DE102015121516A1 - Umgekehrt leitender bipolarer Transistor mit isoliertem Gate - Google Patents

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Abstract

Eine Halbleiterschicht eines umgekehrt leitenden bipolaren Transistors mit isoliertem Gate ist mit einem Barrierenbereich des ersten Leitfähigkeitstyps versehen, wobei der Barrierenbereich in dem Körperbereich angeordnet ist und elektrisch mit der Emitterelektrode über ein Säulenbauteil verbunden ist, das sich von der einen der Hauptoberflächen der Halbleiterschicht erstreckt. Der Barrierenbereich enthält einen ersten Barrierenteilbereich, wobei ein Abstand zwischen dem ersten Barrierenteilbereich und dem Driftbereich ein erster Abstand ist, und einen zweiten Barrierenteilbereich, wobei ein Abstand zwischen dem zweiten Barrierenteilbereich und dem Driftbereich ein zweiter Abstand ist, der größer als der erste Abstand ist. Der zweite Barrierenteilbereich ist in Kontakt mit einer Seitenoberfläche eines isolierten Grabengates.

Description

  • QUERVERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2014-252013 , die am 12. Dezember 2014 eingereicht wurde, und deren Inhalte hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen werden.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die in der vorliegenden Anmeldung offenbarte Technik bezieht sich auf einen umgekehrt leitenden bipolaren Transistor mit isoliertem Gate.
  • BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
  • Ein umgekehrt leitender bipolarer Transistor mit isoliertem Gate (im Weiteren als ”umgekehrt leitender IGBT” bezeichnet), in dem eine Diode in einer Halbleiterschicht, in der ein bipolarer Transistor mit isoliertem Gate gebildet ist, eingebaut ist, wurde entwickelt. Ein umgekehrt leitender IGBT dieses Typs wird oft mit sechs Transistoren, die einen Drei-Phasen-Inverter konfigurieren, verwendet, und die Diode arbeitet als eine freilaufende Diode (”Free Wheeling Diode (FWD)”).
  • Es wurde gewünscht, den Schaltverlust in dem umgekehrt leitenden IGBT durch Verbessern der umgekehrten Erholungscharakteristik der Diode, die in dem umgekehrt leitenden IGBT eingebaut ist, zu reduzieren. Um die umgekehrte Erholdungscharakteristik der eingebauten Diode zu verbessern, ist es wichtig, eine Menge an Löchern, die von einem Körperbereich (d. h. einem Anodenbereich in der eingebauten Diode) injiziert werden, einzuschränken, wenn die eingebaute Diode vorwärts vorgespannt ist.
  • JP 2013-48230 A offenbart eine Technik zum Verbessern der umgekehrten Erholungscharakteristik einer eingebauten Diode. 6 zeigt eine schematische Ansicht eines umgekehrt leitenden IGBTs 100, der in JP 2013-48230 A offenbart ist. Um die Menge an Löchern, die aus einem Körperbereich 115 injiziert werden, einzuschränken, enthält der umgekehrt leitende IGBT 100 einen Barrierenbereich 118 des n-Typs, der in einem Körperbereich 115 des p-Typs bereitgestellt ist. Ein Körperbereich 115, der auf einer höheren Seite des Barrierenbereichs 118 angeordnet ist, wird ein oberer Körperbereich 115a genannt, während ein Körperbereich 115, der auf einer unteren Seite des Barrierenbereichs 118 angeordnet ist, ein unterer Körperbereich 115b genannt wird. Der Barrierenbereich 118 ist elektrisch mit einer Emitterelektrode 124 über einen Säulenbereich 119 des n-Typs verbunden, der sich von einer Hauptfläche einer Halbleiterschicht erstreckt und in Schottky-Kontakt mit der Emitterelektrode 124 ist.
  • Wenn die eingebaute Diode vorwärts vorgespannt ist, schließen der Barrierenbereich 118 und die Emitterelektrode 124 über den Säulenbereich 119 kurz. Zu dieser Zeit wird ein Potenzial des Barrierenbereichs 118 um eine Größe, die einer Vorwärtsspannung des Schottky-Übergangs des Säulenbereichs 119 und der Emitterelektrode 124 entspricht, niedriger als das der Emitterelektrode 124. Die Vorwärtsspannung des Schottky-Übergangs ist niedriger als eine eingebaute Spannung einer PN-Diode, die durch den oberen Körperbereich 115a und den Barrierenbereich 118 gebildet wird. Entsprechend wird durch das Bereitstellen des Barrierenbereichs 118 eine ausreichende Vorwärtsspannung nicht an die PN-Diode angelegt, die durch den oberen Körperbereich 115a und den Barrierenbereich 118 konfiguriert ist, wodurch die Menge an Löchern eingeschränkt wird, die aus dem oberen Körperbereich 115a injiziert werden.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In dem umgekehrt leitenden IGBT 100 sind, wie durch gestrichelte Linien in 6 gezeigt, die Barrierenbereiche 118 in Kontakt mit Seitenoberflächen von isolierten Grabengates 130. Dadurch sind parasitäre NMOS, die durch die Barrierenbereiche 118, den unteren Köperbereich 115b, und den Driftbereich 114 konfiguriert sind, auf den Seitenoberflächen der isolierten Grabengates 130 vorhanden. Dadurch wird der parasitäre NMOS eingeschaltet, bevor ein Schwellwert erreicht wird, wenn eine positive Spannung an die isolierten Grabengates 130 angelegt wird. Als ein Ergebnis davon wächst ein Kollektorstrom Ic in zwei Stufen mit Bezug auf ein Anwachsen einer Gatespannung Vg, wie in 7 gezeigt (im Weiteren wird dieses Phänomen ein „Zweistufen-Einschaltphänomen” genannt). Solch ein Zweistufen-Einschaltphänomen kann in einer Fehlfunktion, Rauschen und irrtümlichen Erfassung eines fehlerhaften Produkts resultieren.
  • Diese Spezifikation stellt einen umgekehrt leitenden IGBT bereit, der das Auftreten eines Zweistufen-Einschaltphänomens verhindert.
  • Ein Aspekt eines umgekehrt leitenden bipolaren Transistors mit isoliertem Gate, der in dieser Spezifikation offenbart ist, weist eine Halbleiterschicht, eine Emitterelektrode, die eine der Hauptflächen der Halbleiterschicht bedeckt, und eine isolierte Grabengateelektrode auf, die sich von der einen der Hauptflächen der Halbleiterschicht in die Halbleiterschicht erstreckt. Die Halbleiterschicht weist einen Driftbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Körperbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einen Barrierenbereich des ersten Leitfähigkeitstyps auf. Der Driftbereich ist in Kontakt mit dem isolierten Grabengate. Der Körperbereich ist oberhalb des Driftbereichs angeordnet und ist in Kontakt mit dem isolierten Grabengate. Der Barrierenbereich ist in dem Körperbereich angeordnet und elektrisch mit der Emitterelektrode über ein Säulenbauteil verbunden, das sich von der einen der Hauptflächen der Halbleiterschicht erstreckt. Der Barrierenbereich enthält einen ersten Barrierenteilbereich und einen zweiten Barrierenteilbereich. Ein Abstand zwischen dem ersten Barrierenteilbereich und dem Driftbereich ist ein erster Abstand. Ein Abstand zwischen dem zweiten Barrierenteilbereich und dem Driftbereich ist ein zweiter Abstand, der größer als der erste Abstand ist. Der zweite Barrierenteilbereich ist in Kontakt mit einer Seitenoberfläche des isolierten Grabengates.
  • In dem umgekehrt leitenden bipolaren Transistor mit isoliertem Gate gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel ist der zweite Barrierenteilbereich, der einen weiten Abstand von dem Driftbereich hat, so angeordnet, dass er in Kontakt mit dem isolierten Grabengate ist. Deswegen wird ein Kanalwiderstand eines parasitären NMOS, der durch den Barrierenbereich, den Körperbereich und den Driftbereich konfiguriert ist, hoch. Als ein Ergebnis wird in dem umgekehrt leitenden bipolaren Transistor mit isoliertem Gate gemäß dem obigen Aspekt ein Zweistufen-Einschaltphänomen unterdrückt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt schematisch einen Querschnitt eines Hauptteils eines umgekehrt leitenden IGBTs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 2 zeigt schematisch einen Querschnitt des Hauptteils, der entlang einer Linie II-II in 1 aufgenommen ist;
  • 3 zeigt Ic-Vg Charakteristiken des umgekehrt leitenden IGBTs gemäß dem Ausführungsbeispiel;
  • 4 zeigt schematisch einen Querschnitt eines Hauptteils eines umgekehrt leitenden IGBTs gemäß einem modifizierten Beispiel;
  • 5 zeigt Ic-Vg Charakteristiken des umgekehrt leitenden IGBTs gemäß dem modifizierten Ausführungsbeispiel;
  • 6 zeigt schematisch einen Querschnitt eines Hauptteils eines herkömmlichen umgekehrt leitenden IGBTs; und
  • 7 zeigt Ic-Vg Charakteristiken des herkömmlichen umgekehrt leitenden IGBTs.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Einige der in dieser Spezifikation offenbarten technischen Merkmale werden unten zusammengefasst. Man bemerke, dass die unten beschriebenen Gegenstände jeweils unabhängig eine technische Nützlichkeit haben.
  • Ein Aspekt eines umgekehrt leitenden bipolaren Transistors mit isoliertem Gate, der in dieser Spezifikation offenbart ist, kann eine Halbleiterschicht, eine Emitterelektrode, die eine der Hauptflächen der Halbleiterschicht bedeckt, und ein isoliertes Grabengate aufweisen, das sich von der einen der Hauptflächen der Halbleiterschicht in die Halbleiterschicht erstreckt. Ein Material der Halbleiterschicht ist nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel kann das Material der Halbleiterschicht Silizium, Siliziumkarbid oder ein anderer Verbindungshalbleiter sein. Die Halbleiterschicht kann eine Driftschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine Körperschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einen Barrierenbereich des ersten Leitfähigkeitstyps aufweisen. Der Driftbereich kann in Kontakt mit dem isolierten Grabengate sein. Der Körperbereich kann über dem Driftbereich angeordnet sein und ist in Kontakt mit dem isolierten Grabengate. Der Barrierenbereich kann in dem Körperbereich angeordnet sein und kann elektrisch mit der Emitterelektrode über ein Säulenbauteil verbunden sein, das sich von der einen der Hauptflächen der Halbleiterschicht erstreckt. Das Säulenbauteil kann konfiguriert sein, elektrisch den Barrierenbereich mit der Emitterelektrode zu verbinden, um ein Potenzial des Barrierenbereichs so anzupassen, dass eine Ladungsträgermenge, die aus dem Körperbereich injiziert wird, eingeschränkt ist, wenn der umgekehrt leitende bipolare Transistor mit isoliertem Gate eingeschaltet wird. Zum Beispiel kann das Säulenbauteil ein Halbleiterbereich des ersten Leitfähigkeitstyps sein, der in einem Schottky-Kontakt mit der Emitterelektrode steht. Der Barrierenbereich kann einen ersten Barrierenteilbereich und einen zweiten Barrierenteilbereich enthalten. Ein Abstand zwischen dem ersten Barrierenteilbereich und dem Driftbereich ist ein erster Abstand. Ein Abstand zwischen dem zweiten Barrierenteilbereich und dem Driftbereich ist ein zweiter Abstand, der größer als der erste Abstand ist. Der zweite Barrierenteilbereich kann in Kontakt mit einer Seitenoberfläche des isolierten Grabengates sein.
  • Die Halbleiterschicht kann ferner einen Bereich hoher Konzentration des zweiten Leitfähigkeitstyps enthalten. Der Bereich hoher Konzentration kann in dem Körperbereich angeordnet sein und unter dem zweiten Barrierenteilbereich lokalisiert sein. Eine Verunreinigungskonzentration des Bereichs hoher Konzentration kann höher als eine Verunreinigungskonzentration des Körperbereichs sein. In diesem Aspekt wird ein Schwellwert eines parasitären NMOS, der durch den Barrierenbereich, den Körperbereich und den Driftbereich konfiguriert ist, hoch. Als ein Ergebnis wird in dem umgekehrt leitenden bipolaren Transistor mit isoliertem Gate gemäß diesem Aspekt ein Zweistufen-Einschaltphänomen weiter unterdrückt.
  • Repräsentative nicht beschränkende Beispiele der vorliegenden Erfindung werden im weiteren Detail mit Bezug auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben. Diese detaillierte Beschreibung beabsichtigt nur, den Fachmann weitere Details zu lehren, um bevorzugte Aspekte der vorliegenden Lehren auszuführen, und beabsichtigt nicht, den Bereich der Erfindung einzuschränken. Ferner kann jedes der zusätzlichen Merkmale und Lehren, die unten offenbart werden, getrennt oder in Verbindung mit anderen Merkmalen und Lehren verwendet werden, um verbesserte umgekehrt leitende bipolare Transistoren mit isoliertem Gate sowie Verfahren zum Verwenden und Herstellen derselben bereitzustellen.
  • Ferner können Kombinationen von Merkmalen und Schritten, die in der folgenden detaillierten Beschreibung offenbart werden, nicht nötig sein, um die Erfindung in ihrem breitesten Sinn auszuführen, und sie sind stattdessen hauptsächlich gelehrt, um besonders repräsentative Beispiele der Erfindung zu beschreiben. Ferner können verschiedene Merkmale der oben beschriebenen und unten beschriebenen repräsentativen Beispiele genauso wie die verschiedenen unabhängigen und abhängigen Patentansprüche auf Weisen kombiniert werden, die nicht spezifisch und ausdrücklich aufgezählt sind, um zusätzlich nützliche Ausführungsbeispiele der vorliegenden Lehren bereitzustellen.
  • Es ist beabsichtigt, alle in der Beschreibung und/oder den Patentansprüchen offenbarten Merkmale separat und unabhängig voneinander für den Zweck der ursprünglichen geschriebenen Offenbarung zu offenbaren, genauso wie für den Zweck des Einschränkens des beanspruchten Gegenstands, unabhängig von den Zusammensetzungen der Merkmale in den Ausführungsbeispielen und/oder den Patentansprüchen. Zusätzlich ist beabsichtigt, dass alle Wertebereiche oder Angaben von Gruppen von Entitäten jeden möglichen Zwischenwert oder Zwischenentität für den Zwecke der ursprünglich geschriebenen Offenbarung genauso wie für den Zweck des Einschränkens des beanspruchten Gegenstands offenbaren.
  • (Ausführungsbeispiel)
  • Ein umgekehrt leitender IGBT 1 wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Der umgekehrt leitende IGBT 1 wird mit sechs Transistoren, die einen Drei-Phasen-Inverter konfigurieren, verwendet, und eine eingebaute Diode darin arbeitet als eine freilaufende Diode (FWD).
  • Wie in 1 gezeigt, enthält der umgekehrt leitende IGBT 1 eine Halbleiterschicht 10 eines Siliziumeinkristalls, eine Kollektorelektrode 22 (Kathodenelektrode in der Diode), die eine hintere Fläche 10A der Halbleiterschicht 10 bedeckt, eine Emitterelektrode 24 (Anodenelektrode in der Diode), die eine vordere Oberfläche 10B der Halbleiterschicht 10 bedeckt, und eine Vielzahl von isolierten Grabengates 30, die in einer Oberflächenschicht der Halbleiterschicht 10 bereitgestellt sind. Die Halbleiterschicht 10 enthält einen Kollektorbereich 11 des p-Typs, einen Kathodenbereich 12 des n-Typs, einen Pufferbereich 13 des n-Typs, einen Driftbereich 14 des n-Typs, einen Körperbereich 15 des p-Typs (Anodenbereich in der Diode), Emitterbereiche 16 des n-Typs, Körperkontaktbereiche 17 des p-Typs, Barrierenbereiche 18 des n-Typs, und Säulenbereiche 19 des n-Typs.
  • Der Kollektorbereich 11 ist an einer hinteren Schicht der Halbleiterschicht 10 angeordnet und liegt an der hinteren Oberfläche 10A der Halbleiterschicht 10 außen. Der Kollektorbereich 11 enthält eine hohe Konzentration von Bor und ist in ohmschen Kontakt mit der Kollektorelektrode 22. Der Kollektorbereich 11 wird durch Einführen von Bor in einen Teil der hinteren Schicht der Halbleiterschicht 10 von der hinteren Oberfläche 10A der Halbleiterschicht 10 unter Verwendung von z. B. einer Ionenimplantationstechnik gebildet.
  • Der Kathodenbereich 12 ist auf der hinteren Schicht der Halbleiterschicht 10 angeordnet und liegt an der hinteren Oberfläche 10A der Halbleiterschicht 10 außen. Der Kathodenbereich 12 enthält eine hohe Konzentration an Phosphor und ist in ohmschem Kontakt mit der Kollektorelektrode 22. Der Kathodenbereich 12 wird durch Einführen von Phosphor in einen Teil der hinteren Schicht der Halbleiterschicht 10 von der hinteren Oberfläche 10A der Halbleiterschicht 10 unter Verwendung von z. B. der Ionenimplantationstechnik gebildet.
  • Der umgekehrt leitende IGBT 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektorbereich 11 und der Kathodenbereich 12 in der hinteren Schicht der Halbleiterschicht 10 bereitgestellt sind. Der Kollektorbereich 11 und der Kathodenbereich 12 sind in einer gleichen Ebene in der hinteren Schicht der Halbleiterschicht 10 angeordnet. Dadurch ist der umgekehrt leitfähige IGBT 1 in der Lage, sowohl als ein IGBT als auch als eine Diode zu arbeiten. Es wird bemerkt, dass ein Layout des Kollektorbereichs 11 und des Kathodenbereichs 12 in der hinteren Schicht der Halbleiterschicht 10 nicht auf ein spezielles Layout beschränkt ist, sondern dass verschiedene Layouts angewendet werden können.
  • Der Pufferbereich 13 ist in der hinteren Schicht der Halbleiterschicht 10 bereitgestellt. Der Pufferbereich 13 ist auf dem Kollektorbereich 11 und dem Kathodenbereich 12 angeordnet. Der Pufferbereich 13 wird durch Einführen von Phosphor in einen Teil der hinteren Schicht der Halbleiterschicht 10 von der hinteren Oberfläche 10A der Halbleiterschicht 10 unter Verwendung von z. B. der Ionenimplantationstechnik gebildet. Eine Verunreinigungskonzentration des Pufferbereichs 13 ist höher als die des Driftbereichs 14.
  • Der Driftbereich 14 ist zwischen dem Pufferbereich 13 und dem Körperbereich 15 angeordnet. Der Driftbereich 14 ist ein Teil, der übrig bleibt, nachdem jeder Halbleiterbereich in der Halbleiterschicht 10 gebildet wurde, und seine Verunreinigungskonzentration ist niedrig.
  • Der Körperbereich 15 ist in der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht 10 angeordnet. Der Körperbereich 15 ist auf dem Driftbereich 14 angeordnet und umgibt die Emitterbereiche 16, Körperkontaktbereiche 17, Barrierenbereiche 18, und Säulenbereiche 19. Der Körperbereich 15 wird durch Einführen von Bor in einen Teil der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht 10 von der vorderen Oberfläche 10B der Halbleiterschicht 10 unter Verwendung von z. B. der Ionenimplantationstechnik gebildet. Der Körperbereich 15 ist in einen oberen Körperbereich 15a, der auf eine höheren Seite der Barrierenschicht 18 angeordnet ist, und einen unteren Körperbereich 15b, der auf einer unteren Seite des Barrierenbereichs 18 angeordnet ist, eingeteilt.
  • Jeder Emitterbereich 16 ist in der Oberflächenschicht der Halbeiterschicht 10 angeordnet. Der Emitterbereich 16 ist auf dem Körperbereich 15 angeordnet und liegt an der vorderen Oberfläche 10B der Halbleiterschicht 10 außen. Der Emitterbereich 16 enthält eine hohe Konzentration von Phosphor und ist in ohmschem Kontakt mit der Emitterelektrode 24. Der Emitterbereich 16 wird durch Einführen von Phosphor in einen Teil der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht 10 von der vorderen Oberfläche 10B der Halbleiterschicht 10 unter Verwendung von z. B. der Ionenimplantationstechnik gebildet.
  • Jeder Körperkontaktbereich 17 ist in der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht 10 angeordnet. Der Körperkontaktbereich 17 ist auf dem Körperbereich 15 angeordnet und liegt an der vorderen Oberfläche 10B der Halbleiterschicht 10 außen. Der Körperkontaktbereich 17 enthält eine hohe Konzentration von Bor und ist in ohmschem Kontakt mit der Emitterelektrode 24. Der Körperkontaktbereich 17 wird durch Einführen von Bor in einen Teil der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht 10 von der vorderen Oberfläche 10B der Halbleiterschicht 10 unter Verwendung von z. B. der Ionenimplantationstechnik gebildet.
  • Jedes isolierte Grabengate 30 ist innerhalb eines Grabens bereitgestellt, der sich von der vorderen Oberfläche 10B der Halbleiterschicht 10 zu dem Driftbereich 14 durch den entsprechenden Emitterbereich 16 und den Körperbereich 15 erstreckt. Das isolierte Grabengate 30 ist in Kontakt mit dem Driftbereich 14, dem Körperbereich 15 und dem entsprechenden Emitterbereich 16. Das isolierte Grabengate 30 hat eine Grabengateelektrode und eine Gateisolationsschicht, die die Grabengateelektrode bedeckt. Wie in 2 gezeigt, sind die isolierten Grabengates 30 in Streifen angeordnet, wie es aus einer Sicht entlang einer Richtung senkrecht zu der vorderen Oberfläche 10B der Halbleiterschicht 10 zu sehen ist. Dies ist ein Beispiel des Layouts der isolierten Grabengates 30 und es ist nicht auf ein bestimmtes beschränkt. Deswegen können verschiedene Layouts der isolierten Grabengates angewendet werden.
  • Jeder Barrierenbereich 18 ist in der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht 10 angeordnet. Der Barrierenbereich 18 ist in dem Körperbereich 15 angeordnet und ist von dem Driftbereich 14, Emitterbereichen 16 und Körperkontaktbereichen 17 durch den Körperbereich 15 getrennt. Der Barrierenbereich 18 wird durch Einführen von Phosphor in einen Teil der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht 10 von der vorderen Oberfläche 10B der Halbleiterschicht 10 unter Verwendung von z. B. der Ionenimplantationstechnik gebildet. Der Barrierenbereich 18 ist in zwei Bereiche eingeteilt, die bei verschiedenen Tiefen in der Halbleiterschicht 10 angeordnet sind, und enthält einen ersten Barrierenteilbereich 18a, der einen ersten Abstand 18Da von dem Driftbereich 14 hat, und einen zweiten Barrierenteilbereich 18b, der einen zweiten Abstand 18Db von dem Driftbereich 14 hat. Der zweite Abstand 18Db ist größer als der erste Abstand 18Da. Der erste Barrierenteilbereich 18a erstreckt sich in einer Ebene mit einer vorbestimmten Tiefe von der Halbleiterschicht 10 und hat eine Form, die sich entlang einer Längsrichtung der isolierten Grabengates 30 erstreckt, wie es entlang einer Richtung senkrecht zu der vorderen Oberfläche 10B der Halbleiterschicht 10 zu sehen ist. Der zweite Teilbarrierenbereich 18b erstreckt sich in einer Ebene bei einer vorbestimmten Tiefe der Halbleiterschicht 10, die eine Tiefe ist, die verschieden von der ist, bei der der erste Barrierenteilbereich 18a existiert, und hat eine Form, die sich entlang der Längsrichtung der isolierten Grabengates 30 erstreckt, wenn er entlang der Richtung senkrecht zu der vorderen Oberfläche 10B der Halbleiterschicht 10 gesehen wird. Der zweite Barrierenteilbereich 18b ist an einer Position angeordnet, die näher an den isolierten Grabengates 30 als der erste Barrierenteilbereich 18a ist, und ist in Kontakt mit den isolierten Grabengates 30.
  • Jeder Säulenbereich 19 ist in der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht 10 angeordnet. Der Säulenbereich 19 erstreckt sich von der vorderen Oberfläche 10B der Halbleiterschicht 10 zu dem entsprechenden Barrierenbereich 18 durch den entsprechenden Körperkontaktbereich 17 und den entsprechenden oberen Körperbereich 15a. Der Säulenbereich 19 hat eine Form, die sich entlang der Richtung senkrecht zu der vorderen Oberfläche 10B der Halbleiterschicht 10 erstreckt. Der Säulenbereich 19 enthält Phosphor und ist in Schottky-Kontakt mit der Emitterelektrode 24. Der Säulenbereich 19 wird durch Einführen von Phosphor in einen Teil der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht 10 von der vorderen Oberfläche 10B der Halbleiterschicht 10 unter Verwendung der Ionenimplantationstechnik gebildet.
  • Als nächstes wird ein Betrieb des umgekehrt leitenden IGBTs 1 beschrieben. Beim Anlegen einer positiven Spannung an die Kollektorelektrode 22, Anlegen einer Massespannung an die Emitterelektrode 24 und Anlegen der positiven Spannung an die isolierten Grabengates 30 wird eine Inversionsschicht in dem Körperbereich 15 auf den Seitenoberflächen der isolierten Grabengates 30 gebildet. Über die Inversionsschichten werden Elektronen in den Driftbereich 14 aus den Emitterbereichen 16 injiziert. Unterdessen werden Löcher in den Driftbereich 14 aus dem Kollektorbereich 11 injiziert. Folglich wird der umgekehrt leitende IGBT 1 eingeschaltet, sodass ein Kollektorstrom zwischen der Kollektorelektrode 22 und der Emitterelektrode 24 fließt.
  • Wie in dem Stand der Technik beschrieben (siehe 6), wird ein parasitärer NMOS, der durch die Barrierenbereiche 18, den unteren Körperbereich 15b, und den Driftbereich 14 konfiguriert ist, eingeschaltet, bevor ein Schwellwert erreicht wird, sodass ein Zweistufen-Einschaltphänomen verursacht wird, wenn die Barrierenbereiche 18 in Kontakt mit den Seitenoberflächen der isolierten Grabengates 30 sind. Insbesondere ist eine Verunreinigungskonzentration des unteren Körperbereichs 15b niedriger als die des oberen Körperbereichs 15a, weil ein Körperbereich 15 als ein Diffusionsbereich bereitgestellt wird. Deswegen wird der parasitäre NMOS eingeschaltet, wenn eine positive Spannung, die an die isolierten Grabengates 30 angelegt wird, niedriger als der Schwellwert ist. Auch ergibt sich unerwünschterweise ein intensiveres Auftreten des Zweistufen-Einschaltphänomens, obwohl es bevorzugt ist, das der Barrierenbereich 18 an einer tieferen Position des Körperbereichs 15 bereitgestellt ist, um eine Menge an Löchern einzuschränken, die aus dem Körperbereich 15 injiziert werden.
  • In dem umgekehrt leitenden IGBT 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Barrierenbereich 18 in zwei Bereiche geteilt, und der zweite Barrierenteilbereich 18b, der in Kontakt mit den Seitenoberflächen der isolierten Grabengates 30 ist, ist so gebildet, dass er einen größeren Abstand von dem Driftbereich 14 hat. Wie in 3 gezeigt, ist in dem umgekehrt leitenden IGBT 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel ein Kollektorstrom Ic, der beim Einschalten der ersten Stufe fließt, klein, weil der Kanalwiderstand des parasitären NMOS hoch ist. Deswegen wird ein Kanalwiderstand des parasitären NMOS hoch. Deswegen zeigt die Ic-Vg Charakteristik (durchgezogene Linie) des umgekehrt leitenden IGBTs 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel nicht ein intensives Auftreten des Zweistufen-Einschaltphänomens durch Vergleichen mit der Ic-Vg Charakteristik (gestrichelte Linie) des herkömmlichen umgekehrt leitenden IGBTs, die in 6 gezeigt ist. Das Zweistufen-Einschaltphänomen ist unterdrückt.
  • Wenn dann eine höhere Spannung an die Emitterelektrode 24 als an die Kollektorelektrode 22 angelegt wird und eine Massespannung an die isolierten Grabengates 30 angelegt wird, wird eine eingebaute Diode, die durch den Körperbereich 15, den Driftbereich 14, den Pufferbereich 13, und den Kathodenbereich 12 konfiguriert ist, vorwärts vorgespannt. Wenn die eingebaute Diode vorwärts vorgespannt wird, schließen die Barrierenbereiche 18 und die Emitterelektrode 24 über die Säulenbereiche 19 kurz. Weil die Säulenbereiche 19 in Schottky-Kontakt mit der Emitterelektrode 24 sind, ist das Potenzial der Barrierenbereiche 18 um eine Größe, die der Vorwärtsspannung des Schottky-Übergangs der Säulenbereiche 19 und der Emitterelektrode 24 entspricht, niedriger als das der Emitterelektrode 24. Die Vorwärtsspannung des Schottky-Übergangs ist niedriger als das eingebaute Potenzial einer PN-Diode, die durch den oberen Körperbereich 15a und die Barrierenbereiche 18 konfiguriert ist. Deswegen verhindert das Bereitstellen der Barrierenbereiche 18, dass eine ausreichende Vorwärtsspannung an die PN-Diode angelegt wird, die durch den oberen Körperbereich 15a und die Barrierenbereiche 18 konfiguriert ist. Entsprechend ist die Anzahl an Löchern, die aus dem oberen Körperbereich 15a injiziert werden, eingeschränkt. In dem umgekehrt leitenden IGBT 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel sind die ersten Barrierenteilbereiche 18a bei einer tieferen Position des Körperbereichs 15 so gebildet, dass ein Verhältnis eines Volumens, das durch den oberen Körperbereich 15a belegt wird, relativ zu dem Körperbereich 15 größer ist, und deswegen wird die Menge an Löchern, die aus dem Körperbereich 15 injiziert werden, eingeschränkt. Auf diese Weise kann in dem umgekehrt leitenden IGBT 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel sowohl das Unterdrücken des Zweistufen-Einschaltphänomens als auch das Unterdrücken einer Lochinjektionsmenge erreicht werden.
  • Wenn als nächstes eine positive Spannung an die Kollektorelektrode 22 angelegt wird, eine Massespannung an die Emitterelektrode 24 angelegt wird und die Massespannung an die isolierten Grabengates 30 angelegt wird, wird die eingebaute Diode entgegengesetzt vorgespannt. Wie oben beschrieben, wird in der eingebauten Diode die Menge an Löchern, die aus dem oberen Körperbereich 15a injiziert werden, eingeschränkt, wenn diese Diode vorwärts vorgespannt ist. Deswegen ist der umgekehrte Erholungsstrom klein und deswegen ist die umgekehrte Erholungszeit kurz. Auf diese Weise kann der umgekehrt leitende IGBT 1 mit den Barrierenbereichen 18 den Schaltverlust niedrig halten, ohne eine Lebensdauersteuerung auf dem Driftbereich 14 durchzuführen.
  • (Modifizierte Beispiele)
  • 4 zeigt einen umgekehrt leitenden IGBT 2 eines modifizierten Beispiels. Eine Halbleiterschicht 10 des umgekehrt leitenden IGBTs 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass er Bereiche 42 hoher Konzentration des p-Typs enthält. Jeder Bereich 42 der hohen Konzentration ist in der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht 10 angeordnet. Der Bereich 42 hoher Konzentration ist in dem Körperbereich 15 angeordnet, ist unter dem zweiten Barrierenteilbereich 18b angeordnet, und ist in Kontakt mit der Seitenoberfläche der isolierten Grabengates 30. Der Bereich 42 hoher Konzentration wird durch Einführen von Bor in einen Teil der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht 10 von der vorderen Oberfläche 10B der Halbleiterschicht 10 unter Verwendung der Ionenimplantationstechnik gebildet. Eine Verunreinigungskonzentration des Bereichs 42 hoher Konzentration ist höher als die des Körperbereichs 15.
  • Jeder Bereich 42 hoher Konzentration ist an einem Abschnitt angeordnet, bei dem ein Kanal des parasitären NMOS gebildet wird. Deswegen wird ein Schwellwert des parasitären NOMS hoch, wenn der Bereich 42 hoher Konzentration bereitgestellt wird. Wie in 5 gezeigt ist in dem umgekehrt leitenden IGBT 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel eine Gatespannung Vg beim Einschalten bei dem ersten Schritt höher, weil ein Schwellwert des parasitären NMOS hoch ist. Deswegen zeigt die Ic-Vg Charakteristik (durchgezogene Linie) des umgekehrt leitenden IGBTs 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel nicht das intensivere Auftreten des Zweistufen-Einschaltphänomens beim Vergleich mit der Ic-Vg Charakteristik (gestrichelte Linie) des herkömmlichen umgekehrt leitenden IGBTs, die in 6 gezeigt ist. Das Zweistufen-Einschaltphänomen ist unterdrückt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2014-252013 [0001]
    • JP 2013-48230 A [0005, 0005]

Claims (2)

  1. Umgekehrt leitender bipolarer Transistor (1, 2) und isoliertem Gate mit: einer Halbleiterschicht (10); einer Emitterelektrode (24), die eine der Hauptflächen (10B) der Halbleiterschicht (10) bedeckt; und einem isolierten Grabengate (30), das sich von der einen der Hauptoberflächen (10B) der Halbleiterschicht (10) in die Halbleiterschicht (10) erstreckt, wobei die Halbleiterschicht (10) aufweist: einen Driftbereich (14) eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der Driftbereich (14) in Kontakt mit dem isolierten Grabengate (30) ist; einen Körperbereich (15) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei der Körperbereich (15) oberhalb des Driftbereichs (14) angeordnet ist, und in Kontakt mit dem isolierten Grabengate (30) ist; und einen Barrierenbereich (18) des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der Barrierenbereich (18) in dem Körperbereich (15) angeordnet ist, und elektrisch mit der Emitterelektrode (24) über ein Säulenbauteil (19) verbunden ist, das sich von der einen der Hauptoberflächen (10B) der Halbleiterschicht (10) erstreckt, wobei der Barrierenbereich (18) enthält: einen ersten Barrierenteilbereich (18a), bei dem ein Abstand zwischen dem ersten Barrierenteilbereich (18a) und dem Driftbereich (14) ein erster Abstand ist; einen zweiten Barrierenteilbereich (18b), wobei ein Abstand zwischen dem zweiten Barrierenteilbereich (18b) und dem Driftbereich (14) ein zweiter Abstand ist, der größer als der erste Abstand ist, und der zweite Barrierenteilbereich (18b) in Kontakt mit einer Seitenoberfläche des isolierten Grabengates (30) ist.
  2. Umgekehrt leitender bipolarer Transistor (2) mit isoliertem Gate nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterschicht (10) ferner einen Bereich (42) hoher Konzentration des zweiten Leitfähigkeitstyps enthält, wobei der Bereich (42) hoher Konzentration in dem Körperbereich (15) angeordnet ist und unter dem zweiten Barrierenteilbereich (18b) lokalisiert ist, und eine Verunreinigungskonzentration des Bereichs (42) hoher Konzentration höher als eine Verunreinigungskonzentration des Körperbereichs (15) ist.
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