JP2010010401A - Horizontal igbt and motor controller using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コレクタ、エミッタ、ゲートを同一平面に有する横型IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)及びそれを用いたモータ制御装置に関する。 The present invention relates to a lateral IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) having a collector, an emitter, and a gate on the same plane, and a motor control device using the IGBT.
家電品やOA機器をはじめとする各種エレクトロニクス機器では、パワーコントロール部の小型、高機能化を低コストで実現することが重要である。これらの要求に対応するため、開発されたのがインテリジェントパワーICである。インテリジェントパワーICは出力段のパワー素子、その駆動回路及び過電流、過温度などの保護機能、さらにはマイコンとのインターフェイス機能を集積化したものである。これにより、従来のデイスクリート部品を組合わせた回路に比べて、小型化とともに部品点数の大幅な削減による低コスト化が図れる。 In various electronic devices such as home appliances and OA devices, it is important to realize a small size and high functionality of the power control unit at low cost. In response to these demands, an intelligent power IC has been developed. The intelligent power IC integrates a power element at the output stage, a drive circuit thereof, a protection function such as overcurrent and overtemperature, and an interface function with a microcomputer. This makes it possible to reduce the size and cost by significantly reducing the number of parts as compared with a circuit combining conventional disk components.
インテリジェントパワーICの1種類であるワンチップインバータICは、ワンチップ化することで、小型化、部品点数を低減することで、制御されるモータ内に内蔵することが可能になった。 One-chip inverter ICs, which are one type of intelligent power ICs, can be built in a controlled motor by reducing the size and the number of parts by making them into one chip.
ところで、交流AC100Vを整流したDC140V以上では、スイッチング素子に電流を流した時に発生する電圧(オン電圧)を下げ、導通損失を低減するためにIGBTを使うことが望ましい。また、複数のIGBTをワンチップに集積化する場合、各々の素子を酸化膜で囲むSOI(Silicon On Insulator)構造あるいは誘電体分離構造を採る必要がある。 By the way, in DC140V or more which rectified alternating current AC100V, it is desirable to use IGBT in order to reduce the voltage (ON voltage) which generate | occur | produces when an electric current is sent through a switching element, and to reduce conduction | electrical_connection loss. Further, when a plurality of IGBTs are integrated on one chip, it is necessary to adopt an SOI (Silicon On Insulator) structure or a dielectric isolation structure in which each element is surrounded by an oxide film.
一般的に個別素子として製品化されているIGBTは、ゲートとエミッタは同一平面に形成されているが、コレクタはその反対面(裏面)に形成されている縦型構造である。これに対して、ICに集積化されるIGBTは、コレクタ、エミッタ、およびゲートを同一平面に有する横型構造が採られる。横型IGBTの構造は、例えば、特許文献1〜3などに開示されている。
In general, an IGBT manufactured as an individual device has a vertical structure in which a gate and an emitter are formed on the same plane, but a collector is formed on the opposite surface (back surface). On the other hand, the IGBT integrated in the IC adopts a lateral structure having a collector, an emitter, and a gate on the same plane. The structure of the lateral IGBT is disclosed in, for example,
インバータ用のスイッチング素子としては、導通損失とともにスイッチング損失が低いことが要求される。スイッチング損失のうちターンオフ損失を低減させる手段として電子線によりライフタイム制御することが特許文献1に述べられている。
A switching element for an inverter is required to have low switching loss as well as conduction loss.
ところで、IGBTのオン電圧低減のためには、エミッタのソース幅を増やす、すなわちゲートを複数設ける構造とすればよい。ところが、横型IGBTでは電流が横方向に流れるため、従来の電子線照射をしたものでは中央部のゲートは外周部に比べてコレクタからの距離が遠く、ホールの到達率が小さい。このため、せっかく複数ゲートを設けても中央部は動作せず、オン電圧の改善が図れなかった。 By the way, in order to reduce the on-voltage of the IGBT, a structure in which the source width of the emitter is increased, that is, a plurality of gates may be provided. However, since current flows in the lateral direction in the lateral IGBT, the gate at the central portion is farther from the collector than the outer peripheral portion and the hole arrival rate is small in the case of conventional electron beam irradiation. For this reason, even if a plurality of gates are provided, the central portion does not operate, and the on-voltage cannot be improved.
本発明は、横型IGBTの内部に流れる電流を均一化し、中央部のゲート領域にも左右のゲート領域と同等の電流が流れるようにすることで、オン電圧の改善を図ることを目的とする。 An object of the present invention is to improve the on-voltage by making the current flowing inside the lateral IGBT uniform and allowing the current equivalent to that of the left and right gate regions to flow in the central gate region.
本発明はその一面において、第1導電型の第1の半導体層と、第1の半導体層内に設けられ、第1の半導体層より不純物濃度の高い複数の第2導電型の第2の半導体層と、第2の半導体層内に設けられ、第2の半導体層より不純物濃度の高い複数の第1導電型の第3の半導体層と、第1,2,3の半導体層表面に設けられた複数のMOS構造と、第1の半導体層内に設けられ、第1の半導体層から離れて設けられた、第1の半導体層より不純物濃度の高い複数の第2導電型の第4の半導体層と、第2,3の半導体層にオーミック接続するエミッタ電極と、第4の半導体層にオーミック接続するコレクタ電極を有し、エミッタ電極,コレクタ電極,およびゲート電極が同一平面にある横型IGBTにおいて、コレクターエミッタ間距離をLCE、少数キャリアの拡散係数をDとするとき、第1半導体層の少数キャリアのライフタイムτを、
τ>LCE 2/5.29×D
とするとともに、第4の半導体層の表面濃度を5×1017/cm3以下としたことを特徴とする。
In one aspect of the present invention, a first semiconductor layer of a first conductivity type and a plurality of second semiconductors of a second conductivity type provided in the first semiconductor layer and having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer. And a plurality of first conductivity type third semiconductor layers having an impurity concentration higher than that of the second semiconductor layer, and provided on the surfaces of the first, second, and third semiconductor layers. And a plurality of second conductivity type fourth semiconductors provided in the first semiconductor layer and spaced apart from the first semiconductor layer and having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer. In a lateral IGBT having a layer, an emitter electrode ohmically connected to the second and third semiconductor layers, and a collector electrode ohmically connected to the fourth semiconductor layer, the emitter electrode, the collector electrode, and the gate electrode are in the same plane , The distance between collector and emitter is L CE When the minority carrier diffusion coefficient is D, the minority carrier lifetime τ of the first semiconductor layer is
τ> L CE 2 /5.29×D
In addition, the surface concentration of the fourth semiconductor layer is 5 × 10 17 / cm 3 or less.
本発明の1つの望ましい実施形態においては、耐圧が500V以上で、第1半導体層の少数キャリアのライフタイムが0.38μs以上であり、かつ第4の半導体層の表面濃度が、5×1017/cm3以下の横型IGBTである。 In one desirable embodiment of the present invention, the breakdown voltage is 500 V or more, the minority carrier lifetime of the first semiconductor layer is 0.38 μs or more, and the surface concentration of the fourth semiconductor layer is 5 × 10 17. This is a lateral IGBT of / cm 3 or less.
本発明の望ましい適用例においては、上記横型IGBTと、アノード電極とカソード電極が同一平面にある横型のダイオードを有し、これら横型IGBTと横型ダイオードを、上下アームスイッチング素子及びそのフライホイール用ダイオードとして1相以上を1チップに集積してモータ制御装置を構成する。 In a preferable application example of the present invention, the lateral IGBT has a lateral diode in which an anode electrode and a cathode electrode are in the same plane, and the lateral IGBT and the lateral diode are used as upper and lower arm switching elements and flywheel diodes. One or more phases are integrated on one chip to constitute a motor control device.
本発明の望ましい実施態様によれば、インバータICに必要なターンオフの高速性を損なうことなく、コレクタから注入された少数キャリアが全てのエミッタ層からの電流経路に沿ってチャネル層に到達できるようになり、IGBT内部で電流が均一に流れ、オン電圧を低減できる。 According to a preferred embodiment of the present invention, minority carriers injected from the collector can reach the channel layer along the current path from all the emitter layers without deteriorating the high-speed turn-off required for the inverter IC. Thus, the current flows uniformly inside the IGBT, and the on-voltage can be reduced.
本発明のその他も目的と特徴は、以下に述べる実施形態の中で明らかにする。 Other objects and features of the present invention will be made clear in the embodiments described below.
図1は、本発明を適用して好適なインテリジェントパワーICの1種類であるワンチップインバータICの機能ブロック図である。 FIG. 1 is a functional block diagram of a one-chip inverter IC which is one type of intelligent power IC suitable for application of the present invention.
ワンチップインバータ101は、スイッチング素子102とフライホイール用のダイオード103を含むインバータ主回路とその制御回路を、ワンチップに集積化したICである。制御回路には、上下アーム駆動回路104,105、下から上アームへ駆動信号を伝えるレベルシフト回路106、高圧側電源107、過電流・過熱等の保護回路108、マイコン109の指令信号により内部の駆動信号を生成する論理回路110などがある。このようにワンチップ化することで、小型化、部品点数を低減することで、モータ111内に内蔵することが可能になった。
The one-chip inverter 101 is an IC in which an inverter main circuit including a switching element 102 and a
ところで、交流電源112のAC100Vを整流回路113により整流したDC140V以上では、スイッチング素子102に電流を流した時に発生する電圧(オン電圧)を下げ、導通損失を低減するためにIGBTを使うことが望ましい。また、前述したように、複数のIGBTをワンチップに集積化する場合、各々の素子を酸化膜で囲むSOI構造あるいは誘電体分離構造を採る必要がある。
By the way, it is desirable to use an IGBT in order to reduce the conduction loss by reducing the voltage (ON voltage) generated when a current is passed through the switching element 102 at DC 140 V or higher obtained by rectifying AC 100 V of the
ICに集積化されるIGBTは、コレクタ、エミッタ、およびゲートを同一平面に有する横型構造が採られる。 An IGBT integrated in an IC has a lateral structure having a collector, an emitter, and a gate on the same plane.
図2は、本発明の第1の実施例による横型IGBTの断面構造図である。支持体となる基板1上に酸化膜(SiO2)2が設けられ、さらに、その上に、n−層3が設けられている。n−層3中には複数のpチャネル層4a,4bが設けられている。pチャネル層4a,4b内には複数のn+エミッタ層5a,5b,5c,5dが設けられている。さらに、pチャネル層4a,4b内にはp+層6a,6bが設けられている。p+層6a,6bはn+層下のpチャネル層の抵抗を下げ、ラッチアップを防止する目的で設けられている。n+層4a,4b,4c,4d及びp+層6a,6bにはエミッタ電極13がオーミック接続している。pチャネル層4a,4bとは離れてn層11a,11bが設けられている。n層11a,11b内部にはpコレクタ層12a,12bが設けられている。n層11a,11bはパンチスルーを防止し、耐圧を確保するため設けられている。pコレクタ層12aにはコレクタ電極14aが、pコレクタ層12bにはコレクタ電極14bがオーミック接続している。pチャネル層4a、n+層5a,n−層3表面にはゲート酸化膜7aが設けられ、さらにゲート酸化膜7a上にはゲート電極8aが設けられ、図中左側のゲート部を形成している。pチャネル層4b、n+層5d,n−層3表面にはゲート酸化膜7cが設けられ、さらにゲート酸化膜7c上にはゲート電極8cが設けられ、図中右側のゲート部を形成している。また、pチャネル層4a、n+層5b,n−層3表面、pチャネル層4b、n+層5c上にはゲート酸化膜7bさらにその上にはゲート電極8bが形成され図中央部のゲートを形成している。pチャネル層4aとpコレクタ層12aの間にはゲート酸化膜より厚い酸化膜10a、同様にpチャネル層4bとpコレクタ層12bの間には酸化膜10bが設けられている。ゲート電極8a,8b,8cとエミッタ電極13は絶縁膜9a,9b,9cにより絶縁が採られている。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a lateral IGBT according to the first embodiment of the present invention. An oxide film (SiO 2) 2 is provided on a
エミッタに対してコレクタに正の電圧を加え、さらにゲートにしきい値電圧以上の電圧を印加するとゲート酸化膜7a,7b,7c下のpチャネル層4a,4bに反転層ができ、エミッタn+層5a,5b,5c,5dから電子がn−層3に流れ出す。この電子によりpコレクタ層12a,12bよりホールが注入される。このようにホールが注入され、高抵抗のn−層3の抵抗が下がり(伝導度変調)IGBTのオン電圧は低下する。図2のように複数のゲートがある横型IGBTでは、図2中LCE(A)とLCE(B)のようにエミッタ層とコレクタ層の距離がエミッタ層の場所で異なることが生じる。図2の場合、従来のライフタイム制御を使用した場合、ホールが実線Aの経路では到達できるが、点線Bの経路では到達できず途中で電子との再結合により消滅してしまう。このため、中央部のゲート(酸化膜7b下)では電流密度が低くオン電圧を低減することができなかった。
When a positive voltage is applied to the collector with respect to the emitter and a voltage higher than the threshold voltage is applied to the gate, inversion layers are formed in the
ところで、pコレクタ層から注入されたホールは、コレクタ層からの距離xに対して
p(x)=p(x=0)×exp(−x/Lp)…………(1)
ここで、ホールのn−層3中の拡散長Lpは、次の(2)式で表すことができる。
By the way, the holes injected from the p collector layer are p (x) = p (x = 0) × exp (−x / Lp) with respect to the distance x from the collector layer (1).
Here, the diffusion length Lp of the hole in the n −
Lp=√(Dp×τp)…………(2)
ここで、Dpはホールの拡散係数、τpはホールのn−層3中のライフタイムである。
Lp = √ (Dp × τp) (2)
Here, Dp is the hole diffusion coefficient, and τp is the lifetime of the hole in the n−
ホールの拡散係数Dpは、アインシュタインの関係式により、次の(3)式で表すことができる。 The hole diffusion coefficient Dp can be expressed by the following equation (3) using Einstein's relational expression.
Dp=k×T/q×μp…………(3)
ここで、kはボルツマン係数、Tは絶対温度、qは電気素量、μpはホールの移動度である。
Dp = k × T / q × μp (3)
Here, k is the Boltzmann coefficient, T is the absolute temperature, q is the elementary charge, and μp is the hole mobility.
コレクタ、エミッタ間距離Lceに対して伝導度変調が十分に起き、オン電圧が低減できるライフタイムを(1)〜(3)式より導き出す。 The lifetime in which the conductivity modulation sufficiently occurs with respect to the collector-emitter distance Lce and the on-voltage can be reduced is derived from the equations (1) to (3).
ホールは、初期p(x=0)に対して1/10以上到達しないと伝導度変調は十分に起きない。従って、(1)式よりLce<2.3×Lpの関係を満たす必要がある。さらに、(2)式とにより、ホールのライフタイムτpの条件式(4)式を導くことができる。 If the hole does not reach 1/10 or more of the initial p (x = 0), conductivity modulation does not occur sufficiently. Therefore, it is necessary to satisfy the relationship of Lce <2.3 × Lp from the equation (1). Furthermore, the conditional expression (4) of the lifetime τp of the hole can be derived from the expression (2).
τp>Lce2/(2.32×Dp)…………(4)
ところで、n型では、上記のように、少数キャリアはホールであるが、p型では少数キャリアは電子である。したがって、一般化して、少数キャリアのライフタイムをτ、少数キャリアの拡散係数をDで表せば、(4)式は、次の(5)式のように一般化できる。
τp> Lce 2 /(2.3 2 × Dp) (4)
By the way, in the n type, as described above, the minority carriers are holes, but in the p type, the minority carriers are electrons. Therefore, by generalizing and expressing the minority carrier lifetime by τ and the minority carrier diffusion coefficient by D, the equation (4) can be generalized as the following equation (5).
τ>Lce2/(5.29×D)…………(5)
具体的な一例として、500V耐圧品の場合について検討する。耐圧から、Lce=50μm以上が必要である。また、T=300kとして、μp=480cm2/Vsecなので、(3)式より、Dp=0.12cmである。したがって、τp>0.38μs以上であればよい。すなわち、耐圧が500V以上で、第1半導体層の少数キャリアのライフタイムが0.38μs以上であり、かつ第4の半導体層の表面濃度が、5×1017/cm3以下である横型IGBTを意味する。
τ> Lce 2 /(5.29×D) (5)
As a specific example, a case of a 500V withstand voltage product will be considered. From the breakdown voltage, Lce = 50 μm or more is necessary. Further, as the T = 300k, since μp = 480cm 2 / Vsec, from equation (3), a Dp = 0.12 cm. Therefore, it is sufficient that τp> 0.38 μs or more. That is, a lateral IGBT having a breakdown voltage of 500 V or more, a minority carrier lifetime of the first semiconductor layer of 0.38 μs or more, and a surface concentration of the fourth semiconductor layer of 5 × 10 17 / cm 3 or less. means.
ところで、ライフタイム制御しないと、IGBTはn−層中に残留するキャリアにより電流が流れ続ける。この電流はテール電流と呼ばれる。このテール電流はコレクタ電圧が電源電圧に到達しても流れ続けるため、IGBTではテール電流とコレクタ電圧の積による損失がターンオフ損失の大きな割合を占める。このため、インバータ損失低減のためには、ライフタイム制御以外の方法でテールを低減する必要がある。テール電流を低減するためには、n−層中に残留するキャリアを低減すればよい。この低減方法として、pコレクタ層の濃度を制御すればよいことを見出した。 By the way, if lifetime control is not performed, current continues to flow in the IGBT due to carriers remaining in the n− layer. This current is called tail current. Since this tail current continues to flow even when the collector voltage reaches the power supply voltage, the loss due to the product of the tail current and the collector voltage occupies a large proportion of the turn-off loss in the IGBT. For this reason, in order to reduce inverter loss, it is necessary to reduce the tail by a method other than lifetime control. In order to reduce the tail current, the carriers remaining in the n − layer may be reduced. As a reduction method, it has been found that the concentration of the p collector layer may be controlled.
図3は、横型IGBTのpコレクタ表面濃度とターンオフ時間の関係を示すグラフである。インバータ用としてはターンオフ時間を1.0μs以下とする必要があり、この場合pコレクタ表面濃度は5×1017/cm3とすることが必要である。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between the p collector surface concentration of the lateral IGBT and the turn-off time. For an inverter, the turn-off time needs to be 1.0 μs or less, and in this case, the p collector surface concentration needs to be 5 × 10 17 / cm 3 .
なお、電子線のようなライフタイム制御によるターンオフ損失の低減手段では、ライフタイムが高温になると長くなるため、ターンオフ損失が高温になると増加するという問題があった。本実施例のようにpコレクタ層の濃度の制御によりターンオフ損失を低減する方法では、pコレクタからのホールの注入量が濃度差で決まるため、温度依存性が小さく高温でのターンオフの増加が小さいという特長がある。 The means for reducing the turn-off loss by lifetime control such as an electron beam has a problem that the turn-off loss increases when the lifetime becomes high because the lifetime becomes long. In the method of reducing the turn-off loss by controlling the concentration of the p collector layer as in this embodiment, since the amount of holes injected from the p collector is determined by the concentration difference, the temperature dependence is small and the increase in turn-off at high temperatures is small. There is a feature.
以上の実施例を、図2の符号を添えて要約すると、次の通りとなる。 The above embodiment can be summarized with the reference numerals in FIG. 2 as follows.
第1導電型(n−)の第1の半導体層(3)と、
第1の半導体層(3)内に設けられ、第1の半導体層(3)より不純物濃度の高い複数の第2導電型(p)の第2の半導体層(4a,4b)と、
第2の半導体層(4a,4b)内に設けられ、第2の半導体層(4a,4b)より不純物濃度の高い複数の第1導電型(n)の第3の半導体層(5a,5b,5c,5d)と、
第1,2,3の半導体層表面に設けられた複数のMOS(Metal Oxide Semiconductor)構造と、
第1の半導体層(3)内に設けられ、第2の半導体層(4a,4b)から離れて設けられた、第1の半導体層(3)より不純物濃度の高い複数の第2導電型(p)の第4の半導体層(12a,12b)と、
第2,3の半導体層(4a,4b,5a〜5d)にオーミック接続するエミッタ電極(13)と、
第4の半導体層(12a,12b)にオーミック接続するコレクタ電極(14a,14b)を有し、
エミッタ電極(13),コレクタ電極(14a,14b),ゲート電極(8a〜8c)が同一平面にある横型IGBTにおいて、
コレクターエミッタ間距離をLCE、少数キャリアの拡散係数をDとするとき、第1半導体層(3)の少数キャリアのライフタイムτが、
τ>LCE 2/(5.29×D)
であるとともに、第4の半導体層(12a,12b)の表面濃度が5×1017/cm3以下であることを特徴とする横型IGBTである。
A first semiconductor layer (3) of the first conductivity type (n−);
A plurality of second semiconductor layers (4a, 4b) of the second conductivity type (p) provided in the first semiconductor layer (3) and having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor layer (3);
A plurality of first semiconductor type (n) third semiconductor layers (5a, 5b,...) Provided in the second semiconductor layer (4a, 4b) and having a higher impurity concentration than the second semiconductor layers (4a, 4b). 5c, 5d),
A plurality of MOS (Metal Oxide Semiconductor) structures provided on the surfaces of the first, second, and third semiconductor layers;
A plurality of second conductivity types provided in the first semiconductor layer (3) and provided away from the second semiconductor layers (4a, 4b) and having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer (3). p) fourth semiconductor layer (12a, 12b);
An emitter electrode (13) that is in ohmic contact with the second and third semiconductor layers (4a, 4b, 5a to 5d);
Having collector electrodes (14a, 14b) in ohmic contact with the fourth semiconductor layers (12a, 12b);
In a lateral IGBT in which an emitter electrode (13), a collector electrode (14a, 14b), and a gate electrode (8a to 8c) are in the same plane,
When the collector-emitter distance is L CE and the minority carrier diffusion coefficient is D, the minority carrier lifetime τ of the first semiconductor layer (3) is:
τ> L CE 2 /(5.29×D)
And the lateral concentration of the fourth semiconductor layer (12a, 12b) is 5 × 10 17 / cm 3 or less.
図4は、本発明の第2の実施例による横型IGBTの断面構造図である。第1の実施例に加えて、pチャネル層4a,4bに対してn層20a,20bを設けたものである。これによりpチャネル層4a,4b間のn−層3でピンチオフによりn−層抵抗が増加し、オン電圧が増加することを防止できるため第1の実施例よりさらにオン電圧を低減できる。
FIG. 4 is a cross-sectional view of a lateral IGBT according to the second embodiment of the present invention. In addition to the first embodiment, n layers 20a and 20b are provided for the p channel layers 4a and 4b. As a result, the n-layer resistance between the p-
図5は、本発明の第3の実施例による横型IGBTの断面構造図である。第1の実施例に加えて、p+層15a,15bを設けたものである。p+層15a,15bは、横型IGBTの長辺方向(図5の奥行き方向)に対して、断続的に設けられている。また、コレクタ電極14a,14bはpコレクタ層12a,12bともp+層15a,15bとも接触している。pコレクタ層12a,12bは、表面濃度が5E17/cm3以下と低いため、接触抵抗が大きくなる。このため、p+層15a,15bを設けて接触抵抗を小さくしている。ただし、コレクタ電極が全てp+層15a,15bと接触すると、コレクタからのホールの注入が多くなり、ターンオフ損失が増加する。このため、p+層15a,15bは、長辺方向(図5の奥行き方向)に対して、断続的に設けるとともに、コレクタ電極14a,14bはp+層15a,15bとpコレクタ層12a,12b両方に接触するようにしている。
FIG. 5 is a cross-sectional view of a lateral IGBT according to the third embodiment of the present invention. In addition to the first embodiment, p + layers 15a and 15b are provided. The p + layers 15a and 15b are provided intermittently with respect to the long side direction (depth direction in FIG. 5) of the lateral IGBT. The
ところで、電子線によるライフタイム制御では、モノリシック構造ではIGBT以外の素子、例えばフライホイール用のダイオードにも照射されるため、ダイオードの高速化も合わせて行われていた。このため、本発明の横型IGBTを用いてインバータICを製造する場合、ダイオードの高速化手段が必要である。 By the way, in the lifetime control by the electron beam, since the element other than the IGBT, for example, a flywheel diode is irradiated in the monolithic structure, the speed of the diode is also increased. Therefore, when an inverter IC is manufactured using the lateral IGBT of the present invention, a diode speed-up means is necessary.
図6は、本発明の横型IGBTと集積化するダイオードの第1の実施例による断面および一部奥行き構造図である。支持体となる基板1上に酸化膜(SiO2)2が設けられさらにその上にn−層3が設けられている。n−層3中にはpアノード層30が設けられている。pアノード層30とは離れてn+カソード層35a,35bが設けられている。pアノード層30n−層3の表面にはゲート酸化膜31a、その上には電極32aが設けられている。pアノード層30にはアノード電極37がオーミック接続している。カソードn+層35a,35bにはカソード電極36a,36bが接続している。アノードp層30とカソードn+層35a,35bの間には厚い酸化膜34a,34bが設けられている。電極32a、32b上には絶縁膜33a,33bが設けられている。なお、電極32a,32bはアノード電極37と同電位にあり、フィールドプレートの役割を果たしている。
FIG. 6 is a sectional view and a partial depth structure diagram of a first embodiment of a diode integrated with a lateral IGBT of the present invention. An oxide film (SiO 2) 2 is provided on a
ダイオードのスイッチング損失はリカバリ時に流れるリカバリ電流による。このため、ダイオードの損失低減のためにはリカバリ損失を下げる必要がある。ライフタイム制御しない場合のアノードp層濃度とリカバリ電流の関係があることを見出した。 The diode switching loss is due to the recovery current that flows during recovery. For this reason, it is necessary to reduce the recovery loss in order to reduce the loss of the diode. It has been found that there is a relationship between the anode p layer concentration and the recovery current when the lifetime is not controlled.
図7は、横型IGBTのpアノード層表面濃度対順方向電流で規格化したリカバリ電流のピーク値の関係を示すグラフである。pアノード層の表面濃度を下げることで、ライフタイム制御することなくリカバリ電流を低減できる。インバータICではリカバリ電流は順方向電流に対して1/2以下とする必要があるので、pアノード層表面濃度は5E17/cm3以下とする必要がある。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the p-anode layer surface concentration of the lateral IGBT and the peak value of the recovery current normalized by the forward current. By reducing the surface concentration of the p anode layer, the recovery current can be reduced without controlling the lifetime. In the inverter IC, since the recovery current needs to be ½ or less of the forward current, the p anode layer surface concentration needs to be 5E 17 / cm 3 or less.
図8は、本発明の横型IGBTと集積化するダイオードの第2の実施例の断面構造図である。pアノード層は複数のp層40a,40b,40cに分割されている。さらにアノード電極はp層40a,40b,40cとともにn−層3にも接触している。アノード電極とn−層3の接触部はショットキ接触している。ところで、リカバリ電流のピーク値はpアノード近傍に蓄積したキャリアによって決まる。p層を分割してショットキ接合との複合構造とすることで、pアノード近傍に蓄積するキャリアを減少させ、第1実施例のダイオードよりリカバリ電流を減少させることができる。
FIG. 8 is a sectional structural view of a second embodiment of the diode integrated with the lateral IGBT of the present invention. The p anode layer is divided into a plurality of
図9は、本発明の横型IGBTと集積化するダイオードの第3の実施例の断面および一部奥行き構造図である。アノードの拡散層の奥行き方向を示すため、アノード電極37は除いてある。第2の実施例に加えて、p層40a,40b,40c中にp+層41a,41b,41cを設けている。p+層41a,41b,41cはダイオードの長辺方向(図9奥行き方向)に対して、断続的に設けられている。これにより、p層40a,40b,40cとアノード電極37の接触抵抗を低減している。また、p+層41a,41b,41cが全面でアノード電極37と接触するとホールの注入が多くなり、リカバリ電流が増加するため、p+層41a,41b,41cはダイオードの長辺方向(図9奥行き方向)に対して、断続的に設けられている。
FIG. 9 is a sectional view and a partial depth structure diagram of a third embodiment of a diode integrated with a lateral IGBT of the present invention. In order to show the depth direction of the diffusion layer of the anode, the
以上の本発明の望ましい実施例によれば、横型IGBTにおいて、コレクタとエミッタ間の距離をLCE、少数キャリアの拡散係数をDとするとき、ライフタイムτの条件式を、
τ>LCE 2/(5.29×D)
とするとともに、コレクタ層の表面濃度を5×1017/cm3以下とした。これにより、インバータICに必要なターンオフの高速性を損なうことなく、コレクタから注入された少数キャリアが全てのエミッタ層からの電流経路に沿ってチャネル層に到達できるようになり、IGBT内部で電流が均一に流れ、オン電圧を低減できる。
According to the above preferred embodiment of the present invention, in the lateral IGBT, when the distance between the collector and the emitter is L CE and the diffusion coefficient of minority carriers is D, the conditional expression of lifetime τ is
τ> L CE 2 /(5.29×D)
The surface concentration of the collector layer was set to 5 × 10 17 / cm 3 or less. As a result, minority carriers injected from the collector can reach the channel layer along the current path from all the emitter layers without impairing the high-speed turn-off required for the inverter IC. It can flow uniformly and reduce the on-voltage.
1:支持体基板、2:酸化膜、3:n−層、4:pチャネル層、5:n+層、6:p+層、7:ゲート酸化膜、8:ゲート電極、9:絶縁膜、10:厚い酸化膜、11:n層、12:pコレクタ層、13:エミッタ電極、14:コレクタ電極、20:n層、30:pアノード層、31:ゲート酸化膜、32:電極、33:絶縁膜、34:厚い酸化膜、35:n+カソード層、36:カソード電極、37:アノード電極、40:pアノード層、41…p+層。 1: support substrate, 2: oxide film, 3: n− layer, 4: p channel layer, 5: n + layer, 6: p + layer, 7: gate oxide film, 8: gate electrode, 9: insulating film, 10 : Thick oxide film, 11: n layer, 12: p collector layer, 13: emitter electrode, 14: collector electrode, 20: n layer, 30: p anode layer, 31: gate oxide film, 32: electrode, 33: insulation Film: 34: thick oxide film, 35: n + cathode layer, 36: cathode electrode, 37: anode electrode, 40: p anode layer, 41... P + layer.
Claims (9)
第1の半導体層内に設けられ、第1の半導体層より不純物濃度の高い複数の第2導電型の第2の半導体層と、
第2の半導体層内に設けられ、第2の半導体層より不純物濃度の高い複数の第1導電型の第3の半導体層と、
第1,2,3の半導体層表面に設けられた複数のMOS構造と、
第1の半導体層内に設けられ、第2の半導体層から離れて設けられた、第1の半導体層より不純物濃度の高い複数の第2導電型の第4の半導体層と、
第2,3の半導体層にオーミック接続するエミッタ電極と、
第4の半導体層にオーミック接続するコレクタ電極を有し、
エミッタ電極、コレクタ電極、ゲート電極が同一平面にある横型IGBTにおいて、
コレクターエミッタ間距離をLCE、少数キャリアの拡散係数をDとするとき、第1半導体層の少数キャリアのライフタイムτが、
τ>LCE 2/(5.29×D)
であるとともに、第4の半導体層の表面濃度が5×1017/cm3以下であることを特徴とする横型IGBT。 A first semiconductor layer of a first conductivity type;
A plurality of second conductivity type second semiconductor layers provided in the first semiconductor layer and having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor layer;
A plurality of third semiconductor layers of a first conductivity type provided in the second semiconductor layer and having an impurity concentration higher than that of the second semiconductor layer;
A plurality of MOS structures provided on the surface of the first, second, and third semiconductor layers;
A plurality of second conductivity type fourth semiconductor layers provided in the first semiconductor layer and spaced apart from the second semiconductor layer and having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer;
An emitter electrode in ohmic contact with the second and third semiconductor layers;
Having a collector electrode in ohmic contact with the fourth semiconductor layer;
In a lateral IGBT in which an emitter electrode, a collector electrode, and a gate electrode are in the same plane,
When the collector-emitter distance is L CE and the minority carrier diffusion coefficient is D, the minority carrier lifetime τ of the first semiconductor layer is
τ> L CE 2 /(5.29×D)
And the lateral concentration of the fourth semiconductor layer is 5 × 10 17 / cm 3 or less.
第1の半導体層内に設けられ、第1の半導体層より不純物濃度の高い複数の第2導電型の第2の半導体層と、
第2の半導体層内に設けられ、第2の半導体層より不純物濃度の高い複数の第1導電型の第3の半導体層と、
第1,2,3の半導体層表面に設けられた複数のMOS構造と、
第1の半導体層内に設けられ、第2の半導体層から離れて設けられ第1の半導体層より不純物濃度の高い複数の第2導電型の第4の半導体層と、
第2,3の半導体層にオーミック接続するエミッタ電極と、
第4の半導体層にオーミック接続するコレクタ電極を有し、
エミッタ電極、コレクタ電極、ゲート電極が同一平面にある横型IGBTにおいて、
耐圧が500V以上で、第1半導体層の少数キャリアのライフタイムが0.38μs以上であり、かつ第4の半導体層の表面濃度が、5×1017/cm3以下であることを特徴とする横型IGBT。 A first semiconductor layer of a first conductivity type;
A plurality of second conductivity type second semiconductor layers provided in the first semiconductor layer and having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor layer;
A plurality of third semiconductor layers of a first conductivity type provided in the second semiconductor layer and having an impurity concentration higher than that of the second semiconductor layer;
A plurality of MOS structures provided on the surface of the first, second, and third semiconductor layers;
A plurality of second conductivity type fourth semiconductor layers provided in the first semiconductor layer and spaced apart from the second semiconductor layer and having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer;
An emitter electrode in ohmic contact with the second and third semiconductor layers;
Having a collector electrode in ohmic contact with the fourth semiconductor layer;
In a lateral IGBT in which an emitter electrode, a collector electrode, and a gate electrode are in the same plane,
The breakdown voltage is 500 V or more, the minority carrier lifetime of the first semiconductor layer is 0.38 μs or more, and the surface concentration of the fourth semiconductor layer is 5 × 10 17 / cm 3 or less. Horizontal IGBT.
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