DE102022128620A1 - Halbleitervorrichtung und Leistungsumwandlungsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Bereitgestellt wird eine Halbleitervorrichtung, die Strom in beide Richtungen leitet und eine genaue Detektion eines durch die Halbleitervorrichtung fließenden Stroms ermöglicht. Die Halbleitervorrichtung weist einen Transistor und eine Diode auf, die beide in einem gemeinsamen Halbleiter-Grundkörper ausgebildet sind. Die Halbleitervorrichtung umfasst: eine erste Hauptoberfläche; eine zweite Hauptoberfläche; eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; eine dritte Elektrode zur Stromerfassung; und eine vierte Elektrode zur Stromerfassung. Der Halbleiter-Grundkörper umfasst: einen Transistorbereich, in dem der Transistor ausgebildet ist; einen Diodenbereich, in dem die Diode ausgebildet ist; und einen Trennbereich, der zwischen dem Transistorbereich und dem Diodenbereich ausgebildet ist. Die dritte Elektrode ist auf der ersten Hauptoberfläche im Transistorbereich in einem Abstand von der ersten Elektrode angeordnet. Die vierte Elektrode ist auf der ersten Hauptoberfläche im Diodenbereich in einem Abstand von der ersten Elektrode angeordnet.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung und eine Leistungsumwandlungsvorrichtung.
  • Beschreibung der Hintergrundtechnik
  • Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2009-99690 offenbart einen rückwärts leitenden Bipolartransistor mit isoliertem Gate (RC-IGBT), eine Halbleitervorrichtung, die Strom in beide Richtungen leiten kann.
  • Bei einem herkömmlichen RC-IGBT ist es schwierig, den Strom genau zu detektieren, da sich je nach Vorhandensein oder Fehlen eines Gate-Signals die Durchlassstrom-Durchlassspannungs-Charakteristiken des Elements einer Freilaufdiode (FWD) ändern, wohingegen sich die Durchlassstrom-Durchlassspannungs-Charakteristiken eines FWD-Erfassungs- bzw. Messelements je nach Vorhandensein oder Fehlen eines Gate-Signals nicht sehr ändern.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Offenbarung hat das Ziel, eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, die Strom in beide Richtungen leitet und die eine genaue Detektion eines durch die Halbleitervorrichtung fließenden Stroms ermöglicht.
  • Eine Halbleitervorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist einen Transistor und eine Diode auf, die beide in einem gemeinsamen Halbleiter-Grundkörper ausgebildet sind. Die Halbleitervorrichtung umfasst: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; eine dritte Elektrode zur Stromerfassung; eine vierte Elektrode zur Stromerfassung; und zumindest eine erste Gate-Elektrode. Der Halbleiter-Grundkörper umfasst: eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche als eine Hauptoberfläche bzw. die andere Hauptoberfläche; einen Transistorbereich, in dem der Transistor ausgebildet ist; einen Diodenbereich, in dem die Diode ausgebildet ist; und einen Trennbereich, der zwischen dem Transistorbereich und dem Diodenbereich ausgebildet ist. Der Transistorbereich umfasst: eine erste Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine achte Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, die auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist und eine Konzentration einer Störstelle des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, die höher als jene der ersten Halbleiterschicht ist; eine zweite Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche der achten Halbleiterschicht angeordnet ist; eine dritte Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der Seite der ersten Hauptoberfläche der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist; und zumindest eine vierte Halbleiterschicht, die auf der Seite der ersten Hauptoberfläche der dritten Halbleiterschicht selektiv angeordnet ist. Der Diodenbereich umfasst: die erste Halbleiterschicht; die achte Halbleiterschicht, die auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist; eine fünfte Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, die eine Konzentration einer Störstelle des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, die höher als jene der ersten Halbleiterschicht ist, und auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche der achten Halbleiterschicht angeordnet ist; und eine sechste Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyp, die auf der Seite der ersten Hauptoberfläche der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist. Die erste Elektrode ist auf der ersten Hauptoberfläche im Transistorbereich und im Diodenbereich angeordnet. Die zweite Elektrode ist auf der zweiten Hauptoberfläche im Transistorbereich und im Diodenbereich angeordnet. Die dritte Elektrode ist auf der ersten Hauptoberfläche im Transistorbereich des Halbleiter-Grundkörpers in einem Abstand von der ersten Elektrode angeordnet. Die vierte Elektrode ist auf der ersten Hauptoberfläche im Diodenbereich des Halbleiter-Grundkörpers in einem Abstand von der ersten Elektrode angeordnet. Die dritte Halbleiterschicht und die zumindest eine vierte Halbleiterschicht sind mit der ersten Elektrode an der ersten Hauptoberfläche im Transistorbereich elektrisch verbunden. Die dritte Halbleiterschicht und die zumindest eine vierte Halbleiterschicht sind mit der dritten Elektrode an der ersten Hauptoberfläche im Transistorbereich elektrisch verbunden. Die zweite Halbleiterschicht ist mit der zweiten Elektrode an der zweiten Hauptoberfläche im Transistorbereich elektrisch verbunden. Die zumindest eine erste Gate-Elektrode liegt der ersten Halbleiterschicht, der dritten Halbleiterschicht und der zumindest einen vierten Halbleiterschicht über zumindest einen ersten Isolierfilm im Transistorbereich gegenüber. Die sechste Halbleiterschicht ist mit der ersten Elektrode an der ersten Hauptoberfläche im Diodenbereich elektrisch verbunden. Die sechste Halbleiterschicht ist mit der vierten Elektrode an der ersten Hauptoberfläche im Diodenbereich verbunden. Die fünfte Halbleiterschicht ist mit der zweiten Elektrode an der zweiten Hauptoberfläche im Diodenbereich verbunden.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, die Strom in beide Richtungen leitet und die eine genaue Detektion des durch die Halbleitervorrichtung fließenden Stroms ermöglicht.
  • Diese und andere Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ersichtlicher werden, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen vorgenommen wird.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Draufsicht, die eine schematische Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
    • 2 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform.
    • 3 ist eine Darstellung, die eine Rückkopplungsschaltung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
    • 4 ist eine Darstellung, die eine Rückkopplungsschaltung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
    • 5 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform.
    • 6 ist eine Draufsicht, die eine schematische Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
    • 7 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform.
    • 8 ist eine Darstellung, die Betriebsmodi einer Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
    • 9 ist eine Draufsicht, die eine schematische Konfiguration einer Modifikation einer Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
    • 10 ist eine Querschnittsansicht einer Modifikation einer Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform.
    • 11 und 12 sind Draufsichten, die schematisch eine erste Hauptoberfläche eines Halbleiter-Grundkörpers einer Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform zeigen.
    • 13 ist eine Querschnittsansicht, die die Umgebung einer ersten Hauptoberfläche eines Halbleiter-Grundkörpers einer Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
    • 14 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Leistungsumwandlungssystems zeigt, für das eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform verwendet wird.
    • 15 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUFSÜHRUNGSFORMEN
  • In der folgenden Beschreibung bezeichnen n- und p-Typen Leitfähigkeitstypen von Halbleitern. Ein erster Leitfähigkeitstyp und ein zweiter Leitfähigkeitstyp werden in der vorliegenden Offenbarung als der n-Typ bzw. der p-Typ angenommen, können aber als der p-Typ bzw. der n-Typ angenommen werden. Auch gibt ein n--Typ an, dass dessen Störstellenkonzentration niedriger als jene des n-Typs ist, und ein n+-Typ gibt an, dass dessen Störstellenkonzentration höher als jene des n-Typs ist. Ähnlich gibt ein p--Typ an, dass dessen Störstellenkonzentration niedriger als jene des p-Typs ist, und ein p+-Typ gibt an, dass dessen Störstellenkonzentration höher als jene des p-Typs ist.
  • <A. Erste Ausführungsform>
  • <A-1. Konfiguration>
  • 1 ist eine Draufsicht, die eine schematische Konfiguration einer Halbleitervorrichtung 1a gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie I-I in 1 in der Halbleitervorrichtung 1a.
  • Die Halbleitervorrichtung 1a ist eine Halbleitervorrichtung, die als RC-IGBT arbeitet.
  • Die Halbleitervorrichtung 1a wird beispielsweise als in einem Inverter-Modul für eine Motorsteuerung verwendetes Leistungsschaltelement genutzt.
  • Die Halbleitervorrichtung 1a umfasst: einen Halbleiter-Grundkörper 100; eine Elektrode 19; eine Elektrode 20; eine Elektrode 22; eine Elektrode 23; und einen Isolierfilm 21.
  • Die Elektrode 19, die Elektrode 20, die Elektrode 22 und die Elektrode 23 werden beispielsweise unter Verwendung eines Materials auf Aluminium-Basis gebildet.
  • Wie in 1 gezeigt ist, umfasst der Halbleiter-Grundkörper 100: einen IGBT-Bereich 41, in dem ein IGBT ausgebildet ist; einen Diodenbereich 42, in dem eine Diode ausgebildet ist; einen Trennbereich 40, der zwischen dem IGBT-Bereich 41 und dem Diodenbereich 42 ausgebildet ist; einen Pad-Bereich 3; und einen Abschlussbereich 2.
  • Wie in 2 gezeigt ist, weist der Halbleiter-Grundkörper 100 eine erste Hauptoberfläche 100a und eine zweite Hauptoberfläche 100b als eine Hauptoberfläche und die andere Hauptoberfläche auf.
  • Die Dicke des Halbleiter-Grundkörpers 100, nämlich der Abstand zwischen der ersten Hauptoberfläche 100a und der zweiten Hauptoberfläche 100b, beträgt zum Beispiel etwa 120 µm.
  • Der IGBT-Bereich 41 und der Diodenbereich 42 sind durch den Trennbereich 40 voneinander getrennt.
  • Der IGBT-Bereich 41 umfasst einen IGBT-Hauptbereich 31 und einen IGBT-Erfassungs- bzw. Messbereich 51.
  • Der Diodenbereich 42 umfasst einen Dioden-Hauptbereich 32 und einen Dioden-Erfassungs- bzw. Messbereich 52.
  • Ein Gate-Pad 3a ist auf der ersten Hauptoberfläche 100a des Halbleiter-Grundkörpers 100 im Pad-Bereich 3 angeordnet. Das Gate-Pad 3a wird beispielsweise unter Verwendung eines Materials auf Aluminium-Basis ausgebildet. Das Gate-Pad 3a ist von der Elektrode 19 und der Elektrode 22 elektrisch getrennt. Das Gate-Pad 3a ist mit einer unten beschriebenen Gate-Elektrode 12 elektrisch verbunden. Der im IGBT-Bereich 41 ausgebildete IGBT kann gesteuert werden, indem ein Ansteuerungssignal von außerhalb in das Gate-Pad eingespeist wird.
  • Der Abschlussbereich 2 ist ein Bereich, der im Teilbereich des Außenumfangs des Halbleiter-Grundkörpers 100 angeordnet ist. Der Abschlussbereich 2 ist so angeordnet, dass der Abschlussbereich 2 den kombinierten Bereich des IGBT-Bereichs 41, des Diodenbereichs 42 und des Trennbereichs 40 und den Gate-Pad-Bereich 3 umgibt. Im Abschlussbereich 2 ist eine Abschlussstruktur in der Oberflächenschicht auf der Seite der ersten Hauptoberfläche 100a, des Halbleiter-Grundkörpers 100 ausgebildet, um eine Konzentration elektrischer Felder zu unterdrücken.
  • Die Halbleitervorrichtung 1a wird hergestellt, indem beispielsweise ein einkristallines Bulk-Siliziumsubstrat vom n-Typ mit einer Störstellenkonzentration von etwa 1×1014 cm-3, verwendet wird. Das einkristalline Bulk-Siliziumsubstrat ist beispielsweise ein durch das Floating-Zone-(FZ-)Verfahren hergestelltes Substrat. Das einkristalline Bulk-Siliziumsubstrat entspricht dem Halbleiter-Grundkörper 100.
  • <A-1-1. Struktur des IGBT-Bereichs>
  • Der IGBT-Bereich 41 umfasst den IGBT-Hauptbereich 31 und den IGBT-Messbereich 51. Der IGBT-Hauptbereich 31 und der IGBT-Messbereich 51 sind einander benachbart. Der IGBT-Messbereich 51 ist beispielsweise in Draufsicht vom IGBT-Hauptbereich 31 umgeben.
  • Der IGBT-Hauptbereich 31 und der IGBT-Messbereich 51 teilen sich die Elektrode 20. Auf der anderen Seite sind die Elektrode 19, die auf der ersten Hauptoberfläche 100a des IGBT-Hauptbereichs 31 angeordnet ist, und die Elektrode 22, die auf der ersten Hauptoberfläche 100a des IGBT-Messbereichs 51 angeordnet ist, voneinander getrennt.
  • Die Fläche des IGBT-Messbereichs 51 in Draufsicht ist kleiner als die Fläche des IGBT-Hauptbereichs 31 in Draufsicht. In Draufsicht ist die Fläche des IGBT-Messbereichs 51 beispielsweise größer als das oder gleich dem 1/3000-Fachen und kleiner als das oder gleich dem 1/300-Fachen der Fläche des IGBT-Hauptbereichs 31. In Draufsicht ist die Fläche des IGBT-Messbereichs 51 beispielsweise etwa das 1/1000-Fache der Fläche des IGBT-Hauptbereichs 31.
  • Der IGBT-Hauptbereich 31 und der IGBT-Messbereich 51 weisen mit Ausnahme des Unterschieds in der Größe in Draufsicht ähnliche Strukturen auf. Die Strukturen des IGBT-Hauptbereichs 31 und des IGBT-Messbereichs 51 werden unten als die Struktur des IGBT-Bereichs 41 beschrieben.
  • Im IGBT-Bereich 41 umfasst der Halbleiter-Grundkörper 100: eine Driftschicht 10 vom n--Typ; eine Pufferschicht 16 vom n-Typ; eine Kollektorschicht 14 vom p+-Typ; eine Basisschicht 11 vom p-Typ; und Emitterschichten 13 vom n+-Typ.
  • Die Basisschicht 11 ist auf der Seite der ersten Hauptoberfläche 100a der Driftschicht 10 angeordnet.
  • Die Emitterschichten 13 sind auf der Seite der ersten Hauptoberfläche 100a der Basisschicht 11 selektiv angeordnet.
  • Gräben 17, die sich von der ersten Hauptoberfläche 100a durch die Emitterschichten 13 und die Basisschicht 11 zur Driftschicht 10 erstrecken, sind im Halbleiter-Grundkörper 100 angeordnet. In jedem der Gräben 17 ist eine Gate-Elektrode 12 über einen auf der seitlichen Oberfläche und der Bodenfläche des Grabens 17 angeordneten Gate-Isolierfilm 18 angeordnet. Die Gate-Elektroden 12 werden beispielsweise unter Verwendung von Polysilizium mit einer Störstellenkonzentration von etwa 1×1020 cm-3 ausgebildet. Die Gräben 17 sind beispielsweise so angeordnet, dass sie sich in einer der Richtungen in der Ebene erstrecken.
  • Die Gate-Elektroden 12 liegen über die Gate-Isolierfilme 18 den Emitterschichten 13, der Basisschicht 11 und der Driftschicht 10 gegenüber.
  • Im IGBT-Bereich 41 umfasst die Basisschicht 11 Basisschichten 11a und Basisschicht 11b.
  • Eine Basisschicht 11a ist ein Bereich mit einer Mesa-Form der Vielzahl von Bereichen mit einer Mesa-Form, die gebildet werden, indem die Basisschicht 11 durch die Gräben 17 unterteilt wird, und ist ein Bereich mit einer Mesa-Form, in dem die Emitterschichten 13 in deren Oberflächenschicht auf der Seite der ersten Hauptoberfläche 100a selektiv ausgebildet sind. Eine Basisschicht 11 b ist ein Bereich mit einer Mesa-Form der Vielzahl von Bereichen mit einer Mesa-Form, der gebildet wird, indem die Basisschicht 11 durch die Gräben 17 unterteilt wird, und ist ein Bereich mit einer Mesa-Form, in dem die Emitterschichten 13 in deren Oberflächenschicht auf der Seite der ersten Hauptoberfläche 100a nicht ausgebildet sind. Die Basisschichten 11a und die Basisschichten 11b sind entlang der die Erstreckungsrichtung der Gräben 17 schneidenden Richtung beispielsweise abwechselnd platziert.
  • In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Dicke der Emitterschichten 13 beispielsweise 0,5 µm und beträgt die Störstellenkonzentration der Emitterschichten 13 beispielsweise etwa 3×1019 cm-3.
  • Im IGBT-Hauptbereich 31 ist die Elektrode 19 auf der ersten Hauptoberfläche 100a angeordnet.
  • Im IGBT-Messbereich 51 ist die Elektrode 22 auf der ersten Hauptoberfläche 100a angeordnet.
  • In dem IGBT-Hauptbereich 31 und dem IGBT-Messbereich 51 ist die Elektrode 20 auf der zweiten Hauptoberfläche 100b angeordnet.
  • Die Emitterschichten 13 und die Basisschichten 11a sind mit der Elektrode 19 an der ersten Hauptoberfläche 100a elektrisch verbunden. Die Elektrode 19 arbeitet als Emitter-Elektrode des im IGBT-Bereich 41 ausgebildeten IGBT-Elements.
  • Die Bereiche der Basisschichten 11a, die den Gate-Elektroden 12 gegenüberliegen, arbeiten als Kanalbereiche des im IGBT-Bereich 41 ausgebildeten IGBT-Elements.
  • Der Großteil der Oberfläche auf der Seite der ersten Hauptoberfläche 100a der Basisschichten 11b ist vom Isolierfilm 21 bedeckt. Nur ein Teil der Oberfläche auf der Seite der ersten Hauptoberfläche 100a der Basisschichten 11b, der nicht vom Isolierfilm 21 bedeckt ist, ist mit der Elektrode 19 verbunden. Die Fläche des Teils, in dem die Basisschichten 11b und die Elektrode 19 verbunden sind, ist klein, und der elektrische Widerstand des Pfads, der durch den Teil verläuft, wo die Basisschichten 11b und die Elektrode 19 verbunden sind, ist hoch. Der Bereich, in dem die Basisschichten 11b und die Elektrode 19 verbunden sind, ist in den Figuren nicht dargestellt.
  • Die Pufferschicht 16 ist auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche 100b der Driftschicht 10 angeordnet.
  • Die Pufferschicht 16 dient dazu, die Ausdehnung der Verarmungsschicht zu unterdrücken, die sich vom pn-Übergang der Grenze zwischen der Driftschicht 10 und der Basisschicht 11 aus ausdehnt.
  • Die Kollektorschicht 14 ist auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche 100b der Pufferschicht 16 angeordnet. Die Dicke der Kollektorschicht 14 beträgt beispielsweise etwa 0,5 µm, und die Störstellenkonzentration der Kollektorschicht 14 beträgt zum Beispiel etwa 1×1018 cm-3.
  • Im IGBT-Hauptbereich 31 sind die Basisschichten 11a und die Emitterschichten 13 mit der Elektrode 19 an der ersten Hauptoberfläche 100a elektrisch verbunden.
  • Im IGBT-Messbereich 51 sind die Basisschichten 11a und die Emitterschichten 13 mit der Elektrode 22 an der ersten Hauptoberfläche 100a elektrisch verbunden.
  • In dem IGBT-Hauptbereich 31 und dem IGBT-Messbereich 51 ist die Kollektorschicht 14 mit der Elektrode 20 an der zweiten Hauptoberfläche 100b elektrisch verbunden.
  • <A-1-2. Diodenbereich>
  • Der Diodenbereich 42 umfasst den Dioden-Hauptbereich 32 und den Dioden-Messbereich 52. Der Dioden-Hauptbereich 32 und der Dioden-Messbereich 52 sind einander benachbart. Der Dioden-Messbereich 52 ist in Draufsicht beispielsweise vom Dioden-Hauptbereich 32 umgeben.
  • Der Dioden-Hauptbereich 32 und der Dioden-Messbereich 52 teilen sich die Elektrode 20. Auf der anderen Seite sind die Elektrode 19, die auf der ersten Hauptoberfläche 100a des Dioden-Hauptbereichs 32 angeordnet ist, und die Elektrode 23, die auf der ersten Hauptoberfläche 100a des Dioden-Messbereichs 52 angeordnet ist, voneinander getrennt.
  • Die Fläche des Dioden-Messbereichs 52 in Draufsicht ist kleiner als die Fläche des Dioden-Hauptbereichs 32 in Draufsicht. In Draufsicht ist die Fläche des Dioden-Messbereichs 52 beispielsweise größer als das oder gleich dem 1/3000-Fachen oder kleiner als das oder gleich dem 1/300-Fachen der Fläche des Dioden-Hauptbereichs 32. In Draufsicht ist die Fläche des Dioden-Messbereichs 52 beispielsweise etwa das 1/1000-Fache der Fläche des Dioden-Hauptbereichs 32.
  • Der Dioden-Hauptbereich 32 und der Dioden-Messbereich 52 weisen mit Ausnahme des Unterschieds in der Größe in Draufsicht ähnliche Strukturen auf. Die Strukturen des Dioden-Hauptbereichs 32 und des Dioden-Messbereichs 52 werden unten als die Struktur des Diodenbereichs 42 beschrieben.
  • Im Diodenbereich 42 umfasst der Halbleiter-Grundkörper 100: die Driftschicht 10 vom n--Typ; die Pufferschicht 16 vom n-Typ; eine Kathodenschicht 15 vom n+-Typ; und die Basisschicht 11 vom p-Typ.
  • Die Basisschicht 11 umfasst die Anodenschichten 11c im Diodenbereich 42. Die Anodenschichten 11c haben eine ähnliche Struktur wie jene der Basisschichten 11b im IGBT-Bereich 41.
  • Die Driftschicht 10 im Diodenbereich 42, die Driftschicht 10 im IGBT-Bereich 41 und die Driftschicht 10 im Trennbereich 40 sind verbunden und einteilig bzw. integral ausgebildet.
  • Im Diodenbereich 42 ist die Pufferschicht 16 auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche 100b der Driftschicht 10 angeordnet.
  • Im Diodenbereich 42 ist die Kathodenschicht 15 auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche 100b der Pufferschicht 16 angeordnet. Die Dicke der Kathodenschicht 15 beträgt beispielsweise etwa 0,5 µm. Die Störstellenkonzentration der Kathodenschicht 15 beträgt beispielsweise etwa 1×1018 cm-3. Die Pufferschicht 16 und die Kathodenschicht 15 können wie in 15 dargestellt integral ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann eine integrale Halbleiterschicht vom n-Typ oder n+-Typ in dem Bereich angeordnet sein, in dem die Pufferschicht 16 und die Kathodenschicht 15 kombiniert sind. Die integrale Halbleiterschicht kann mittels eines einzigen lonenimplantationsprozesses gebildet werden. Die Störstellenkonzentration der integralen Halbleiterschicht beträgt beispielsweise etwa 1×1018 cm-3.
  • Im Dioden-Hauptbereich 32 ist die Elektrode 19 auf der ersten Hauptoberfläche 100a angeordnet.
  • Die Elektrode 19 ist dem IGBT-Hauptbereich 31 und dem Dioden-Hauptbereich 32 gemeinsam.
  • Im Dioden-Messbereich 52 ist die Elektrode 23 auf der ersten Hauptoberfläche 100a angeordnet.
  • In dem Dioden-Hauptbereich 32 und dem Dioden-Messbereich 52 ist die Elektrode 20 auf der zweiten Hauptoberfläche 100b angeordnet. Die Elektrode 20 ist dem Diodenbereich 42 und dem IGBT-Bereich 41 gemeinsam.
  • Im Dioden-Hauptbereich 32 sind die Anodenschichten 11c mit der Elektrode 19 an der ersten Hauptoberfläche 100a elektrisch verbunden. Die Elektrode 19 arbeitet als Anodenelektrode der im Diodenbereich 42 ausgebildeten Diode.
  • Im Dioden-Messbereich 52 sind die Anodenschichten 11c mit der Elektrode 23 an der ersten Hauptoberfläche 100a verbunden.
  • In dem Dioden-Hauptbereich 32 und dem Dioden-Messbereich 52 ist die Kathodenschicht 15 mit der Elektrode 20 an der zweiten Hauptoberfläche 100b elektrisch verbunden.
  • <A-1-3. Trennbereich>
  • Der Halbleiter-Grundkörper 100 enthält den zwischen dem IGBT-Bereich 41 und dem Diodenbereich 42 angeordneten Trennbereich 40. Der IGBT-Bereich 41 und der Diodenbereich 42 sind durch den Trennbereich 40 voneinander getrennt.
  • Eine Trennung des IGBT-Bereichs 41 und des Diodenbereichs 42 durch den Trennbereich 40 erhöht den elektrischen Widerstand zwischen dem IGBT-Bereich 41 und dem Diodenbereich 42. Dadurch werden eine funktionale Störung bzw. Interferenz zwischen dem IGBT und der Diode aufgrund der integralen Ausbildung des IGBT und der Diode unterdrückt.
  • Die Breite des Trennbereichs 40 ist zum Beispiel mehr als das oder gleich dem 3-Fachen der Dicke des Halbleiter-Grundkörpers 100. Die Breite des Trennbereichs 40 beträgt beispielsweise etwa das 5-Fache der Dicke des Halbleiter-Grundkörpers 100. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Dicke des Halbleiter-Grundkörpers 100 beispielsweise etwa 120 µm und beträgt die Breite des Trennbereichs 40 beispielsweise etwa 600 µm.
  • Aufgrund des Vorhandenseins des Trennbereichs 40 sind der IGBT-Bereich 41 und der Diodenbereich 42 durch beispielsweise das Dreifache der Dicke des Halbleiter-Grundkörpers 100 oder mehr getrennt. Aufgrund des Vorhandenseins des Trennbereichs 40 sind der IGBT-Bereich 41 und der Diodenbereich 42 durch beispielsweise etwa das Fünffache der Dicke des Halbleiter-Grundkörpers 100 getrennt. Aufgrund des Vorhandenseins des Trennbereichs 40 sind der IGBT-Bereich 41 und der Diodenbereich 42 beispielsweise um etwa 600 µm getrennt.
  • Im Trennbereich 40 umfasst der Halbleiter-Grundkörper 100: die Driftschicht 10 vom n--Typ; die Pufferschicht 16 vom n-Typ; die Kollektorschicht 14 vom p+-Typ; die Basisschicht 11b vom p-Typ; und die Kathodenschicht 15 vom n+-Typ.
  • Im Trennbereich 40 sind die Basisschichten 11b auf der Seite der ersten Hauptoberfläche 100a der Driftschicht 10 angeordnet. Die Basisschichten 11b im Trennbereich 40 haben eine ähnliche Struktur wie jene der Basisschichten 11b im IGBT-Bereich 41. Der Isolierfilm 21 ist zwischen der Basisschicht 11b und der Elektrode 19 im Trennbereich 40 angeordnet, und die die Basisschicht 11b und die Elektrode 19 sind beispielsweise im Trennbereich 40 nicht miteinander in Kontakt.
  • Im Trennbereich 40 ist die Pufferschicht 16 auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche 100b der Driftschicht 10 angeordnet.
  • Im Trennbereich 40 ist die Kollektorschicht 14 auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche 100b der Pufferschicht 16 selektiv angeordnet.
  • Im Trennbereich 40 ist die Kathodenschicht 15 auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche 100b der Pufferschicht 16 selektiv angeordnet.
  • Die im IGBT-Bereich 41 angeordnete Kollektorschicht 14 ragt in den Trennbereich 40 hinein. Die im Diodenbereich 42 angeordnete Kathodenschicht 15 ragt in den Trennbereich 40 hinein. Die Grenze zwischen der Kollektorschicht 14 und der Kathodenschicht 15 ist in der Draufsicht nämlich zumindest teilweise im Trennbereich 40 enthalten. Die Kathodenschicht 15 ist beispielsweise in dem Bereich angeordnet, der in Draufsicht den gesamten Diodenbereich 42 umfasst. Die Grenze zwischen der Kollektorschicht 14 und der Kathodenschicht 15 ist beispielsweise vollständig im Trennbereich 40 enthalten.
  • Falls die Grenze zwischen der Kollektorschicht 14 und der Kathodenschicht 15 in den Diodenbereich 42 hineinragt, wird die Größe der Kathodenschicht 15 kleiner und wird die Durchlassspannung der im Diodenbereich 42 ausgebildeten Diode höher. Falls die Grenze zwischen der Kollektorschicht 14 und der Kathodenschicht 15 in den IGBT-Bereich 41 hineinragt, wird eine Unterdrückung einer funktionalen Interferenz zwischen dem im IGBT-Bereich 41 ausgebildeten IGBT und der im Diodenbereich 42 ausgebildeten Diode unzureichend.
  • Die Grenze zwischen der Kollektorschicht 14 und der Kathodenschicht 15 befindet sich im Trennbereich 40, so dass der elektrische Widerstand zwischen der Kathodenschicht 15 und dem IGBT-Hauptbereich 31 erhöht wird, da ein Abstand zwischen der Kathodenschicht 15 und dem IGBT-Hauptbereich 31 sichergestellt wird, und die funktionale Interferenz zwischen dem IGBT-Bereich 41 und dem Diodenbereich 42 kann unterdrückt werden.
  • Falls der Trennbereich 40 nicht angeordnet ist, nähern sich, wenn eine EIN-Spannung an die Gate-Elektroden 12 angelegt wird und der Kanal im IGBT-Bereich 41 EIN wird, während ein Durchlassstrom der Diode, nämlich ein Strom von der Elektrode 19 zur Elektrode 20, im Diodenbereich 42 fließt, das elektrische Potential der Anodenschichten 11c und der Driftschicht 10 einander in einem Bereich des Diodenbereichs 42, der nahe dem IGBT-Bereich 41 liegt und der vom IGBT-Bereich 41 nicht durch den ausreichend großen elektrischen Widerstand funktional getrennt ist. Mit anderen Worten wird es durch die an die Gate-Elektroden 12 angelegte EIN-Spannung für einen Teil des Diodenbereichs 42 schwierig, in Durchlassrichtung zu arbeiten. Infolgedessen bestehen Probleme, dass eine Durchlassspannung Vf des Diodenbereichs 42 steigt und ein Durchlassverlust des Diodenbereichs 42 zunimmt. Da es für den Teil des Diodenbereichs 42 schwierig wird, in Durchlassrichtung zu arbeiten, variiert das Verhältnis des Stroms im Dioden-Hauptbereich 32 zum Strom im Dioden-Messbereich 52 je nachdem, ob die an die Gate-Elektroden 12 angelegte Gate-Spannung eine EIN-Spannung oder eine AUS-Spannung ist. Mit anderen Worten besteht das Problem, dass ein durch den Dioden-Hauptbereich 32 fließender Strom durch den Dioden-Messbereich 52 nicht genau detektiert werden kann. In der Halbleitervorrichtung 1a der vorliegenden Ausführungsform werden, da der Trennbereich 40 angeordnet ist, diese Probleme unterdrückt und kann der durch den Dioden-Hauptbereich 32 fließende Strom durch den Dioden-Messbereich 52 genau detektiert werden.
  • Da der Trennbereich 42 angeordnet ist, ist ein Strompfad von der Elektrode 19 im IGBT-Bereich 41 zur Elektrode 20 im Diodenbereich 42, nämlich ein Pfad von der Elektrode 19 durch die Basisschichten 11a, die Driftschicht 10, die Pufferschicht 16 und die Kathodenschicht 15 zur Elektrode 20, hochohmig und ist der Pfad kein effektiver Strompfad. Obgleich der elektrische Widerstand des Pfads in Abhängigkeit davon variiert, ob ein an die Gate-Elektroden 12 angelegtes Gate-Signal ein EIN-Signal oder ein AUS-Signal ist und ein Betrieb des Dioden-Hauptbereichs 32 durch die Variation des elektrischen Widerstands des Pfads beeinflusst wird, wird, da der Pfad hochohmig ist, der Effekt davon, ob das an die Gate-Elektroden 12 angelegte Gate-Signal ein EIN-Signal oder ein AUS-Signal ist, auf den Betrieb des Dioden-Hauptbereichs 32 unterdrückt. Da nur die Kollektorschicht 14 mit der Elektrode 20 in dem IGBT-Hauptbereich 31 in Kontakt ist und da es einen pn-Übergang zwischen der Driftschicht 10 und dem Kollektor 14 gibt, fließt ferner kaum Strom in der Richtung von der Elektrode 19 zur Elektrode 20 im IGBT-Hauptbereich 31. Infolgedessen werden der Effekt davon, ob das an die Gate-Elektroden 12 angelegte Gate-Signal ein EIN-Signal oder ein AUS-Signal ist, und der Effekt des Betriebs des IGBT-Hauptbereichs 31 auf den Betrieb des Dioden-Hauptbereichs 32 unterdrückt.
  • Wie oben beschrieben wurde, wird in der vorliegenden Ausführungsform, da der Trennbereich 40 angeordnet ist, der Effekt davon, ob das an die Gate-Elektroden 12 angelegte Gate-Signal ein EIN-Signal oder ein AUS-Signal ist, auf die Durchlassstrom-Durchlassspannungs-Charakteristik des Dioden-Hauptbereichs 32 unterdrückt und kann ein durch den Dioden-Hauptbereich 32 fließender Strom durch den Dioden-Messbereichs 52 genau detektiert werden. Eine ausreichend große Breite des Trennbereichs 40 gewährleistet ferner diese Effekte.
  • <A-2. Betrieb>
  • Die Halbleitervorrichtung 1a wird beispielsweise in ein Gehäuse eingebaut, nachdem die Elektrode 20 an den Metallfilm auf dem externen isolierten Substrat (in den Figuren nicht dargestellt) mit einem Lötmetall gebondet ist. Das Gehäuse ist ein Gehäuse, an dem beispielsweise ein Emitteranschluss 96, ein Emitter-Messanschluss 91, ein Kollektoranschluss 95, ein Gate-Anschluss 90, ein IGBT-Messanschluss 92, ein Dioden-Messanschluss 93 und der gleichen angebracht sind.
  • Danach werden die Elektrode 19 und der Emitteranschluss 96, die Elektrode 19 und der Emitter-Messanschluss 91, der Metallfilm, auf den die Elektrode 20 mit einem Lötmetall gebondet ist, und der Kollektoranschluss 95, das Gate-Pad 3a und der Gate-Anschluss 90, die Elektrode 22 und der IGBT-Messanschluss 92 und die Elektrode 23 und der Dioden-Messanschluss 93 durch das Bonden mit einem Aluminiumdraht oder dergleichen elektrisch verbunden. In 2 sind diese elektrischen Verbindungen schematisch gezeigt.
  • In der Halbleitervorrichtung 1a befinden sich sowohl die Elektrode 22 zur Stromerfassung als auch die Elektrode 23 zur Stromerfassung auf der Seite der ersten Hauptoberfläche 100a. Dementsprechend können das Bonden der Elektrode 22 und des IGBT-Messanschlusses 92 und das Bonden der Elektrode 23 und des Dioden-Messanschlusses 93 während des Drahtbonding-Prozesses zum Verbinden der Elektrode 19 und des Emitter-Messanschlusses 91 gleichzeitig vorgenommen werden und kann die Zunahme der Anzahl an Montageprozessen unterdrückt werden.
  • Danach wird das Packaging der Halbleitervorrichtung 1a durch die Bedeckung der Halbleitervorrichtung 1a und des Aluminiumdrahts durch das Harz wie etwa ein Silikongel und die Anbringung des Deckels am Gehäuse abgeschlossen.
  • Im Folgenden wird ein Betrieb einer Rückkopplungsschaltung 150, die die so ummantelte Halbleitervorrichtung 1a nutzt, beschrieben.
  • Wie in 3 gezeigt ist, umfasst die Rückkopplungsschaltung 150: die Halbleitervorrichtung 1a; eine UND-Schaltung 110; einen Messwiderstand 111; eine Rückkopplungseinheit 112; und einen Gate-Widerstand 113. In 3 ist die Halbleitervorrichtung 1a mittels einer einen IGBT und eine Diode enthaltenden Ersatzschaltung schematisch gezeigt. Eine Last und eine Stromversorgung (in den Figuren nicht dargestellt) sind mit dem Emitteranschluss 96 und dem Kollektoranschluss 95 verbunden.
  • Ein Gate-Signal mit Pulsweitenmodulation (PWM), das ein Ansteuerungssignal zum Ansteuern der Halbleitervorrichtung 1a ist, und eine Ausgabe der Rückkopplungseinheit 112 werden in die UND-Schaltung 110 eingespeist. Das PWM-Gate-Signal wird in einer PWM-Signale erzeugenden Schaltung oder dergleichen außerhalb der Rückkopplungsschaltung 150 erzeugt und in einen Eingangsanschluss der UND-Schaltung 110 eingespeist.
  • Die UND-Schaltung 110 ist eine Logikschaltung, die ein Hochpegel-Signal abgibt, falls und nur falls alle in die UND-Schaltung 110 eingespeisten Signale Hochpegel-Signale sind.
  • Wenn das von der Rückkopplungseinheit 112 in die UND-Schaltung 110 eingespeiste Signal ein Hochpegel-Signal ist, wird zugelassen, dass das PWM-Gate-Signal die UND-Schaltung 110 passiert, und die UND-Schaltung 110 gibt das PWM-Gate-Signal, das in die UND-Schaltung 110 eingespeist wird, ab.
  • Wenn das von der Rückkopplungseinheit 112 in die UND-Schaltung 110 eingespeiste Signal ein Niedrigpegel-Signal ist, wird nicht zugelassen, dass das PWM-Gate-Signal die UND-Schaltung 110 passiert. Mit anderen Worten gibt, wenn das von der Rückkopplungseinheit 112 in die UND-Schaltung 110 eingespeiste Signal ein Niedrigpegel-Signal ist, die UND-Schaltung 110 ungeachtet dessen, ob das PWM-Gate-Signal ein Hochpegel-Signal oder ein Niedrigpegel-Signal ist, ein Niedrigpegel-Signal ab.
  • Die UND-Schaltung 110 ist über den Gate-Widerstand 113 und den Gate-Anschluss 90 mit dem Gate-Pad 3a der Halbleitervorrichtung 1a elektrisch verbunden. Die an die Gate-Elektroden 12 angelegte Gate-Spannung wird durch das PWM-Gate-Signal gesteuert, das von der UND-Schaltung 110 über den Gate-Widerstand 113 und den Gate-Anschluss 90 an die Halbleitervorrichtung 1a angelegt wird.
  • Wenn das PWM-Gate-Signal ein Hochpegel-Signal ist und zugelassen wird, dass das PWM-Gate-Signal, das ein Hochpegel-Signal ist, die UND-Schaltung 110 passiert, wird an die Gate-Elektroden 12 eine EIN-Spannung angelegt.
  • Wenn das PWM-Gate-Signal ein Niedrigpegel-Signal ist, ist die Ausgabe der UND-Schaltung 110 ein Niedrigpegel-Signal und wird die AUS-Spannung an die Gate-Elektroden 12 angelegt.
  • Wenn nicht zugelassen wird, dass das PWM-Gate-Signal die UND-Schaltung 110 passiert, ist die Ausgabe der UND-Schaltung 110 ein Niedrigpegel-Signal und wird die AUS-Spannung an die Gate-Elektroden 12 angelegt.
  • Ein Ende des Messwiderstand 111 ist über den IGBT-Messanschluss 92 mit der Elektrode 22 verbunden und ist über den Dioden-Messanschluss 93 mit der Elektrode 23 verbunden. Das andere Ende des Messwiderstands 111 ist über den Emitter-Messanschluss 91 mit der Elektrode 19 verbunden. Dementsprechend fließen ein Strom mit einer Größe, die einem durch den IGBT-Hauptbereich 31 fließenden Hauptstrom entspricht, und ein Strom mit einer Größe, die einem durch den Dioden-Hauptbereich 32 fließenden Hauptstrom entspricht, durch den Messwiderstand 111.
  • Eine elektrische Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands 111 wird zur Rückkopplungseinheit 112 rückgekoppelt. In 3 ist eine Konfiguration gezeigt, in der der Messwiderstand 111 für die Detektion eines Stroms, der durch den IGBT-Hauptbereich 31 fließt, und für die Detektion eines Stroms, der durch den Dioden-Hauptbereich 32 fließt, gemeinsam genutzt wird. Für die Detektion eines Stroms, der durch den IGBT-Hauptbereich 31 fließt, und für die Detektion eines Stroms, der durch den Dioden-Hauptbereich 32 fließt, können verschiedene Widerstände verwendet werden. Mit der Konfiguration, in der der Messwiderstand 111 für sowohl die Detektion eines Stroms, der durch den IGBT-Hauptbereich 31 fließt, als auch die Detektion eines Stroms, der durch den Dioden-Hauptbereich 32 fließt, verwendet wird, werden die Herstellungskosten der Rückkopplungsschaltung 150 niedrig gehalten.
  • Die Rückkopplungseinheit 112 besteht aus einer Kombination von Schaltungen wie etwa Operationsverstärkern.
  • Die Rückkopplungseinheit 112 bestimmt, ob Strom durch den Dioden-Hauptbereich 32 fließt und ob ein Überstrom durch den IGBT-Hauptbereich fließt. Die Rückkopplungseinheit 112 lässt je nach der Bestimmung zu oder nicht zu, dass das in die UND-Schaltung 110 eingespeiste PWM-Gate-Signal die UND-Schaltung 110 passiert.
  • Die Rückkopplungseinheit 112 verfügt über eine Diodenstrom-Detektionsschwelle Vth1 zum Bestimmen, ob ein Strom durch den Dioden-Hauptbereich 32 fließt, und eine Überstrom-Detektionsschwelle Vth2 zum Bestimmen, ob ein Überstrom durch den IGBT-Hauptbereich 31 fließt. In der vorliegenden Ausführungsform sind Vth1 und Vth2 Spannungswerte.
  • Wenn Strom in der Richtung von der zweiten Hauptoberfläche 100b zur ersten Hauptoberfläche 100a im IGBT-Hauptbereich 31 fließt, fließt kaum Strom im Dioden-Hauptbereich 32. Wenn Strom in der Richtung von der zweiten Hauptoberfläche 100b zur ersten Hauptoberfläche 100a im IGBT-Hauptbereich 31 fließt, fließt entsprechend in dem IGBT-Messbereich 51 Strom in der Richtung von der zweiten Hauptoberfläche 100b zur ersten Hauptoberfläche 100a und fließt Strom durch den Messwiderstand 111 in der Richtung vom IGBT-Messanschluss 92 durch den Messwiderstand 111 zum Emitter-Messanschluss 91. Infolgedessen ist die elektrische Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands 111 positiv. Das Vorzeichen der elektrischen Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands 111 ist so definiert, dass Vs positiv ist, wenn das elektrische Potential in dem mit dem IGBT-Messanschluss 92 und dem Dioden-Messanschluss 93 verbundene Ende des Messwiderstands 111 höher ist als das elektrische Potential in dem mit dem Emitter-Messanschluss 91 verbundenen Ende des Messwiderstands 111. Wenn ein Überstrom durch den IGBT-Hauptbereich 31 fließt, ist die elektrische Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands 111 positiv und wird größer. Dementsprechend ist die Überstrom-Detektionsschwelle Vth2 positiv eingestellt bzw. festgelegt. Wenn die elektrische Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands 111 höher als die Überstrom-Detektionsschwelle Vth2 ist, bestimmt die Rückkopplungseinheit 112, dass ein Überstrom durch den IGBT-Hauptbereich 31 fließt. Wenn die elektrische Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands 111 niedriger als die Überstrom-Detektionsschwelle Vth2 ist, bestimmt die Rückkopplungseinheit 112, dass kein Überstrom durch den IGBT-Hauptbereich 31 fließt.
  • Wenn Strom in der Richtung von der ersten Hauptoberfläche 100a zur zweiten Hauptoberfläche 100b im Dioden-Hauptbereich 32 fließt, fließt kaum Strom im IGBT-Hauptbereich 31. Wenn Strom in der Richtung von der ersten Hauptoberfläche 100a zur zweiten Hauptoberfläche 100b im Dioden-Hauptbereich 32 fließt, fließt entsprechend Strom in der Richtung von der ersten Hauptoberfläche 100a zur zweiten Hauptoberfläche 100b im Dioden-Messbereich 52 und fließt Strom durch den Messwiderstand 111 in der Richtung vom Emitter-Messanschluss 91 durch den Messwiderstand 111 zum Dioden-Messanschluss 93. In diesem Fall ist die elektrische Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands 111 negativ. Dementsprechend wird die Diodenstrom-Detektionsschwelle Vth1 negativ eingestellt. Wenn die elektrische Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands 111 niedriger als die Diodenstrom-Detektionsschwelle Vth1 ist, bestimmt die Rückkopplungseinheit 112, dass durch den Dioden-Hauptbereich 32 Strom fließt. Wenn die elektrische Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands 111 höher als die Diodenstrom-Detektionsschwelle Vth1 ist, bestimmt die Rückkopplungseinheit 112, dass durch den Dioden-Hauptbereich 32 kein Strom fließt.
  • Wenn die elektrische Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands 111 höher als die Diodenstrom-Detektionsschwelle Vth1 und niedriger als die Überstrom-Detektionsschwelle Vth2 ist, gibt die Rückkopplungseinheit 112 ein Hochpegel-Signal an die UND-Schaltung 110 ab, so dass zugelassen wird, dass das in die UND-Schaltung 110 eingespeiste PWM-Gate-Signal die UND-Schaltung 110 passiert. Wenn die elektrische Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands 111 niedriger als die Diodenstrom-Detektionsschwelle Vth1 oder höher als die Überstrom-Detektionsschwelle Vth2 ist, gibt die Rückkopplungseinheit 112 ein Niedrigpegel-Signal an die UND-Schaltung 110 ab, so dass nicht zugelassen wird, dass das in die UND-Schaltung 110 eingespeiste PWM-Gate-Signal die UND-Schaltung 110 passiert.
  • Wenn ein normaler Strom, nämlich ein Strom, der kein Überstrom ist, in der Richtung von der zweiten Hauptoberfläche 100b zur ersten Hauptoberfläche 100a im IGBT-Hauptbereich 31 fließt, ist die elektrische Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands 111 höher als die Diodenstrom-Detektionsschwelle Vth1 und niedriger als die Überstrom-Detektionsschwelle Vth2. Somit gibt die Rückkopplungseinheit 112 ein Hochpegel-Signal an die UND-Schaltung 110 ab. Infolgedessen wird zugelassen, dass das PWM-Gate-Signal die UND-Schaltung 110 passiert, und fließt der Strom weiter in der Richtung von der zweiten Hauptoberfläche 100b zur ersten Hauptoberfläche 100a.
  • Wenn im IGBT-Hauptbereich 31 ein Überstrom in der Richtung von der zweiten Hauptoberfläche 100b zur ersten Hauptoberfläche 100a fließt, ist die elektrische Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands 111 höher als die Überstrom-Detektionsschwelle Vth2. Daher gibt die Rückkopplungseinheit 112 ein Niedrigpegel-Signal an die UND-Schaltung 110 ab. Infolgedessen wird nicht zugelassen, dass das PWM-Gate-Signal die UND-Schaltung 110 passiert, und wird an die Gate-Elektroden 12 die AUS-Spannung angelegt. Infolgedessen wird ein Durchbruch der Halbleitervorrichtung 1a aufgrund des im IGBT-Hauptbereich 31 fließenden Überstroms unterdrückt.
  • Wenn im Dioden-Hauptbereich 32 Strom in der Richtung von der ersten Hauptoberfläche 100a zur zweiten Hauptoberfläche 100b fließt, ist die elektrische Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands 111 negativ. Wenn die elektrische Potentialdifferenz Vs kleiner als die Diodenstrom-Detektionsschwelle Vth1 ist, gibt die Rückkopplungseinheit 112 ein Niedrigpegel-Signal an die UND-Schaltung 110 ab. Infolgedessen wird nicht zugelassen, dass das PWM-Gate-Signal die UND-Schaltung 110 passiert, und die AUS-Spannung wird an die Gate-Elektroden 12 angelegt. Infolgedessen wird das Problem unterdrückt, dass die Durchlassspannung Vf des Dioden-Hauptbereichs 32 zunimmt und der Durchlassverlust des Dioden-Hauptbereichs 32 aufgrund der an die Gate-Elektroden 12 angelegten EIN-Spannung zunimmt.
  • Die Rückkopplungsschaltung 150 kann eine in 4 gezeigte Rückkopplungsschaltung sein.
  • Die in 4 gezeigte Rückkopplungsschaltung 150 unterscheidet sich von der in 3 gezeigten Rückkopplungsschaltung 150 dadurch, dass die in 4 gezeigte Rückkopplungsschaltung 150 ferner eine Steuerungsschaltung 203 und eine Ansteuerungsschaltung 202 enthält. Die Rückkopplungseinheit 112 verfügt anstelle der Diodenstrom-Detektionsschwelle Vth1 über eine Überstrom-Detektionsschwelle Vth3 zum Bestimmen, ob ein Überstrom durch den Dioden-Hauptbereich 32 fließt. Wenn die elektrische Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands 111 niedriger ist als die Überstrom-Detektionsschwelle Vth3, bestimmt die Rückkopplungseinheit 112, dass durch den Dioden-Hauptbereich 32 Überstrom fließt, und überträgt die Bestimmung zur Steuerungsschaltung 203. Die Steuerungsschaltung 203 betätigt beispielsweise eine (in den Figuren nicht dargestellte) Schutzschaltung, um die Halbleitervorrichtung 1a vor dem Überstrom zu schützen.
  • <A-3. Zusammenfassung>
  • Wie oben beschrieben wurde, ist die Halbleitervorrichtung 1a eine Halbleitervorrichtung, in der ein IGBT und eine Diode im gemeinsamen Halbleiter-Grundkörper 100 ausgebildet sind. Die Halbleitervorrichtung 1a umfasst: die Elektrode 19, die Elektrode 20, die Elektrode 22 zur Stromerfassung; die Elektrode 23 zur Stromerfassung; und die Gate-Elektroden 12.
  • Der Halbleiter-Grundkörper 100 umfasst: den IGBT-Bereich 41, in dem der IGBT ausgebildet ist; den Diodenbereich 42, in dem die Diode ausgebildet ist; und den Trennbereich 40, der zwischen dem IGBT-Bereich 41 und dem Diodenbereich 42 angeordnet ist.
  • Die Elektrode 19 ist auf der ersten Hauptoberfläche 100a im IGBT-Bereich 41 und auf der ersten Hauptoberfläche 100a im Diodenbereich 42 angeordnet.
  • Die Elektrode 20 ist auf der zweiten Hauptoberfläche 100b im IGBT-Bereich 41 und auf der zweiten Hauptoberfläche 100b im Diodenbereich 42 angeordnet.
  • Die Elektrode 22 ist auf der ersten Hauptoberfläche 100a im IGBT-Messbereich 51 des IGBT-Bereichs 41 des Halbleiter-Grundkörpers 100 in einem Abstand von der Elektrode 19 angeordnet.
  • Die Elektrode 23 ist auf der ersten Hauptoberfläche 100a im Dioden-Messbereich 52 des Diodenbereichs 42 des Halbleiter-Grundkörpers 100 in einem Abstand von der Elektrode 19 angeordnet.
  • In dem IGBT-Hauptbereich 31 des IGBT-Bereichs 41 sind die Basisschichten 11a und die Emitterschichten 13 mit der Elektrode 19 an der ersten Hauptoberfläche 100a elektrisch verbunden.
  • In dem IGBT-Messbereich 51 des IGBT-Bereichs 41 sind die Basisschichten 11a und die Emitterschichten 13 mit der Elektrode 22 an der ersten Hauptoberfläche 100a elektrisch verbunden.
  • Im IGBT-Bereich 41 ist die Kollektorschicht 4 mit der Elektrode 20 an der zweiten Hauptoberfläche 100b elektrisch verbunden.
  • Im IGBT-Bereich 41 liegen die Gate-Elektroden 12 der Driftschicht 10, den Basisschichten 11a und den Emitterschichten 13 über den Gate-Isolierfilm 18 gegenüber.
  • Im Dioden-Hauptbereich 32 des Diodenbereichs 42 sind die Anodenschichten 11c mit der Elektrode 19 an der ersten Hauptoberfläche 100a elektrisch verbunden.
  • Im Dioden-Messbereich 52 des Diodenbereichs 42 sind die Anodenschichten 11c mit der Elektrode 23 an der ersten Hauptoberfläche 100a elektrisch verbunden.
  • Im Diodenbereich 42 ist die Kathodenschicht 15 mit der Elektrode 20 an der zweiten Hauptoberfläche 100b elektrisch verbunden.
  • In der Halbleitervorrichtung 1a sind der IGBT-Bereich 41 und der Diodenbereich 42 durch den Trennbereich 40 voneinander getrennt. Der Effekt des über den Gate-Anschluss 90 in die Gate-Elektroden 12 eingespeisten PWM-Gate-Signals auf die Durchlassstrom-Durchlassspannungs-Charakteristiken des Diodenbereichs 42 ist gering. Selbst wenn die EIN-Spannung an die Gate-Elektroden 12 angelegt wird, wird, wenn der Dioden-Messbereich 52 in Durchlassrichtung arbeitet, die Tendenz, dass das elektrische Potential der Anodenschichten 11c und der Driftschicht 10 einander näher kommen, aufgrund des Trennbereichs 40 unterdrückt. Infolgedessen wird das Problem, dass es für den Dioden-Messbereich 52 schwierig wird, in Durchlassrichtung zu arbeiten, unterdrückt. Ähnliches gilt für den Dioden-Hauptbereich 32. Mit anderen Worten ist das Verhältnis des durch den Dioden-Messbereich 52 fließenden Stroms zum durch den Dioden-Hauptbereich 32 fließenden Strom weniger empfindlich in Bezug auf das in die Gate-Elektroden 12 eingespeiste Gate-Signal. Infolgedessen kann ein durch den Dioden-Hauptbereich 32 fließender Überstrom durch den Dioden-Messbereich 52 genau detektiert werden. Beispielsweise kann durch die genaue Detektion des durch den Dioden-Hauptbereich 32 fließenden Überstroms ein Durchbruch durch den Überstrom genau gesteuert werden. Infolgedessen kann die Fähigkeit zur Stromleitung des Dioden-Hauptbereichs 32 voll genutzt werden.
  • In der Richtung senkrecht zur Dickenrichtung des Halbleiter-Grundkörpers 100 sind der IGBT-Bereich 41 und der Diodenbereich 42 in einem ausreichenden Abstand voneinander ausgebildet. Dies kann das Problem unterdrücken, dass Träger bzw. Ladungsträger, die in der Driftschicht 10 während des Betriebs des IGBT-Bereichs 41 akkumuliert werden, nämlich von der Kollektorschicht 14 in die Driftschicht 10 injizierte Löcher, zumindest teilweise durch den Trennbereich 40 gelangen, die Anodenschichten 11c des Diodenbereichs 42 erreichen und die Durchlassstrom-Durchlassspannungs-Charakteristiken des Diodenbereichs 42 beeinflussen. Mit anderen Worten entspricht ein durch den Dioden-Messbereich 52 detektierter Strom genau dem im Dioden-Hauptbereich 32 fließenden Strom.
  • <A-4. Sonstiges>
  • Selbst wenn das Verhältnis der Größe des IGBT-Messbereichs 51 zur Größe des IGBT-Hauptbereichs 31 und das Verhältnis der Größe des Dioden-Messbereichs 52 zur Größe des Dioden-Hauptbereichs 32 gleich sind, sind ein Stromwert, der durch den IGBT-Messbereich 51 während des IGBT-Betriebs detektiert wird, und ein Stromwert, der durch den Dioden-Messbereich 52 während des Dioden-Betriebs detektiert wird, nicht notwendigerweise von gleicher Größe. Dies liegt daran, dass die EIN-Strom-EIN-Spannungs- bzw. Durchlassstrom-Durchlassspannungs-Charakteristiken des IGBT-Bereichs 41 durch den Kanalwiderstand stark beeinflusst werden, wohingegen die Durchlassstrom-Durchlassspannungs-Charakteristiken des Diodenbereichs 42 durch den Kanalwiderstand kaum beeinflusst werden.
  • Indem man das Abtast- bzw. Messverhältnis des IGBT und das Messverhältnis der Diode gleich macht, werden ein Stromwert, der durch den IGBT-Messbereich 51 während des IGBT-Betriebs detektiert wird, und ein Stromwert, der durch den Dioden-Messbereich 52 während des Dioden-Betriebs detektiert wird, ähnlich groß.
  • Von dem Messverhältnis des IGBT und dem Messverhältnis der Diode ist beispielsweise das größere geringer als oder gleich dem 1,2-Fachen des kleineren. Das Messverhältnis des IGBT ist das Verhältnis eines durch die Elektrode 19 fließenden Stroms I1 zu einem durch die Elektrode 22 fließenden Strom I2, nämlich I1/I2, wenn eine EIN-Spannung an die Gate-Elektroden 12 angelegt wird und eine gleiche negative Spannung in Bezug auf die Elektrode 20 an die Elektrode 19 und die Elektrode 22 angelegt wird. Das Messverhältnis der Diode ist das Verhältnis eines durch die Elektrode 19 fließenden Stroms I3 zu einem durch die Elektrode 23 fließenden Strom I4, nämlich I3/I4, wenn eine gleiche positive Spannung in Bezug auf die Elektrode 20 an die Elektrode 19 und die Elektrode 23 angelegt wird.
  • Falls ein durch den IGBT-Messbereich 51 detektierter Stromwert und ein durch den Dioden-Messbereich 52 detektierter Stromwert nahe beieinander liegen, kann ein gemeinsamer Widerstand wie der Messwiderstand 111 in der Rückkopplungsschaltung 150 verwendet werden, statt einen für den IGBT bestimmten Messwiderstand und einen für die Diode bestimmten Messwiderstand separat zu verwenden, und kann die Anzahl an Messwiderständen reduziert werden.
  • Indem man die Größe der Elektrode 23 im Dioden-Messbereich 52 ändert und den Kontaktwiderstand zwischen der Elektrode 23 und dem Halbleiter-Grundkörper 100 ändert, können Durchlassstrom-Durchlassspannungs-Charakteristiken des Dioden-Messbereichs 52 geändert werden und kann das Verhältnis eines Stroms, der durch den Dioden-Hauptbereich 32 fließt, zu einem Strom, der durch den Dioden-Messbereich 52 fließt, geändert werden. Ähnliches gilt für den IGBT-Bereich 41. Auch kann durch Ändern des Messverhältnisses die Empfindlichkeit einer Stromdetektion ohne Ändern des Messwiderstands 111 geändert werden.
  • <B. Zweite Ausführungsform>
  • 1 ist eine Draufsicht, die eine schematische Konfiguration einer Halbleitervorrichtung 1b gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
  • 5 ist eine Querschnittsansicht, die die Konfiguration der Halbleitervorrichtung 1b gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt, und ist eine entlang der Linie I-I in 1 genommene Querschnittsansicht.
  • Die Halbleitervorrichtung 1b unterscheidet sich von der Halbleitervorrichtung 1a gemäß der ersten Ausführungsform in den folgenden Punkten: die Halbleitervorrichtung 1b weist die Elektrode 23, die auf der ersten Hauptoberfläche 100a in einem Abstand von der Elektrode 19 in der ersten Ausführungsform ausgebildet ist, nicht auf; die Elektrode 19 ist auf der ersten Hauptoberfläche 100a im Dioden-Messbereich 52 angeordnet; und eine Elektrode 24 ist auf der zweiten Hauptoberfläche 100b im Dioden-Messbereich 52 in einem Abstand von der Elektrode 20 angeordnet. Die Halbleitervorrichtung 1b ist im Übrigen der Halbleitervorrichtung 1a der ersten Ausführungsform ähnlich.
  • Mit anderen Worten wird im Gegensatz zur Halbleitervorrichtung 1a der ersten Ausführungsform, in der ein Abtast- bzw. Messstrom von der Seite der ersten Hauptoberfläche 100a im Dioden-Messbereich 52 entnommen wird, ein Messstrom von der Seite der zweiten Hauptoberfläche 100b im Dioden-Messbereich 52 in der vorliegenden Ausführungsform entnommen.
  • Da der Messstrom von der Seite der zweiten Hauptoberfläche 100b im Dioden-Messbereich 52 entnommen wird, ist die Halbleitervorrichtung 1b insofern vorteilhaft, als eine Verdrahtung der Elektrode 24 vorgenommen werden kann, wenn die Halbleitervorrichtung 1b mit einem Lötmetall auf einen Metallfilm auf dem externen isolierten Substrat gebondet wird. Von dem Messverhältnis des IGBT und dem Messverhältnis der Diode ist beispielsweise das größere geringer als das oder gleich dem 1,2-Fachen des kleineren. Das Messverhältnis des IGBT ist das Verhältnis eines durch die Elektrode 19 fließenden Stroms I5 zu einem durch die Elektrode 22 fließenden Strom I6, nämlich I5/I6, wenn eine EIN-Spannung an die Gate-Elektroden 12 angelegt wird und eine gleiche negative Spannung in Bezug auf die Elektrode 20 an die Elektrode 19 und die Elektrode 22 angelegt wird. Das Messverhältnis der Diode ist das Verhältnis eines durch die Elektrode 20 fließenden Stroms I7 zu einem durch die Elektrode 24 fließenden Strom I8, nämlich I7/I8, wenn eine gleiche negative Spannung in Bezug auf die Elektrode 19 an die Elektrode 20 und die Elektrode 24 angelegt wird.
  • Während des Betriebsprozesses der Halbleitervorrichtung 1b wird eine große Potentialdifferenz zwischen der auf der ersten Hauptoberfläche 100a im IGBT-Messbereich 51 angeordneten Elektrode 22 und der auf der zweiten Hauptoberfläche 100b im Dioden-Messbereich 52 angeordneten Elektrode 24 erzeugt. Daher kann im Gegensatz zur ersten Ausführungsform, in der der IGBT-Messanschluss 92 und der Dioden-Messanschluss 93 mit dem Messwiderstand 111 direkt verbunden sind, wenn die Halbleitervorrichtung 1b in der Rückkopplungsschaltung genutzt wird, der mit der Elektrode 24 verbundene Dioden-Messanschluss 94 nicht direkt mit dem Messwiderstand 111 verbunden sein. Der Dioden-Messanschluss 94 und der Messwiderstand 111 sollten über eine Vorrichtung zum Unterdrücken einer Potentialdifferenz wie etwa einer Pegelverschiebungsschaltung verbunden sein, um eine Übertragung der großen Potentialdifferenz zu dem Messwiderstand 111 und zu der Rückkopplungseinheit 112 oder der Elektrode 19 über den Messwiderstand 111 zu verhindern und den Ausfall bzw. Durchbruch der Rückkopplungseinheit 112 oder der Halbleitervorrichtung 1b zu verhindern.
  • Auch in der vorliegenden Ausführungsform kann beispielsweise, indem man eine ausgeklügelte Rückkopplungsschaltung nutzt und eine Steuerung ähnlich jener in der ersten Ausführungsform durchführt, ein Durchbruch der Halbleitervorrichtung 1b aufgrund eines Überstroms im Diodenbereich 42 unterdrückt werden. Auch in der vorliegenden Ausführungsform kann, da der Trennbereich 40 angeordnet ist, ein durch den Dioden-Hauptbereich 32 fließender Strom durch den Dioden-Messbereich 52 genau detektiert werden und kann ein Durchbruch der Halbleitervorrichtung 1b genau gesteuert werden.
  • <C. Dritte Ausführungsform>
  • <C-1. Konfiguration>
  • 6 ist eine Draufsicht, die eine schematische Konfiguration der Halbleitervorrichtung 1c gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
  • 7 ist eine entlang einer Linie II-II in 6 genommene Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung 1c.
  • Die Halbleitervorrichtung 1c umfasst. den Halbleiter-Grundkörper 100; die Elektrode 19; die Elektrode 20; die Elektrode 22; den Isolierfilm 21 und einen Isolierfilm 29.
  • Wie in 6 gezeigt ist, umfasst der Halbleiter-Grundkörper 100: einen IGBT-Bereich 41b, in dem ein IGBT ausgebildet ist; den Pad-Bereich 3; und den Abschlussbereich 2.
  • Im Pad-Bereich 3 ist das Gate-Pad 3a auf der ersten Hauptoberfläche 100a des Halbleiter-Grundkörpers 100 angeordnet. Im Pad-Bereich 3 ist das Gate-Pad 3b auf der zweiten Hauptoberfläche 100b des Halbleiter-Grundkörpers 100 angeordnet. Das Gate-Pad 3a und das Gate-Pad 3b werden beispielsweise unter Verwendung eines Materials auf Aluminium-Basis gebildet. Das Gate-Pad 3a ist von der Elektrode 19 und der Elektrode 22 elektrisch getrennt. Das Gate-Pad 3a ist mit den Gate-Elektroden 12 elektrisch verbunden. Ein Ansteuerungssignal wird über das Gate-Pad 3a von außerhalb in die Gate-Elektroden 12 eingespeist. Das Gate-Pad 3b ist von der Elektrode 20 elektrisch getrennt. Das Gate-Pad 3b ist mit den Gate-Elektroden 27, die unten beschrieben werden, elektrisch verbunden. Von außen wird über das Gate-Pad 3b an Ansteuerungssignal in die Gate-Elektroden 27 eingespeist.
  • Der Abschlussbereich 2 ist jenem ähnlich, der in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde.
  • Wie in 7 gezeigt ist, weist der Halbleiter-Grundkörper 100 die erste Hauptoberfläche 100a und die zweite Hauptoberfläche 100b als eine Hauptoberfläche und die andere Hauptoberfläche auf.
  • Die Halbleitervorrichtung 1c der vorliegenden Ausführungsform ist ein Back-Gate-gesteuerter IGBT (BC-IGBT) mit einem MOS-Gate an der Seite der zweiten Hauptoberfläche 100b zusätzlich zu einem MOS-Gate in der Seite der ersten Hauptoberfläche 100a. Eine Gate-Steuerung ermöglicht, dass die Halbleitervorrichtung 1c als IGBT-Element und als Freilaufdioden-Element arbeitet.
  • Der IGBT-Bereich 41b umfasst einen IGBT-Hauptbereich 31b und einen IGBT-Messbereich 51b.
  • Die Elektrode 20 ist auf der zweiten Hauptoberfläche 100b in dem IGBT-Hauptbereich 31b und dem IGBT-Messbereich 51b angeordnet. Der IGBT-Hauptbereich 31b und der IGBT-Messbereich 51b teilen sich die Elektrode 20. Auf der anderen Seite sind die Elektrode 19, die auf der ersten Hauptoberfläche 100a des IGBT-Hauptbereichs 31b angeordnet ist, und die Elektrode 22, die auf der ersten Hauptoberfläche 100a des IGBT-Messbereichs 51b angeordnet ist, voneinander getrennt.
  • Die Fläche des IGBT-Messbereichs 51b in Draufsicht ist kleiner als die Fläche des IGBT-Hauptbereichs 31b in Draufsicht. In Draufsicht ist beispielsweise die Fläche des IGBT-Messbereichs 51b größer als das oder gleich dem 1/3000-Fachen und kleiner als das oder gleich dem 1/300-Fachen der Fläche des IGBT-Hauptbereichs 31b. In Draufsicht ist beispielsweise die Fläche des IGBT-Messbereichs 51b etwa das 1/1000-Fache der Fläche des IGBT-Hauptbereichs 31b.
  • Der IGBT-Hauptbereich 31b und der IGBT-Messbereich 51b weisen mit Ausnahme des Unterschieds in der Größe in Draufsicht ähnliche Strukturen auf. Die Strukturen des IGBT-Hauptbereichs 31b und des IGBT-Messbereichs 51 b werden unten als die Struktur des IGBT-Bereichs 41b beschrieben.
  • Die Halbleitervorrichtung 1c wird beispielsweise unter Verwendung eines einkristallinen Bulk-Siliziumsubstrats vom n-Typ mit einer Störstellenkonzentration von etwa 1×1014 cm-3 hergestellt. Das einkristalline Bulk-Siliziumsubstrat ist ein Substrat, das beispielsweise mittels des Floating-Zone-(FZ-)Verfahrens hergestellt wird. Das einkristalline Bulk-Siliziumsubstrat entspricht dem Halbleiter-Grundkörper 100.
  • In dem IGBT-Bereich 41b umfasst der Halbleiter-Grundkörper 100: die Driftschicht 10 vom n--Typ; die Pufferschicht 16 vom n-Typ; die Kollektorschicht 14 vom p+-Typ; die Basisschicht 11 vom p-Typ; die Emitterschichten 13 vom n+-Typ und Kollektorschichten 25 vom n+-Typ.
  • Die Basisschicht 11 ist auf der Seite der ersten Hauptoberfläche 100a der Driftschicht 10 angeordnet.
  • Die Emitterschichten 13 sind selektiv auf der Seite der ersten Hauptoberfläche 100a der Basisschicht 11 angeordnet.
  • In dem Halbleiter-Grundkörper 100 sind Gräben 17 angeordnet, die sich von der ersten Hauptoberfläche 100a durch die Emitterschichten 13 und die Basisschicht 11 zur Driftschicht 10 erstrecken. In jedem der Gräben 17 ist eine Gate-Elektrode 12 über einen auf der seitlichen Oberfläche und der Bodenfläche des Grabens 17 angeordneten Gate-Isolierfilm 18 angeordnet. Die Gate-Elektroden 12 werden beispielsweise unter Verwendung von Polysilizium mit einer Störstellenkonzentration von 1×1020 cm-3 gebildet. Die Gräben 17 sind beispielsweise so angeordnet, dass sie sich in einer der Richtungen in der Ebene erstrecken.
  • Die Gate-Elektroden 12 liegen über die Gate-Isolierfilme 18 den Emitterschichten 13, der Basisschicht 11 und der Driftschicht 10 gegenüber.
  • In dem IGBT-Bereich 41b umfasst die Basisschicht 11 die Basisschichten 11a und Basisschichten 11 b.
  • Eine Basisschicht 11a ist ein Bereich mit einer Mesa-Form der Vielzahl von Bereichen mit einer Mesa-Form, die gebildet werden, indem die Basisschicht 11 durch die Gräben 17 unterteilt wird, und ist ein Bereich mit einer Mesa-Form, in dem die Emitterschichten 13 in deren Oberflächenschicht auf der Seite der ersten Hauptoberfläche 100a selektiv ausgebildet sind. Eine Basisschicht 11 b ist ein Bereich mit einer Mesa-Form der Vielzahl von Bereichen mit einer Mesa-Form, die gebildet werden, indem die Basisschicht 11 durch die Gräben 17 unterteilt wird, und ist ein Bereich mit einer Mesa-Form, in dem die Emitterschichten 13 in deren Oberflächenschicht auf der Seite der ersten Hauptoberfläche 100a nicht ausgebildet sind. Die Basisschichten 11a und die Basisschichten 11b sind beispielsweise abwechselnd entlang der die Erstreckungsrichtung der Gräben 17 schneidenden Richtung platziert.
  • In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Dicke der Emitterschichten 13 beispielsweise 0,5 µm und beträgt die Störstellenkonzentration der Emitterschichten 13 beispielsweise etwa 3×1019 cm-3.
  • In dem IGBT-Hauptbereich 31b sind die Emitterschichten 13 und die Basisschichten 11a mit der Elektrode 19 an der ersten Hauptoberfläche 100a elektrisch verbunden. Die Elektrode 19 arbeitet als Emitter-Elektrode des IGBT-Elements, das im IGBT-Bereich 41b ausgebildet ist.
  • Im IGBT-Messbereich 51b sind die Emitterschichten 13 und die Basisschichten 11a mit der Elektrode 22 an der ersten Hauptoberfläche 100a elektrisch verbunden.
  • Die Bereiche der Basisschichten 11a, die den Gate-Elektroden 12 gegenüberliegen, arbeiten als Kanalbereiche des IGBT-Elements, das im IGBT-Bereich 41b ausgebildet ist.
  • Ein Großteil der Oberfläche auf der Seite der ersten Hauptoberfläche 100a der Basisschichten 11b ist durch den Isolierfilm 21 bedeckt. Nur ein Teil der Oberfläche auf der Seite der ersten Hauptoberfläche 100a der Basisschichten 11b, der nicht durch den Isolierfilm 21 bedeckt ist, ist mit der Elektrode 19 verbunden. Die Fläche des Teils, in dem die Basisschichten 11b und die Elektrode 19 verbunden sind, ist klein, und der elektrische Widerstand des Pfads, der durch den Teil verläuft, in dem die Basisschichten 11b und die Elektrode 19 ausgebildet sind, ist hoch. Der Bereich, in dem die Basisschichten 11b und die Elektrode 19 verbunden sind, ist in den Figuren nicht dargestellt.
  • Die Pufferschicht 16 ist auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche 100b der Driftschicht 10 angeordnet.
  • Die Pufferschicht 16 dient dazu, die Ausdehnung der Verarmungsschicht zu unterdrücken, die sich vom pn-Übergang der Grenze zwischen der Driftschicht 10 und der Basisschicht 11 aus ausdehnt.
  • Die Kollektorschicht 14 ist auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche 100b der Pufferschicht 16 angeordnet. Die Dicke der Kollektorschicht 14 beträgt beispielsweise etwa 0,5 µm, und die Störstellenkonzentration der Kollektorschicht 14 beträgt beispielsweise etwa 1×1018 cm-3.
  • Die Kollektorschichten 25 sind auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche 100b der Kollektorschicht 14 selektiv angeordnet.
  • Die Gräben 26, die sich von der zweiten Hauptoberfläche 100b durch die Kollektorschichten 25 und die Kollektorschicht 14 zur Driftschicht 10 erstrecken, sind im Halbleiter-Grundkörper 100 angeordnet. In jedem der Gräben 26 ist eine Gate-Elektrode 27 über einen auf der seitlichen Oberfläche und der Bodenfläche des Grabens 26 angeordneten Gate-Isolierfilm 28 angeordnet. Die Gate-Elektroden 27 werden beispielsweise unter Verwendung von Polysilizium mit einer Störstellenkonzentration von 1×1020 cm-3 ausgebildet. Die Gräben 26 sind beispielsweise so angeordnet, dass sie sich in einer der Richtungen in der Ebene erstrecken. Die Erstreckungsrichtung der Gräben 17 und die Erstreckungsrichtung der Gräben 26 können gleich sein oder auch nicht.
  • Die Gate-Elektroden 27 liegen über die Gate-Isolierfilme 28 den Kollektorschichten 25, der Kollektorschicht 14, der Pufferschicht 16 und der Driftschicht 10 gegenüber.
  • Im IGBT-Bereich 41b umfasst die Kollektorschicht 14 Kollektorschichten 14a und Kollektorschichten 14b.
  • Eine Kollektorschicht 14a ist ein Bereich mit einer Mesa-Form der Vielzahl von Bereichen mit einer Mesa-Form, die gebildet werden, indem die Kollektorschicht 14 durch die Gräben 26 unterteilt wird, und ist ein Bereich mit einer Mesa-Form, in dem die Kollektorschichten 25 in deren Oberflächenschicht auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche 100b selektiv ausgebildet sind. Eine Kollektorschicht 14b ist ein Bereich mit einer Mesa-Form der Vielzahl von Bereichen mit einer Mesa-Form, die gebildet werden, indem die Kollektorschicht 14 durch die Gräben 26 unterteilt wird, und ist ein Bereich mit einer Mesa-Form, in dem die Kollektorschichten 25 in deren Oberflächenschicht auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche 100b nicht ausgebildet sind. Die Kollektorschichten 14a und die Kollektorschichten 14b sind beispielsweise abwechselnd entlang der die Erstreckungsrichtung der Gräben 26 schneidenden Richtung platziert.
  • Die Kollektorschichten 14a und die Kollektorschichten 25 sind mit der Elektrode 20 an der zweiten Hauptoberfläche 100b elektrisch verbunden.
  • Die Bereiche der Kollektorschichten 14a, die den Gate-Elektroden 27 gegenüberliegen, arbeiten als Kanalbereiche des IGBT-Elements, das im IGBT-Bereich 41b ausgebildet ist. Dementsprechend wird ein Strompfad von der Elektrode 19 durch die Basisschichten 11a, die Driftschicht 10, die Pufferschicht 16, die Kanalbereiche der Kollektorschichten 14a und die Kollektorschichten 25 zur Elektrode 20 ausgebildet und kann die Halbleitervorrichtung 1c Strom in der Richtung leiten, die der Stromrichtung der Diode entspricht, die in der Halbleitervorrichtung 1a ausgebildet ist, bei der es sich um einen RC-IGBT handelt.
  • Ein Großteil der Oberfläche auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche 100b der Kollektorschichten 14b ist durch den Isolierfilm 29 bedeckt. Nur ein Teil der Oberfläche auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche 100b der Kollektorschichten 14b, der nicht durch den Isolierfilm 29 bedeckt ist, ist mit der Elektrode 20 verbunden. Die Fläche des Teils, in dem die Kollektorschichten 14b und die Elektrode 20 verbunden sind, ist klein, und der elektrische Widerstand des Pfads, der durch den Teil verläuft, in dem die Kollektorschichten 14b und die Elektrode 20 verbunden sind, ist hoch. Der Bereich, in dem die Kollektorschichten 14b und die Elektrode 20 verbunden sind, ist in den Figuren nicht dargestellt.
  • <C-2. Betrieb>
  • 8 zeigt Betriebsmodi der Halbleitervorrichtung 1c, bei der es sich um einen BC-IGBT handelt, in Abhängigkeit von der Gate-Steuerung.
  • Die Halbleitervorrichtung 1c weist Betriebsmodi 1 bis 8 auf. Die Betriebsmodi sind durch das Vorzeichen einer Kollektorspannung, die an die Gate-Elektroden 12 angelegte erste Gate-Spannung und die an die Gate-Elektroden 27 angelegte zweite Gate-Spannung klassifiziert. Die Kollektorspannung repräsentiert das elektrische Potential der Elektrode 20, wenn die Elektrode 19 geerdet ist und das elektrische Potential der Elektrode 19 Null ist.
  • In 8 repräsentiert „angelegt“ im Feld der Gate-Spannung, dass eine EIN-Spannung angelegt ist, und repräsentiert „nicht angelegt“ im Feld der Gate-Spannung, dass keine EIN-Spannung angelegt ist.
  • In 8 stellt die Spalte „Aspekt“ dar, ob Strom fließt oder nicht und in welche Richtung der Strom fließt, falls Strom fließt, wenn die Halbleitervorrichtung 1c normal arbeitet. In der Spalte „Aspekt“ und in den Beschreibungen der vorliegenden Ausführungsformen im Folgenden repräsentiert Vorwärts- bzw. Durchlassstrom einen Strom, der in der Richtung von der Elektrode 20 zur Elektrode 19 fließt, und repräsentiert Rückwärts- bzw. Sperrstrom einen Strom, in der Richtung von der Elektrode 19 zur Elektrode 20 fließt.
  • In den Betriebsmodi 2 und 3 führt bzw. leitet die Halbleitervorrichtung 1c Strom in der Richtung, die der Stromrichtung des IGBT entspricht, der in der Halbleitervorrichtung 1a ausgebildet ist, bei der es sich um einen RC-IGBT handelt. In den Betriebsmodi 7 und 8 leitet die Halbleitervorrichtung 1c einen Strom in der Richtung, die der Stromrichtung der Diode entspricht, die in der Halbleitervorrichtung 1a ausgebildet ist, bei der es sich um einen RC-IGBT handelt. Mittels der Betriebsmodi 7 und 8 kann die Halbleitervorrichtung 1c die Funktion ähnlich jener eines Freilaufdioden-Elements erfüllen.
  • Strom-Spannungs-Charakteristiken des Durchlassstroms variieren in Abhängigkeit von dem in die Gate-Elektroden 27 eingespeisten Ansteuerungssignal. Der Betriebsmodus 2 und der Betriebsmodus 3 unterscheiden sich nämlich in Strom-Spannungs-Charakteristiken.
  • Strom-Spannungs-Charakteristiken eines Sperrstroms variieren in Abhängigkeit von dem in die Gate-Elektroden 12 eingespeisten Ansteuerungssignal. Der Betriebsmodus 7 und der Betriebsmodus 8 unterscheiden sich nämlich in Strom-Spannungs-Charakteristiken.
  • Obgleich die Strom-Spannungs-Charakteristiken des Durchlassstroms in Abhängigkeit von dem in die Gate-Elektroden 27 eingespeisten Ansteuerungssignal variieren, wird, da die Strom-Spannungs-Charakteristiken in dem IGBT-Hauptbereich 31b und in dem IGBT-Messbereich 51b entsprechend variieren, eine Schwankung bzw. Variation des Verhältnisses des durch den IGBT-Hauptbereich 31b fließenden Stroms zu dem durch den IGBT-Messbereich 51b fließenden Strom unterdrückt. Somit kann ein durch den IGBT-Hauptbereich 31b fließender Durchlassstrom durch den IGBT-Messbereich 51b genau detektiert werden. Ähnlich kann ein durch den IGBT-Hauptbereich 31b fließender Sperrstrom durch den IGBT-Messbereich 51 genau detektiert werden.
  • Wie im Fall der in der ersten Ausführungsform erläuterten Rückkopplungsschaltung 150 kann ein thermischer Durchbruch der Halbleitervorrichtung 1c durch Nutzen der Rückkopplungsschaltung unterdrückt werden. Zu diesem Zweck ist die Elektrode 22 mit einem Ende eines Messwiderstands der Rückkopplungsschaltung verbunden, ist die Elektrode 19 mit dem anderen Ende des Messwiderstands verbunden, wird eine elektrische Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands detektiert, wird die elektrische Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands mit der Vth2 zum Bestimmen, ob ein Durchlassstrom ein Überstrom ist oder nicht, und mit der Vth3 zum Bestimmen, ob ein Sperrstrom ein Überstrom ist oder nicht, verglichen und wird das Ergebnis des Vergleichs zum Gate-Signal rückgekoppelt.
  • In den Betriebsmodi 2 oder 3 ist eine elektrische Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands positiv. Das elektrische Potential in dem Ende des Messwiderstands, das mit der Elektrode 19 verbunden ist, ist nämlich niedriger als das elektrische Potential im anderen Ende des Messwiderstands. In den Betriebsmodi 7 oder 8 ist die elektrische Potentialdifferenz Vs zwischen den beiden Enden des Messwiderstands negativ. Das elektrische Potential in dem Ende des Messwiderstands, das mit der Elektrode 19 verbunden ist, ist nämlich höher als das elektrische Potential in dem anderen Ende des Messwiderstands.
  • <C-3. Modifikationsbeispiel>
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist oben eine Konfiguration beschrieben, bei der der IGBT-Messbereich 51b genutzt wird, um sowohl einen Durchlassstrom als auch einen Sperrstrom zu detektieren. Eine Halbleitervorrichtung 1d, die wie in 9 und 10 gezeigt einen IGBT-Messbereich 51b und einen IGBT-Messbereich 52b aufweist, kann ebenfalls einen thermischen Durchbruch der Halbleitervorrichtung 1d ähnlich genau unterdrücken. 10 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie III-III in 9.
  • Die Halbleitervorrichtung 1d unterscheidet sich von der Halbleitervorrichtung 1c dadurch, dass der IGBT-Bereich 41b ferner den IGBT-Messbereich 52b enthält, und dadurch, dass die Elektrode 24 auf der zweiten Hauptoberfläche 100b in dem IGBT-Messbereich 52b in einem Abstand von der Elektrode 20 angeordnet ist. Die Halbleitervorrichtung 1d ist ansonsten ähnlich der Halbleitervorrichtung 1c.
  • Die Struktur des Halbleiter-Grundkörpers 100 in dem IGBT-Messbereich 52b ist der Struktur des Halbleiter-Grundkörpers 100 in dem IGBT-Hauptbereich 31b und dem IGBT-Messbereich 51b ähnlich.
  • In der Halbleitervorrichtung 1d wird ein Durchlassstrom durch den IGBT-Messbereich 51b detektiert und wird ein Sperrstrom durch den IGBT-Messbereich 52b detektiert. Wie im Fall der Halbleitervorrichtung 1c können in der Halbleitervorrichtung 1d ein Durchlassstrom und ein Sperrstrom mit einem unterdrückten Effekt des in die Gate-Elektroden 12 oder die Gate-Elektroden 27 eingespeisten Ansteuerungssignals detektiert werden.
  • <C-4. Sonstiges>
  • Da der Abschlussbereich 2 im Außenumfang der Oberflächenschicht auf der Seite der ersten Hauptoberfläche 100a des Halbleiter-Grundkörpers 100 angeordnet ist, ist die Fläche des effektiven Betriebsbereichs auf der Seite der ersten Hauptoberfläche 100a kleiner als jene auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche 100b. Dementsprechend sind in der Halbleitervorrichtung 1c das Messverhältnis des Durchlassstroms und das Messverhältnis des Sperrstroms unterschiedlich, selbst wenn sowohl der Durchlassstrom als auch der Sperrstrom durch den IGBT-Messbereich 51 detektiert werden. Auch wenn das Verhältnis der Größe des IGBT-Messbereichs 51b zur Größe des IGBT-Hauptbereichs 31b und das Verhältnis der Größe des IGBT-Messbereichs 52b zur Größe des IGBT-Hauptbereichs 31b gleich sind, unterscheiden sich das Messverhältnis des Durchlassstroms und das Messverhältnis des Sperrstroms ebenfalls.
  • In der Halbleitervorrichtung 1c und der Halbleitervorrichtung 1d werden die Strom-Spannungs-Charakteristiken des Durchlassstroms durch den Kanalwiderstand des in der Basisschicht 11 ausgebildeten Kanals beeinflusst, wohingegen Strom-Spannungs-Charakteristiken des Sperrstroms durch den Kanalwiderstand des in der Kollektorschicht 14 ausgebildeten Kanals beeinflusst werden. Der Unterschied des Kanalwiderstands des in der Basisschicht 11 ausgebildeten Kanals und des Kanalwiderstands des in der Kollektorschicht 14 ausgebildeten Kanals bewirkt den Unterschied zwischen einem Messverhältnis des Durchlassstroms und einem Messverhältnis des Sperrstroms.
  • Der Kanalwiderstand wird durch die Störstellenkonzentration des Halbleiters, in dem der Kanal ausgebildet ist, die Kanallänge, die Kanalbreite und dergleichen beeinflusst. Unter diesen reagiert die Kanalbreite weniger empfindlich auf den Herstellungsprozess und ist einfach zu optimieren. 11 ist eine schematische Draufsicht der ersten Hauptoberfläche 100a im IGBT-Hauptbereich 31b. 13 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie IV-IV in 11 und zeigt eine Gate-Breite GW der Emitterschichten 13. Die Gate-Breite GW der Emitterschichten 13 repräsentiert die Breite, bei der jeder Bereich der Emitterschichten 13 mit den Gräben 17 in der ersten Hauptoberfläche 100a in Kontakt ist. Die Gate-Breite der Emitterschichten 13 ist eine Breite in der Erstreckungsrichtung der Gräben 17. In 13 ist nur die Umgebung der ersten Hauptoberfläche 100a dargestellt.
  • Eine Emitterschicht 13 kann zwischen einem Graben 17 und einem anderen Graben 17 in einem Bereich mit einer Mesa-Form, der gebildet wird, indem die Basisschicht 11 durch die Gräben 17 unterteilt wird, wie in 10 und 11 dargestellt ist, nicht verbunden sein und kann zwischen dem einen Graben 17 und einem anderen Graben 17 verbunden sein, wie in 12 dargestellt ist.
  • Indem man die Gate-Breite der Emitterschichten 13 im IGBT-Messbereich 51b oder im IGBT-Hauptbereich 31b ändert, wird der Kanalwiderstand in dem IGBT-Messbereich 51b oder dem IGBT-Hauptbereich 31b geändert und wird ein Verhältnis des Durchlassstroms, der durch den IGBT-Hauptbereich 31b fließt, zum Durchlassstrom, der durch den IGBT-Messbereich 51b fließt, geändert. Daher kann das Messverhältnis des Durchlassstroms der Halbleitervorrichtung 1c ohne Ändern der Größe des IGBT-Messbereichs 51b und der externen Schaltung der Halbleitervorrichtung 1c geändert werden. Auch in diesem Fall ist die Änderung des Verhältnisses des Sperrstroms, der durch den IGBT-Hauptbereich 31b fließt, zu dem Sperrstrom, der durch den IGBT-Messbereich 51b fließt, kleiner als die Änderung des Verhältnisses des Durchlassstroms, der durch den IGBT-Hauptbereich 31b fließt, zu dem Durchlassstrom, der durch den IGBT-Messbereich 51b fließt. Daher können, indem man die Gate-Breite der Emitterschichten 13 im IGBT-Messbereich 51b oder im IGBT-Hauptbereich 31b ändert, die Messverhältnisse des Durchlassstroms und des Sperrstroms gleich eingestellt werden.
  • Ähnlich können in der Halbleitervorrichtung 1c, indem man die Gate-Breite der Kollektorschichten 25 in dem IGBT-Messbereich 51b oder dem IGBT-Hauptbereich 31b ändert, die Messverhältnisse des Durchlassstroms und des Sperrstroms so eingestellt werden, dass sie gleich sind. Die Gate-Breite der Kollektorschichten 25 repräsentiert die Breite, bei der jeder Bereich der Kollektorschichten 25 mit den Gräben 26 in der zweiten Hauptoberfläche 100b in Kontakt ist. Bei der Gate-Breite der Kollektorschichten 25 handelt es sich um eine Breite in der Erstreckungsrichtung der Gräben 26.
  • In der Halbleitervorrichtung 1c ist von dem Messverhältnis des Durchlassstroms und dem Messverhältnis des Sperrstroms das größere beispielsweise kleiner als das oder gleich dem 1,2-Fachen des kleineren. Zu diesem Zweck unterscheiden sich beispielsweise das Verhältnis W1/W2 und das Verhältnis W3/W4. Hier ist W1 die Summe der Gate-Breite der Emitterschichten 13 in dem Bereich, der in Draufsicht mit dem Bereich überlappt, in dem die Elektrode 19 auf der ersten Hauptoberfläche 100a angeordnet ist, ist W2 die Summe der Gate-Breite der Emitterschichten 13 in dem Bereich, der in Draufsicht mit dem Bereich überlappt, in dem die Elektrode 22 auf der ersten Hauptoberfläche 100a angeordnet ist, ist W3 die Summe der Gate-Breite der Kollektorschichten 25 in dem Bereich, der in Draufsicht mit dem Bereich überlappt, in dem die Elektrode 19 auf der ersten Hauptoberfläche 100a angeordnet ist, und ist W4 die Summe der Gate-Breite der Kollektorschichten 25 in dem Bereich, der in Draufsicht mit dem Bereich überlappt, in dem die Elektrode 22 auf der ersten Hauptoberfläche 100a angeordnet ist.
  • In der Halbleitervorrichtung 1c ist das Messverhältnis des Durchlassstroms das Verhältnis eines durch die Elektrode 19 fließenden Stroms I9 zu einem durch die Elektrode 22 fließenden Strom I10, nämlich I9/I10, wenn eine EIN-Spannung an die Gate-Elektroden 12 angelegt wird und eine gleiche negative Spannung in Bezug auf die Elektrode 20 an die Elektrode 19 und die Elektrode 22 angelegt wird. In der Halbleitervorrichtung 1c ist das Messverhältnis des Sperrstroms das Verhältnis eines durch die Elektrode 19 fließenden Stroms I11 zu einem durch die Elektrode 22 fließenden Strom I12, nämlich I11/I12, wenn eine EIN-Spannung an die Gate-Elektroden 27 angelegt wird und eine gleiche positive Spannung in Bezug auf die Elektrode 20 an die Elektrode 19 und die Elektrode 22 angelegt wird.
  • Im Fall der Halbleitervorrichtung 1d können ähnlich die Messverhältnisse des Durchlassstroms und des Sperrstroms so eingestellt werden, dass sie gleich sind, indem man die Gate-Breite der Emitterschichten 13 in dem IGBT-Messbereich 51b, die Gate-Breite der Emitterschichten 13 in dem IGBT-Hauptbereich 31b, die Gate-Breite der Kollektorschichten 25 in dem IGBT-Messbereich 52b oder die Gate-Breite der Kollektorschichten 25 in dem IGBT-Hauptbereich 31b ändert.
  • In der Halbleitervorrichtung 1d ist von dem Messverhältnis des Durchlassstroms und dem Messverhältnis des Sperrstroms beispielsweise das größere kleiner als das oder gleich dem 1,2-Fachen des kleineren. Zu diesem Zweck unterscheiden sich beispielsweise das Verhältnis W5/W6 und das Verhältnis W7/W8. Hier ist W5 die Summe der Gate-Breite der Emitterschichten 13 in dem Bereich, der in Draufsicht mit dem Bereich überlappt, in dem die Elektrode 19 auf der ersten Hauptoberfläche 100a angeordnet ist, ist W6 die Summe der Gate-Breite der Emitterschichten 13 in dem Bereich, der in Draufsicht mit dem Bereich überlappt, in dem die Elektrode 22 auf der ersten Hauptoberfläche 100a angeordnet ist, ist W7 die Summe der Gate-Breite der Kollektorschichten 25 in dem Bereich, der in Draufsicht mit dem Bereich überlappt, in dem die Elektrode 20 auf der zweiten Hauptoberfläche 100b angeordnet ist, und ist W8 die Summe der Gate-Breite der Kollektorschichten 25 in dem Bereich, der in Draufsicht mit dem Bereich überlappt, in dem die Elektrode 24 auf der zweiten Hauptoberfläche 100b angeordnet ist,
  • In der Halbleitervorrichtung 1d ist das Messverhältnis des Durchlassstroms das Verhältnis eines durch die Elektrode 19 fließenden Stroms I13 zu einem durch die Elektrode 22 fließenden Strom I14, nämlich 3I13/I14, wenn eine EIN-Spannung an die Gate-Elektroden 12 angelegt wird und eine gleiche negative Spannung in Bezug auf die Elektrode 20 an die Elektrode 19 und die Elektrode 22 angelegt wird. In der Halbleitervorrichtung 1d ist das Messverhältnis des Sperrstroms das Verhältnis eines durch die Elektrode 20 fließenden Stroms I15 zu einem durch die Elektrode 24 fließenden Strom I16, nämlich I15/I16, wenn eine EIN-Spannung an die Gate-Elektroden 27 angelegt wird und eine gleiche negative Spannung in Bezug auf die Elektrode 19 an die Elektrode 20 und die Elektrode 24 angelegt wird.
  • In der Halbleitervorrichtung 1d kann sich die Fläche der Elektrode 22 in Draufsicht von der Fläche der Elektrode 24 in Draufsicht unterscheiden, so dass das größere der Messverhältnisse des Durchlassstroms und des Sperrstroms kleiner als das oder gleich dem 1,2-Fachen des kleineren der Messverhältnisse des Durchlassstroms und des Sperrstroms ist.
  • <D. Vierte Ausführungsform>
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird die Halbleitervorrichtung gemäß irgendeiner der oben erwähnten ersten bis dritten Ausführungsformen für eine Leistungsumwandlungsvorrichtung verwendet. Die Verwendung der Halbleitervorrichtung gemäß irgendeiner der ersten bis dritten Ausführungsformen ist nicht auf eine spezifische Leistungsumwandlungsvorrichtung beschränkt. Das Folgende beschreibt den Fall, in dem die Halbleitervorrichtung gemäß irgendeiner der ersten bis dritten Ausführungsformen für einen Dreiphasen-Inverter verwendet wird, als die vierte Ausführungsform.
  • 14 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Leistungsumwandlungssystems zeigt, für das die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird.
  • Das in 14 gezeigte Leistungsumwandlungssystem umfasst eine Stromversorgung 160, eine Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 und eine Last 300. Die Stromversorgung 160 ist eine Gleichstrom-(DC-)Stromversorgung und stellt der Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 DC-Leistung bereit. Die Stromversorgung 160 kann von verschiedenen Arten von Vorrichtungen gebildet werden und kann beispielsweise von einem DC-System, einer Solarzelle oder einer Speicherbatterie gebildet werden oder kann von einer Gleichrichterschaltung gebildet werden, die mit einem Wechselstrom-(AC-)System oder einem AC/DC-Wandler verbunden ist. Die Stromversorgung 160 kann auch von einem DC/DC-Wandler gebildet werden, der vom DC-System abgegebene DC-Leistung in eine vorbestimmte Leistung umwandelt.
  • Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200, die ein zwischen die Stromversorgung 160 und die Last 300 geschalteter Dreiphasen-Inverter ist, wandelt die von der Stromversorgung 160 bereitgestellte DC-Leistung in AC-Leistung um und stellt der Last 300 die AC-Leistung bereit. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 umfasst: eine Hauptumwandlungsschaltung 201, die DC-Leistung in AC-Leistung umwandelt und die AC-Leistung abgibt; die Ansteuerungsschaltung 202, die ein Ansteuerungssignal zum Ansteuern jedes Schaltelements der Hauptumwandlungsschaltung 201 abgibt; und die Steuerungsschaltung 203, die ein Steuerungssignal zum Steuern der Ansteuerungsschaltung 202 an die Ansteuerungsschaltung 202 abgibt, wie in 14 gezeigt ist. Obgleich die Ausgabe der Ansteuerungsschaltung 202 über die UND-Schaltung 110 in der in 4 gezeigten Konfiguration in die Halbleitervorrichtung 1a eingespeist wird, kann die Ansteuerungsschaltung 202 die UND-Schaltung 110 und die Rückkopplungseinheit 112 enthalten.
  • Die Last 300 ist ein Dreiphasen-Elektromotor, der durch von der Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 bereitgestellte AC-Leistung angetrieben wird. Die Last 300 ist nicht auf eine spezifische Anwendung beschränkt. Die Last 300 ist ein Elektromotor, der an jeder von verschiedenen elektrischen Vorrichtungen montiert wird und als Elektromotor beispielsweise für ein Hybridfahrzeug, ein Elektrofahrzeug, ein Schienenfahrzeug, einen Lift oder eine Klimaanlage genutzt wird.
  • Das Folgende ist eine Erläuterung der Details der Leistungsumwandlungsvorrichtung 200. Die Hauptumwandlungsschaltung 201 enthält (in den Figuren nicht gezeigte) Schaltelemente. Durch Schalten der Schaltelemente wird die von der Stromversorgung 160 bereitgestellte DC-Leistung in AC-Leistung umgewandelt und wird der Last 300 die AC-Leistung bereitgestellt. In der vorliegenden Ausführungsform sind die in der Hauptumwandlungsschaltung 201 enthaltenen Schaltelemente RC-IGBT-Elemente oder BC-IGBTs. Während die spezifische Schaltungskonfiguration der Hauptumwandlungsschaltung 201 von verschiedenen Arten sein kann, ist die Hauptumwandlungsschaltung 201 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Dreiphasen-Vollbrückenschaltung, die in zwei Niveaus konfiguriert ist, und kann von sechs Schaltelementen, nämlich sechs RC-IGBT-Elementen oder sechs BC-IGBT-Elementen, gebildet werden. Die Halbleitervorrichtung gemäß irgendeiner der oben erwähnten ersten bis dritten Ausführungsformen wird für jedes Schaltelement der Hauptumwandlungsschaltung 201 verwendet. Die sechs Schaltelemente sind so konfiguriert, dass je zwei Schaltelemente in Reihe geschaltet sind, um einen oberen Arm und einen unteren Arm zu bilden. Jedes der Paare aus oberen und unteren Armen bildet eine entsprechende Phase (eine U-Phase, eine V-Phase und eine W-Phase) der Vollbrückenschaltung. Die Ausgangsanschlüsse der oberen und unteren Arme, das heißt drei Ausgangsanschlüsse der Hauptumwandlungsschaltung 201, sind mit der Last 300 verbunden.
  • Die Ansteuerungsschaltung 202 erzeugt ein Ansteuerungssignal zum Ansteuern jedes Schaltelements der Hauptumwandlungsschaltung 201 und stellt der Steuerungselektrode jedes Schaltelements der Hauptumwandlungsschaltung 201 das Ansteuerungssignal bereit. Konkret gibt gemäß dem Steuerungssignal von der Steuerungsschaltung 203, die unten beschrieben wird, die Ansteuerungsschaltung 202 das Ansteuerungssignal zum Einschalten jedes Schaltelements und das Ansteuerungssignal zum Ausschalten jedes Schaltelements an die Steuerungselektrode jedes Schaltelements ab. Wenn das Schaltelement in einem EIN-Zustand gehalten wird, ist das Ansteuerungssignal ein Spannungssignal (ein EIN-Signal), das gleich einer oder größer als eine Schwellenspannung des Schaltelements ist. Wenn das Schaltelement in einem AUS-Zustand gehalten wird, ist das Ansteuerungssignal ein Spannungssignal (ein AUS-Signal), das gleich oder der geringer als die Schwellenspannung des Schaltelements ist.
  • Die Steuerungsschaltung 203 steuert jedes Schaltelement der Hauptumwandlungsschaltung 201, um so der Last 300 eine gewünschte elektrische Leistung bereitzustellen. Konkret wird die Zeit (EIN-Zeit), in der jedes Schaltelement der Hauptumwandlungsschaltung 201 in einem EIN-Zustand sein soll, basierend auf der der Last 300 bereitzustellenden elektrischen Leistung berechnet. Beispielsweise kann die Steuerungsschaltung 203 die Hauptumwandlungsschaltung 201 durch eine PWM-Steuerung zum Modulieren der EIN-Zeit jedes Schaltelements gemäß der abzugebenden Spannung steuern. Die Steuerungsschaltung 203 gibt einen Steuerungsbefehl (ein Steuerungssignal) an die Ansteuerungsschaltung 202 ab, so dass zu jedem Zeitpunkt ein EIN-Signal an das Schaltelement abgegeben wird, das im EIN-Zustand sein soll, und zu jedem Zeitpunkt ein AUS-Signal an das Schaltelement abgegeben wird, das in einem AUS-Zustand sein soll. Gemäß diesem Steuerungssignal gibt die Ansteuerungsschaltung 202 ein EIN-Signal oder ein AUS-Signal als Ansteuerungssignal an die Steuerungselektrode jedes Schaltelements ab.
  • In der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann, da die Hauptumwandlungsschaltung 201 die Halbleitervorrichtung gemäß irgendeiner der ersten bis dritten Ausführungsformen als Schaltelement enthält, ein Reflux-Strom genau detektiert werden. Dementsprechend wird ein Durchbruch der Leistungsumwandlungsvorrichtung aufgrund eines durch die Schaltelemente fließenden Überstroms unterdrückt.
  • In einem Fall, in dem die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 die Halbleitervorrichtung 1a als Schaltelement enthält, schützen die Ansteuerungsschaltung 202 oder die Steuerungsschaltung 203 oder beide beispielsweise die Halbleitervorrichtung 1a vor einem Überstrom basierend auf einem durch die Elektrode 22 fließenden Strom oder einem durch die Elektrode 23 fließenden Strom oder beiden.
  • Falls die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 die Halbleitervorrichtung 1b als Schaltelement enthält, schützen die Ansteuerungsschaltung 202 oder die Steuerungsschaltung 203 oder beide beispielsweise die Halbleitervorrichtung 1b vor einem Überstrom basierend auf einem durch die Elektrode 22 fließenden Strom oder einem durch die Elektrode 24 fließenden Strom oder beiden.
  • Falls die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 die Halbleitervorrichtung 1c als Schaltelement enthält, schützen die Ansteuerungsschaltung 202 oder die Steuerungsschaltung 203 oder beide beispielsweise die Halbleitervorrichtung 1c vor einem Überstrom basierend auf dem durch die Elektrode 22 fließenden Strom.
  • Falls die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 die Halbleitervorrichtung 1d als Schaltelement enthält, schützen beispielsweise die Ansteuerungsschaltung 202 oder die Steuerungsschaltung 203 oder beide die Halbleitervorrichtung 1d vor einem Überstrom basierend auf dem durch die Elektrode 22 fließenden Strom oder dem durch die Elektrode 24 fließenden Strom oder beiden.
  • Falls die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 die Halbleitervorrichtung 1a, die Halbleitervorrichtung 1b oder die Halbleitervorrichtung 1d als Schaltelement enthält, enthält beispielsweise die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 einen Widerstand, der wie folgt angeordnet ist: ein Strom durch die Elektrode 22 und ein Strom durch die Elektrode 23 oder die Elektrode 24 fließen beide durch den Widerstand, wie im Fall des Messwiderstands 111 in der in 4 gezeigten Rückkopplungsschaltung 150. Die Ansteuerungsschaltung 202 oder die Steuerungsschaltung 203 oder beide schützen die Halbleitervorrichtung 1a, die Halbleitervorrichtung 1b oder die Halbleitervorrichtung 1d in Abhängigkeit von einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden des Widerstands. Indem man den einzigen Widerstand nutzt, um einen Strom in beide Richtungen zu detektieren, der durch die Halbleitervorrichtung 1a, die Halbleitervorrichtung 1b oder die Halbleitervorrichtung 1d fließt, wird die Konfiguration vereinfacht und werden Herstellungskosten reduziert.
  • Die vorliegende Ausführungsform wurde mit Verweis auf das Beispiel beschrieben, bei dem die Halbleitervorrichtung gemäß irgendeiner der ersten bis dritten Ausführungsformen für einen in zwei Niveaus konfigurierten Dreiphasen-Inverter verwendet wird; eine Verwendung der Halbleitervorrichtung gemäß irgendeiner der ersten bis dritten Ausführungsformen ist aber nicht darauf beschränkt, und die Halbleitervorrichtung gemäß irgendeiner der ersten bis dritten Ausführungsformen ist für verschiedene Arten von Leistungsumwandlungsvorrichtungen verwendbar. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Leistungsumwandlungsvorrichtung in zwei Niveaus konfiguriert; die Leistungsumwandlungsvorrichtung kann aber in drei Niveaus oder mehr Niveaus konfiguriert sein. Wenn einer einphasigen Last elektrische Leistung bereitgestellt wird, kann die Halbleitervorrichtung gemäß irgendeiner der ersten bis dritten Ausführungsformen für einen Einphasen-Inverter verwendet werden. Wenn einer DC-Last oder dergleichen elektrische Leistung bereitgestellt wird, kann die Halbleitervorrichtung gemäß irgendeiner der ersten bis dritten Ausführungsformen auch für einen DC/DC-Wandler oder einen AC/DC-Wandler verwendet werden.
  • Die Leistungsumwandlungsvorrichtung, für die die Halbleitervorrichtung gemäß irgendeiner der ersten bis dritten Ausführungsformen verwendet wird, ist ferner nicht auf den Fall beschränkt, in dem die oben erwähnte Last ein Elektromotor ist, sondern kann auch als Stromversorgungsvorrichtung für eine Elektroerodiermaschine, eine Laserstrahlmaschine, eine Kochmaschine mit Induktionsheizung oder ein System zur berührungslosen Einspeisung von Leistung genutzt werden oder kann auch als Leistungskonditionierer für ein System zur Erzeugung von Solarenergie, ein Energiespeichersystem oder dergleichen genutzt werden.
  • Man beachte, dass jede Ausführungsform frei kombiniert werden kann und jede Ausführungsform wie jeweils geeignet modifiziert oder weggelassen werden kann.
  • Obgleich die Offenbarung im Detail dargestellt und beschrieben wurde, ist die vorhergehende Beschreibung in allen Aspekten veranschaulichend und nicht einschränkend. Es versteht sich daher, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen konzipiert werden können.
  • 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 2009099690 [0002]

Claims (17)

  1. Halbleitervorrichtung (1a) mit einem Transistor und einer Diode, die beide in einem gemeinsamen Halbleiter-Grundkörper (100) ausgebildet sind, aufweisend: eine erste Elektrode (19); eine zweite Elektrode (20); eine dritte Elektrode (22) zur Stromerfassung; eine vierte Elektrode (23) zur Stromerfassung; und zumindest eine erste Gate-Elektrode (12), wobei der Halbleiter-Grundkörper (100) umfasst: eine erste Hauptoberfläche (100a) und eine zweite Hauptoberfläche (100b) als eine Hauptoberfläche bzw. die andere Hauptoberfläche; einen Transistorbereich (41), in dem der Transistor ausgebildet ist; einen Diodenbereich (42), in dem die Diode ausgebildet ist; und einen Trennbereich (40), der zwischen dem Transistorbereich (41) und dem Diodenbereich (42) ausgebildet ist, wobei der Transistorbereich (41) umfasst: eine erste Halbleiterschicht (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine achte Halbleiterschicht (16) des ersten Leitfähigkeitstyps, die auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche (100b) der ersten Halbleiterschicht (1) angeordnet ist und eine Konzentration einer Störstelle des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, die höher als jene der ersten Halbleiterschicht (1) ist; eine zweite Halbleiterschicht (14) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche (100b) der achten Halbleiterschicht (16) angeordnet ist; eine dritte Halbleiterschicht (11a) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der Seite der ersten Hauptoberfläche (100a) der ersten Halbleiterschicht (1) angeordnet ist; und zumindest eine vierte Halbleiterschicht (13), die auf der Seite der ersten Hauptoberfläche (100a) der dritten Halbleiterschicht (11a) selektiv angeordnet ist, wobei der Diodenbereich (42) umfasst: die erste Halbleiterschicht (1); die achte Halbleiterschicht (16), die auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche (100b) der ersten Halbleiterschicht (1) angeordnet ist; eine fünfte Halbleiterschicht (15) des ersten Leitfähigkeitstyps, die eine Konzentration einer Störstelle des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, die höher als jene der ersten Halbleiterschicht (1) ist, und auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche (100b) der achten Halbleiterschicht (16) angeordnet ist; und eine sechste Halbleiterschicht (11c) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der Seite der ersten Hauptoberfläche (100a) der ersten Halbleiterschicht (1) angeordnet ist, wobei die erste Elektrode (19) auf der ersten Hauptoberfläche (100a) in dem Transistorbereich (41) und in dem Diodenbereich (42) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode (20) auf der zweiten Hauptoberfläche (100b) in dem Transistorbereich (41) und in dem Diodenbereich (42) angeordnet ist, wobei die dritte Elektrode (22) auf der ersten Hauptoberfläche (100a) in dem Transistorbereich (41) des Halbleiter-Grundkörpers (100) in einem Abstand von der ersten Elektrode (19) angeordnet ist, wobei die vierte Elektrode (23) auf der ersten Hauptoberfläche (100a) in dem Diodenbereich (42) des Halbleiter-Grundkörpers (100) in einem Abstand von der ersten Elektrode (19) angeordnet ist, wobei die dritte Halbleiterschicht (11a) und die zumindest eine vierte Halbleiterschicht (13) mit der ersten Elektrode (19) an der ersten Hauptoberfläche (100a) in dem Transistorbereich (41) elektrisch verbunden sind, wobei die dritte Halbleiterschicht (11a) und die zumindest eine vierte Halbleiterschicht (13) mit der dritten Elektrode (22) an der ersten Hauptoberfläche (100a) in dem Transistorbereich (41) elektrisch verbunden sind, wobei die zweite Halbleiterschicht (14) mit der zweiten Elektrode (20) an der zweiten Hauptoberfläche (100b) in dem Transistorbereich (41) elektrisch verbunden ist, wobei die zumindest eine erste Gate-Elektrode (12) der ersten Halbleiterschicht (1), der dritten Halbleiterschicht (11a) und der zumindest einen vierten Halbleiterschicht (13) über zumindest einen ersten Isolierfilm (18) in dem Transistorbereich (41) gegenüber liegt, wobei die sechste Halbleiterschicht (11c) mit der ersten Elektrode (19) an der ersten Hauptoberfläche (100a) in dem Diodenbereich (42) elektrisch verbunden ist, wobei die sechste Halbleiterschicht (11c) mit der vierten Elektrode (23) an der ersten Hauptoberfläche (100a) in dem Diodenbereich (42) verbunden ist und wobei die fünfte Halbleiterschicht (15) mit der zweiten Elektrode (20) an der zweiten Hauptoberfläche (100b) in dem Diodenbereich (42) verbunden ist.
  2. Halbleitervorrichtung (1a) nach Anspruch 1, wobei von Verhältnissen eines durch die erste Elektrode (19) fließenden Stroms I1 zu einem durch die dritte Elektrode (22) fließenden Strom I2, nämlich I1/I2, und eines durch die erste Elektrode (19) fließenden Stroms I3 zu einem durch die vierte Elektrode (23) fließenden Strom I4, nämlich I3/I4, das größere geringer als das oder gleich dem 1,2-Fachen des kleineren ist, wobei I1 und I2 der Strom sind, wenn eine EIN-Spannung an die zumindest eine erste Gate-Elektrode (12) angelegt wird und eine gleiche Spannung, die positiv ist, wenn der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Typ ist, und negativ ist, wenn der erste Leitfähigkeitstyp ein n-Typ ist, in Bezug auf die zweite Elektrode (20) an die erste Elektrode (19) und die dritte Elektrode (22) angelegt wird, und wobei I3 und der I4 der Strom sind, wenn eine gleiche Spannung, die negativ ist, wenn der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Typ ist, und positiv ist, wenn der erste Leitfähigkeitstyp ein n-Typ ist, in Bezug auf die zweite Elektrode (20) an die erste Elektrode (19) und die vierte Elektrode (23) angelegt wird.
  3. Halbleitervorrichtung (1b) mit einem Transistor und einer Diode, die beide in einem gemeinsamen Halbleiter-Grundkörper (100) ausgebildet sind, aufweisend: eine erste Elektrode (19); eine zweite Elektrode (20); eine dritte Elektrode (22) zur Stromerfassung; eine vierte Elektrode (23) zur Stromerfassung; und zumindest eine erste Gate-Elektrode (12), wobei der Halbleiter-Grundkörper (100) umfasst: eine erste Hauptoberfläche (100a) und eine zweite Hauptoberfläche (100b) als eine Hauptoberfläche bzw. die andere Hauptoberfläche; einen Transistorbereich (41), in dem der Transistor ausgebildet ist; einen Diodenbereich (42), in dem die Diode ausgebildet ist; und einen Trennbereich (40), der zwischen dem Transistorbereich (41) und dem Diodenbereich (42) ausgebildet ist, wobei der Transistorbereich (41) umfasst: eine erste Halbleiterschicht (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine achte Halbleiterschicht (16) des ersten Leitfähigkeitstyps, die auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche (100b) der ersten Halbleiterschicht (1) angeordnet ist und eine Konzentration einer Störstelle des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, die höher als jene der ersten Halbleiterschicht (1) ist; eine zweite Halbleiterschicht (14) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche (100b) der achten Halbleiterschicht (16) angeordnet ist; eine dritte Halbleiterschicht (11a) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der Seite der ersten Hauptoberfläche (100a) der ersten Halbleiterschicht (1) angeordnet ist; und zumindest eine vierte Halbleiterschicht (13), die auf der Seite der ersten Hauptoberfläche (100a) der dritten Halbleiterschicht (11a) selektiv angeordnet ist, wobei der Diodenbereich (42) umfasst: die erste Halbleiterschicht (1); die achte Halbleiterschicht (16), die auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche (100b) der ersten Halbleiterschicht (1) angeordnet ist; eine fünfte Halbleiterschicht (15) des ersten Leitfähigkeitstyps, die eine Konzentration einer Störstelle des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, die höher als jene der ersten Halbleiterschicht (1) ist, und auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche (100b) der achten Halbleiterschicht (16) angeordnet ist; und eine sechste Halbleiterschicht (11c) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der Seite der ersten Hauptoberfläche (100a) der ersten Halbleiterschicht (1) angeordnet ist, wobei die erste Elektrode (19) auf der ersten Hauptoberfläche (100a) in dem Transistorbereich (41) und in dem Diodenbereich (42) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode (20) auf der zweiten Hauptoberfläche (100b) in dem Transistorbereich (41) und in dem Diodenbereich (42) angeordnet ist, wobei die dritte Elektrode (22) auf der ersten Hauptoberfläche (100a) in dem Transistorbereich (41) des Halbleiter-Grundkörpers (100) in einem Abstand von der ersten Elektrode (19) angeordnet ist, wobei die vierte Elektrode (23) auf der zweiten Hauptoberfläche (100b) in dem Diodenbereich (42) des Halbleiter-Grundkörpers (100) in einem Abstand von der zweiten Elektrode (20) angeordnet ist, wobei die dritte Halbleiterschicht (11a) und die zumindest eine vierte Halbleiterschicht (13) mit der ersten Elektrode (19) an der ersten Hauptoberfläche (100a) in dem Transistorbereich (41) elektrisch verbunden sind, wobei die dritte Halbleiterschicht (11a) und die zumindest eine vierte Halbleiterschicht (13) mit der dritten Elektrode (22) an der ersten Hauptoberfläche (100a) in dem Transistorbereich (41) elektrisch verbunden sind, wobei die zweite Halbleiterschicht (14) mit der zweiten Elektrode (20) an der zweiten Hauptoberfläche (100b) in dem Transistorbereich (41) elektrisch verbunden ist, wobei die zumindest eine erste Gate-Elektrode (12) der ersten Halbleiterschicht (1), der dritten Halbleiterschicht (11a) und der zumindest einen Halbleiterschicht über zumindest einen ersten Isolierfilm (18) in dem Transistorbereich (41) gegenüberliegt; wobei die sechste Halbleiterschicht (11c) mit der ersten Elektrode (19) an der ersten Hauptoberfläche (100a) in dem Diodenbereich (42) elektrisch verbunden ist, wobei die fünfte Halbleiterschicht (15) mit der vierten Elektrode (23) an der zweiten Hauptoberfläche (100b) in dem Diodenbereich (42) verbunden ist und wobei die fünfte Halbleiterschicht (15) mit der zweiten Elektrode (20) an der zweiten Hauptoberfläche (100b) in dem Diodenbereich (42) verbunden ist.
  4. Halbleitervorrichtung (1b) nach Anspruch 3, wobei von Verhältnissen eines durch die erste Elektrode (19) fließenden Stroms I5 zu einem durch die dritte Elektrode (22) fließenden Strom I6, nämlich I5/I6, und eines durch die zweite Elektrode (20) fließenden Stroms I7 zu einem durch die vierte Elektrode (23) fließenden Strom I8, nämlich I7/I8, das größere geringer als das oder gleich dem 1,2-Fachen des kleineren ist, wobei I5 und I2 der Strom sind, wenn eine EIN-Spannung an die zumindest eine erste Gate-Elektrode (12) angelegt wird und eine gleiche Spannung, die positiv ist, wenn der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Typ ist, und negativ ist, wenn der erste Leitfähigkeitstyp ein n-Typ ist, in Bezug auf die zweite Elektrode (20) an die erste Elektrode (19) und die dritte Elektrode (22) angelegt wird, und wobei I7 und der I8 der Strom sind, wenn eine gleiche Spannung, welche positiv ist, wenn der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Typ ist, und negativ ist, wenn der erste Leitfähigkeitstyp ein n-Typ ist, in Bezug auf die erste Elektrode (19) an die zweite Elektrode (20) und die vierte Elektrode (23) angelegt wird.
  5. Halbleitervorrichtung (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Grenze zwischen der zweiten Halbleiterschicht (14) und der fünften Halbleiterschicht (15) zumindest teilweise im Trennbereich (40) in Draufsicht enthalten ist.
  6. Halbleitervorrichtung (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die fünfte Halbleiterschicht (15) und die achte Halbleiterschicht (16) integral ausgebildet sind.
  7. Halbleitervorrichtung (1c) mit einem Transistor, der in einem Halbleiter-Grundkörper (100) ausgebildet ist, aufweisend: eine erste Elektrode (19); eine zweite Elektrode (20); eine dritte Elektrode (22) zur Stromerfassung; zumindest eine erste Gate-Elektrode (12); und zumindest eine zweite Gate-Elektrode (27), wobei der Halbleiter-Grundkörper (100) eine erste Hauptoberfläche (100a) und eine zweite Hauptoberfläche (100b) als eine Hauptoberfläche bzw. die andere Hauptoberfläche aufweist, wobei der Halbleiter-Grundkörper (100) umfasst: eine erste Halbleiterschicht (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine achte Halbleiterschicht (16) des ersten Leitfähigkeitstyps, die auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche (100b) der ersten Halbleiterschicht (1) angeordnet ist und eine Konzentration einer Störstelle des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, die höher als jene der ersten Halbleiterschicht (1) ist; eine zweite Halbleiterschicht (14) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche (100b) der achten Halbleiterschicht (16) angeordnet ist; zumindest eine siebte Halbleiterschicht (25) des ersten Leitfähigkeitstyps, die auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche (100b) der zweiten Halbleiterschicht (14) selektiv angeordnet ist; eine dritte Halbleiterschicht (11a) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der Seite der ersten Hauptoberfläche (100a) der ersten Halbleiterschicht (1) angeordnet ist; und zumindest eine vierte Halbleiterschicht (13), die auf der Seite der ersten Hauptoberfläche (100a) der dritten Halbleiterschicht (11a) selektiv angeordnet ist, wobei die erste Elektrode (19) auf der ersten Hauptoberfläche (100a) des Halbleiter-Grundkörpers (100) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode (20) auf der zweiten Hauptoberfläche (100b) des Halbleiter-Grundkörpers (100) angeordnet ist, wobei die dritte Elektrode (22) auf der ersten Hauptoberfläche (100a) des Halbleiter-Grundkörpers (100) in einem Abstand von der ersten Elektrode (19) angeordnet ist, wobei die dritte Halbleiterschicht (11a) und die zumindest eine vierte Halbleiterschicht (13) mit der ersten Elektrode (19) an der ersten Hauptoberfläche (100a) elektrisch verbunden sind, wobei die dritte Halbleiterschicht (11a) und die zumindest eine vierte Halbleiterschicht (13) mit der dritten Elektrode (22) an der ersten Hauptoberfläche (100a) elektrisch verbunden sind, wobei die zweite Halbleiterschicht (14) und die zumindest eine siebte Halbleiterschicht (25) mit der zweiten Elektrode (20) an der zweiten Hauptoberfläche (100b) elektrisch verbunden sind, wobei die zumindest eine erste Gate-Elektrode (12) der ersten Halbleiterschicht (1), der dritten Halbleiterschicht (11a) und der zumindest einen vierten Halbleiterschicht (13) über zumindest einen ersten Isolierfilm (18) gegenüberliegt und wobei die zumindest eine zweite Gate-Elektrode (27) der ersten Halbleiterschicht (1), der zweiten Halbleiterschicht (14), der zumindest einen siebten Halbleiterschicht (25) und der achten Halbleiterschicht (16) über zumindest einen zweiten Isolierfilm (28) gegenüberliegt.
  8. Halbleitervorrichtung (1c) nach Anspruch 7, wobei von Verhältnissen eines durch die erste Elektrode (19) fließenden Stroms I9 zu einem durch die dritte Elektrode (22) fließenden Strom I10, nämlich I9/I10, und eines durch die erste Elektrode (19) fließenden Stroms I11 zu einem durch die dritte Elektrode (22) fließenden Strom I12, nämlich I11/I12, das größere geringer als das oder gleich dem 1,2-Fachen des kleineren ist, wobei I9 und I10 der Strom sind, wenn eine gleiche Spannung, die positiv ist, wenn der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Typ ist, und negativ ist, wenn der erste Leitfähigkeitstyp ein n-Typ ist, in Bezug auf die zweite Elektrode (20) an die erste Elektrode (19) und die dritte Elektrode (22) angelegt wird, und wobei I11 und I12 der Strom sind, wenn eine gleiche Spannung, die negativ ist, wenn der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Typ ist, und positiv ist, wenn der erste Leitfähigkeitstyp ein n-Typ ist, in Bezug auf die zweite Elektrode (20) an die erste Elektrode (19) und die dritte Elektrode (22) angelegt wird.
  9. Halbleitervorrichtung (1c) nach Anspruch 8, wobei die zumindest eine erste Gate-Elektrode (12) in zumindest einem ersten Graben (17) über den zumindest einen ersten Isolierfilm (18) angeordnet ist, wobei der zumindest eine erste Graben (17) auf der ersten Hauptoberfläche (100a) des Halbleiter-Grundkörpers (100) angeordnet ist und sich in einer ersten Richtung von Richtungen in der Ebene erstreckt, wobei die zumindest eine zweite Gate-Elektrode (27) in zumindest einem zweiten Graben (26) über den zumindest einen zweiten Isolierfilm (28) angeordnet ist, wobei der zumindest eine zweite Graben (26) auf der zweiten Hauptoberfläche (100b) des Halbleiter-Grundkörpers (100) angeordnet ist und sich in einer zweiten Richtung von Richtungen in der Ebene erstreckt, wobei die zumindest eine vierte Halbleiterschicht (13) mit dem zumindest einen ersten Graben (17) in der ersten Hauptoberfläche (100a) in Kontakt ist, wobei die zumindest eine siebte Halbleiterschicht (25) mit dem zumindest einen zweiten Graben (26) in der zweiten Hauptoberfläche (100b) in Kontakt ist und wobei sich ein Verhältnis von W1 zu W2, nämlich W1/W2, und ein Verhältnis von W3 zu W4, nämlich W3/W4, unterscheiden, wobei W1 eine Summe einer Länge in der ersten Richtung ist, in der die zumindest eine vierte Halbleiterschicht (13) in Kontakt ist mit dem zumindest einen ersten Graben (17) in der ersten Hauptoberfläche (100a), in dem Bereich, der in Draufsicht mit dem Bereich überlappt, in dem die erste Elektrode (19) auf der ersten Hauptoberfläche (100a) angeordnet ist, und wobei W2 eine Summe einer Länge in der ersten Richtung ist, in der die zumindest eine vierte Halbleiterschicht (13) in Kontakt ist mit dem zumindest einen ersten Graben (17) in der ersten Hauptoberfläche (100a), in dem Bereich, der in Draufsicht mit dem Bereich überlappt, in dem die dritte Elektrode (22) auf der ersten Hauptoberfläche (100a) angeordnet ist, und wobei W3 eine Summe einer Länge in der zweiten Richtung ist, in der die zumindest eine siebte Halbleiterschicht (25) in Kontakt ist mit dem zumindest einen zweiten Graben (26) in der zweiten Hauptoberfläche (100b), in dem Bereich, der in Draufsicht mit dem Bereich überlappt, in dem die erste Elektrode (19) auf der ersten Hauptoberfläche (100a) angeordnet ist, und wobei W4 eine Summe einer Länge in der zweiten Richtung ist, in der die zumindest eine siebte Halbleiterschicht (25) in Kontakt ist mit dem zumindest einen zweiten Graben (26) in der zweiten Hauptoberfläche (100b), in dem Bereich, der in Draufsicht mit dem Bereich überlappt, in dem die dritte Elektrode (22) auf der ersten Hauptoberfläche (100a) angeordnet ist.
  10. Halbleitervorrichtung (1d) mit einem Transistor, der in einem Halbleiter-Grundkörper (100) ausgebildet ist, aufweisend: eine erste Elektrode (19); eine zweite Elektrode (20); eine dritte Elektrode (22) zur Stromerfassung; eine vierte Elektrode (24) zur Stromerfassung; zumindest eine erste Gate-Elektrode (12); und zumindest eine zweite Gate-Elektrode (27), wobei der Halbleiter-Grundkörper (100) eine erste Hauptoberfläche (100a) und eine zweite Hauptoberfläche (100b) als eine Hauptoberfläche bzw. die andere Hauptoberfläche aufweist, wobei der Halbleiter-Grundkörper (100) umfasst: eine erste Halbleiterschicht (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine achte Halbleiterschicht (16) des ersten Leitfähigkeitstyps, die auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche (100b) der ersten Halbleiterschicht (1) angeordnet ist und eine Konzentration einer Störstelle des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, die höher als jene der ersten Halbleiterschicht (1) ist; eine zweite Halbleiterschicht (14) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche (100b) der achten Halbleiterschicht (16) angeordnet ist; zumindest eine siebte Halbleiterschicht (25) des ersten Leitfähigkeitstyps, die auf der Seite der zweiten Hauptoberfläche (100b) der zweiten Halbleiterschicht (14) selektiv angeordnet ist; eine dritte Halbleiterschicht (11a) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der Seite der ersten Hauptoberfläche (100a) der ersten Halbleiterschicht (1) angeordnet ist; und zumindest eine vierte Halbleiterschicht (13), die auf der Seite der ersten Hauptoberfläche (100a) der dritten Halbleiterschicht (11a) selektiv angeordnet ist, wobei die erste Elektrode (19) auf der ersten Hauptoberfläche (100a) des Halbleiter-Grundkörpers (100) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode (20) auf der zweiten Hauptoberfläche (100b) des Halbleiter-Grundkörpers (100) angeordnet ist, wobei die dritte Elektrode (22) auf der ersten Hauptoberfläche (100a) des Halbleiter-Grundkörpers (100) in einem Abstand von der ersten Elektrode (19) angeordnet ist, wobei die vierte Elektrode (24) auf der zweiten Hauptoberfläche (100b) des Halbleiter-Grundkörpers (100) in einem Abstand von der zweiten Elektrode (20) angeordnet ist, wobei die dritte Halbleiterschicht (11a) und die zumindest eine vierte Halbleiterschicht (13) mit der ersten Elektrode (19) an der ersten Hauptoberfläche (100a) elektrisch verbunden sind, wobei die dritte Halbleiterschicht (11a) und die zumindest eine vierte Halbleiterschicht (13) mit der dritten Elektrode (22) an der ersten Hauptoberfläche (100a) elektrisch verbunden sind, wobei die zweite Halbleiterschicht (14) und die zumindest eine siebte Halbleiterschicht (25) mit der zweiten Elektrode (20) an der zweiten Hauptoberfläche (100b) elektrisch verbunden sind, wobei die zweite Halbleiterschicht (14) und die zumindest eine siebte Halbleiterschicht (25) mit der vierten Elektrode (24) an der zweiten Hauptoberfläche (100b) elektrisch verbunden sind, wobei die zumindest eine erste Gate-Elektrode (12) der ersten Halbleiterschicht (1), der dritten Halbleiterschicht (11a) und der zumindest einen vierten Halbleiterschicht (13) über zumindest einen ersten Isolierfilm (18) gegenüberliegt und wobei die zumindest eine zweite Gate-Elektrode (27) der ersten Halbleiterschicht (1), der zweiten Halbleiterschicht (14), der zumindest einen siebten Halbleiterschicht (25) und der achten Halbleiterschicht (16) über zumindest einen zweiten Isolierfilm (28) gegenüberliegt.
  11. Halbleitervorrichtung (1d) nach Anspruch 10, wobei von Verhältnissen eines durch die erste Elektrode (19) fließenden Stroms I13 zu einem durch die dritte Elektrode (22) fließenden Strom I14, nämlich I13/I14, und eines durch die zweite Elektrode (20) fließenden Stroms I15 zu einem durch die vierte Elektrode (24) fließenden Strom I16, nämlich I15/I16, das größere geringer als das oder gleich dem 1,2-Fachen des kleineren ist, wobei I13 und I14 der Strom sind, wenn eine EIN-Spannung an die zumindest eine erste Gate-Elektrode (12) angelegt wird und eine gleiche Spannung, die positiv ist, wenn der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Typ ist, und negativ ist, wenn der erste Leitfähigkeitstyp ein n-Typ ist, in Bezug auf die zweite Elektrode (20) an die erste Elektrode (19) und die dritte Elektrode (22) angelegt wird, und wobei I15 und I16 der Strom sind, wenn eine EIN-Spannung an die zumindest eine zweite Gate-Elektrode (27) angelegt wird und eine gleiche Spannung, die positiv ist, wenn der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Typ ist, und negativ ist, wenn der erste Leitfähigkeitstyp ein n-Typ ist, in Bezug auf die erste Elektrode (19) an die zweite Elektrode (20) und die vierte Elektrode (24) angelegt wird.
  12. Halbleitervorrichtung (1d) nach Anspruch 11, wobei die zumindest eine erste Gate-Elektrode (12) in zumindest einem ersten Graben (17) über den zumindest einen ersten Isolierfilm (18) angeordnet ist, wobei der zumindest eine erste Graben (17) auf der ersten Hauptoberfläche (100a) des Halbleiter-Grundkörpers (100) angeordnet ist und sich in einer ersten Richtung von Richtungen in der Ebene erstreckt, wobei zumindest eine zweite Gate-Elektrode (27) in zumindest einem zweiten Graben (26) über den zumindest einen zweiten Isolierfilm (28) angeordnet ist, wobei der zumindest eine zweite Graben (26) auf der zweiten Hauptoberfläche (100b) des Halbleiter-Grundkörpers (100) angeordnet ist und sich in einer zweiten Richtung von Richtungen in der Ebene erstreckt, wobei die zumindest eine vierte Halbleiterschicht (13) in Kontakt ist mit dem zumindest einen ersten Graben (17), wobei die zumindest eine siebte Halbleiterschicht in Kontakt ist mit dem zumindest einen zweiten Graben (26) und wobei sich ein Verhältnis W5 zu W6, nämlich W5/W6, und ein Verhältnis von W7 zu W8, nämlich W7/W8, unterscheiden, wobei W5 eine Summe einer Länge in der ersten Richtung ist, in der die zumindest eine vierte Halbleiterschicht (13) in Kontakt ist mit dem zumindest einen ersten Graben (17) in der ersten Hauptoberfläche (100a), in dem Bereich, der in Draufsicht mit dem Bereich überlappt, in dem die erste Elektrode (19) auf der ersten Hauptoberfläche (100a) angeordnet ist, und wobei W6 eine Summe einer Länge in der ersten Richtung ist, in der die zumindest eine vierte Halbleiterschicht (13) in Kontakt ist mit dem zumindest einen Graben (17) in der ersten Hauptoberfläche (100a), in dem Bereich, der in Draufsicht mit dem Bereich überlappt, in dem die dritte Elektrode (22) auf der ersten Hauptoberfläche (100a) angeordnet ist, und wobei W7 eine Summe einer Länge in der zweiten Richtung ist, in der die zumindest eine siebte Halbleiterschicht (25) in Kontakt ist mit dem zumindest einen zweiten Graben (26) in der zweiten Hauptoberfläche (100b), in dem Bereich, der in Draufsicht mit dem Bereich überlappt, in dem die zweite Elektrode (20) auf der zweiten Hauptoberfläche (100b) angeordnet ist, und wobei W8 eine Summe einer Länge in der zweiten Richtung ist, in der die zumindest eine siebte Halbleiterschicht (25) in Kontakt ist mit dem zumindest einen zweiten Graben (26) in der zweiten Hauptoberfläche (100b), in dem Bereich, der in Draufsicht mit dem Bereich überlappt, in dem die vierte Elektrode (24) auf der zweiten Hauptoberfläche (100b) angeordnet ist.
  13. Halbleitervorrichtung (1d) nach Anspruch 11, wobei sich eine Fläche der dritten Elektrode (22) in Draufsicht und eine Fläche der vierten Elektrode (24) in Draufsicht unterscheiden.
  14. Leistungsumwandlungsvorrichtung (200), aufweisend: eine Hauptumwandlungsschaltung (201), die die Halbleitervorrichtung (1a, 1b, 1c, 1d) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist; eine Ansteuerungsschaltung (202), die ein Ansteuerungssignal zum Ansteuern der Halbleitervorrichtung (1a, 1b, 1c, 1d) abgibt; und eine Steuerungsschaltung (203), die ein Steuerungssignal zum Steuern der Ansteuerungsschaltung (202) an die Ansteuerungsschaltung (202) abgibt, wobei die Hauptumwandlungsschaltung (201) in die Hauptumwandlungsschaltung (201) eingespeiste Leistung umwandelt und die umgewandelte Leistung abgibt.
  15. Leistungsumwandlungsvorrichtung (200) nach Anspruch 14, wobei die Halbleitervorrichtung eine Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3 und 10 ist, wobei die Ansteuerungsschaltung (202) oder die Steuerungsschaltung (203) oder beide die Halbleitervorrichtung vor einem Überstrom basierend auf einem durch die dritte Elektrode (22) fließenden Strom oder einem durch die vierte Elektrode (23, 24) fließenden Strom oder beiden schützen.
  16. Leistungsumwandlungsvorrichtung (200) nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Halbleitervorrichtung (1a, 1b, 1d) eine Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3 und 10 ist, wobei die Leistungsumwandlungsvorrichtung (200) ferner einen Widerstand (111) aufweist, wobei der Widerstand (111) so angeordnet ist, dass ein durch die dritte Elektrode (22) fließender Strom durch den Widerstand (111) fließt, wobei der Widerstand (111) so angeordnet ist, dass ein durch die vierte Elektrode (23, 24) fließender Strom durch den Widerstand (111) fließt und wobei die Ansteuerungsschaltung (202) oder die Steuerungsschaltung (203) oder beide die Halbleitervorrichtung (1a, 1b, 1d) vor einem Überstrom basierend auf einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen beiden Enden des Widerstands (111) schützen.
  17. Leistungsumwandlungsvorrichtung (200) nach Anspruch 14, wobei die Halbleitervorrichtung (1c) eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7 ist, wobei die Ansteuerungsschaltung (202) oder die Steuerungsschaltung (203) oder beide die Halbleitervorrichtung (1c) vor einem Überstrom basierend auf einem durch die dritte Elektrode (22) fließenden Strom schützen.
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