschnitts 10, weist der zweite Elementabschnitt 12 einen niedrigeren Ausschaltverlust Eoff auf.
  • Der größte Anteil des Ausschaltverlusts der Halbleitervorrichtung tritt in dem zweiten Elementabschnitt 12 auf, der nach einer Verzögerungszeit ausgeschaltet wird, nachdem der erste Elementabschnitt 10 ausgeschaltet wurde. 16 ist ein Diagramm, das Simulationsergebnisse der Ausschaltverluste Eoff usw. in dem ersten und zweiten Elementabschnitt zeigt. In 16 stellen die gestrichelten Linien Signalverläufe in dem ersten Elementabschnitt 10 dar, und die durchgezogenen Linien stellen Signalverläufe in dem zweiten Elementabschnitt 12 dar. Aus den in 16 gezeigten Signalverläufen der Ausschaltverluste Eoff kann geschlossen werden, dass der größte Anteil des Ausschaltsverlusts der Halbleitervorrichtung in dem zweiten Elementabschnitt 12 auftritt. Der Grund dafür besteht darin, dass, weil der erste Elementabschnitt 10 ausgeschaltet wird, bevor der zweite Elementabschnitt 12 ausgeschaltet wird, der Strom in dem Halbleiterelement ganz durch den zweiten Elementabschnitt 12 fließt anstatt sowohl durch den ersten als auch den zweiten Elementabschnitt 10, 12 zu fließen, nachdem der erste Elementabschnitt 10 ausgeschaltet wurde.
  • Auch wenn bei der Halbleitervorrichtung der vierten Ausführungsform der Großteil des Ausschaltsverlusts der Vorrichtung in dem zweiten Elementabschnitt 12 auftritt, ist der Ausschaltverlust des zweiten Elementabschnitts 12 relativ klein, da der zweite Elementabschnitt 12 entsprechend der Hochgeschwindigkeitsspezifikation entworfen ist. Das macht es möglich, den Schaltverlust der gesamten Halbleitervorrichtung zu verringern.
  • Bei dem Halbleiterelement der vierten Ausführungsform ist die Dotierungskonzentration in der zweiten Kollektorschicht 40b so gewählt, dass sie niedriger ist als diejenige in der ersten Kollektorschicht 40a. Es ist jedoch klar, dass auch andere Techniken verwendet werden können, um Elementabschnitte zu bilden, die die Niedriggeschwindigkeitsspezifikation und die Hochgeschwindigkeitsspezifikation erfüllen. Es ist beispielsweise möglich, durch geeignetes Wählen des Gateabstands, der Kanallänge, der Dicke oder Dotierungskonzentration der Pufferschicht oder der Dicke der Kollektorschicht darin Elementabschnitte zu bilden, die die Niedriggeschwindigkeitsspezifikation und die Hochgeschwindigkeitsspezifikation erfüllen.
  • 17 ist ein Diagramm, das Lebensdauerreduzierer zeigt, die in einer n–-Schicht gebildet sind, um die Lebensdauer von Trägern zu verringern. Insbesondere sind Lebensdauerreduzierer 110 in der n–-Schicht 30b des zweiten Elementabschnitts 12 gebildet. Die Lebensdauerreduzierer 110 sind gebildet durch Einbringen von Au oder Pt oder durch Elektronenstrahlbestrahlung.
  • Die Lebensdauerreduzierer 110 wirken so, dass die Minoritätsträger in dem zweiten Elementabschnitt 12 eine kürzere Lebensdauer haben als die Minoritätsträger in dem ersten Elementabschnitt 10. Demzufolge kann die Schaltgeschwindigkeit des zweiten Elementabschnitts 12 höher entworfen sein als diejenige des ersten Elementabschnitts 10.
  • Die Lebensdauerreduzierer können auch in der n–-Schicht 30a des ersten Elementabschnitts 10 gebildet sein, solange die Lebensdauerreduziererdichte in dem ersten Elementabschnitt 10 niedriger ist als diejenige in dem zweiten Elementabschnitt 12. Das bedeutet, dass die Vorteile der vorliegenden Ausführungsform erzielt werden können, wenn die Dichte der Trägerlebensdauerreduzierer in dem zweiten Elementabschnitt 12 größer ist als diejenige in dem ersten Elementabschnitt 10. Weiter können bei dem Halbleiterelement der vierten Ausführungsform zumindest die Abwandlungen durchgeführt werden, die ähnlich denjenigen sind, die bei dem Halbleiterelement der ersten Ausführungsform durchgeführt werden können.
  • Ein Halbleiterelement gemäß einer fünften Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Elementabschnitt verschiedene Schwellenspannungen aufweisen. 18 ist eine Schnittansicht des Halbleiterelements der fünften Ausführungsform. An das erste Gate G1 und das zweite Gate G2 wird dasselbe Signal übertragen.
  • Der erste Elementabschnitt 10 ist so gebildet, dass er eine erste Schwellenspannung aufweist. Weiter ist der zweite Elementabschnitt 12 so gebildet, dass er eine zweite Schwellenspannung aufweist, die größer ist als die erste Schwellenspannung. Der Unterschied zwischen diesen Schwellenspannungen wird erzeugt durch Wählen einer Dotierungskonzentration einer Kanalschicht 34a, die niedriger ist als diejenige einer Kanalschicht 34B.
  • Bei dem Halbleiterelement der fünften Ausführungsform ist es möglich, die Ansteuerung des zweiten Elementabschnitts 12 relativ zu dem ersten Elementabschnitt 10 zu verzögern, während dasselbe Signal an das erste Gate G1 und das zweite Gate G2 angelegt ist. Insbesondere kann der zweite Elementabschnitt 12 um eine Verzögerungszeit später ausgeschaltet werden, nachdem der erste Elementabschnitt 10 ausgeschaltet wurde, was zu einem verringerten Schaltverlust des Halbleiterelements führt. Da dasselbe Signal an den ersten Elementabschnitt 10 und den zweiten Elementabschnitt 12 angelegt werden kann, ist es möglich, das Signalübertragungsmittel zu vereinfachen.
  • Bei dem Halbleiterelement der fünften Ausführungsform sind die Dotierungskonzentrationen der Kanalschichten so eingestellt, dass der erste und der zweite Elementabschnitt verschiedene Schwellenspannungen aufweisen. Es ist jedoch klar, dass die vorliegende Erfindung nicht auf dieses besondere Merkmal eingeschränkt ist. Um die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erzielen, muss das Halbleiterelement nur versehen sein mit einem ersten Elementabschnitt, der ein Signal an seinem Gate empfängt und eine EIN/AUS-Steuerung durchführt, und einem zweiten Elementabschnitt, der ebenfalls eine EIN/AUS-Steuerung entsprechend demselben Signal durchführt und dessen Betrieb relativ zu dem ersten Elementabschnitt verzögert ist.
  • 19 ist eine Ansicht einer Abwandlung des Halbleiterelements der fünften Ausführungsform. Die Gateoxidschicht 39a des ersten Elementabschnitts 10 ist so gebildet, dass sie eine geringere Dicke aufweist als die Gateoxidschicht 39b des zweiten Elementabschnitts 12. Demzufolge kann das Ausschalten des zweiten Elementabschnitts 12 relativ zu dem ersten Elementabschnitt 10 verzögert werden.
  • Ein Halbleiterelement gemäß einer sechsten Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Elementabschnitt verschiedene RC-Zeitkonstanten aufweisen. 20 ist eine Schnittansicht des Halbleiterelements der sechsten Ausführungsform. Dasselbe Signal wird an das erste Gate G1 und das zweite Gate G2 übertragen.
  • Die Polysiliziumgates 36a und die Polysiliziumgates 36b sind aus verschiedenen Materialien gebildet. Demzufolge hat der zweite Elementabschnitt 12 einen höheren Gatewiderstand als der erste Elementabschnitt 10. Weiter ist die Menge der Dotierung in der Basisschicht 32a des ersten Elementabschnitts 10 geringer als diejenige in der Basisschicht 32b des zweiten Elementabschnitts 12. Weiter ist die Menge der Dotierung in der Kanalschicht 34a kleiner als in der Kanalschicht 34b. Daher hat der zweite Elementabschnitt 12 eine höhere interne Kapazität als der erste Elementabschnitt 10.
  • Demzufolge hat der erste Elementabschnitt 10 eine erste RC-Zeitkonstante, und der zweite Elementabschnitt 12 hat eine zweite RC-Zeitkonstante, die größer als die erste RC-Zeitkonstante ist.
  • Das ermöglicht es, das Schalten des zweiten Elementabschnitts 12 relativ zu dem ersten Elementabschnitt 10 zu verzögern. Somit kann der zweite Elementabschnitt 12 mit einer Verzögerungszeit ausgeschaltet werden, nachdem der erste Elementabschnitt 10 ausgeschaltet wurde, was zu einem verringerten Schaltverlust des Halbleiterelements führt. Da dasselbe Signal an den ersten Elementabschnitt 10 und den zweiten Elementabschnitt 12 angelegt werden kann, ist es möglich, das Signalübertragungsmittel zu vereinfachen.
  • In allen oben beschriebenen Ausführungsformen ist das Halbleiterelement ein IGBT, der eine bipolare Minoritätsträgervorrichtung ist. Es ist jedoch klar, dass das Halbleiterelement jeder Ausführungsform auch eine unipolare Majoritätsträgervorrichtung wie z. B. ein MOSFET sein kann. Da Majoritätsträgervorrichtungen eine hohe Schaltgeschwindigkeit haben, wird bei ihnen erwartet, dass sie einen geringeren Schaltverlust aufweisen als Minoritätsträgervorrichtungen.
  • Das Halbleiterelement kann aus Silizium gebildet sein, oder es kann alternativ aus einem Halbleiter mit hohem Bandabstand gebildet sein, der einen höheren Bandabstand als Silizium aufweist. Beispiele für Halbleiter mit hohem Bandabstand enthalten Siliziumcarbid, auf Galliumnitrid basierende Materialien und Diamant.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, bei der eine Mehrzahl von Elementabschnitten nacheinander ausgeschaltet werden, was es ermöglicht, den Schaltverlust der Halbleitervorrichtung zu verringern.

Claims (8)

  1. Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterelement (20, 80, 90), das einen ersten Elementabschnitt (10, 82, 92) mit einem ersten Gate (G1) und einen zweiten Elementabschnitt (12, 84, 94) mit einem zweiten Gate (G2) enthält, wobei das Ein- und Ausschalten des ersten Elementabschnitts (10, 82, 92) durch ein Signal an dem ersten Gate (G1) gesteuert wird und das Ein- und Ausschalten des zweiten Elementabschnitts (12, 84, 94) durch ein Signal an dem zweiten Gate (G2) gesteuert wird, und einem Signalübertragungsmittel (14), das mit dem ersten Gate (G1) und dem zweiten Gate (G2) verbunden ist und ein Signal an das erste Gate (G1) und das zweite Gate (G2) so überträgt, dass der erste Elementabschnitt (10, 82, 92) und der zweite Elementabschnitt (12, 84, 94) gleichzeitig eingeschaltet werden, wenn das Halbleiterelement (20, 80, 90) eingeschaltet werden soll, und dass der zweite Elementabschnitt (12, 84, 94) um eine Verzögerungszeit später ausgeschaltet wird, nachdem der erste Elementabschnitt (10, 82, 92) ausgeschaltet wurde, wenn das Halbleiterelement (20, 80, 90) ausgeschaltet werden soll, bei der der zweite Elementabschnitt (84, 94) so gebildet ist, dass er den ersten Elementabschnitt (82, 92) umgibt.
  2. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der zweite Elementabschnitt (94) eine größere Fläche hat als der erste Elementabschnitt (92).
  3. Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der der zweite Elementabschnitt (84, 94) daran angepasst ist, eine höhere Schaltgeschwindigkeit als der erste Elementabschnitt (82, 92) zu haben.
  4. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der das Halbleiterelement (20, 80, 90) ein Halbleiterelement vom Leitfähigkeitsmodulationstyp ist, bei dem Träger von Kollektorschichten (40a, 40b) in eine Driftschicht (30) injiziert werden, der erste Elementabschnitt (10) eine erste in ihm gebildete Kollektorschicht (40a) aufweist, der zweite Elementabschnitt (12) eine zweite in ihm gebildete Kollektorschicht (40b) aufweist, und die zweite Kollektorschicht (40b) eine niedrigere Dotierungskonzentration aufweist als die erste Kollektorschicht (40a).
  5. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der Lebensdauerreduzierer (110) in dem zweiten Elementabschnitt (12) gebildet sind und die Dichte der Lebensdauerreduzierer (110) in dem zweiten Elementabschnitt (12) größer ist als in dem ersten Elementabschnitt (10).
  6. Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der auf dem Halbleiterelement (80, 90) eine Messanschlussfläche (82a) gebildet ist.
  7. Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Halbleiterelement (20, 80, 90) aus einem Halbleiter mit großem Bandabstand gebildet ist.
  8. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der der Halbleiter mit großem Bandabstand Siliziumcarbid, ein auf Galliumnitrid basierendes Material oder Diamant ist.
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Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6078961B2 (ja) * 2012-03-19 2017-02-15 富士電機株式会社 半導体装置の製造方法
WO2014097488A1 (ja) 2012-12-21 2014-06-26 トヨタ自動車株式会社 半導体装置
DE112015000206T5 (de) * 2014-10-03 2016-08-25 Fuji Electric Co., Ltd. Halbleitervorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung
JP6402591B2 (ja) * 2014-10-31 2018-10-10 富士電機株式会社 半導体装置
US10529839B2 (en) 2015-05-15 2020-01-07 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device
CN110062957B (zh) * 2016-12-12 2023-09-01 三菱电机株式会社 半导体装置的驱动方法以及驱动电路
JP6610696B2 (ja) * 2018-04-03 2019-11-27 富士電機株式会社 トレンチｍｏｓ型半導体装置
JP7205091B2 (ja) * 2018-07-18 2023-01-17 富士電機株式会社 半導体装置
JP7006547B2 (ja) * 2018-09-10 2022-01-24 三菱電機株式会社 半導体装置
JP7091204B2 (ja) 2018-09-19 2022-06-27 株式会社東芝 半導体装置
JP7040423B2 (ja) * 2018-11-28 2022-03-23 株式会社デンソー 半導体装置
WO2020130141A1 (ja) * 2018-12-21 2020-06-25 ローム株式会社 半導体装置
US11374563B2 (en) * 2020-03-03 2022-06-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Method for controlling semiconductor device
JP7458273B2 (ja) * 2020-03-03 2024-03-29 株式会社東芝 半導体装置の制御方法
JP7471199B2 (ja) * 2020-11-12 2024-04-19 三菱電機株式会社 炭化珪素半導体装置、電力変換装置、および炭化珪素半導体装置の製造方法
JP2022167435A (ja) * 2021-04-23 2022-11-04 株式会社 日立パワーデバイス 半導体装置及びそれを用いた電力変換装置、半導体装置の製造方法
JP2022175970A (ja) * 2021-05-14 2022-11-25 株式会社デンソー 半導体装置
JP2023115995A (ja) * 2022-02-09 2023-08-22 株式会社 日立パワーデバイス 半導体装置およびそれを用いた電力変換装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04280475A (ja) * 1991-03-08 1992-10-06 Fuji Electric Co Ltd 半導体スイッチング装置
JPH07321304A (ja) * 1994-05-20 1995-12-08 Fuji Electric Co Ltd 絶縁ゲートバイポーラトランジスタおよびその製造方法
JP2004319624A (ja) * 2003-04-14 2004-11-11 Denso Corp 半導体装置

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4356408A (en) * 1980-08-01 1982-10-26 Sundstrand Corporation Drive circuit for parallel non-matched semiconductors
JP3163815B2 (ja) 1992-02-03 2001-05-08 富士電機株式会社 半導体装置
US5459339A (en) 1992-02-03 1995-10-17 Fuji Electric Co., Ltd. Double gate semiconductor device and control device thereof
US5561393A (en) 1992-02-03 1996-10-01 Fuji Electric Co., Ltd. Control device of semiconductor power device
US6043112A (en) * 1996-07-25 2000-03-28 International Rectifier Corp. IGBT with reduced forward voltage drop and reduced switching loss
JP2000040951A (ja) * 1998-05-18 2000-02-08 Toshiba Corp 半導体素子、その駆動方法及び駆動装置
JP2000101076A (ja) * 1998-09-25 2000-04-07 Toshiba Corp 絶縁ゲート型半導体素子とその駆動方法
JP4007242B2 (ja) * 2003-04-10 2007-11-14 富士電機ホールディングス株式会社 半導体装置
JP2006278772A (ja) * 2005-03-29 2006-10-12 Toshiba Corp 半導体装置
JP5122762B2 (ja) * 2006-03-07 2013-01-16 株式会社東芝 電力用半導体素子、その製造方法及びその駆動方法
EP2117121A1 (de) * 2008-05-06 2009-11-11 Schleifring und Apparatebau GmbH Halbleiternetzschalter
US8536582B2 (en) * 2008-12-01 2013-09-17 Cree, Inc. Stable power devices on low-angle off-cut silicon carbide crystals
JP5407390B2 (ja) * 2009-02-09 2014-02-05 トヨタ自動車株式会社 半導体装置
US8519751B2 (en) 2009-09-15 2013-08-27 Mitsubishi Electric Corporation Gate drive circuit
US9412854B2 (en) * 2010-10-20 2016-08-09 Infineon Technologies Austria Ag IGBT module and a circuit

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04280475A (ja) * 1991-03-08 1992-10-06 Fuji Electric Co Ltd 半導体スイッチング装置
JPH07321304A (ja) * 1994-05-20 1995-12-08 Fuji Electric Co Ltd 絶縁ゲートバイポーラトランジスタおよびその製造方法
JP2004319624A (ja) * 2003-04-14 2004-11-11 Denso Corp 半導体装置

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