JP2011071160A - 半導体装置 - Google Patents

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暁 柳澤
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Abstract

【課題】比較的簡便な方法により耐圧を向上させることが可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】主表面6が段差により高い上段18と低い下段20に分けられ、主表面6側がn型ドリフト層13である半導体基板5と、主表面6の上段18側に選択的に設けられ、素子領域8を構成するp型ベース層14と、素子領域8の周辺の主表面6側にあり、上段18及び上段18の延長面から底面までの距離が一定であり、p型の不純物濃度がp型ベース層14より高く、p型ベース層14を取り囲み、互いに離間してリング状をなす複数のp型ガードリング層16と、素子領域8の周辺の主表面6の上に設けられた表面酸化膜25と、それぞれのp型ガードリング層16に表面酸化膜25を貫通して電気的に接続されたフィールドプレート電極31とを具備し、p型ガードリング層16の少なくとも1つが主表面6の下段20に面している。
【選択図】 図1

Description

本発明は、高耐圧化終端構造を有する半導体装置に関する。
従来、高耐圧を目指してIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、ダイオード等の半導体装置のプレーナ接合終端構造としてVLD(Variation of Lateral Doping)構造、リサーフ(RESURF、Reduced Surface Field)構造、ガードリング構造(FLR(Field Limiting Ring)構造ともいう)等が用いられてきた。
例えば、特許文献1のダイオードにおいては、アノード層及びアノード層に隣接するガードリング層のp+層領域を深く形成し、その外側のガードリング層を浅く形成することにより曲率の緩和を図っている。しかし、この構造を形成するために、エピタキシャル成長によるp+埋め込み層の形成と、それに合わせたエピタキシャル層表面へのイオン注入によるp+層の形成が必要であり、一般的なガードリング構造の製造工程と比較して、工程が複雑となる。
また、特許文献2のMOSFETにおいては、外周ガードリング層の拡散深さを浅くするために、トレンチからのp型不純物の染み出しを利用しているが、トレンチの形成、ポリシリコンの埋め込み、及びp型不純物の拡散のための特別な製造工程を要し、また、p+層の染み出し量の制御性の問題がある。
特開2001―274417号公報 特開2004―95659号公報
本発明は、比較的簡便な方法により耐圧を向上させることが可能な半導体装置を提供する。
本発明の一態様の半導体装置は、半導体素子を有する素子領域と前記素子領域の周辺を取り囲む周辺領域とを有する半導体装置であって、主表面が段差により高い上段と低い下段に分けられ、前記主表面側が第1導電型である半導体基板と、前記素子領域の前記主表面の上段側に選択的に設けられた第2導電型の第1半導体層と、前記周辺領域の前記主表面側にあり、前記上段及び前記上段の延長面から底面までの距離が一定であり、第2導電型の不純物濃度が前記第1半導体層より高く、前記第1半導体層を取り囲み、互いに離間してリング状をなす複数の第2半導体層と、前記周辺領域の前記主表面の上に設けられた絶縁膜と、それぞれの前記第2半導体層に前記絶縁膜を貫通して電気的に接続されたフィールドプレート電極とを具備し、前記第2半導体層の少なくとも1つが前記主表面の下段に面していることを特徴とする。
本発明の別態様の半導体装置は、半導体素子を有する素子領域と前記素子領域の周辺を取り囲む周辺領域とを有する半導体装置であって、主表面が段差により高い上段と低い下段に分けられ、前記主表面側が第1導電型である半導体基板と、前記素子領域の前記主表面の上段側に選択的に設けられた第2導電型の第1半導体層と、前記周辺領域の前記主表面側にあり、前記第1半導体層に接し、前記上段及び前記上段の延長面から底面までの距離が一定であり、第2導電型の不純物濃度が前記第1半導体層より低い第2半導体層と、前記周辺領域の前記主表面上に設けられた絶縁膜とを具備し、前記第2半導体層が前記下段の前記素子領域に近い部分に面していることを特徴とする。
本発明の別態様の半導体装置は、半導体素子を有する素子領域と前記素子領域の周辺を取り囲む周辺領域とを有する半導体装置であって、主表面が段差により高い上段と低い下段に分けられ、前記主表面側が第1導電型である半導体基板と、前記素子領域の前記主表面の上段側に選択的に設けられた第2導電型の第1半導体層と、前記周辺領域の前記主表面側にあり、前記第1半導体層に接し、前記上段及び前記上段の延長面から底面までの距離が前記素子領域から遠ざかるほど小さくなり、第2導電型の不純物濃度が前記素子領域から遠ざかるほど小さくなる第2半導体層と、前記周辺領域の前記主表面上に設けられた絶縁膜とを具備し、前記第2半導体層が前記下段の前記素子領域に近い部分に面していることを特徴とする。
本発明によれば、比較的簡便な方法により耐圧を向上させることが可能な半導体装置を提供することができる。
本発明の実施形態に係る半導体装置の構造を模式的に示す断面図。 本発明の実施形態に係る半導体装置の周辺領域の構造に対する耐圧を模式的に示す図。 本発明の実施形態に係る半導体装置の周辺領域の構造に対する耐圧を比較して示す図。 本発明の実施形態に係る半導体装置の周辺領域表面の電位分布を模式的に示す図。 本発明の実施形態の変形例1に係る半導体装置の構造を模式的に示す断面図。 本発明の実施形態の変形例2に係る半導体装置の構造を模式的に示す断面図。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。各図では、同一の構成要素には同一の符号を付す。なお、半導体基板表面のガードリング層が形成される側を上とする。
(実施形態)
本発明の実施形態に係る半導体装置について、図1乃至図4を参照しながら説明する。図1に示すように、半導体装置1は、半導体素子を有する素子領域8と素子領域8の周辺を取り囲む周辺領域9とを備えている。
半導体装置1は、下から順にp型コレクタ層11、n+型バッファ層12、及びn型ドリフト層13からなる半導体基板5、n型ドリフト層13の主表面6の素子領域8の表面領域に選択的に設けられた複数のp型ベース層14、p型ベース層14の表面領域に選択的に設けられたn+型エミッタ層15、p型ベース層14及びn+型エミッタ層15の表面に接するように設けられたエミッタ電極27、n+型エミッタ層15とn型ドリフト層13の間のp型ベース層14の表面及び隣接するp型ベース層14間のn型ドリフト層13上にゲート絶縁膜21を介して設けられたゲート電極23、並びに、p型コレクタ層11に接するように設けられたコレクタ電極29を有するIGBT構成の半導体素子が配設されている。半導体基板5の主表面6は段差を有し、素子領域8は後述の上段18に面している。ここで、第2導電型の第1半導体層はp型ベース層14に対応する。
半導体装置1は、素子領域8の周辺にあり、素子領域8に近い側に主表面6を構成する高い上段18、素子領域8から遠い側に上段18から下がった下段20、及び、これらの上段18と下段20を接続する段差面19、並びに、素子領域8の周辺の主表面6側にあり、上段18及び上段18の延長面から底面までの距離が一定であり、p型の不純物濃度がp型ベース層14より高く、p型ベース層14を取り囲み互いに離間してリング状をなす複数のp型ガードリング層16、主表面6上に設けられた絶縁膜である表面酸化膜25、及び、p型ガードリング層16のそれぞれに表面酸化膜25を貫通して電気的に接続されたフィールドプレート電極31を備えた周辺領域9を備えている。ここで、第2導電型の第2半導体層はp型ガードリング層16に対応する。
周辺領域9には、素子領域8から最も離れたn型ドリフト層13の表面領域に、n型拡散層17が形成されている。n型拡散層17はチャネルストッパ層とも呼ばれる。n型拡散層17に接して、等電位リング28が形成されている。
周辺領域9の主表面6、すなわち上段18、段差面19、及び下段20上の表面酸化膜25は、素子領域8の周辺領域9側からn型拡散層17及び等電位リング28に接する位置まで伸びている。周辺領域9の裏面(主表面6に対向する側)は、素子領域8と同様に、n+型バッファ層12、及びその下にp型コレクタ層11を介して接続されたコレクタ電極29を有している。
p型ガードリング層16は、例えば3つ配置されている。2つのp型ガードリング層16は、上段18に上端を有し、n型ドリフト層13内に下端(底面)を有している。他の1つは、下段20に上端を有し、n型ドリフト層13内に下端(底面)を有している。それぞれのp型ガードリング層16の下端は、半導体基板5の裏面から等距離にある。p型ガードリング層16は、フローティング状態にある。
3つのp型ガードリング層16は、高い耐圧を維持できるようにそれぞれ最適な間隔で配置され、p型ベース層14から離間している。なお、素子領域8に最も近いp型ガードリング層16は、p型ベース層14に接触することは可能である。それぞれのp型ガードリング層16は、段差面19及び下段20が形成される前に、同時に、例えば、イオン注入法により形成され、その後、上段18側からエッチング加工されて、段差面19及び下段20が設けられる。段差面19は、例えば素子領域8から2つ目と3つ目のp型ガードリング層16の中間位置にある。素子領域8から3つ目のp型ガードリング層16は、n型拡散層17から離間している。
また、それぞれのp型ガードリング層16にはフィールドプレート電極31が接続され、より電界強度の適正化が図られる。つまり、例えば、導電性のフィールドプレート電極31は、その平面的な伸展方向に空乏層を伸ばしたり、逆に抑制したりする機能を有している。
図2に示すように、周辺領域9の段差面の位置と耐圧VCES(コレクタ・エミッタ間耐圧)との関係を見積もって、段差面19の位置を決めている。図2(a)は、段差面及び下段の加工される前の断面構造が模式的に示されている。半導体基板5のn型ドリフト層13の表面は、一部が加工後の上段18として残り、また、一部が加工によって失われる上段18の延長面18aである。p型ベース層14の端部と1つ目のp型ガードリング層16の中間をaの位置、1つ目と2つ目のp型ガードリング層16の中間をbの位置、以下同様にcの位置としている。3つ目のp型ガードリング層16に対するdの位置は、1つ目のp型ガードリング層16に対するbの位置と同じ位置関係にある。a〜dの位置にある紙面上下方向の2点鎖線は、加工後に形成される段差面に相当し、cの位置にある紙面上下方向の2点鎖線が段差面19に当たる。
図2(b)は、横軸に段差面のa〜dの位置を示し、任意スケールの縦軸に耐圧VCESを示している。なお、「なし」は、段差面を形成しない状態を示す。
発明者の検討の結果、cの位置に段差面を設けることにより、耐圧を最も高くできることが分かり、段差面19を決定している。ここでは、構造の説明のために簡易的にp型ガードリング層16を3つ配置する場合を示しているが、p型ガードリング層16の数を合理的な範囲で見積もると、最も外側のp型ガードリング層16とその直近の内側との間に段差を設けることが耐圧を最も高くできる可能性があることが分かった。
図3には、上述のcの位置に段差面19を有する半導体装置1に適用して、横軸の耐圧VCESの変化に対する漏れ電流ICES(コレクタ・エミッタ間漏れ電流)の変化を縦軸に示す。「段差あり」が半導体装置1に相当し、「段差なし」がp型ガードリング層16はあるものの段差を設けない場合(図2(b)の「なし」に対応)に相当する。例えば、耐圧6000V系の半導体装置1においては、「段差なし」の半導体装置に比較して、1〜2%の耐圧向上が認められる。
図4に、半導体装置1における耐圧に近い電圧(逆バイアス)が印加された状態の等電位線41の一部を破線で示す。エミッタ電極27とコレクタ電極29間に印加される電圧が上がるに連れて、等電位線41は、素子領域8に近い側のp型ガードリング層16から遠い側に向かってパンチスルーして伸びて行き、耐圧に近い電圧では、素子領域8から最も遠い側のp型ガードリング層16を超えてn型拡散層17の側に達して持ちこたえている。
ここで、上述の「段差なし」の半導体装置を比較例とする。比較例の半導体装置では、段差面19及び下段20が設けられていないので、等電位線は段差加工される前にあったp型ガードリング層16のpn接合面に沿うように並行して上昇し、その場合の等電位線は上段18の延長面でより間隔が狭くなる。つまり、比較例の半導体装置は上段18の延長面で電界の集中(電界強度の上昇)がより顕著となる。一方、半導体装置1は段差をつけることによりp型ガードリング層16のpn接合面がSi表面と浅い角度で接触することにより電界の集中が緩和されるため、比較例に対し耐圧がより向上することになる。
上述したように、半導体装置1は、素子領域8から遠い側において、p型ガードリング層16を表面領域に有するn型ドリフト層13に、段差面19及び下段20を設けるように表面加工することによって、つまり、上段18に対して、n型ドリフト層13及びp型ガードリング層16の上端部を段差面19に相当する高さだけ除去して下げることによって、より高耐圧化が可能となる。
半導体装置1は、上段18から加工して、比較的浅い段差面19に相当する深さの下段20が設けられる。表面酸化膜25も、上段18、段差面19及び下段20上に熱酸化または堆積することによって形成される。さらに、表面酸化膜25のp型ガードリング層に相当する位置に孔を形成し、金属膜などによりフィールドプレート電極31を形成する。これらの製造工程は、表面から加工及び形成が可能で、しかも比較的浅い形状なので簡便である。
なお、半導体装置1において、段差面19は、上段18に対してほぼ垂直に示されている(例えば、図1参照)が、必ずしも垂直である必要はなく、また、角部が丸められた曲線を有する形状は可能である。また、下段20は、上段18に対してほぼ平行に示されている(例えば、図1参照)が、必ずしも平行である必要はなく、周辺に行くほど下がる傾斜面とすることは可能である。つまり、下段20は、素子領域8から遠ざかるに連れて、上段18の延長面18a(図2参照)から遠ざかる傾斜を有することは可能である。また、素子領域8から遠ざかるに連れて、段差面19及び下段20の両方が上段18の延長面18aから遠ざかる方向の傾斜を有することは可能である。これらの構成とすることにより、等電位線は、傾いた下段でより間隔が広くなり、半導体装置1における場合より、電界の集中が緩和される。
次に、本発明の実施形態の変形例1に係る半導体装置について、図5を参照しながら説明する。実施形態の半導体装置1に対して、p型ガードリング層に相当する領域がp型リサーフ層となることが異なる。なお、実施形態と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。
図5に示すように、半導体装置2は、半導体装置1と同様に素子領域8を有する。半導体装置2は、実施形態の半導体装置1が有するp型ガードリング層16に相当する領域がp型リサーフ層56となる構成をなす。p型ガードリング層16が互いに離間しているのに対し、p型リサーフ層56はp型ベース層14の外周全体に接続した一体的な構造となっている。p型リサーフ層56の不純物濃度が、p型ベース層14より低く設定される。p型リサーフ層56の一部は、加工されて、段差面19及び素子領域8寄りの下段20を構成している。つまり、上段18、段差面19、及び素子領域8寄りの下段20の表面領域は、p型リサーフ層56からなる。
また、p型リサーフ層56にはフィールドプレート電極は接続していない。さらに、p型リサーフ層56及びその外側のn型ドリフト層13表面の一部には、表面酸化膜25の代わりにSIPOS(Semi-insulated Polycrystalline Silicon)等の半絶縁性膜を形成する場合もある。半絶縁性膜は、他に、アモルファスシリコン、半絶縁性シリコン窒化膜等が使用可能である。
本変形例1において、下段20、または、下段20及び段差面19が素子領域8から遠ざかるほど上段18の延長面18a(図2参照)から遠ざかるような傾斜を有することも可能である。
半導体装置2は、素子領域8がIGBT構成をなし、その周辺の周辺領域9aのp型リサーフ層56の表面領域が上段18、段差面19、及び下段20で構成されている。
その結果、半導体装置2は、半導体装置1が有する効果と同様な効果を有している。
次に、本発明の実施形態の変形例2に係る半導体装置について、図6を参照しながら説明する。実施形態の半導体装置1とは、p型ガードリング層に相当する領域がp型VLD層となることが異なる。なお、実施形態と同一構成部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。
図6に示すように、半導体装置3は、半導体装置1と同様に素子領域8を有する。半導体装置3は、実施形態の半導体装置1のp型ガードリング層16に相当する領域がp型VLD層76となっている。p型ガードリング層16が互いに離間しているのに対し、p型VLD層76はp型ベース層14の外周全体に接続した一体的な構造となっている。このp型VLD層76は、素子領域8から遠ざかるにつれ、p型不純物の濃度及び拡散深さが小さく(浅く)なる構造を持つ。p型VLD層76の一部は、加工されて、段差面19及び素子領域8寄りの下段20を構成している。つまり、上段18、段差面19、及び素子領域8b寄りの下段20の表面領域は、p型VLD層76からなる。
また、p型VLD層76にはフィールドプレート電極は接続していない。
本変形例2において、下段20、または、下段20及び段差面19が素子領域8から遠ざかるほど上段18の延長面18a(図2参照)から遠ざかるような傾斜を有することも可能である。
半導体装置3は、素子領域8がIGBT構成をなし、その周辺の周辺領域9bのp型VLD層76の表面領域が上段18、段差面19、及び下段20で構成されている。
その結果、半導体装置3は、半導体装置1が有する効果と同様な効果を有している。
以上、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。
また、本実施例及び変形例においては、素子領域はIGBTを例として示したが、例えば素子領域がMOSFET、ダイオード、及びその他の高耐圧素子など、縦型の高耐圧半導体素子一般に適用可能である。その際、裏面構造は適用素子により本実施例のp型コレクタ層を有しない場合もある。
また、本実施例及び変形例においては、素子領域はプレーナ型のゲート構造を有する例として示したが、トレンチ型のゲート構造を有するIGBT及びMOSFET等の高耐圧半導体素子とすることは可能である。
また、実施形態及び変形例において、素子領域のIGBTは、n型ドリフト層に接してn+型バッファ層があるパンチスルー形として説明をしたが、n+型バッファ層のないノンパンチスルー形の構成とすることは可能である。
また、実施形態及び変形例において、第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明をしたが、第1導電型をp型、第2導電型をn型としても実施可能である。
本発明は、以下の付記に記載されるような構成が考えられる。
(付記1) 主表面が段差により高い上段と低い下段に分けられ、前記主表面側が第1導電型である半導体基板と、前記主表面の上段側に選択的に設けられ、素子領域を構成する第2導電型の第1半導体層と、前記素子領域の周辺の前記主表面側にあり、前記上段及び前記上段の延長面から底面までの距離が一定であり、第2導電型の不純物濃度が前記第1半導体層より高く、互いに離間してリング状をなす複数の第2半導体層と、前記素子領域の周辺の前記主表面の上に設けられた絶縁膜と、それぞれの前記第2半導体層に前記絶縁膜を貫通して電気的に接続されたフィールドプレート電極とを具備し、前記第2半導体層の少なくとも1つが前記主表面の下段に面している半導体装置。
(付記2) 前記段差面及び前記下段は、前記素子領域から遠ざかるほど前記上段の延長面から遠ざかる傾斜を有する付記1に記載の半導体装置。
(付記3) 前記素子領域は、更に、前記第1半導体層の表面領域に選択的に設けられた第1導電型の第3半導体層と、前記第1半導体層及び前記第3半導体層の表面に接するように設けられた第1電極と、隣接する前記第1半導体層間の前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記主表面と対向する側の表面に第1導電型の第4半導体層を介して接続された第2電極とを備えている付記1に記載の半導体装置。
1、2、3 半導体装置
5 半導体基板
6 主表面
8 素子領域
9、9a、9b 周辺領域
11 p型コレクタ層
12 n+型バッファ層
13 n型ドリフト層
14 p型ベース層
15 n+型エミッタ層
16 p型ガードリング層
17 n型拡散層
18 上段
18a 上段の延長面
19 段差面
20 下段
21 ゲート絶縁膜
23 ゲート電極
25 表面酸化膜
27 エミッタ電極
28 等電位リング
29 コレクタ電極
31 フィールドプレート電極
41 等電位線
56 p型リサーフ層
76 p型VLD層

Claims (5)

  1. 半導体素子を有する素子領域と前記素子領域の周辺を取り囲む周辺領域とを有する半導体装置であって、
    主表面が段差により高い上段と低い下段に分けられ、前記主表面側が第1導電型である半導体基板と、
    前記素子領域の前記主表面の上段側に選択的に設けられた第2導電型の第1半導体層と、
    前記周辺領域の前記主表面側にあり、前記上段及び前記上段の延長面から底面までの距離が一定であり、第2導電型の不純物濃度が前記第1半導体層より高く、前記第1半導体層を取り囲み、互いに離間してリング状をなす複数の第2半導体層と、
    前記周辺領域の前記主表面の上に設けられた絶縁膜と、
    それぞれの前記第2半導体層に前記絶縁膜を貫通して電気的に接続されたフィールドプレート電極と、
    を具備し、
    前記第2半導体層の少なくとも1つが前記主表面の下段に面していることを特徴とする半導体装置。
  2. 半導体素子を有する素子領域と前記素子領域の周辺を取り囲む周辺領域とを有する半導体装置であって、
    主表面が段差により高い上段と低い下段に分けられ、前記主表面側が第1導電型である半導体基板と、
    前記素子領域の前記主表面の上段側に選択的に設けられた第2導電型の第1半導体層と、
    前記周辺領域の前記主表面側にあり、前記第1半導体層に接し、前記上段及び前記上段の延長面から底面までの距離が一定であり、第2導電型の不純物濃度が前記第1半導体層より低い第2半導体層と、
    前記周辺領域の前記主表面上に設けられた絶縁膜と、
    を具備し、
    前記第2半導体層が前記下段の前記素子領域に近い部分に面していることを特徴とする半導体装置。
  3. 前記絶縁膜が、半絶縁性膜に代替されてなることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  4. 半導体素子を有する素子領域と前記素子領域の周辺を取り囲む周辺領域とを有する半導体装置であって、
    主表面が段差により高い上段と低い下段に分けられ、前記主表面側が第1導電型である半導体基板と、
    前記素子領域の前記主表面の上段側に選択的に設けられた第2導電型の第1半導体層と、
    前記周辺領域の前記主表面側にあり、前記第1半導体層に接し、前記上段及び前記上段の延長面から底面までの距離が前記素子領域から遠ざかるほど小さくなり、第2導電型の不純物濃度が前記素子領域から遠ざかるほど小さくなる第2半導体層と、
    前記周辺領域の前記主表面上に設けられた絶縁膜と、
    を具備し、
    前記第2半導体層が前記下段の前記素子領域に近い部分に面していることを特徴とする半導体装置。
  5. 前記下段は、前記素子領域から遠ざかるほど前記上段の延長面から遠ざかる傾斜を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。
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