JP2002532886A - 絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ - Google Patents
絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタInfo
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
- H01L29/10—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode not carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
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- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 IGBTをZVS(ゼロ電圧スイッチング)動作に対して最適にして、ZVS動作の間のスイッチング損失を大幅に減らす。
【解決手段】 IGBT(80,100)は、非常に小さいバイポーラ・トランジスタ部品と共にMOSFETとして動作するように最適化する。導電中にデバイスに注入される少数担体の数を減らすことにより、スイッチング損失が減少する。更に、このZVS式IGBT構造は、動作温度が上昇したとき、蓄積される電荷を若干増加することが出来るようにし、デバイスが一層高い温度で、比較的小さいスイッチング損失で動作することが出来るようにする。
Description
【0001】
この発明は全体的に半導体スイッチング・デバイス、更に具体的に言えば、ゼ
ロ電圧スイッチング(ZVS)に対して最適にした絶縁ゲート・バイポーラ・ト
ランジスタ(IGBT)に関する。
ロ電圧スイッチング(ZVS)に対して最適にした絶縁ゲート・バイポーラ・ト
ランジスタ(IGBT)に関する。
【0002】
現在利用し得るIGBTは、典型的には、パンチスルー(PT)形及び非パン
チスルー(NPT)形の2種類である。PT形IGBTはターンオフ時間と順方
向電圧降下の兼合いを最大にする為に、「寿命キラー」を使うのが典型的である
(寿命キラーは、その寿命を短くする為に、シリコンの中に注入される外部元素
で構成されるものとしてこの分野で知られている)。NPT形IBGTは、ドリ
フト層に注入される電荷の数を減らす為に、薄いP+コレクタ層を使うのが典型
的である。PT形IGBTは、少数担体注入制限部として作用し、ドリフト層の
厚さを減らすことが出来るようにするバッファ層を持っている。基本的には、バ
ッファ層が少数担体に対する障壁として作用し、デバイス内の電界をその縁で停
めることが出来るようにして、電圧/長さ比を高くする。その為、所定の電圧、
例えば600Vに対し、バッファ層を持つPT形IGBTは電圧を阻止するのに
約60−80μmのシリコンを必要とするのに対し、バッファ層を持たないNP
T形IGBTは同じ電圧を阻止するのに100−120μmのシリコンを必要と
する。
チスルー(NPT)形の2種類である。PT形IGBTはターンオフ時間と順方
向電圧降下の兼合いを最大にする為に、「寿命キラー」を使うのが典型的である
(寿命キラーは、その寿命を短くする為に、シリコンの中に注入される外部元素
で構成されるものとしてこの分野で知られている)。NPT形IBGTは、ドリ
フト層に注入される電荷の数を減らす為に、薄いP+コレクタ層を使うのが典型
的である。PT形IGBTは、少数担体注入制限部として作用し、ドリフト層の
厚さを減らすことが出来るようにするバッファ層を持っている。基本的には、バ
ッファ層が少数担体に対する障壁として作用し、デバイス内の電界をその縁で停
めることが出来るようにして、電圧/長さ比を高くする。その為、所定の電圧、
例えば600Vに対し、バッファ層を持つPT形IGBTは電圧を阻止するのに
約60−80μmのシリコンを必要とするのに対し、バッファ層を持たないNP
T形IGBTは同じ電圧を阻止するのに100−120μmのシリコンを必要と
する。
【0003】
PT及びNPTの何れのIGBTも、ハード・スイッチング(hard switching)
動作が最適になるようにしている。しかし、ZVS(ゼロ電圧スイッチング、即
ち、デバイスの両端をゼロ電圧にしたスイッチング)により、高いスイッチング
周波数では、ハード・スイッチングに比べて、特にコンバータの用途で、重要な
動作上の利点がある。こういう利点としては、スイッチング損失が可成り減少す
ること、一層高いスイッチング周波数で動作出来ること、電磁妨害が少なくなる
こと、デバイスの電圧及び電流によるストレスが一層小さくなること、安全動作
区域が一層良くなること及びコストの安い温度管理装置が得られることが含まれ
る。
動作が最適になるようにしている。しかし、ZVS(ゼロ電圧スイッチング、即
ち、デバイスの両端をゼロ電圧にしたスイッチング)により、高いスイッチング
周波数では、ハード・スイッチングに比べて、特にコンバータの用途で、重要な
動作上の利点がある。こういう利点としては、スイッチング損失が可成り減少す
ること、一層高いスイッチング周波数で動作出来ること、電磁妨害が少なくなる
こと、デバイスの電圧及び電流によるストレスが一層小さくなること、安全動作
区域が一層良くなること及びコストの安い温度管理装置が得られることが含まれ
る。
【0004】 従って、ZVS動作及びそういう用途に対して最適にしたIGBT構造を提供
することが望ましい。
することが望ましい。
【0005】
本発明では、IBGTをZVS動作に対して最適にし、こうしてZVS動作の
間のスイッチング損失を目立って減らす。事実上、ZVS式IBGTが、非常に
小形のバイポーラ・トランジスタ部品と共にMOSFETとして動作するように
最適化する。導電中にデバイスに注入される少数担体の数を減らすことにより、
スイッチング損失が減少する。更に、このZVS式IGBT構造は、動作温度が
高くなったとき、蓄積される電荷を若干増加することが出来るようにし、デバイ
スが比較的小さいスイッチング損失で、一層高い温度でも動作することが出来る
ようにする。
間のスイッチング損失を目立って減らす。事実上、ZVS式IBGTが、非常に
小形のバイポーラ・トランジスタ部品と共にMOSFETとして動作するように
最適化する。導電中にデバイスに注入される少数担体の数を減らすことにより、
スイッチング損失が減少する。更に、このZVS式IGBT構造は、動作温度が
高くなったとき、蓄積される電荷を若干増加することが出来るようにし、デバイ
スが比較的小さいスイッチング損失で、一層高い温度でも動作することが出来る
ようにする。
【0006】 ZVS式IGBTは、非常に低いエミッタ効率、即ち、ベース中のホール電流
と全エミッタ電流との比を持つ非常に薄いP+コレクタ層を有する。P+IGB
Tコレクタのドーピングは、そのドリフト層に蓄積される合計電荷を増加せずに
、IGBTの順方向電圧降下を小さくするように設計される。ドリフト層の厚さ
を減らすことが出来るようにする為に、比較的薄いバッファ層を設け、こうして
順方向電圧降下をも減少させる。バッファ層の厚さ及びドーピングは、導電度変
調に必要なだけの数の少数担体にすることが出来るように調整される。
と全エミッタ電流との比を持つ非常に薄いP+コレクタ層を有する。P+IGB
Tコレクタのドーピングは、そのドリフト層に蓄積される合計電荷を増加せずに
、IGBTの順方向電圧降下を小さくするように設計される。ドリフト層の厚さ
を減らすことが出来るようにする為に、比較的薄いバッファ層を設け、こうして
順方向電圧降下をも減少させる。バッファ層の厚さ及びドーピングは、導電度変
調に必要なだけの数の少数担体にすることが出来るように調整される。
【0007】 寿命キラーはドリフト層の本体の中には設けないが、P+/N−コレクタ界面
の縁にだけ設けて、電圧がまだ低い間、より多くの少数担体の再結合が起こるよ
うにし、こうしてスイッチング損失を減少する。ZVS式IGBTは、低い温度
のとき、IGBTのPNPバイポーラ・トランジスタのP+コレクタからのター
ンオフ中のホールの逆注入により、若干の少数担体をIGBTのP+コレクタに
向かって掃引することが出来るようにし、電流のテール(tail)の大きさを小さく
する。一層高い温度に於ける逆注入の利点を実現する為に、ZVS式IBGTの
PNPバイポーラ・トランジスタの利得を減少する。更に、注意深く配置された
P+ダイバータ(diverter)を使って、ドリフト層に蓄積される少数担体の数を更
に減らす。高いスイッチング周波数のとき、この最適にしたZVS式IGBT構
造でZVSを達成するのに必要なスナッバ・キャパシタの規模を可成り小さくす
るのが有利であり、更に、これは用途によっては、デバイス自身の寄生静電容量
で構成することが出来る。
の縁にだけ設けて、電圧がまだ低い間、より多くの少数担体の再結合が起こるよ
うにし、こうしてスイッチング損失を減少する。ZVS式IGBTは、低い温度
のとき、IGBTのPNPバイポーラ・トランジスタのP+コレクタからのター
ンオフ中のホールの逆注入により、若干の少数担体をIGBTのP+コレクタに
向かって掃引することが出来るようにし、電流のテール(tail)の大きさを小さく
する。一層高い温度に於ける逆注入の利点を実現する為に、ZVS式IBGTの
PNPバイポーラ・トランジスタの利得を減少する。更に、注意深く配置された
P+ダイバータ(diverter)を使って、ドリフト層に蓄積される少数担体の数を更
に減らす。高いスイッチング周波数のとき、この最適にしたZVS式IGBT構
造でZVSを達成するのに必要なスナッバ・キャパシタの規模を可成り小さくす
るのが有利であり、更に、これは用途によっては、デバイス自身の寄生静電容量
で構成することが出来る。
【0008】
図1は、ゲート12及びソース13を含むMOSFET部分11と、エミッタ
15、ベース16及びコレクタ17を含むバイポーラ・トランジスタ部分14と
を有する典型的なPT形IGBT構造10を示す。PT形IGBT10はバッフ
ァ層18をも含み、これは少数担体注入制限部として作用し、所定の電圧に対し
て、ドリフト領域(又は層)20の厚さの小さな一部分を使うことが出来るよう
にする。PT形IGBTが、ターンオフ時間と順方向電圧降下の間の兼合いを最
大にする為に、寿命キラーを使う。
15、ベース16及びコレクタ17を含むバイポーラ・トランジスタ部分14と
を有する典型的なPT形IGBT構造10を示す。PT形IGBT10はバッフ
ァ層18をも含み、これは少数担体注入制限部として作用し、所定の電圧に対し
て、ドリフト領域(又は層)20の厚さの小さな一部分を使うことが出来るよう
にする。PT形IGBTが、ターンオフ時間と順方向電圧降下の間の兼合いを最
大にする為に、寿命キラーを使う。
【0009】 図2は、ゲート32及びソース33を含むMOSFET部分31と、エミッタ
35、ベース36及びコレクタ37を含むバイポーラ・トランジスタ部分34と
を有する典型的なNPT形IGBT構造30を示す。図示のように、NPT形I
GBTが、ドリフト層40に注入される電荷の数を減らす為に薄いP+コレクタ
層38を持っている。
35、ベース36及びコレクタ37を含むバイポーラ・トランジスタ部分34と
を有する典型的なNPT形IGBT構造30を示す。図示のように、NPT形I
GBTが、ドリフト層40に注入される電荷の数を減らす為に薄いP+コレクタ
層38を持っている。
【0010】 図3は、ZVS状態で商業的に入手し得るPT及びNPT形IGBTを試験す
る為、並びにこの発明の好ましい実施例による新規なIGBT構造を試験する為
に用いられる試験装置50を示す。被試験デバイス(DUT)が52で示されて
おり、それがデバイスを駆動するゲート駆動装置54に結合されることが示され
ている。更に、被試験装置がダイオード56及びキャパシタ(C)58と並列に
接続される。入力直流電源Vinが60で示されており、入力誘導子62と直列
に結合され、その他端が被試験デバイスのコレクタに接続される。ダイオード6
4の陽極が被試験デバイスのコレクタに接続され、ダイオード64の陰極が出力
直流源(Vout)66に接続されている。
る為、並びにこの発明の好ましい実施例による新規なIGBT構造を試験する為
に用いられる試験装置50を示す。被試験デバイス(DUT)が52で示されて
おり、それがデバイスを駆動するゲート駆動装置54に結合されることが示され
ている。更に、被試験装置がダイオード56及びキャパシタ(C)58と並列に
接続される。入力直流電源Vinが60で示されており、入力誘導子62と直列
に結合され、その他端が被試験デバイスのコレクタに接続される。ダイオード6
4の陽極が被試験デバイスのコレクタに接続され、ダイオード64の陰極が出力
直流源(Vout)66に接続されている。
【0011】 図4及び5は、800V、1000A、75℃の温度及びスナッバ・キャパシ
タの値C=0.94μFで、図3の試験装置を用いたときの市場で入手し得るP
T及びNPT形IGBTに対するスイッチング損失波形(電圧Vd及び電流Id
)を示している。図示のように、ZVS状態では、これらのデバイスは、デバイ
スのターンオフのとき、電流のテール70を示す。電流のテールは、ドリフト層
に注入された少数担体の高いレベルによるものである。PT形IGBTでは、少
数担体の数が温度と共に増加する。例えば、温度が25℃から125℃に変化す
るとき、損失は3倍増加する。この増加は、NPT形IGBT程顕著ではないが
、例えば25℃では損失が大きい。何れの種類のデバイスでも、損失が一般的に
大きく、高いスイッチング周波数、例えば20−100KHzでは可成りの電力
損失の原因となる。
タの値C=0.94μFで、図3の試験装置を用いたときの市場で入手し得るP
T及びNPT形IGBTに対するスイッチング損失波形(電圧Vd及び電流Id
)を示している。図示のように、ZVS状態では、これらのデバイスは、デバイ
スのターンオフのとき、電流のテール70を示す。電流のテールは、ドリフト層
に注入された少数担体の高いレベルによるものである。PT形IGBTでは、少
数担体の数が温度と共に増加する。例えば、温度が25℃から125℃に変化す
るとき、損失は3倍増加する。この増加は、NPT形IGBT程顕著ではないが
、例えば25℃では損失が大きい。何れの種類のデバイスでも、損失が一般的に
大きく、高いスイッチング周波数、例えば20−100KHzでは可成りの電力
損失の原因となる。
【0012】 試験から、現在入手し得るPT及びNPT形IGBTの特徴は次の通りである
。 (1)PT及びNPT形IGBTの何れも、高い接合温度、例えば75℃−12
5℃では、大きなターンオフ・スイッチング損失を示す。 (2)PT形IGBTは低い接合温度では、スイッチング損失が比較的小さいが
、一層高い接合温度では、スイッチング損失が可成り増加する。 (3)スイッチング損失は主に、次の式で表されるように、導電中のデバイスに
蓄積された電荷によるものである。 QS =[(L2IO)/(2DP)][1−(1/cosh(W/L)] 合計電荷QS は、負荷電流IO 、担体寿命及びドリフト層の厚さWに関係する。
(4)ZVSは、スイッチング損失の一層小さくなる点で、NPT形IGBTよ
りもPT形IGBTにより有利である。 (5)スナッバ・キャパシタの値Cが増加しても、NPT形IGBTでは、スイ
ッチング損失の実質的な減少につながらない。 (6)NPT形IGBTはエミッタ効率が非常に低いが、厚手のドリフト層はこ
の利点を帳消しにし、その為、大きな損失につながる。 (7)NPT形IGBTは低い温度、例えば25℃−75℃では、一層大きなス
イッチング損失を持っている。この損失は主に、PTの場合に対するよりも一層
大きな電流のテールに由るものである。 (8)PT形IGBTのMOSFET成分の電流は、温度と共に減少し、バイポ
ーラ成分の電流の増加につながる。バイポーラ成分の電流が、デバイスのターン
オフ時に於ける大きなスイッチング損失の原因である。
。 (1)PT及びNPT形IGBTの何れも、高い接合温度、例えば75℃−12
5℃では、大きなターンオフ・スイッチング損失を示す。 (2)PT形IGBTは低い接合温度では、スイッチング損失が比較的小さいが
、一層高い接合温度では、スイッチング損失が可成り増加する。 (3)スイッチング損失は主に、次の式で表されるように、導電中のデバイスに
蓄積された電荷によるものである。 QS =[(L2IO)/(2DP)][1−(1/cosh(W/L)] 合計電荷QS は、負荷電流IO 、担体寿命及びドリフト層の厚さWに関係する。
(4)ZVSは、スイッチング損失の一層小さくなる点で、NPT形IGBTよ
りもPT形IGBTにより有利である。 (5)スナッバ・キャパシタの値Cが増加しても、NPT形IGBTでは、スイ
ッチング損失の実質的な減少につながらない。 (6)NPT形IGBTはエミッタ効率が非常に低いが、厚手のドリフト層はこ
の利点を帳消しにし、その為、大きな損失につながる。 (7)NPT形IGBTは低い温度、例えば25℃−75℃では、一層大きなス
イッチング損失を持っている。この損失は主に、PTの場合に対するよりも一層
大きな電流のテールに由るものである。 (8)PT形IGBTのMOSFET成分の電流は、温度と共に減少し、バイポ
ーラ成分の電流の増加につながる。バイポーラ成分の電流が、デバイスのターン
オフ時に於ける大きなスイッチング損失の原因である。
【0013】 図6は、図1に示すようなPT形IGBT構造のハード・スイッチングIGB
T動作に対する典型的な波形を示す。Vdはデバイスの両端の電圧を示し、Id
はスイッチング事象、即ちターンオン及びターンオフ時のデバイスを通る電流を
表す。図6は、電圧及び電流の積であるスイッチング電力損失をも示している。
図示のように、ターンオン及びターンオフ損失は実質的に、スイッチングの際の
電圧と電流の重なりに因るものである。
T動作に対する典型的な波形を示す。Vdはデバイスの両端の電圧を示し、Id
はスイッチング事象、即ちターンオン及びターンオフ時のデバイスを通る電流を
表す。図6は、電圧及び電流の積であるスイッチング電力損失をも示している。
図示のように、ターンオン及びターンオフ損失は実質的に、スイッチングの際の
電圧と電流の重なりに因るものである。
【0014】 図7は、ZVS動作のときの図1に示すようなPT形IGBT構造に対する電
圧及び電流波形を示す。ターンオフ損失が小さく、ターンオン損失は全くない。
特に、デバイスがゼロ電圧でターンオンし、従って、ターンオン損失がない。デ
バイスはゆっくりと上昇する電圧でターンオフになり、従って、電圧及び電流の
間に小さな重なりがあって、この結果、小さな電力損失が生ずる。導電損失が、
電流の増加の為に、ZVS動作では若干高くなる。
圧及び電流波形を示す。ターンオフ損失が小さく、ターンオン損失は全くない。
特に、デバイスがゼロ電圧でターンオンし、従って、ターンオン損失がない。デ
バイスはゆっくりと上昇する電圧でターンオフになり、従って、電圧及び電流の
間に小さな重なりがあって、この結果、小さな電力損失が生ずる。導電損失が、
電流の増加の為に、ZVS動作では若干高くなる。
【0015】 図8は、ゲート82及びソース83を含むMOSFET部分81と、エミッタ
85、ベース86及びコレクタを含むバイポーラ・トランジスタ部分84とを有
するこの発明の好ましい実施例によるZVS式IGBT80を示す。ZVS式I
BGT80のゲート構造が、DMOSゲート構造で構成されることが示されてい
る。IGBT80は、ドリフト層90に注入される電荷の数を減らす為に、NP
T形デバイスと同様に、効率の低い薄いP+コレクタ層88を有する。しかし、
NPT及びPT構造の何れとも違って、P+コレクタ層88のドーピングは、ド
リフト層に蓄積される電荷の総数を増加せずに、IGBTの順方向降下を減らす
ように調整されている。バッファ層92を設けて、ドリフト層の厚さを薄くする
。バッファ層が厚手で強く(高濃度に)ドープされている現在入手し得るPT形
IGBTと異なり、IGBT80のバッファ層は薄く、中位にドープされている
。
85、ベース86及びコレクタを含むバイポーラ・トランジスタ部分84とを有
するこの発明の好ましい実施例によるZVS式IGBT80を示す。ZVS式I
BGT80のゲート構造が、DMOSゲート構造で構成されることが示されてい
る。IGBT80は、ドリフト層90に注入される電荷の数を減らす為に、NP
T形デバイスと同様に、効率の低い薄いP+コレクタ層88を有する。しかし、
NPT及びPT構造の何れとも違って、P+コレクタ層88のドーピングは、ド
リフト層に蓄積される電荷の総数を増加せずに、IGBTの順方向降下を減らす
ように調整されている。バッファ層92を設けて、ドリフト層の厚さを薄くする
。バッファ層が厚手で強く(高濃度に)ドープされている現在入手し得るPT形
IGBTと異なり、IGBT80のバッファ層は薄く、中位にドープされている
。
【0016】 例えば、600VのIGBTでは、ドリフト層の厚さは約55μm−70μm
であってよい。同様なデバイスの定格を持つNPT形IGBTでは、ドリフト層
の厚さは約100−120μmであってよい。電力デバイスに於ける層の厚さの
例としては、40μm(薄手)から600μm(厚手)までの範囲であってよい
。
であってよい。同様なデバイスの定格を持つNPT形IGBTでは、ドリフト層
の厚さは約100−120μmであってよい。電力デバイスに於ける層の厚さの
例としては、40μm(薄手)から600μm(厚手)までの範囲であってよい
。
【0017】 この発明の好ましい実施例のZVS式IGBTのドリフト層全体に互って、寿
命キラーを使っていない。その代りに、寿命キラーは、IGBTのPNPバイポ
ーラ・トランジスタ部分のP+/N−界面の縁にある領域96に局在化している
。ZVSでは、電圧がデバイスの両端でスナッバ・キャパシタC(図3)によっ
て制御される。IGBTのPNPバイポーラ接合のP+/N−界面で構造にある
欠陥を導入することにより、電圧がまだ低い間、少数担体のより多くの再結合が
起こり、この結果スイッチング損失が小さくなる。デバイスの両端の電圧が母線
電圧Vinに達するまでに、大部分の担体は損失のない形で再結合しているか、
或いは増大する空乏層により、IGBTコレクタに掃引される(即ち、取去られ
る)。
命キラーを使っていない。その代りに、寿命キラーは、IGBTのPNPバイポ
ーラ・トランジスタ部分のP+/N−界面の縁にある領域96に局在化している
。ZVSでは、電圧がデバイスの両端でスナッバ・キャパシタC(図3)によっ
て制御される。IGBTのPNPバイポーラ接合のP+/N−界面で構造にある
欠陥を導入することにより、電圧がまだ低い間、少数担体のより多くの再結合が
起こり、この結果スイッチング損失が小さくなる。デバイスの両端の電圧が母線
電圧Vinに達するまでに、大部分の担体は損失のない形で再結合しているか、
或いは増大する空乏層により、IGBTコレクタに掃引される(即ち、取去られ
る)。
【0018】 比較的低い温度で、ZVSの間、IGBTのPNPバイポーラ接合のP+コレ
クタから、ターンオフの間に行われるホールの逆注入により、若干の少数担体を
IGBTのP+コレクタに向けて掃引することが出来、こうして電流のテールの
大きさを小さくする。この現象は高い温度では消滅する。しかし、最適化された
構造では、ドリフト層全体に互って寿命キラーを使っていないので、IGBTの
PNPバイポーラ・トランジスタの利得を増加することにより、高い温度に於け
る逆注入が達成される。
クタから、ターンオフの間に行われるホールの逆注入により、若干の少数担体を
IGBTのP+コレクタに向けて掃引することが出来、こうして電流のテールの
大きさを小さくする。この現象は高い温度では消滅する。しかし、最適化された
構造では、ドリフト層全体に互って寿命キラーを使っていないので、IGBTの
PNPバイポーラ・トランジスタの利得を増加することにより、高い温度に於け
る逆注入が達成される。
【0019】 IGBTの寄生NPNバイポーラ・トランジスタを通じて、ドリフト層内の少
数担体の数が更に減らされる。特に、ハード・スイッチングの間、コレクタ・エ
ミッタ電圧を増加することによって、少数担体がP−ベースから掃引され、即ち
取去られるが、ZVSでは、デバイスの両端の電圧がゆっくりと増加する。従っ
て、デバイスから少数担体を素早く掃引することは出来ない。
数担体の数が更に減らされる。特に、ハード・スイッチングの間、コレクタ・エ
ミッタ電圧を増加することによって、少数担体がP−ベースから掃引され、即ち
取去られるが、ZVSでは、デバイスの両端の電圧がゆっくりと増加する。従っ
て、デバイスから少数担体を素早く掃引することは出来ない。
【0020】 注意深く配置されたP+ダイバータ(diverter)を使うことによっても、蓄積さ
れる少数担体の数が減らされる。特に、過剰な少数担体の除去を容易にする為に
、N+バッファ層には2つのP+領域(即ちP+ダイバータ)98が埋込まれて
いる。少数担体がドリフト層に注入されるターンオン段階の間、P+ダイバータ
領域が、IGBTのP+コレクタから注入される若干の少数担体に対するトラッ
プとして作用する。ターンオフのとき、ダイバータ領域が、PNPバイポーラ・
トランジスタとして作用する。こういう領域の電流が、ターンオフのときの負の
電流の大きさを増加し、こうしてIGBTのP+コレクタに向かってのホールの
逆注入を強制する。
れる少数担体の数が減らされる。特に、過剰な少数担体の除去を容易にする為に
、N+バッファ層には2つのP+領域(即ちP+ダイバータ)98が埋込まれて
いる。少数担体がドリフト層に注入されるターンオン段階の間、P+ダイバータ
領域が、IGBTのP+コレクタから注入される若干の少数担体に対するトラッ
プとして作用する。ターンオフのとき、ダイバータ領域が、PNPバイポーラ・
トランジスタとして作用する。こういう領域の電流が、ターンオフのときの負の
電流の大きさを増加し、こうしてIGBTのP+コレクタに向かってのホールの
逆注入を強制する。
【0021】 高いスイッチング周波数では、ZVSを達成する為に必要なスナッバ・キャパ
シタC(図3)の規模が可成り小さくなる。この発明の最適にしたIGBTが、
それ自身の寄生静電容量を使ってZVSを達成することが好ましい。この目的の
為、IGBTは、非常に小さなバイポーラ部品と共に、MOSFETとして有効
に動作するように最適化する。
シタC(図3)の規模が可成り小さくなる。この発明の最適にしたIGBTが、
それ自身の寄生静電容量を使ってZVSを達成することが好ましい。この目的の
為、IGBTは、非常に小さなバイポーラ部品と共に、MOSFETとして有効
に動作するように最適化する。
【0022】 図9は、図8のDMOSゲート構造の代りに、トレンチ(trench)形ゲート構造
102を用いた別の実施例のZVS式IGBT100を示す。ZVS式IGBT
100が、トレンチ形ゲート102及びソース103を含むMOSFET部分1
01と、エミッタ105、ベース106及びコレクタ107を含むバイポーラ・
トランジスタ部分104とを有する。ZVSのとき、IGBTがゼロ電圧でター
ンオンされる。di/dtが大きいとき、導電度変調の遅れの為に、即ち、注入
が電流の増加に遅れる為に、初期の大きな順方向降下が観察される。この現象を
避ける為、ホールの速い注入が必要であるが、これはIGBTのP+コレクタの
ドーピング濃度を下げることにより、又はより多くのP+ダイバータ領域98を
追加することによって、達成することが出来る。(導電度変調は、(電子及びホ
ールの背景ドーピングを持つ)ドリフト層に大量の電子及びホールを注入する過
程であり、注入された電子及びホールが背景ドーピングを圧倒し、真性ドリフト
層領域の抵抗を劇的に下げることを助け、順方向電圧降下を小さくすると共に電
流密度を高くすることが出来るようにする。) この発明の好ましい実施例を図面に示して説明したが、この実施例は例に過ぎ
ないことを承知されたい。当業者には、この発明を逸脱せずに、種々の変更及び
置換が考えられよう。従って、この発明は、特許請求の範囲によって限定される
ことを承知されたい。
102を用いた別の実施例のZVS式IGBT100を示す。ZVS式IGBT
100が、トレンチ形ゲート102及びソース103を含むMOSFET部分1
01と、エミッタ105、ベース106及びコレクタ107を含むバイポーラ・
トランジスタ部分104とを有する。ZVSのとき、IGBTがゼロ電圧でター
ンオンされる。di/dtが大きいとき、導電度変調の遅れの為に、即ち、注入
が電流の増加に遅れる為に、初期の大きな順方向降下が観察される。この現象を
避ける為、ホールの速い注入が必要であるが、これはIGBTのP+コレクタの
ドーピング濃度を下げることにより、又はより多くのP+ダイバータ領域98を
追加することによって、達成することが出来る。(導電度変調は、(電子及びホ
ールの背景ドーピングを持つ)ドリフト層に大量の電子及びホールを注入する過
程であり、注入された電子及びホールが背景ドーピングを圧倒し、真性ドリフト
層領域の抵抗を劇的に下げることを助け、順方向電圧降下を小さくすると共に電
流密度を高くすることが出来るようにする。) この発明の好ましい実施例を図面に示して説明したが、この実施例は例に過ぎ
ないことを承知されたい。当業者には、この発明を逸脱せずに、種々の変更及び
置換が考えられよう。従って、この発明は、特許請求の範囲によって限定される
ことを承知されたい。
【図1】 典型的なPT形IGBT構造を示す略図。
【図2】 典型的なNPT形IGBT構造を示す略図。
【図3】 ZVS試験装置の略図。
【図4】 NPTスイッチング波形を示すグラフ。
【図5】 PTスイッチング波形を示すグラフ。
【図6】 図1に示すようなIGBTのPT構造に対するハード・スイッチング波形を示
すグラフ。
すグラフ。
【図7】 図1に示すようなIGBTのPT構造に対するZVS波形を示すグラフ。
【図8】 この発明の好ましい実施例によるZVS式IGBT構造を示す略図。
【図9】 この発明の好ましい実施例による別の形のZVS式IGBT構造を示す略図。
10 PT形IGBT構造 14 バイポーラ・トランジスタ部分 30 NPT形IGBT構造 34 バイポーラ・トランジスタ部分 50 試験装置 80 ZVS式IGBT 84 バイポーラ・トランジスタ部分 100 ZVS式IGBT 102 トレンチ形ゲート構造
Claims (4)
- 【請求項1】 ゼロ電圧スイッチング(ZVS)動作に適した絶縁ゲート・
バイポーラ・トランジスタ(IGBT)に於て、 ゲート及びソースを持つMOSFET部分と、エミッタ、ベース及びコレクタ
を持つバイポーラ・トランジスタ部分とを有し、 前記ゲート、ソース、ベース及びエミッタがIGBTの片側にあって、それら
と向かい合った別の側に前記コレクタが設けられていて、これらの両方の側の間
にドリフト層が配置されており、 前記コレクタが、前記ドリフト層の厚さに比べて比較的薄いP+層で構成され
ていて、該P+層は、前記ドリフト層に蓄積される合計電荷を実質的に増加せず
に順方向電圧降下を最小にするように所定の濃度にドープされており、 前記P+層及び前記ドリフト層の間には、前記ドリフト層に比べて比較的薄い
N+バッファ層が配置されており、 前記ドリフト層はP+/N−コレクタ界面の縁に局在化した寿命キラーを持っ
ているが、前記縁を超えたドリフト層の内部には寿命キラーが設けられていない
こと、を特徴とする絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ。 - 【請求項2】 前記ゲートがDMOSゲート構造で構成されている請求項1
記載の絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ。 - 【請求項3】 前記ゲートがトレンチ形ゲート構造で構成されている請求項
1記載の絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ。 - 【請求項4】 更に前記N+バッファ層内にP+ダイバータ領域を有する請
求項1記載の絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ。
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US09/205,310 | 1998-12-04 | ||
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1999
- 1999-11-23 JP JP2000587386A patent/JP2002532886A/ja not_active Withdrawn
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