JP2010251517A - Power semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、大容量の電力を取り扱う電力変換器等に用いられるパワー半導体装置に関する。 The present invention relates to a power semiconductor device used for a power converter or the like that handles a large amount of power.
従来からIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、ダイオード、GTO(Gate Turn Off)サイリスタ、パワートランジスタ等のパワー半導体素子は、耐圧や電流容量に応じて各種インバータ装置などに応用されている。
上記IGBTは、特に、電圧を印加することにより容易にスイッチングすることが可能なため制御が容易であり、かつ電流容量が大きく、大電流の高周波動作が可能であるなど、他のパワー半導体装置に比較して有利な点を有している。
Conventionally, power semiconductor elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), diodes, GTO (Gate Turn Off) thyristors, and power transistors have been applied to various inverter devices depending on the withstand voltage and current capacity.
In particular, the IGBT can be easily switched by applying a voltage, is easy to control, has a large current capacity, and is capable of high-frequency operation with a large current. It has an advantage in comparison.
このIGBTは、図16及び図17に示すように、MOSトランジスタのドレイン電流がpnp型バイポーラトランジスタ(以下、pnpトランジスタ)のベース電流となり、npn型バイポーラトランジスタ(以下、npnトランジスタ)がオン状態となって動作することでオン状態となる(例えば、特許文献1参照)。この図16において、pnpトランジスタは、IGBTにおけるコレクタ層がコレクタ、ドリフト層がベース、ベース領域がエミッタとして構成されている。
そして、pnpトランジスタのコレクタ電流が増加したとしても、ドリフト層へのキャリアが注入され、伝導度変調が起こり、素子の抵抗が低下するため、電流増加に伴うコレクタ−エミッタ間の電圧の上昇が抑制されるため、大電流のスイッチング素子として多用されている。
In this IGBT, as shown in FIGS. 16 and 17, the drain current of the MOS transistor becomes the base current of the pnp bipolar transistor (hereinafter referred to as pnp transistor), and the npn bipolar transistor (hereinafter referred to as npn transistor) is turned on. To turn on (see, for example, Patent Document 1). In FIG. 16, the pnp transistor is configured such that a collector layer in the IGBT is a collector, a drift layer is a base, and a base region is an emitter.
Even if the collector current of the pnp transistor increases, carriers are injected into the drift layer, conductivity modulation occurs, and the resistance of the element decreases, so that the increase in voltage between the collector and the emitter accompanying the increase in current is suppressed. Therefore, it is frequently used as a large current switching element.
しかしながら、コレクタ電流が少ない電流領域においては、接合電位によってコレクタ−エミッタ間電圧の下限値が制限され、エネルギー損失が発生することになる。
このため、メガソーラなどの再生可能なエネルギーを利用した発電システムにおいては、出力変動が激しいため、電力変換にIGBTを用いた場合、部分負荷時等の小電流領域における電力変換効率の低下が問題となる。
However, in the current region where the collector current is small, the lower limit value of the collector-emitter voltage is limited by the junction potential, and energy loss occurs.
For this reason, in power generation systems that use renewable energy such as mega solar, output fluctuations are severe, so when using IGBT for power conversion, there is a problem of reduced power conversion efficiency in a small current region such as during partial load. Become.
また、近年、マトリクスコンバータの実用化が進んでいる。このマトリクスコンバータは、交流入力及び交流出力からなり、交流入力の電源電圧を直接PWM制御することにより、任意の電圧の交流出力を出力するものである。変換回路内にキャパシタなどの蓄積要素を構成として持たないため、キャパシタの劣化による寿命低下の問題が無く、コンバータの回路規模が小さくなりコンパクトとなる。
しかしながら、このマトリクスコンバータを構築する場合、入力から出力へ、また出力から入力に対して双方向に電流を流す処理を行うため、双方向デバイスを用いる必要がある。この双方向デバイスを構成するため、2つの汎用のIGBTと2つのダイオードとを双方向動作するように組み合わせたり、2つの逆阻止型IGBTを相互の極性が逆向きとなるように並列接続して用いることになる。このため、従来のマトリクスコンバータは、期待されたほど、回路のコンパクト化を実現することができない。
In recent years, matrix converters have been put into practical use. This matrix converter includes an AC input and an AC output, and outputs an AC output of an arbitrary voltage by directly PWM controlling the power supply voltage of the AC input. Since there is no storage element such as a capacitor in the conversion circuit, there is no problem of a reduction in life due to deterioration of the capacitor, and the circuit scale of the converter is reduced and the converter becomes compact.
However, when constructing this matrix converter, it is necessary to use a bidirectional device in order to perform a process of flowing current bidirectionally from input to output and from output to input. In order to configure this bidirectional device, two general-purpose IGBTs and two diodes are combined so as to operate bidirectionally, or two reverse blocking IGBTs are connected in parallel so that their polarities are opposite to each other. Will be used. For this reason, the conventional matrix converter cannot realize circuit miniaturization as expected.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、小電流領域から大電流領域までの広範な電流値において、従来例に比較して、電力の変換効率を向上させることが可能なパワー半導体装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、小電流領域から大電流領域までの広範な電流値において、従来例に比較して、電力の変換効率を向上させ、かつ双方向に電流を流す動作を行うことが可能なパワー半導体装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such circumstances, and is capable of improving power conversion efficiency over a wide range of current values from a small current region to a large current region as compared with the conventional example. An object is to provide a semiconductor device.
In addition, the present invention can improve the power conversion efficiency and perform the operation of flowing a current bidirectionally over a wide range of current values from a small current region to a large current region. An object is to provide a power semiconductor device.
請求項1記載の発明は、IGBTにおけるバイポーラトランジスタ(例えば、実施形態におけるpnpトランジスタ101,npnトランジスタ102)のベース電流を流し、IGBTにスイッチング動作を行わせる第1MOSトランジスタ(例えば、実施形態における第1MOSFET104)と、オンオフ動作により、前記バイポーラトランジスタのベースの電位を制御するものであり、スイッチング動作を行う際、前記バイポーラトランジスタの前記ベースに前記ベース電流を流し、IGBTとして動作させるか、あるいは第1MOSトランジスタのみ動作させてMOSトランジスタとして動作させるかの制御を行う第2MOSトランジスタ(例えば、実施形態における第2MOSFET50)とを有するパワー半導体素子であり、第1の導電型のドリフト層(図1、図10、図13のドリフト層10)と、該ドリフト層の主表面側に形成された第2の導電型のベース領域(図1、図10、図13のベース領域11)と、該ベース領域の表面において、該ベース領域内で終端するように形成された第1導電型のエミッタ領域(図1、図10、図13のエミッタ領域12)と、前記ドリフト層の裏面側に形成された第2の導電型の裏面拡散層(図1、図10の裏面拡散層15、図13の裏面拡散領域51)と、該裏面拡散層内において、当該裏面拡散層表面に形成された第1導電型のMOS拡散層(図1、図10のMOS拡散層150、図13のMOS拡散層52)と、前記エミッタ領域及びドリフト層間における前記ベース領域を、前記第1MOSトランジスタの第1のチャネル領域とし、該第2のチャネル領域の表面に形成された第1のゲート絶縁膜(図1、図10、図13のゲート絶縁膜13)と、前記エミッタ領域及び前記ベース領域に接続されたエミッタ電極(図1、図10、図13のエミッタ電極E)と、前記第1のゲート絶縁膜上に形成された第1のゲート電極(図1、図10、図13のゲート電極14)と、前記裏面拡散層及びMOS拡散層上に形成されたコレクタ電極(図1、図10のコレクタ電極16、図13のコレクタ電極56)と、前記ドリフト層及びMOS拡散層間における前記裏面拡散層表面を、前記第2MOSトランジスタの第2のチャネル領域とし、該第2のチャネル領域の表面に形成された第2のゲート絶縁膜(図1、図10のゲート絶縁膜17、図13のゲート絶縁膜53)と
、該第2のゲート絶縁膜上に形成された第2のゲート電極(図1、図10のゲート電極18、図13のゲート電極54)とを有する。
本請求項の各構成要素は、上述したように、それぞれ図1、図2、図10及び図13の構成に対応して記載している。
The invention according to
Each component of this claim is described corresponding to the configuration of FIGS. 1, 2, 10 and 13 as described above.
請求項2記載の発明は、請求項2に記載のパワー半導体素子であり、前記ドリフト層(例えば、実施形態における図1及び図2のドリフト層10)をドレインとし、前記エミッタ領域(例えば、実施形態における図1及び図2のエミッタ領域12)をソースとし、前記ベース領域(例えば、実施形態における図1及び図2のベース領域11)表面をチャネル形成領域とする前記第1のゲート電極(例えば、実施形態におけるゲート電極14)からなる第1MOSトランジスタ(例えば、実施形態における図2の第1MOSFET104)が形成され、前記MOS拡散層をドレインとし、前記ドリフト層をソースとし、前記裏面拡散層をチャネル領域とする第2のゲート電極(例えば、実施形態における図1のゲート電極18)からなる第2MOSトランジスタ(例えば、実施形態における第2MOSFET50)が形成されており、前記MOSトランジスタ動作を行わせる場合、前記第1MOSトランジスタをオン状態とする際、前記第2MOSトランジスタをオン状態とし、一方、前記バイポーラ動作を行わせる場合、前記第1MOSトランジスタをオン状態とする際、前記第2MOSトランジスタをオフ状態とすることを特徴とする。
本請求項の各構成要素は、上述したように、それぞれ図1図2、図10及び図13の構成に対応して記載している。
The invention according to
Each component of this claim is described corresponding to the configuration of FIGS. 1, 2, 10 and 13, respectively, as described above.
請求項3記載の発明は、請求項1または請求項2に記載のパワー半導体素子であり、前記裏面拡散層の裏面から、前記MOS拡散層を貫通し、前記ドリフト層内に達する溝を形成し、該溝内面に前記第2のゲート絶縁膜を形成し、該第2のゲート絶縁膜上に前記第2のゲート電極を設け、前記コレクタ層における前記溝内部の内周面を前記第2のチャネル領域とすることを特徴とする。
本請求項の各構成要素は、上述したように、それぞれ図10の構成に対応して記載している。
A third aspect of the present invention is the power semiconductor element according to the first or second aspect, wherein a groove is formed from the back surface of the back surface diffusion layer, penetrating the MOS diffusion layer and reaching the drift layer. The second gate insulating film is formed on the inner surface of the groove, the second gate electrode is provided on the second gate insulating film, and the inner peripheral surface inside the groove in the collector layer is formed on the second gate electrode. A channel region is used.
Each component of this claim is described corresponding to the configuration of FIG. 10 as described above.
請求項4記載の発明は、請求項1または請求項2に記載のパワー半導体素子であり、前記コレクタ領域の表面において、該コレクタ領域内において終端するよう形成された第1導電型の拡散層(実施形態における図13のMOS拡散層52)をさらに有し、前記第2MOSトランジスタが、前記ドリフト層及び前記拡散層間における前記ドリフト層表面を前記第2のチャネル領域として形成され、前記第1MOSトランジスタに対して、電流の流れる方向に垂直な面を対称面として面対称の構造となっていることを特徴とする。
本請求項の各構成要素は、上述したように、それぞれ図13の構成に対応して記載している。
The invention according to
Each component of this claim is described corresponding to the configuration of FIG. 13 as described above.
請求項5記載の発明は、請求項4に記載のパワー半導体素子であり、前記第1MOSトランジスタにおいて、前記ベース領域の表面から、前記エミッタ領域を貫通し、前記ドリフト層内に達する第1の溝を形成し、当該第1の溝内に前記第1のゲート酸化膜を形成し、当該第1のゲート酸化膜状に前記第1のゲート電極を設け、前記エミッタ領域における前記第1の溝内部の内周面を前記第1のチャネル領域とし、前記第2MOSトランジスタにおいて、前記コレクタ層の裏面から前記ドリフト層内に達する溝を形成し、該溝内面に前記第2のゲート絶縁膜を形成し、該第2のゲート絶縁膜上に前記第2のゲート電極を設け、前記コレクタ層における前記溝内部の内周面を前記第2のチャネル領域とすることを特徴とする。本請求項の各構成要素は、上述したように、それぞれ図13の構成に対応して記載している。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the power semiconductor device according to the fourth aspect, wherein in the first MOS transistor, a first groove that penetrates the emitter region and reaches the drift layer from the surface of the base region. And forming the first gate oxide film in the first groove, providing the first gate electrode in the shape of the first gate oxide film, and forming the inside of the first groove in the emitter region In the second MOS transistor, a groove reaching the drift layer from the back surface of the collector layer is formed, and the second gate insulating film is formed on the inner surface of the groove. The second gate electrode is provided on the second gate insulating film, and the inner peripheral surface of the collector layer in the trench is used as the second channel region. Each component of this claim is described corresponding to the configuration of FIG. 13 as described above.
請求項6記載の発明は、請求項4または請求項5に記載のパワー半導体素子であり、前記コレクタ電極から前記エミッタ電極に対して電流を流す順方向動作の際、バイポーラトランジスタ動作の場合、前記第1MOSトランジスタをオン状態とし、第2MOSトランジスタをオフ状態とし、MOSトランジスタ動作の場合、前記第1MOSトランジスタをオン状態とし、第2MOSトランジスタをオン状態し、前記エミッタ電極から前記コレクタ電極に対して電流を流す逆方向動作の際、バイポーラトランジスタ動作の場合、前記第1MOSトランジスタをオフ状態とし、第2MOSトランジスタをオン状態とし、MOSトランジスタ動作の場合、前記第1MOSトランジスタをオン状態とし、第2MOSトランジスタをオン状態とすることを特徴とする。
本請求項の各構成要素は、上述したように、それぞれ図13の構成に対応して記載している。
The invention according to claim 6 is the power semiconductor element according to
Each component of this claim is described corresponding to the configuration of FIG. 13 as described above.
請求項7の発明は、インテリジェントパワーモジュールであり、請求項1から請求項6のいずれかに記載のパワー半導体素子と、当該パワー半導体素子に流れる電流を測定する電流センサと、前記電流センサの測定した測定電流が予め設定された閾値を超えたか否かを判定し、閾値を超えた場合、前記パワー半導体素子をバイポーラトランジスタとして動作させ、閾値以下の場合、前記パワー半導体素子をMOSトランジスタとして動作させるよう前記第1のゲート電極に制御信号を出力する制御回路とを有することを特徴とする。
本請求項の各構成要素は、上述したように、それぞれ図11の構成に対応して記載している。
A seventh aspect of the present invention is an intelligent power module, the power semiconductor element according to any one of the first to sixth aspects, a current sensor that measures a current flowing through the power semiconductor element, and a measurement of the current sensor. It is determined whether the measured current exceeds a preset threshold value. When the measured current exceeds the threshold value, the power semiconductor element is operated as a bipolar transistor. When the measured current is equal to or lower than the threshold value, the power semiconductor element is operated as a MOS transistor. And a control circuit for outputting a control signal to the first gate electrode.
Each component of this claim is described corresponding to the configuration of FIG. 11 as described above.
請求項8の発明は、請求項7に記載のインテリジェントパワーモジュールであり、前記制御回路が、前記パワー半導体素子のスイッチング毎に、前記制御信号により前記パワー半導体素子をMOSトランジスタとして動作させる電流範囲を増加あるいは減少させ、前記測定電流から求めたパワー半導体素子の消費電力がより小さくなるように、前記閾値の電流範囲を調整することを特徴とする。
本請求項の各構成要素は、上述したように、それぞれ図11の構成に対応して記載している。
The invention according to
Each component of this claim is described corresponding to the configuration of FIG. 11 as described above.
請求項9の発明は、請求項1から請求項6のいずれかに記載のパワー半導体素子から構成されたインテリジェントパワーモジュールであり、前記第2のゲート電極にMOSトランジスタとして動作させる制御信号を常に印加させ、パワー半導体素子に流れる電流増加に伴いバイポーラトランジスタとして動作させることを特徴とする。
本請求項の各構成要素は、上述したように、それぞれ図11の構成に対応して記載している。
A ninth aspect of the present invention is an intelligent power module comprising the power semiconductor element according to any one of the first to sixth aspects, wherein a control signal for operating as a MOS transistor is always applied to the second gate electrode. And operating as a bipolar transistor with an increase in the current flowing through the power semiconductor element.
Each component of this claim is described corresponding to the configuration of FIG. 11 as described above.
請求項10の発明は、請求項4から請求項6んこいずれかに記載の双方向に電流を流す(すなわち、電流が流れる方向を切り換える機能を有する)パワー半導体素子を複数備えたマトリクスコンバータであり、電源が出力する電力を、前記パワー半導体素子における第1MOSトランジスタ及び第2MOSトランジスタのスイッチング制御を行い、MOSトランジスタ動作あるいはIGBT動作にて、順方向あるいは逆方向に電流を流し、負荷に対して可変周波数の交流電力を出力することを特徴とする。
本請求項の各構成要素は、上述したように、それぞれ図14の構成に対応して記載している。
A tenth aspect of the present invention is a matrix converter comprising a plurality of power semiconductor elements in which a current flows in both directions (that is, a function of switching a direction in which the current flows) according to any one of the fourth to sixth aspects. Yes, the power output from the power source is controlled by switching the first MOS transistor and the second MOS transistor in the power semiconductor element, and a current is passed in the forward direction or the reverse direction in the MOS transistor operation or the IGBT operation. A variable frequency AC power is output.
Each component of this claim is described corresponding to the configuration of FIG. 14 as described above.
以上説明したように、本発明のパワー半導体素子によれば、MOSトランジスタ動作またはバイポーラトランジスタ動作を第2のゲート電極に印加する制御信号により、任意に切り替える構成としたため、部分負荷時の小電流領域において、MOSトランジスタの動作を行わせて、バイポーラ動作を行わせる場合に比較して、パワー半導体素子の電力損失を低減させ、大電流領域において、バイポーラトランジスタの動作(以下、IGBT動作)を行わせて、MOSトランジスタ動作を行わせる場合に比較して、パワー半導体素子の電力損失を低減させることが可能となり、小電流領域及び大電流領域の広範囲において低い電力損失の特性とすることができる。 As described above, according to the power semiconductor element of the present invention, since the MOS transistor operation or the bipolar transistor operation is arbitrarily switched by the control signal applied to the second gate electrode, the small current region at the time of partial load is obtained. In FIG. 2, the power loss of the power semiconductor element is reduced and the operation of the bipolar transistor (hereinafter referred to as IGBT operation) is performed in a large current region as compared with the case where the operation of the MOS transistor is performed to perform the bipolar operation. Thus, it is possible to reduce the power loss of the power semiconductor element as compared with the case where the MOS transistor operation is performed, and to have a low power loss characteristic in a wide range of a small current region and a large current region.
また、本発明のインテリジェントパワーモジュールによれば、制御回路が、電流センサの検出した電流値と、予め設定されている閾値とを比較し、MOSトランジスタ動作またはバイポーラトランジスタ動作とを、第2のゲート電極に印加する制御信号により切り替えるため、部分負荷時の小電流領域において、MOSトランジスタの動作を行わせて、バイポーラ動作を行わせる場合に比較して、パワー半導体素子の電力損失を低減させ、大電流領域において、IGBT動作を行わせて、MOSトランジスタ動作を行わせる場合に比較して、パワー半導体素子の電力損失を低減させることが可能となり、小電流領域及び大電流領域の広範囲において、従来に比較してより低い電力損失の特性とすることができる。 According to the intelligent power module of the present invention, the control circuit compares the current value detected by the current sensor with a preset threshold value, and performs the MOS transistor operation or the bipolar transistor operation to the second gate. Since switching is performed by a control signal applied to the electrode, the power loss of the power semiconductor element is reduced compared with the case where the MOS transistor is operated in a small current region at the time of partial load and the bipolar operation is performed. Compared with the case where the IGBT operation is performed in the current region and the MOS transistor operation is performed, it is possible to reduce the power loss of the power semiconductor element, and in the wide range of the small current region and the large current region, In comparison, the characteristic of lower power loss can be obtained.
また、本発明のパワー半導体素子によれば、従来のように複数のパワー半導体素子(例えば、IGBT)を組み合わせて双方向に電流を流すパワー半導体素子を構成する必要がなく、従来に比較して小型化することができ、また複数のパワー半導体素子を用いないため、従来に比較して価格を低減させることができる。
また、本発明のマトリクスコンバータによれば、従来のように複数のパワー半導体素子を組み合わせた双方向のIGBTを用いて、電力変換部を構成することがないため、従来に比較して小型化することが可能であり、装置の価格も従来に比較して低減させることができる。
In addition, according to the power semiconductor element of the present invention, it is not necessary to configure a power semiconductor element that allows a current to flow bidirectionally by combining a plurality of power semiconductor elements (for example, IGBT) as in the prior art. The size can be reduced, and since a plurality of power semiconductor elements are not used, the price can be reduced as compared with the prior art.
In addition, according to the matrix converter of the present invention, since a power conversion unit is not configured using a bidirectional IGBT in which a plurality of power semiconductor elements are combined as in the prior art, the matrix converter is reduced in size compared to the conventional one. It is possible to reduce the price of the apparatus as compared with the conventional one.
<第1の実施形態>
以下、本発明の第1の実施形態によるパワー半導体素子を図面を参照して説明する。図1は同実施形態によるパワー半導体素子の断面構造を示す概念図である。
裏面拡散層15はp型の不純物が添加されたp型の拡散層であり、pnp型バイポーラトランジスタのエミッタを形成している。この裏面拡散層15の主表面側(図1における裏面拡散層15の下側方向の面)にn型の不純物が添加された半導体層(あるいは半導体基板)としてドリフト層10が形成されている。このドリフト層10は、pnp型バイポーラトランジスタのベースを形成している。また、裏面拡散層15の主表面側と逆の面である裏面側(図1における裏面拡散層の上側方向の面)の表面に、裏面側表面の外周部に沿って所定の幅及び深さのn型のMOS拡散層150が形成されている。すなわち、裏面拡散層15が裏面の表面に露出する幅にてn型のMOS拡散層150を形成する。
上記ドリフト層10の主表面(図1におけるドリフト層10の下側方向の面)に、p型の不純物が添加されたベース領域11が形成されている。このベース領域11は、pnp型バイポーラトランジスタのコレクタを形成している。
<First Embodiment>
Hereinafter, a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure of the power semiconductor device according to the embodiment.
The
A
また、上記ベース領域11の主表面(図1におけるドリフト層10の下側方向の面)に、n型のエミッタ領域12がベース領域11内にて終端するように、すなわち完全に含まれるように形成されている。すなわち、エミッタ領域12は、厚さがベース領域11より薄く、厚さ方向においてベース領域11に含まれ、ベース領域11の主表面に対して垂直方向から見た平面視においてベース領域11内に含まれるよう形成されている。
コレクタ電極16は、裏面拡散層15の裏面(図1における裏面拡散層15の上側方向の面)上に形成されている。npn型のバイポーラトランジスタは、コレクタがドリフト層10で形成され、ベースがベース領域11にて形成され、エミッタがエミッタ領域12により形成されている。
Further, the main surface of the base region 11 (the surface in the lower direction of the
The
第1MOSトランジスタ104は、nチャネル型MOSトランジスタであり、ドリフト層10をドレイン、エミッタ領域12をソース、ゲート電極14として形成されている。すなわち、パワー半導体素子の主表面(図1の下側方向の面)において、エミッタ領域12とドリフト層10とに挟まれたベース領域11の表面をチャネル領域とするため、ゲート絶縁膜13は、ベース領域11の主表面上において、エミッタ領域12とベース領域11とドリフト層10との表面に形成され、ベース領域11を介して対向するエミッタ領域12及びドリフト層10に対し、端部が重なりあう領域を有するように形成されている。
また、ゲート電極14は、上記ゲート絶縁膜13の上部に、当該ゲート絶縁膜13と重なり合う、すなわち位置的に整合するように形成されている。
また、第2MOSトランジスタ50は、nチャネル型のMOSトランジスタであり、MOS拡散層150をドレイン、ドリフト層10をソースとし、ゲート電極18として形成されている。すなわち、ゲート絶縁膜17は、ドリフト層10とMOS拡散層150とに挟まれた裏面拡散層15の側面をチャネル領域とするため、パワー半導体素子の側面上において、ドリフト層10と裏面拡散層15とMOS拡散層150との側面の表面上に形成され、裏面拡散層15を介して対向するドリフト層10及びMOS拡散層150に対し、端部が重なりあう領域を有するように形成される。
ゲート電極18は、パワー半導体装置の側面上において、上記ゲート絶縁膜17と重なり合う、すなわち位置的に整合するように形成されている。
The
Further, the
The
The
次に、図1及び図2を用いて、本実施形態によるパワー半導体素子の動作を説明する。
図2は、図1のパワー半導体素子の等価回路を示す概念図である。
図2において、pnpトランジスタ101は、pnp型のバイポーラトランジスタであり、エミッタが裏面拡散層15、ベースがドリフト層10、エミッタがベース領域11から構成されている。npnトランジスタ102は、npn型のバイポーラトランジスタであり、コレクタがドリフト層10、ベースがベース領域11、エミッタがエミッタ領域12から構成されている。
Next, the operation of the power semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing an equivalent circuit of the power semiconductor element of FIG.
In FIG. 2, a
ここで、pnp型のトランジスタ101のエミッタがコレクタ電極16に接続され、pnpトランジスタ101のベースがnpnトランジスタ102のコレクタと接続され、pnpトランジスタ101のコレクタがnpnトランジスタ102のベースに接続されるとともに抵抗105を介して接地されており、npnトランジスタ102のエミッタが接地されている。この構成において、第1MOSトランジスタ104をオン状態とすることにより、pnpトランジスタ101及びnpnトランジスタ102が順次オン状態となり、コレクタ電極16からエミッタ電極Eに電流が流れることになる。
Here, the emitter of the
また、第1MOSトランジスタ104は、nチャネル型MOSトランジスタであり、ドレインがドリフト層10、ソースがベース領域11、ゲートがゲート電極14から構成されている。第2MOSトランジスタ50は、上述したように、nチャネル型MOSトランジスタであり、ドレインがMOS拡散層150、ソースがドリフト層10、ゲートがゲート電極18から構成されている。ゲート電極14あるいはゲート電極18は、例えば、コバルトなどを用いたシリサイドで形成されている。また、このシリサイド上にアルミニウムを重ねた2層構造として、上記ゲート電極18を構成しても良い。
The
また、図1に示すように、IGBTは、第1MOSトランジスタ104の上部にドリフト層10及び裏面電極層15が重ねられた状態となっている。したがって、第2MOSトランジスタ50をオン状態として、コレクタ電極16とドリフト層10とを短絡状態とすることにより、コレクタ電極16とドリフト層10とがオーミック接触した状態となり、pnpトランジスタ101におけるドリフト層10での伝導度変調が起こりにくく、IGBTの動作状態ではなく、MOSトランジスタの動作状態が支配的となる。
上述したように、本発明は、コレクタ電極16とドリフト層10とを短絡し、IGBTをMOSトランジスタとして機能させるため、この第2MOSトランジスタ50を設けたことを特徴とする。
Further, as shown in FIG. 1, the IGBT is in a state where the
As described above, the present invention is characterized in that the
また、パワー半導体素子30のコレクタ電極16は端子Tcに接続され、エミッタ電極Eは端子TEに接続され、電源として端子Tc及び端子TE間には電源23が介挿されている。この電源23は、例えば、大陽電池等により発電されたDC電流が蓄積されるバッテリである。例えば、この電源23のDC(直流)電圧を、家庭用電気機器に供給する場合、IGBT等を用いたインバータにより、商用電源に対応するAC(交流)電圧に変換する必要がある。本実施形態におけるパワー半導体素子30は、上記インバータにおいて、DC電圧をAC電圧に変換する(また電力変換を行う)ブリッジ回路を構成するスイッチング素子として使用される。
Further, the
図2において、抵抗103は第1MOSトランジスタ104と第2MOSトランジスタ50のオン抵抗であり、 抵抗105はnpnトランジスタ102のベースと端子TE間の抵抗(ベース領域11)である。
図1において、電源22とゲート電極14の端子TG1との間に介挿されたスイッチSW1をオン状態(導通状態)とすることにより、電源22から端子TG1を介してゲート電極14に「H」レベルの電圧(=VG1)が印加され、一方、スイッチSW1をオフ状態(非導通状態)とすることにより、ゲート電極18に「L」レベルの電圧(=例えば、接地電位)が印加される。
また、電源21とゲート電極18との間に介挿されたスイッチSW2をオン状態とすることにより、電源21から端子TG2を介してゲート電極18に「H」レベルの電圧(=VG2)が印加され、一方スイッチSW2をオフ状態とすることにより、ゲート電極18に「L」レベル(=接地電位)の電圧が印加される。
In FIG. 2, a
In FIG. 1, the switch SW1 inserted between the
Further, by turning on the switch SW2 inserted between the
全負荷時等の大電流領域の動作状態において、本実施形態のパワー半導体素子30にIGBTの動作を行わせる際、スイッチSW2をオフ状態とすることにより、第2MOSトランジスタ50がオフ状態となり、一般的なIGBTと同様な動作を行うことになる。
すなわち、スイッチSW2をオフ状態、スイッチSW1をオン状態とした場合、第1MOSトランジスタ104をオンとなり、第1MOSトランジスタ104において、ドレイン電流がドリフト層10からエミッタ領域12に流れるため、接続点Aの電位が低下することで、pnpトランジスタ101にベース電流が流れ、pnpトランジスタ101がオンとなる。
When operating the IGBT in the
That is, when the switch SW2 is turned off and the switch SW1 is turned on, the
ここで、pnpトランジスタ101において、バイポーラトランジスタが動作することによる伝導度変調が発生し、ドリフト層10の抵抗値が減少する。これにより、IGBTに流れるコレクタ電流が増加しても、ドリフト層10にキャリアが注入され、伝導度変調が発生して、コレクタ電流増加によるコレクタ(コレクタ電極16)−エミッタ(エミッタ電極E)間電圧の上昇が抑制される。
そして、抵抗105に電流が流れることにより、接続点Bの電位が上昇し、npnトランジスタ102のベース−エミッタ間に電流が流れ、さらに接続点Aの電圧が低下し、pnpトランジスタ101のコレクタ電流が増加することになる。
Here, in the
When the current flows through the
一方、部分負荷時等の小電流領域の動作状態において、本実施形態のパワー半導体素子30にMOSトランジスタの動作を行わせる際、スイッチSW2をオン状態とすることにより、第2MOSトランジスタ50がオン状態となり、一般的なMOSトランジスタと同様な動作を行うことになる。
すなわち、スイッチSW2をオン状態、スイッチSW1をオン状態とした場合、第1MOSトランジスタ104をオンとなり、第1MOSトランジスタ104において、ドレイン電流がドリフト層10からエミッタ領域12に流れる。
ここで、この第1MOSトランジスタ104のドレイン電流は、第2MOSトランジスタ50を介して流れるものであり、接続点Aの電位が低下せず、pnpトランジスタ101にベース電流が流れず、pnpトランジスタ101はオン状態にはなりにくい。
On the other hand, in the operation state of the small current region such as during partial load, when the
That is, when the switch SW2 is turned on and the switch SW1 is turned on, the
Here, the drain current of the
しかしながら、負荷に流れる電流が増加し、第2MOSトランジスタ50に流せる電流に比較し、第1MOSトランジスタ104が流せる電流が増加すると、接続点Aの電位が低下し、pnpトランジスタ101のベース電流が流れ、pnpトランジスタ101がオンし、IGBTの動作状態に移行することとなる。
したがって、MOSトランジスタの動作から、IGBTの動作に移行する負荷電流は、第1MOSトランジスタ104と第2MOSトランジスタ50とのオン抵抗の値により決定される。
本実施形態において、パワー半導体素子30を動作させた場合に、小電流領域とはIGBT動作における損失エネルギーがMOSトランジスタにおける損失エネルギーを超える負荷電流以下の電流範囲を示し、一方、大電流領域とはMOSトランジスタ動作における損失エネルギーがIGBTにおける損失エネルギーを超える負荷電流を超える電流範囲を示している。
However, when the current that flows through the load increases and the current that can flow through the
Therefore, the load current that shifts from the operation of the MOS transistor to the operation of the IGBT is determined by the values of the on-resistances of the
In the present embodiment, when the
上述したように、負荷に流れる電流量により、パワー半導体素子30をMOSトランジスタあるいはIGBTとして動作させることにより、以下に示すように、部分負荷時等の低容量の小電流領域におけるIGBTのエネルギー損失と、全負荷時などの大容量の大電流領域におけるMOSトランジスタのエネルギー損失との双方を低減することができる。
すなわち、IGBTのオン特性は、図3に示すように、負荷電流(コレクタ電流)が少ない小電流領域(部分負荷により流れる電流範囲)において、pn接合の接合電位によりコレクタ(コレクタ電極16)−エミッタ(エミッタ電極E)間電圧の下限値(パワー半導体素子30に電流が流れ始めるコレクタ−エミッタ間の接合電位における閾値の電圧)により制限され、この下限値以下の領域においてパワー半導体素子30には電流が流れずにエネルギー損失となる。
一方、大電流領域においてはドリフト層10に対して裏面拡散層15からキャリアが注入され、pnpトランジスタ101及びnpnトランジスタ102がオン状態となり、すなわち伝導度変調によってコレクタ(コレクタ電極16)−エミッタ(エミッタ電極E)間電圧の上昇がなくなり、大電流のコレクタ電流をIGBTに流すことができる。図3は、横軸がパワー半導体素子30におけるコレクタ電極16とエミッタ電極Eとの間の電圧VCEの電圧値を示し、縦軸がパワー半導体素子30におけるコレクタ電極16とエミッタ電極Eとの間に流れるコレクタ電流の電流値を示している。
As described above, by operating the
That is, as shown in FIG. 3, the on-characteristics of the IGBT are such that the collector (collector electrode 16) -emitter depends on the junction potential of the pn junction in a small current region (current range caused by partial load) where the load current (collector current) is small. It is limited by the lower limit value of the voltage between (emitter electrode E) (threshold voltage at the collector-emitter junction potential at which current starts to flow through the power semiconductor element 30). Energy does not flow and energy is lost.
On the other hand, in the large current region, carriers are injected from the
しかしながら、MOSトランジスタのオン特性は、上記IGBTと異なり、pn接合がないために接合電位がなく、オン抵抗としてドリフト層10のオーミック抵抗が支配的である。
このため、MOSトランジスタには、pn接合における接合電位が無いため、小電流領域においても電流が流れるため、図4に示すように、コレクタ−エミッタ(コレクタ電極16−エミッタ電極E)間におけるエネルギー損失がない。
しかしながら、大電流領域においては、ドリフト層10のオーミック抵抗の抵抗値に応じて、負荷電流が増加するとともに、ドリフト層10が負荷となって電力が消費されることにより、エネルギー損失も増加することとなる。図4は、横軸がドリフト層10とエミッタ電極Eとの間の電圧VDSの電圧値を示し、縦軸がドリフト層10とエミッタ電極Eとの間の電流値を示している。
However, unlike the IGBT, the on characteristics of the MOS transistor have no junction potential because there is no pn junction, and the ohmic resistance of the
For this reason, since the MOS transistor has no junction potential at the pn junction, a current flows even in a small current region. Therefore, as shown in FIG. 4, energy loss between the collector and the emitter (
However, in the large current region, the load current increases according to the resistance value of the ohmic resistance of the
したがって、図5に示すように、負荷電流の電流値に対して予め閾値を設定しておき、その閾値以下における負荷電流の小電流領域においてエネルギー損失がIGBTに比較して少ないMOSトランジスタとして動作させ、その閾値を超える負荷電流の大電流領域においてエネルギー損失がMOSトランジスタに比較して少ないIGBTとして動作させるようにすることで、本実施形態は、負荷電流の低電力領域から大電流領域までの全範囲におけるエネルギー損失(導通損失)の少ないパワー半導体素子を実現している。図5は、IGBTについては図3と同様であり、MOSトランジスタ(MOSFET)については図4と同様である。ここで、本実施形態において、負荷電流に対する上記閾値は、MOSトランジスタ動作におけるエネルギー損失がバイポーラ動作(IGBT動作)におけるエネルギー損失を超える電流値に設定する。 Therefore, as shown in FIG. 5, a threshold value is set in advance for the current value of the load current, and is operated as a MOS transistor with less energy loss than the IGBT in a small current region of the load current below the threshold value. By operating as an IGBT with less energy loss than the MOS transistor in the large current region of the load current exceeding the threshold, the present embodiment is able to achieve the entire load current from the low power region to the large current region. A power semiconductor element with low energy loss (conduction loss) in the range is realized. FIG. 5 is the same as FIG. 3 for the IGBT and the same as FIG. 4 for the MOS transistor (MOSFET). Here, in the present embodiment, the threshold value for the load current is set to a current value at which the energy loss in the MOS transistor operation exceeds the energy loss in the bipolar operation (IGBT operation).
図6に示す構成のIPM(Intelligent Power Module)81に対して交流電源80からピーク電圧300Vの交流電圧を印加し、抵抗負荷82の抵抗値を変化させ、負荷電流の数値を制御し、MOSトランジスタによる動作と、IGBTによる動作によるエネルギー損失を、シミュレーションにより求めた。このIPM81の構成は、後述する図11により詳細に説明する。
このシミュレーションにおいて、導通損失を「導通電圧×導通電流×導通時間」の式より求め、スイッチング損失を「印加電圧×導通電流×スイッチング時間/6」の式より求め、交流半サイクルの導通損失とスイッチング損失の総和からエネルギー損失を算出した。ここで、上記導通電圧はコレクタ(コレクタ電極16)−エミッタ(エミッタ電極E)間電圧であり、上記導通電流は負荷電流であり、上記導通時間は素子がオン状態の時間であり、上記印加電圧はコレクタ電極16に印加した電圧であり、スイッチング時間はスイッチング時にオン状態からオフ状態(電流値により測定)に切り替わる時間である。
図7の動作条件は抵抗負荷82の抵抗値を30Ωとして、5kHzの周波数にてデューティ50%にてスイッチングを行わせ、一方、図8の動作条件は抵抗負荷82の抵抗値を6Ωとして、5kHzの周波数にてデューティ50%スイッチングを行わせるものである。図7及び図8において、横軸が時間であり、縦軸が抵抗負荷に流れる電流値である。
6 is applied to an IPM (Intelligent Power Module) 81 having the configuration shown in FIG. 6 from an
In this simulation, the conduction loss is obtained from the equation “conduction voltage × conduction current × conduction time”, the switching loss is obtained from the equation “applied voltage × conduction current × switching time / 6”, and the conduction loss and switching of the AC half cycle are calculated. Energy loss was calculated from the total loss. Here, the conduction voltage is a voltage between the collector (collector electrode 16) and the emitter (emitter electrode E), the conduction current is a load current, the conduction time is a time during which the element is on, and the applied voltage Is the voltage applied to the
The operating condition of FIG. 7 is that the resistance value of the
図9は上述した図7及び図8各々と同様に、5kHzの駆動周波数にてデューティ50%にて、負荷電流のピークが2A(アンペア)、5A、10A、20A、30A、40A、50Aとなるように、抵抗負荷82を変化させ、IGBT、MOSトランジスタ及び本実施形態におけるパワー半導体素子30それぞれのエネルギー損失を計算し、各負荷電流値におけるIGBTのエネルギー損失を1として、エネルギー損失を規格化した図であり、横軸が負荷電流の電流値を示し、縦軸にIGBTのエネルギー損失により規格化したエネルギー損失を示す。
ここで、IGBTとしてはGT80J101B(東芝製)、MOSトランジスタとしては2SK3911(東芝製)、本実施形態のエネルギー損失は、負荷電流が5A以下の領域において2SK3911の特性を用い、負荷電流が5Aを超える領域においてGT80J101Bの特性を用いた。
9 is the same as FIGS. 7 and 8 described above, and the load current peaks at 2 A (amperes), 5 A, 10 A, 20 A, 30 A, 40 A, and 50 A at a duty of 50% at a driving frequency of 5 kHz. As described above, the energy loss of the IGBT, the MOS transistor, and the
Here, GT80J101B (manufactured by Toshiba) as the IGBT, 2SK3911 (manufactured by Toshiba) as the MOS transistor, and the energy loss of the present embodiment uses the characteristics of 2SK3911 in the region where the load current is 5 A or less, and the load current exceeds 5 A. The characteristics of GT80J101B were used in the region.
上記図9からわかるように、IGBTは、5A以下の負荷電流の小電流領域において、MOSトランジスタに比較してエネルギー損失が大きい。しかしながら、MOSトランジスタは、負荷電流が増加する毎にエネルギー損失も比例して増加していくため、5Aを超える負荷電流の大電流領域において、IGBTのエネルギー損失を超えることとなる。
一方、本実施形態によるパワー半導体素子は、5A以下の負荷電流の小電流領域において、MOSトランジスタと同様な特性を示し、IGBTよりもエネルギー損失が低く、5Aを超える負荷電流の大電流領域において、IGBTと同様な特定を示し、負荷電流の低電流領域から大電流領域までの全範囲におけるエネルギー損失(導通損失)の少ないパワー半導体素子を実現できることを示している。
As can be seen from FIG. 9, the IGBT has a larger energy loss than the MOS transistor in a small current region of a load current of 5 A or less. However, in the MOS transistor, as the load current increases, the energy loss also increases proportionally. Therefore, in the large current region of the load current exceeding 5 A, the energy loss of the IGBT is exceeded.
On the other hand, the power semiconductor device according to the present embodiment exhibits characteristics similar to those of a MOS transistor in a small current region of a load current of 5 A or less, has lower energy loss than an IGBT, and in a large current region of a load current exceeding 5 A. The same specification as that of the IGBT is shown, and it is shown that a power semiconductor element with less energy loss (conduction loss) in the entire range from the low current region to the large current region of the load current can be realized.
また、図10に本実施形態によるパワー半導体素子の他の構成例の断面構造を示す。図1における第2MOSトランジスタのゲートを、パワー半導体素子の外周部のみではなく、裏面拡散層15の中央部近傍に第2MOSトランジスタ50を形成する。
すなわち、裏面拡散層15の裏面において、この裏面拡散層15の中央部近傍表面にも、MOS拡散層150を一つあるいは複数個形成し、このMOS拡散層150の中央部を貫通し、さらに裏面拡散層15を貫通し、底部がドリフト層10に達する深さの溝(トレンチ)30を形成する。そして、この溝35の内面全体にゲート絶縁膜17を形成し、このゲート絶縁膜17上にゲート電極18を形成し、第2MOSトランジスタ50のゲート幅を増加させるMOSトランジスタのチャネル領域を、溝35の側面(裏面拡散層15)、すなわち溝35の内周面に形成する。
これにより、コレクタ電極16からドリフト層10に流し込む電流量が増加するため、第2MOSトランジスタのオン抵抗を低減させることができ、パワー半導体素子30をMOSMOSトランジスタとして動作させた場合、図1に比較してよりエネルギー損失を低減させることが可能となる。
FIG. 10 shows a cross-sectional structure of another configuration example of the power semiconductor device according to the present embodiment. The
That is, on the back surface of the
As a result, the amount of current flowing from the
次に、図1または図2に示すパワー半導体素子30を用いたIPM81の構成例を図11に示す。端子Tc(コレクタ側)と端子TE(エミッタ)側との間に逆導通用ダイオード60が設けられている。ここで、逆導通用ダイオード60は、カソードが端子Tcに接続され、アノードが端子TEに接続されている。
ゲートドライブ回路73は、パワー半導体素子30の端子TG1(第1MOSトランジスタ104のゲート電極14)に対し、IPM外部から端子TGを介して入力されるスイッチングに対する制御信号に対応した駆動信号を出力する。このとき、第1MOSトランジスタ104がnチャネル型MOSトランジスタであるため、ゲートドライブ回路73は、上記制御信号に対応し、制御信号パワー半導体素子30をオンさせる場合、第1MOSトランジスタ104の閾値以上(「H」レベル)の駆動信号を出力し、一方、制御信号パワー半導体素子30をオフさせる場合、第1MOSトランジスタ104の閾値未満(「L」レベル)の駆動信号を出力する。
Next, FIG. 11 shows a configuration example of the
The
ゲートドライブ回路74は、パワー半導体素子30の端子TG2(第2MOSトランジスタ50のゲート電極18)に対し、パワー半導体素子30を、MOSトランジスタ動作させるか、あるいはIGBT動作をさせるかを示す、制御回路72から入力される切替制御信号に対応した駆動信号を出力する。このとき、第2MOSトランジスタ50がnチャネル型MOSトランジスタであるため、ゲートドライブ回路74は、上記制御信号に対応し、第2MOSトランジスタ50をオンさせる場合、第2MOSトランジスタ50の閾値以上(「H」レベル)の駆動信号を出力し、一方、第2MOSトランジスタ50をオフさせる場合、第2MOSトランジスタ50の閾値未満(「L」レベル)の駆動信号を出力する。
The
上記制御回路72は、パワー半導体素子30に流れる負荷電流を電流センサ71により計測し、この計測した計測電流値と、内部に設定されている閾値(負荷電流の電流値の閾値)を比較する。
ここで、制御回路72は、上記計測電流値が上記閾値以下の場合、パワー半導体素子30をMOSトランジスタ動作させることを示す切替信号をゲートドライブ回路74に対して出力し、一方、計測電流値が閾値を超える場合、パワー半導体素子30をIGBT動作させることを示す切替信号をゲートドライブ回路74に対して出力する。
The
Here, when the measured current value is less than or equal to the threshold value, the
また、MOSトランジスタまたはIGBTの動作切替を判定する負荷電流の上記閾値を、パワー半導体素子30を設計する段階において決定する。
すなわち、シミュレーション結果から得られたIGBTのI−V特性と、第2MOSトランジスタ50のI−V特性とにより、すでに説明したエネルギー損失を求めるシミュレーションにより、MOSトランジスタ動作におけるエネルギー損失が、IGBT動作におけるエネルギー損失を超える負荷電流値を求め、第2MOSトランジスタ50を駆動させる負荷信号の数値を閾値とし、予め制御回路72に設定しておく。
Further, the threshold value of the load current for determining the operation switching of the MOS transistor or IGBT is determined at the stage of designing the
That is, according to the simulation for obtaining the energy loss already described based on the IV characteristics of the IGBT obtained from the simulation results and the IV characteristics of the
また、上述したように、パワー半導体素子30を設計する段階にて閾値を設定するのではなく、パワー半導体素子30からなるIPMを、例えばインバータなどとして組み立てた後に工場出荷する際に閾値を設定する。
すなわち、出荷検査において、上記閾値を調整しつつ、すなわち第2MOSトランジスタ50のオン/オフするタイミング(負荷電流の電流値の変化におけるタイミング)を調整しつつ、インバータの動作試験を行い、パワー半導体素子30によるエネルギー損失が最も低くなる閾値を抽出し、抽出した閾値を制御回路72に設定するようにしても良い。
Further, as described above, the threshold value is not set at the stage of designing the
That is, in the shipping inspection, the operation test of the inverter is performed while adjusting the threshold value, that is, adjusting the timing of turning on / off the second MOS transistor 50 (timing in the change of the current value of the load current). The threshold value at which the energy loss due to 30 is the lowest may be extracted, and the extracted threshold value may be set in the
さらに、電流センサ71のみではなく、端子Tc及び端子TE間に電圧センサを設け、制御回路72は、この電流センサ71により測定された電流値と、上記電圧センサにより測定された電圧値とにより、電力を算出するように構成しても良い。
この構成において、制御回路72は、第1MOSトランジスタ104がオンされる周期毎、あるいは複数周期単位にて、閾値の数値を変化させ、電力が直前に求めた数値より低くなるように制御する。
Further, not only the
In this configuration, the
すなわち、制御回路72は、閾値の数値を増加させたとき、測定された電流値と電圧値とから求めた電力が、直前の測定において求めた電力より増加した場合、閾値を低減させ、一方、測定された電流値と電圧値とから求めた電力が、直前の測定において求めた電力より減少した場合、閾値を再度増加させる。
また、制御回路72は、閾値の数値を減少させたとき、測定された電流値と電圧値とから求めた電力が、直前の測定において求めた電力より増加した場合、閾値を増加させ、一方、測定された電流値と電圧値とから求めた電力が、直前の測定において求めた電力より減少した場合、閾値を再度減少させる。
That is, when the
The
また、本実施形態によるパワー半導体素子30を用いたインバータにおいて、各第1MOSトランジスタ104のスイッチングにおいて、図12に示す電流半波波形を基にした制御信号を第1MOSトランジスタ104のゲート電極14に供給することにより、容易にMOSトランジスタ(MOSFET)動作をさせる場合と、IGBT動作をさせる場合とに、パワー半導体素子30を設定した閾値により効率的に切り替えることができる。
In the inverter using the
上述したように、パワー半導体素子30に対し、MOSトランジスタ動作させるか、あるいはIGBT動作させるかを制御するための閾値を、より少ないエネルギー損失となるように調整することにより、インバータなどに用いた場合、低い負荷電流の領域において、従来例に比較して高い効率にて電力変換を行うことが可能となる。
As described above, the
また、上述した説明においては、制御回路72が内部に設定されている閾値と、負荷電流とを比較することにより、負荷電流に対応して、パワー半導体素子30をMOSトランジスタ動作あるいはIGBT動作に切り替えるのではなく、予め第2MOSトランジスタ50のゲート電極18に対し、第2MOSトランジスタ50をオンとする閾値より高い電圧を印加した状態にて固定するように構成しても良い。
この場合、図2において、低い負荷電流の領域においては、接続点Aの電位が低下せずに、pnpトランジスタ101がオン状態とはならず、負荷電流が増加して接続点Aの電位が低下することにより、pnpトランジスタ101にベース電流が流れて、pnpトランジスタ101がオン状態になることにより、MOSトランジスタ動作からIGBT動作に移行する。
In the above description, the
In this case, in FIG. 2, in the low load current region, the potential at the connection point A does not decrease, the
この構成においては、例えば、パワー半導体素子30の設計段階において、第2MOSトランジスタ50のオン抵抗と、ドリフト層10の抵抗と、第1MOSトランジスタ104のオン抵抗となどの特性に基づいて、第2MOSトランジスタ50のゲート電極18に印加する電圧値を調整し、MOSトランジスタ動作またはIGBT動作の切り替えが、互いの領域におけるエネルギー損失の少ない負荷電流の電流値で行われるように設定しておく必要がある。
In this configuration, for example, in the design stage of the
<第2の実施形態>
次に、第2の実施形態によるパワー半導体素子を図面を参照して説明する。図13は、第2の実施形態によるパワー半導体素子の断面構造を示す概念図であり、図1の第1の実施形態の構成に対応する。第1の実施形態と同様な構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図1の第1の実施形態と異なる構成を以下に説明する。
ドリフト層10は、n型の不純物が添加されたn型基板である。ドリフト層10の主表面(図13におけるドリフト層10の下側方向の面)に、p型の不純物が添加されたベース領域11が形成されている。
また、上記ベース領域11の主表面(図13におけるドリフト層10の下側方向の面)に、n型のエミッタ領域12がベース領域11内にて終端するように、すなわち完全に含まれるように形成されている。すなわち、エミッタ領域12は、厚さがベース領域11より薄く、厚さ方向においてベース領域11に含まれ、ベース領域11の主表面に対して垂直方向から見た平面視においてベース領域11内に含まれるよう形成されている。この第1MOSトランジスタ104の構成については、第1の実施形態と同様の構成である。
<Second Embodiment>
Next, a power semiconductor device according to a second embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 13 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure of the power semiconductor device according to the second embodiment, and corresponds to the configuration of the first embodiment of FIG. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. A configuration different from the first embodiment of FIG. 1 will be described below.
The
Further, the main surface of the base region 11 (the surface in the lower direction of the
パワー半導体素子の主表面(図13の下側方向の面)において、エミッタ領域12とドリフト層10とに挟まれたベース領域11の表面をチャネル領域とするため、ゲート絶縁膜13は、ベース領域11の主表面上において、エミッタ領域12とベース領域11とドリフト層10との表面に形成され、ベース領域11を介して対向するエミッタ領域12及びドリフト層10に対し、端部が重なりあう領域を有するように形成されている。エミッタ電極Eがベース領域11とエミッタ領域12とに接続されている。
また、ゲート電極14は、上記ゲート絶縁膜13の上部に、当該ゲート絶縁膜13と重なり合う、すなわち位置的に整合するように形成されている。
Since the surface of the
Further, the
同様に、ドリフト層10の裏面(図13におけるドリフト層10の上側方向の面)に、p型の不純物が添加された裏面拡散領域51(裏面拡散層15に対応)が形成されている。
また、上記裏面拡散領域51の主表面(図13におけるドリフト層10の上側方向の面)に、n型のMOS拡散層52が裏面拡散領域51内にて終端するように、すなわち完全に含まれるように形成されている。すなわち、MOS拡散層52は、厚さ裏面拡散領域51より薄く、厚さ方向において裏面拡散領域51に含まれ、裏面拡散領域51の主表面に対して垂直方向から見た平面視において裏面拡散領域51内に含まれるよう形成されている。
ドリフト層10の主表面および裏面の表面において、ドリフト層10のn型の基板の表面が一部露出されている。
パワー半導体素子の裏面(図13の上側方向の面)において、MOS拡散層52とドリフト層10とに挟まれた裏面拡散領域51の表面をチャネル領域とするため、ゲート絶縁膜53は、裏面拡散領域51の主表面上において、MOS拡散層52(MOS拡散層150に対応)と裏面拡散領域51とドリフト層10との表面に形成され、裏面拡散領域51を介して対向するMOS拡散層52及びドリフト層10に対し、端部が重なりあう領域を有するように形成されている。コレクタ電極56(コレクタ電極16に対応)が裏面拡散領域51とMOS拡散層52とに接続されている。
また、ゲート電極54(ゲート電極18に対応)は、上記ゲート絶縁膜53(ゲート絶縁膜17に対応)の上部に、当該ゲート絶縁膜53と重なり合う、すなわち位置的に整合するように形成されている。
Similarly, a back surface diffusion region 51 (corresponding to the back surface diffusion layer 15) to which a p-type impurity is added is formed on the back surface of the drift layer 10 (the surface in the upward direction of the
Further, the n-type
A part of the surface of the n-type substrate of
Since the surface of the back
Further, the gate electrode 54 (corresponding to the gate electrode 18) is formed on the gate insulating film 53 (corresponding to the gate insulating film 17) so as to overlap the
上述したように、本実施形態において、第2MOSトランジスタ50は第1MOSトランジスタ104と同様の構成で形成されている。すなわち、IGBTが電流の流れる方向(図13におけるIGBTの長尺方向)に対し垂直な面を対称面とし面対称の構造となっている。
そして、IGBTの動作モードにおいて、矢印Fの方向に電流が流れる順方向時には、図2に示すpnpトランジスタ101の構成として、裏面拡散領域51がコレクタ、ドリフト層10がベース、ベース領域11がエミッタとして動作し、またnpnトランジスタ102構成として、ドリフト層10がコレクタとして動作し、ベース領域11がベースとして動作し、エミッタ領域12がエミッタとして動作する。
一方、矢印Rの方向に電流が流れる逆方向には、pnpトランジスタ101の構成として、ベース領域11がエミッタ、ドリフト層10がベース、裏面拡散領域51がコレクタとして動作し、またnpnトランジスタ101の構成として、ドリフト層10がコレクタ、裏面拡散領域51がベース、MOS拡散層52がエミッタとして動作することになる。この逆方向に電流を流す際、第1MOSトランジスタ104と第2MOSトランジスタ50との動作関係も、pnpトランジスタ101とnpnトランジスタ102との動作関係と同様に逆になる。
As described above, in the present embodiment, the
In the forward direction in which current flows in the direction of arrow F in the IGBT operation mode, the
On the other hand, in the reverse direction in which current flows in the direction of arrow R, the
上述した図13の説明から判るように、ドリフト層10の主表面に形成される第1MOSトランジスタ104と、ドリフト層10の裏面に形成される第2MOSトランジスタ50とは同様の構成となっている。この構成により、双方向に電流を流す双方向IGBTとして動作することになる。本実施形態の場合、コレクタ電極56とエミッタ電極Eとの間には、双方向に電流が流れる状態、すなわちコレクタ電極56とエミッタ電極Eとの間の電位差の極性が逆転するような電圧が印加される状態にて使用されることになる。例えばDC電源23に代えて、コレクタ電極56とエミッタ電極Eとの間に、交流電源230により交流電圧等が印加されることになる。そして、図示しない制御回路は、交流電源230からの交流波形が+の極性の場合と、交流波形が−の場合とにより、コレクタ電極56とエミッタ電極Eとにおいて、いずれから他方に電流を流すよう、電流を流す方向を切り換える制御をIGBTに対して行うことになる。
As can be seen from the description of FIG. 13 described above, the
そのため、スイッチSW1は、端子TG1が端子TG1P及び端子TG1Mのいずれか一方に接続される構成となっている。この端子TG1Pには電源22P(+電圧の電源)の出力が接続され、端子TG1Mには電源22M(−電圧の電源)の出力が接続されている。ここで、例えば、電源22Pは正電圧(15V)であり、端子TG1と端子TG1Pとが導通状態となると、第1MOSトランジスタ104がオン状態となる。一方、電源22Mは負電圧(0V以下、例えば−15V)であり、端子TG1と端子TG1Mとが導通状態となると、第1MOSトランジスタ104がオフ状態となる。
Therefore, the switch SW1 is configured such that the terminal TG1 is connected to either the terminal TG1P or the terminal TG1M. The terminal TG1P is connected to the output of the
同様に、スイッチSW2は、端子TG2が端子TG2P及び端子TG2Mのいずれか一方に接続される構成となっている。この端子TG2Pには電源21P(+電圧の電源)の出力が接続され、端子TG2Mには電源21M(−電圧の電源)の出力が接続されている。電源21Pは正電圧(15V)であり、端子TG2と端子TG2Pとが導通状態となると、第2MOSトランジスタ50がオン状態となる。一方、電源21Mは負電圧(−15V)であり、端子TG2と端子TG2Mとが導通状態となると、第2MOSトランジスタ50がオフ状態となる。
Similarly, the switch SW2 is configured such that the terminal TG2 is connected to either the terminal TG2P or the terminal TG2M. The terminal TG2P is connected to the output of the
次に、、図13を用いて、本実施形態によるパワー半導体素子の動作を説明する。以下、図13において、矢印Fの方向(電流の流れる方向)を順方向とし、矢印Rの方向(電流の流れる方向)を逆方向として説明する。
A、順方向(コレクタ電極56の電圧>エミッタ電極Eの電圧)
a.IGBTモードでの動作
スイッチSW1を端子TG1と端子TG1Pとが接続されて導通状態となるよう制御し、かつスイッチSW2を端子TG2と端子TG2Mとが接続されて導通状態となるように制御する。
これにより、第1MOSトランジスタ104がオン状態となり、第2MOSトランジスタ50がオフ状態となり、交流電源230からの電流がコレクタ電極56を介して、裏面拡散領域51、ドリフト層10、エミッタ領域12を流れ、エミッタ電極Eに流れこむ。
b.MOSFETモードでの動作
スイッチSW1を端子TG1と端子TG1Pとが接続されて導通状態となるよう制御し、かつスイッチSW2を端子TG2と端子TG2Pとが接続されて導通状態となるように制御する。
これにより、第1MOSトランジスタ104及び第2MOSトランジスタ50がオン状態となり、交流電源230からの電流がコレクタ電極56を介して、第2MOSトランジスタ50のチャネル領域、及びドリフト層10を流れ、第1MOSトランジスタ104のチャネル領域を介して、エミッタ電極Eに流れ込む。
Next, the operation of the power semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. In the following description, in FIG. 13, the direction of arrow F (current flow direction) is assumed to be the forward direction, and the direction of arrow R (current flow direction) is assumed to be the reverse direction.
A, forward direction (voltage of
a. Operation in IGBT Mode The switch SW1 is controlled so that the terminal TG1 and the terminal TG1P are connected and become conductive, and the switch SW2 is controlled so that the terminal TG2 and the terminal TG2M are connected.
As a result, the
b. Operation in MOSFET Mode The switch SW1 is controlled so that the terminals TG1 and TG1P are connected to be in a conductive state, and the switch SW2 is controlled so that the terminals TG2 and TG2P are connected to be in a conductive state.
As a result, the
B、逆方向(コレクタ電極56の電圧<エミッタ電極Eの電圧)
a.IGBTモードでの動作
スイッチSW1を端子TG1と端子TG1Mとが接続されて導通状態となるよう制御し、かつスイッチSW2を端子TG2と端子TG2Pとが接続されて導通状態となるように制御する。
これにより、第1MOSトランジスタ104がオフ状態となり、第2MOSトランジスタ50がオン状態となり、交流電源230からの電流がエミッタ電極Eを介して、エミッタ領域11、ドリフト層10、裏面拡散領域51を流れ、コレクタ電極56に流れこむ。
b.MOSFETモードでの動作
スイッチSW1を端子TG1と端子TG1Pとが接続されて導通状態となるよう制御し、かつスイッチSW2を端子TG2と端子TG2Pとが接続されて導通状態となるように制御する。
これにより、第1MOSトランジスタ104及び第2MOSトランジスタ50がオン状態となり、交流電源230からの電流がエミッタ電極Eを介して、第1MOSトランジスタ104のチャネル領域、及びドリフト層10を流れ、第2MOSトランジスタ50のチャネル領域を介して、コレクタ電極56に流れ込む。
B, reverse direction (
a. Operation in IGBT Mode The switch SW1 is controlled so that the terminal TG1 and the terminal TG1M are connected and become conductive, and the switch SW2 is controlled so that the terminal TG2 and the terminal TG2P are connected.
As a result, the
b. Operation in MOSFET Mode The switch SW1 is controlled so that the terminals TG1 and TG1P are connected to be in a conductive state, and the switch SW2 is controlled so that the terminals TG2 and TG2P are connected to be in a conductive state.
As a result, the
<第3の実施形態>
次に、第2の実施形態の双方向パワー半導体素子を用いた第3の実施形態のマトリクスコンバータを図面を参照して説明する。図14は、第3の実施形態によるマトリクスコンバータの構成例を示す概念図である。図14において、パワーフロー(電力を供給する流れ)としては、三相交流電源200から三相負荷250に対して行われる。
三相交流電源200から、それぞれの交流の各相(U、V、W)の出力にコイル(201、202、203)の一端が接続され、各相の出力がコイルの他端から、コイルを介して出力される。
各相の出力の間、例えばU相とV相の出力に対応したコイル201の他端とコイル202の他端との間にコンデンサ206が接続され、V相とW相の出力に対応したコイル202の他端とコイル203の他端との間にコンデンサ207が接続され、U相とW相の出力に対応したコイル201の他端とコイル203の他端との間にコンデンサ205が接続される。
<Third Embodiment>
Next, a matrix converter according to a third embodiment using the bidirectional power semiconductor element according to the second embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 14 is a conceptual diagram illustrating a configuration example of a matrix converter according to the third embodiment. In FIG. 14, the power flow (flow for supplying power) is performed from the three-phase
One end of the coil (201, 202, 203) is connected from the three-phase
A
双方向IGBT221、222、223は、第3の実施形態におけるパワー半導体素子であり、各々の一端が共通に接続されて三相負荷250のR相の端子に接続おり、他端の各々がコイル201の他端、コイル202の他端、コイル203の他端に接続されている。
また、双方向IGBT231、232、233も、同様に、第3の実施形態におけるパワー半導体素子であり、各々の一端が共通に接続されて三相負荷250のS相の端子に接続おり、他端の各々がコイル201の他端、コイル202の他端、コイル203の他端に接続されている。
また、双方向IGBT241、242、243も、同様に、第3の実施形態におけるパワー半導体素子であり、各々の一端が共通に接続されて三相負荷250のT相の端子に接続されており、他端の各々がコイル201の他端、コイル202の他端、コイル203の他端に接続されている。
Similarly, the
Similarly, the
図示しない制御部は、三相交流電源200から三相交流負荷に250に対し、三相交流電源200の交流出力が予め設定されている周波数となるように、上記双方向IGBT221、222、223、231、232、233、241、242、243をスイッチング制御する。
これにより、各双方向IGBTにおける第1MOSトランジスタ104及び第2MOSトランジスタ50がオン/オフし、MOSトランジスタ動作あるいはIGBT動作を行い、三相交流電源200から、三相交流負荷250に対して順方向あるいは逆方向に電流を流し、この三相交流負荷250に対して可変周波数の交流電力を出力する。
A control unit (not shown) is configured to operate the
As a result, the
<第4の実施形態>
次に、第4の実施形態によるパワー半導体素子を図面を参照して説明する。図15は、第4の実施形態によるパワー半導体素子の断面構造を示す概念図であり、図13の第2の実施形態の構成に対応する。また、第4の実施形態は、第1MOSトランジスタ104及び第2MOSトランジスタ50の構成を、第1の実施形態における図10に示す第2MOSトランジスタ50の構成と同様としたものである。
すなわち、n型の半導体層であるドリフト層10の裏面側(図の上部)に裏面拡散層51が形成されており、この裏面拡散層15の裏面側(図15における裏面拡散層15の上面側)の表面に、この裏面側表面の外周部に沿って所定の幅、所定の深さのn型のMOS拡散層150が形成されている。
また、図10に示す第2MOSトランジスタ50と同様に、裏面拡散層15の裏面側に、上記裏面側表面の外周部のみでなく、裏面側表面の内部領域にそれぞれが所定の距離離間している複数のMOS拡散層150を形成する。
この裏面側表面の内部領域に形成したMOS拡散層150の中央部に、この裏面拡散層150の裏面側から、MOS拡散層150及び裏面拡散層15を貫通し、ドリフト層10に到達するトレンチ35を形成する。
<Fourth Embodiment>
Next, a power semiconductor device according to a fourth embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 15 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure of the power semiconductor device according to the fourth embodiment, and corresponds to the configuration of the second embodiment of FIG. In the fourth embodiment, the configuration of the
That is, the back
Similarly to the
A
ここで、第2MOSトランジスタ50は、nチャンネル型のMOSトランジスタであり、MOS拡散層150をドレインとし、ドリフト層10をソースとし、パワー半導体素子30の側壁およびトレンチ35の外周面において、MOS拡散層150とドリフト層10との間に挟まれた裏面拡散層15部分をチャネル領域としている。
このため、パワー半導体素子30の側壁に対し、ドリフト層10と裏面拡散層15とMOS拡散層150とに対応する位置に、ゲート絶縁膜17を形成する。このゲート酸化膜17は、裏面拡散層15を介して対向して形成されているMOS拡散層150とドリフト層10との側面に対し、側面から見て端部が重なるように形成されている。また、上記トレンチ35内面の全体にも上記ゲート絶縁膜35が形成されている。
そして、ゲート電極18が上記ゲート絶縁膜17に重なり合う、すなわち位置的に整合するように形成されている。また、裏面拡散層15の裏面側の表面に、MOS拡散層150表面を含めた領域(トレンチ35の開口部分を除く)にコレクタ電極16が形成されている。裏面拡散層15
Here, the
Therefore, the
The
また、同様に、n型の半導体層であるドリフト層10の主面側(図の下部)にベース領域11が形成されており、このベース領域11(ベース層)の主面側(図15におけるベース領域11の下面側)の表面に、この主面側表面の外周部に沿って所定の幅、所定の深さのn型のエミッタ領域12が形成されている。
また、図10に示す第2MOSトランジスタ50と同様に、ベース領域11の主面側に、上記主面側表面の外周部のみでなく、主面側表面の内部領域にそれぞれが所定の距離離間している複数のエミッタ領域12を形成する。
この主面側表面の内部領域に形成したエミッタ領域12の中央部に、このエミッタ領域12の主面側から、エミッタ領域12及びベース領域11を貫通し、ドリフト層10に到達するトレンチ55を形成する。
Similarly, a
Similarly to the
A
また、同様に、ここで、第1MOSトランジスタ104は、nチャンネル型のMOSトランジスタであり、エミッタ領域12をドレインとし、ドリフト層10をソースとし、パワー半導体素子30の側壁およびトレンチ55の外周面において、エミッタ領域12とドリフト層10との間に挟まれたベース領域11部分をチャネル領域としている。
このため、パワー半導体素子30の側壁において、ドリフト層10とベース領域11とエミッタ領域12との面にゲート絶縁膜13を形成する。このゲート酸化膜13は、バース領域11を介して対向して形成されているエミッタ領域12とドリフト層10との側面に対し、側面から見て端部が重なるように形成されている。また、上記トレンチ55内面の全体にも上記ゲート絶縁膜13が形成されている。
そして、ゲート電極14が上記ゲート絶縁膜13に重なり合う、すなわち位置的に整合するように形成されている。また、ベース領域11の主面側の表面に、エミッタ領域12表面を含めた領域(トレンチ55の開口部分を除く)にエミッタ電極Eが形成されている。
また、第4の実施形態における第1MOSトランジスタ及び第2MOSトランジスタのの動作は、第2の実施形態における第1MOSトランジスタ及び第2MOSトランジスタ動作と同様のため、動作の説明を省略する。本実施形態も第2の実施形態と同様に、第3の実施形態のマトリクスコンバータに用いることができる。
Similarly, here, the
Therefore, the
The
In addition, the operations of the first MOS transistor and the second MOS transistor in the fourth embodiment are the same as the operations of the first MOS transistor and the second MOS transistor in the second embodiment, and thus description of the operation is omitted. Similarly to the second embodiment, this embodiment can also be used for the matrix converter of the third embodiment.
10…ドリフト層
11…ベース領域
12…エミッタ領域
13,17,53…ゲート絶縁膜
14,18,54…ゲート電極
15…裏面拡散層
16,56…コレクタ電極
21,22,23,21M,22P,22M,22P…電源
30…パワー半導体素子
35,55…トレンチ(溝)
50…第2MOSトランジスタ
51…裏面拡散領域
52,150…MOS拡散層
71…電流センサ
72…制御回路
73,74…ゲートドライブ回路
80,230…交流電源
81…IPM
82…抵抗負荷
101…pnpトランジスタ
102…npnトランジスタ
103,105…抵抗
104…第1MOSトランジスタ
200…三相交流電源
E…エミッタ電極
SW1,SW2…スイッチ
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
82 ...
Claims (10)
オンオフ動作により、前記バイポーラトランジスタのベースの電位を制御するものであり、スイッチング動作を行う際、前記バイポーラトランジスタの前記ベースに前記ベース電流を流し、IGBTとして動作させるか、あるいは第1MOSトランジスタのみ動作させてMOSトランジスタとして動作させるかの制御を行う第2MOSトランジスタと
を有するパワー半導体素子であり、
第1の導電型のドリフト層と、
該ドリフト層の主表面側に形成された第2の導電型のベース領域と、
該ベース領域の表面において、該ベース領域内で終端するように形成された第1導電型のエミッタ領域と、
前記ドリフト層の裏面側に形成された第2の導電型の裏面拡散層と、
該裏面拡散層内において、当該裏面拡散層表面に形成された第1導電型のMOS拡散層と、
前記エミッタ領域及びドリフト層間における前記ベース領域を、前記第1MOSトランジスタの第1のチャネル領域とし、該第2のチャネル領域の表面に形成された第1のゲート絶縁膜と、
前記エミッタ領域及び前記ベース領域に接続されたエミッタ電極と、
前記第1のゲート絶縁膜上に形成された第1のゲート電極と、
前記裏面拡散層及びMOS拡散層上に形成されたコレクタ電極と、
前記ドリフト層及びMOS拡散層間における前記裏面拡散層表面を、前記第2MOSトランジスタの第2のチャネル領域とし、該第2のチャネル領域の表面に形成された第2のゲート絶縁膜と、
該第2のゲート絶縁膜上に形成された第2のゲート電極と
を有することを特徴とするパワー半導体素子。 A first MOS transistor that causes a base current of a bipolar transistor in the IGBT to flow and causes the IGBT to perform a switching operation;
The base potential of the bipolar transistor is controlled by an on / off operation. When performing a switching operation, the base current is supplied to the base of the bipolar transistor to operate as an IGBT or to operate only the first MOS transistor. And a second MOS transistor that controls whether to operate as a MOS transistor.
A drift layer of a first conductivity type;
A base region of a second conductivity type formed on the main surface side of the drift layer;
An emitter region of a first conductivity type formed at the surface of the base region so as to terminate in the base region;
A back diffusion layer of a second conductivity type formed on the back side of the drift layer;
In the back diffusion layer, a first conductivity type MOS diffusion layer formed on the back diffusion layer surface;
The base region between the emitter region and the drift layer is a first channel region of the first MOS transistor, and a first gate insulating film formed on the surface of the second channel region;
An emitter electrode connected to the emitter region and the base region;
A first gate electrode formed on the first gate insulating film;
A collector electrode formed on the back diffusion layer and the MOS diffusion layer;
A surface of the back diffusion layer between the drift layer and the MOS diffusion layer as a second channel region of the second MOS transistor, and a second gate insulating film formed on the surface of the second channel region;
A power semiconductor element comprising: a second gate electrode formed on the second gate insulating film.
前記MOS拡散層をドレインとし、前記ドリフト層をソースとし、前記裏面拡散層をチャネル領域とする第2のゲート電極からなる第2MOSトランジスタが形成されており、
前記MOSトランジスタ動作を行わせる場合、前記第1MOSトランジスタをオン状態とする際、前記第2MOSトランジスタをオン状態とし、一方、前記バイポーラ動作を行わせる場合、前記第1MOSトランジスタをオン状態とする際、前記第2MOSトランジスタをオフ状態とすることを特徴とする請求項1記載のパワー半導体素子。 Forming a first MOS transistor comprising the first gate electrode having the drift layer as a drain, the emitter region as a source, and the base region surface as a channel formation region;
A second MOS transistor comprising a second gate electrode having the MOS diffusion layer as a drain, the drift layer as a source, and the back diffusion layer as a channel region;
When the MOS transistor operation is performed, when the first MOS transistor is turned on, the second MOS transistor is turned on. On the other hand, when the bipolar operation is performed, when the first MOS transistor is turned on, 2. The power semiconductor device according to claim 1, wherein the second MOS transistor is turned off.
前記ベース領域の表面から、前記エミッタ領域を貫通し、前記ドリフト層内に達する第1の溝を形成し、当該第1の溝内に前記第1のゲート酸化膜を形成し、当該第1のゲート酸化膜状に前記第1のゲート電極を設け、前記エミッタ領域における前記第1の溝内部の内周面を前記第1のチャネル領域とし、
前記第2MOSトランジスタにおいて、
前記コレクタ層の裏面から前記ドリフト層内に達する溝を形成し、該溝内面に前記第2のゲート絶縁膜を形成し、該第2のゲート絶縁膜上に前記第2のゲート電極を設け、前記コレクタ層における前記溝内部の内周面を前記第2のチャネル領域とする
ことを特徴とする請求項4に記載のパワー半導体素子。 In the first MOS transistor,
From the surface of the base region, a first groove penetrating the emitter region and reaching the drift layer is formed, the first gate oxide film is formed in the first groove, and the first The first gate electrode is provided in the form of a gate oxide film, and the inner peripheral surface inside the first groove in the emitter region is used as the first channel region,
In the second MOS transistor,
Forming a groove reaching the drift layer from the back surface of the collector layer, forming the second gate insulating film on the inner surface of the groove, and providing the second gate electrode on the second gate insulating film; The power semiconductor element according to claim 4, wherein an inner peripheral surface inside the groove in the collector layer is the second channel region.
前記エミッタ電極から前記コレクタ電極に対して電流を流す逆方向動作の際、バイポーラトランジスタ動作の場合、前記第1MOSトランジスタをオフ状態とし、第2MOSトランジスタをオン状態とし、MOSトランジスタ動作の場合、前記第1MOSトランジスタをオン状態とし、第2MOSトランジスタをオン状態とする
ことを特徴とする請求項4に記載のパワー半導体素子。 In the forward operation in which current flows from the collector electrode to the emitter electrode, in the case of bipolar transistor operation, the first MOS transistor is turned on, the second MOS transistor is turned off, and in the case of MOS transistor operation, the first MOS transistor is turned on. 1MOS transistor is turned on, 2nd MOS transistor is turned on,
In the reverse operation in which current flows from the emitter electrode to the collector electrode, in the case of bipolar transistor operation, the first MOS transistor is turned off, the second MOS transistor is turned on, and in the case of MOS transistor operation, the first MOS transistor is turned on. The power semiconductor element according to claim 4, wherein the first MOS transistor is turned on and the second MOS transistor is turned on.
当該パワー半導体素子に流れる電流を測定する電流センサと、
前記電流センサの測定した測定電流が予め設定された閾値を超えたか否かを判定し、閾値を超えた場合、前記パワー半導体素子をバイポーラトランジスタとして動作させ、閾値以下の場合、前記パワー半導体素子をMOSトランジスタとして動作させるよう前記第1のゲート電極に制御信号を出力する制御回路と
を有することを特徴とするインテリジェントパワーモジュール。 The power semiconductor element according to any one of claims 1 to 6,
A current sensor for measuring a current flowing through the power semiconductor element;
It is determined whether or not the measured current measured by the current sensor exceeds a preset threshold value.If the measured current exceeds the threshold value, the power semiconductor element is operated as a bipolar transistor. An intelligent power module comprising: a control circuit that outputs a control signal to the first gate electrode so as to operate as a MOS transistor.
電源が出力する電力を、前記パワー半導体素子における第1MOSトランジスタ及び第2MOSトランジスタのスイッチング制御を行い、MOSトランジスタ動作あるいはIGBT動作にて、順方向あるいは逆方向に電流を流し、負荷に対して可変周波数の交流電力を出力するマトリクスコンバータ。 A plurality of power semiconductor elements that allow current to flow in both directions according to any one of claims 4 to 6,
The power output from the power supply is controlled to switch the first MOS transistor and the second MOS transistor in the power semiconductor element, and a current is passed in the forward direction or the reverse direction in the MOS transistor operation or the IGBT operation, so that the variable frequency with respect to the load Matrix converter that outputs AC power.
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