JP2016063169A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a switching element for power conversion which reduces a switching loss at the time of turn-off.SOLUTION: In a semiconductor device, n-type source regions 108, 109 are formed on a part of a surface of a p-type channel layer 104 at portions which contact a first gate electrode 106 and a second gate electrode 107 via a gate insulation film 105, respectively. When assuming that a length in a y-direction of a first n-type source region 108 which contacts the first gate electrode 106 is a1, a repeating unit length in the y-direction of a p-type channel layer 104 including the first n-type source region 108 is b1, a length in the y-direction of a second n-type source region 109 which contacts the second gate electrode 107 is a2 and a repeating unit length in the y-direction of the p-type channel layer 104 including the second n-type source region 109 is b2, a ratio a1/b1 in the y-direction occupied by the first n-type source region 108 is made smaller than a ratio a2/b2 in the y-direction occupied by the second n-type source region 109.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電力変換装置に用いられる電力変換用スイッチング素子を備えた半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device including a power conversion switching element used in a power conversion device.

従来、電力変換用スイッチング素子のスイッチング損失を低減する技術として、トレンチゲートを二つのゲートの組に分割し、それぞれを異なる制御信号で駆動するものがあった(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, as a technique for reducing the switching loss of a power conversion switching element, there has been a technique in which a trench gate is divided into a set of two gates and each is driven by a different control signal (see, for example, Patent Document 1).

国際公開第2014/038064号International Publication No. 2014/038064

近年、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの電力変換用スイッチング素子は、家庭用のエアコンや電子レンジなどの小電力機器から、鉄道や製鉄所の大電力機器に至るまで幅広く応用されるようになった。そして、再生可能なエネルギーの利用や省エネルギーを促進するには、直流から交流へ、または、交流から直流への電力変換が不可欠であることから、電力変換用スイッチング素子は、これからの低炭素社会を実現するための重要なキーコンポーネントになっている。   In recent years, switching elements for power conversion such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) have come to be widely applied from small power devices such as home air conditioners and microwave ovens to high power devices in railways and steelworks. It was. In order to promote the use of renewable energy and energy conservation, power conversion from direct current to alternating current or from alternating current to direct current is indispensable. It is an important key component to realize.

ところで、IGBTなどの電力変換用スイッチング素子を電力変換のインバータ装置などに応用した場合、導通時にはオン抵抗に伴う導通損失が発生し、スイッチング時にはスイッチング動作に伴うスイッチング損失が発生する。そこで、インバータの高効率化、小型化を図るには、導通損失およびスイッチング損失を低減する必要がある。   By the way, when a switching element for power conversion such as IGBT is applied to a power conversion inverter device or the like, a conduction loss associated with an on-resistance occurs during conduction, and a switching loss associated with a switching operation occurs during switching. Therefore, in order to increase the efficiency and size of the inverter, it is necessary to reduce conduction loss and switching loss.

特許文献1には、トレンチゲートを二つのゲートの組に分割し、それぞれを異なる制御信号で駆動することにより、スイッチング損失を低減することが可能となるIGBTの例が開示されている。通電時に、片方の組のゲートに他の組より先行してオフ信号を供給することにより、素子全体のターンオフに先駆けて、蓄積キャリアの一部を排出する。素子全体をターンオフする時点では、残りのゲートのみをオフすればよく、蓄積キャリアが少ないためスイッチング損失を低減できる。   Patent Document 1 discloses an example of an IGBT that can reduce a switching loss by dividing a trench gate into a pair of two gates and driving them with different control signals. When energized, an off signal is supplied to one set of gates prior to the other set, so that a part of the accumulated carriers is discharged prior to turn-off of the entire device. When the entire device is turned off, only the remaining gate has to be turned off, and the switching loss can be reduced because the number of stored carriers is small.

しかしながら、本願の発明者らの検討によれば、特許文献1に開示された構造のIGBTではスイッチング損失の低減効果が十分でなく、さらにスイッチング損失を低減できる構造のIGBTが望まれる。   However, according to the examination of the inventors of the present application, the IGBT having the structure disclosed in Patent Document 1 is not sufficient in reducing the switching loss, and an IGBT having a structure that can further reduce the switching loss is desired.

したがって、ターンオフ時のスイッチング損失を低減させることが可能な電力変換用スイッチング素子を提供することが課題となる。   Therefore, it becomes a problem to provide a switching element for power conversion that can reduce the switching loss at the time of turn-off.

上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、例えば、互いに直交するx方向とy方向によって規定されるxy平面、および前記xy平面に直交するz方向に対して、前記xy平面に沿って形成された第一導電型のドリフト層と、前記ドリフト層の第一表面に形成された第二導電型のコレクタ層と、前記ドリフト層の第二表面に形成された第二導電型のチャネル層と、前記チャネル層の表面から、前記チャネル層をz方向に貫通して前記ドリフト層まで達し、y方向に延設された複数のトレンチと、前記トレンチの壁面に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成され、それぞれ独立に駆動可能である第一のゲート電極、および第二のゲート電極と、前記チャネル層の表面にて、前記第一のゲート電極の側部に前記ゲート絶縁膜を介して選択的に形成された第一導電型の第一のソース領域、および前記第二のゲート電極の側部に前記ゲート絶縁膜を介して選択的に形成された第一導電型の第二のソース領域と、を備えた半導体装置であって、前記第一のソース領域のキャリア注入効率が、前記第二のソース領域のキャリア注入効率と比較して小さいことを特徴とする。   In order to solve the above problems, the semiconductor device of the present invention is, for example, along the xy plane with respect to the xy plane defined by the x and y directions orthogonal to each other and the z direction orthogonal to the xy plane. A first conductivity type drift layer formed on the first surface of the drift layer, a second conductivity type collector layer formed on the first surface of the drift layer, and a second conductivity type channel formed on the second surface of the drift layer. A plurality of trenches that extend from the surface of the channel layer to the drift layer through the channel layer in the z direction and extend in the y direction, and a gate insulating film formed on a wall surface of the trench The first gate electrode formed on the gate insulating film and independently driven and the second gate electrode, and on the surface of the channel layer, on the side of the first gate electrode Through the gate insulating film A first source region of the first conductivity type selectively formed, and a second source of the first conductivity type selectively formed on the side of the second gate electrode via the gate insulating film A carrier injection efficiency of the first source region is smaller than a carrier injection efficiency of the second source region.

本発明によれば、ターンオフ時のスイッチング損失を低減させることが可能な電力変換用スイッチング素子を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the switching element for power conversion which can reduce the switching loss at the time of turn-off can be provided.

本発明の第一の実施例に係る電力変換用スイッチング素子の構造の例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the example of the structure of the switching element for power conversion which concerns on the 1st Example of this invention. 電力変換用スイッチング素子をターンオフさせるとき、第一のゲート電極および第二のゲート電極をそれぞれ駆動する駆動信号の駆動シーケンスの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the drive sequence of the drive signal which drives a 1st gate electrode and a 2nd gate electrode, respectively, when turning off the switching element for power conversion. 電力変換用スイッチング素子の出力特性の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the output characteristic of the switching element for power conversion. 本発明の第二の実施例に係る電力変換用スイッチング素子の構造の例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the example of the structure of the switching element for power conversion which concerns on the 2nd Example of this invention. 本発明の第三の実施例に係る電力変換用スイッチング素子の構造の例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the example of the structure of the switching element for power conversion which concerns on the 3rd Example of this invention.

以下、本発明の実施形態を、各実施例として、図面を用いて説明する。なお、実施例を説明するための全ての図面において、同一の構成要素には同一符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described as examples with reference to the drawings. In all the drawings for explaining the embodiments, the same reference numerals are given to the same components, and the repeated explanation thereof is omitted.

図1は、本発明の第1の実施例に係る電力変換用スイッチング素子100の構造の例を模式的に示した図である。   FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of the structure of a power conversion switching device 100 according to a first embodiment of the present invention.

図1に示すように、電力変換用スイッチング素子100は、二つの独立した制御ゲートを有するIGBTということができ、シリコンなどのn-型ドリフト層101の表面側に、互いに隣接配置されたトレンチ型の第一のゲート電極106および第二のゲート電極107の組が、繰り返し配置された構造を有している。   As shown in FIG. 1, the switching element 100 for power conversion can be called an IGBT having two independent control gates, and is a trench type disposed adjacent to each other on the surface side of an n − type drift layer 101 such as silicon. The set of the first gate electrode 106 and the second gate electrode 107 has a structure in which they are repeatedly arranged.

ここで、第一のゲート電極106および第二のゲート電極107は、例えば、n-型ドリフト層101の表面側に、p型チャネル層104が形成され、そのp型チャネル層104に、そのp型チャネル層104よりも深いトレンチが形成され、そのトレンチの内壁にゲート絶縁膜105が形成され、そのゲート絶縁膜105が形成されたトレンチ内に導電性のポリシリコンなどが埋め込まれることにより形成される。   Here, in the first gate electrode 106 and the second gate electrode 107, for example, a p-type channel layer 104 is formed on the surface side of the n − type drift layer 101, and the p-type channel layer 104 has its p A trench deeper than the channel layer 104 is formed, a gate insulating film 105 is formed on the inner wall of the trench, and conductive polysilicon or the like is embedded in the trench in which the gate insulating film 105 is formed. The

また、p型チャネル層104の表面の一部で、第一のゲート電極106および第二のゲート電極107のそれぞれにゲート絶縁膜105を介して接する部分に、n型ソース領域108、109が形成されている。第一のゲート電極106にゲート絶縁膜105を介して接する第一のn型ソース領域108のy方向の長さをa1とし、第一のn型ソース領域108を含むp型チャネル層104のy方向の繰り返し単位長さをb1とする。また、第二のゲート電極107にゲート絶縁膜105を介して接する第二のn型ソース領域109のy方向の長さをa2とし、第二のn型ソース領域109を含むp型チャネル層104のy方向の繰り返し単位長さをb2とする。   In addition, n-type source regions 108 and 109 are formed at portions of the surface of the p-type channel layer 104 that are in contact with the first gate electrode 106 and the second gate electrode 107 through the gate insulating film 105, respectively. Has been. The length of the first n-type source region 108 in contact with the first gate electrode 106 via the gate insulating film 105 in the y direction is a1, and the y-type of the p-type channel layer 104 including the first n-type source region 108 Let b1 be the repeat unit length in the direction. The length of the second n-type source region 109 in contact with the second gate electrode 107 via the gate insulating film 105 in the y direction is a2, and the p-type channel layer 104 including the second n-type source region 109 is included. Let b2 be the repeating unit length in the y direction.

このとき、y方向に第一のn型ソース領域108が占める割合a1/b1は、y方向に第二のn型ソース領域109が占める割合a2/b2より小さくなっている。これにより、第一のn型ソース領域108から注入される電子の量は、第二のn型ソース領域109から注入される電子の量より少なくなる。その結果、第一のn型ソース領域108のキャリア注入効率は、第二のn型ソース領域109のキャリア注入効率より小さくなっている。   At this time, the ratio a1 / b1 occupied by the first n-type source region 108 in the y direction is smaller than the ratio a2 / b2 occupied by the second n-type source region 109 in the y direction. As a result, the amount of electrons injected from the first n-type source region 108 is smaller than the amount of electrons injected from the second n-type source region 109. As a result, the carrier injection efficiency of the first n-type source region 108 is smaller than the carrier injection efficiency of the second n-type source region 109.

p型チャネル層104、ゲート絶縁膜105、n型ソース領域108、109の上部には、図示しない導電性の金属などからなるエミッタ電極が形成されている。また、n-型の半導体層101の裏面側には、p型コレクタ層102が形成されるとともに、p型コレクタ層102に接触するようにして、導電性の金属などからなるコレクタ電極103が形成されている。   On the p-type channel layer 104, the gate insulating film 105, and the n-type source regions 108 and 109, an emitter electrode made of a conductive metal or the like (not shown) is formed. In addition, a p-type collector layer 102 is formed on the back side of the n− type semiconductor layer 101, and a collector electrode 103 made of a conductive metal or the like is formed so as to be in contact with the p-type collector layer 102. Has been.

以上のように、本発明の第1の実施例に係る電力変換用スイッチング素子100は、外部から独立に駆動可能な第一のゲート電極106と第二のゲート電極107を有し、第一のn型ソース領域108のキャリア注入効率が、第二のn型ソース領域109のキャリア注入効率より小さいことを特徴とする。   As described above, the switching element 100 for power conversion according to the first embodiment of the present invention includes the first gate electrode 106 and the second gate electrode 107 that can be driven independently from the outside, The carrier injection efficiency of the n-type source region 108 is smaller than the carrier injection efficiency of the second n-type source region 109.

図2は、電力変換用スイッチング素子100をターンオフさせるとき、第一のゲート電極106および第二のゲート電極107をそれぞれ駆動する駆動信号の駆動シーケンスの例を示した図である。ここでは、第一のゲート電極106および第二のゲート電極107のいずれにも、すでにしきい値電圧Vthより高い電圧が印加され、電力変換用スイッチング素子100のスイッチング状態が「オン」状態であるとする。   FIG. 2 is a diagram showing an example of a drive sequence of drive signals for driving the first gate electrode 106 and the second gate electrode 107 when the power conversion switching element 100 is turned off. Here, a voltage higher than the threshold voltage Vth is already applied to both the first gate electrode 106 and the second gate electrode 107, and the switching state of the power conversion switching element 100 is in the “on” state. And

なお、ここでいうしきい値電圧Vthとは、第一のゲート電極106および第二のゲート電極107に電圧を印加したとき、p型チャネル層104内にn型ソース領域108、109とn-型ドリフト層101をつなぐ導通路(チャネル)が形成される最低の電圧をいう。   Note that the threshold voltage Vth here refers to the n-type source regions 108 and 109 in the p-type channel layer 104 and n − when the voltage is applied to the first gate electrode 106 and the second gate electrode 107. This is the lowest voltage at which a conduction path (channel) that connects the type drift layer 101 is formed.

本実施例では、図2に示すように、電力変換用スイッチング素子100をターンオフさせるときには、まず、第二のゲート電極107の駆動信号をしきい値電圧Vthより高い状態から低い状態へ変化させる(ターンオフさせる)。また、そのターンオフのタイミングから所定の時間遅延して、第一のゲート電極106の駆動信号をしきい値電圧Vthより高い状態から低い状態へ変化させる(ターンオフさせる)。   In this embodiment, as shown in FIG. 2, when the power conversion switching element 100 is turned off, first, the drive signal for the second gate electrode 107 is changed from a state higher than the threshold voltage Vth to a lower state ( Turn off). In addition, the drive signal of the first gate electrode 106 is changed from a state higher than the threshold voltage Vth to a state lower than the threshold voltage Vth (turned off) with a predetermined time delay from the turn-off timing.

以上のように、第一のゲート電極106および第二のゲート電極107それぞれを駆動する駆動信号において、ターンオフするタイミングを所定の時間ずらすことにより、電力変換用スイッチング素子100のターンオフ損失が低減されるという効果が得られる。この効果が得られる理由は、次のように説明することができる。   As described above, in the drive signals for driving the first gate electrode 106 and the second gate electrode 107, the turn-off loss of the power conversion switching device 100 is reduced by shifting the turn-off timing by a predetermined time. The effect is obtained. The reason why this effect can be obtained can be explained as follows.

第一のゲート電極106の駆動信号の電圧がしきい値電圧Vthより高い状態のうちに、第二のゲート電極107の駆動信号の電圧を、しきい値電圧Vthよりも高い状態から低い状態へと変化させる(ターンオフさせる)と、第二のゲート電極107によってp型チャネル層104に生成されていたn型ソース領域109とn-型ドリフト層101とをつなぐチャネルが消滅する。そのため、その第二のゲート電極107側に形成されていたチャネルを介してn-型ドリフト層101へ電子が注入されなくなるので、それに応じて、p型コレクタ層102からn-ドリフト層101へ注入されるホールの量が減少する。   While the voltage of the drive signal of the first gate electrode 106 is higher than the threshold voltage Vth, the voltage of the drive signal of the second gate electrode 107 is changed from a state higher than the threshold voltage Vth to a lower state. The channel connecting the n-type source region 109 and the n − -type drift layer 101 generated in the p-type channel layer 104 by the second gate electrode 107 disappears. For this reason, electrons are no longer injected into the n − type drift layer 101 through the channel formed on the second gate electrode 107 side, and accordingly the p type collector layer 102 is injected into the n − drift layer 101 accordingly. The amount of holes played is reduced.

このような状態にあるとき、第一のゲート電極106の駆動信号の電圧を、しきい値電圧Vthよりも高い状態から低い状態へと変化させる(ターンオフさせる)と、第一のゲート電極106側に形成されていたチャネルも消失し、そのチャネルを介してのn-型ドリフト層101への電子注入もされなくなる。その結果、電力変換用スイッチング素子100のスイッチング状態は、「オフ」状態となる。すなわち、電力変換用スイッチング素子100がターンオフする。   In such a state, if the voltage of the drive signal of the first gate electrode 106 is changed from a state higher than the threshold voltage Vth to a lower state (turned off), the first gate electrode 106 side Then, the channel formed in the n-type drift layer disappears, and electrons are not injected into the n − -type drift layer 101 through the channel. As a result, the switching state of the power conversion switching element 100 is in the “off” state. That is, the power conversion switching element 100 is turned off.

この場合、第一のゲート電極106の駆動信号の電圧を、しきい値電圧Vthよりも高い状態から低い状態へと変化させる(ターンオフさせる)ときには、n-型ドリフト層に蓄積されているホールの量が減少しているので、その分、ホールの排出時間が短縮されることになる。その結果、電力変換用スイッチング素子100のターンオフ時間が短くなり、ターンオフ損失が低減する。   In this case, when the voltage of the drive signal for the first gate electrode 106 is changed (turned off) from a state higher than the threshold voltage Vth to a state lower than the threshold voltage Vth, the holes accumulated in the n − type drift layer Since the amount is decreasing, the hole discharge time is shortened accordingly. As a result, the turn-off time of the power conversion switching element 100 is shortened, and the turn-off loss is reduced.

図3は、電力変換用スイッチング素子100の出力特性の例を示している。はじめに、第一のn型ソース領域108のキャリア注入効率が、第二のn型ソース領域109のキャリア注入効率と等しい場合(本実施例とは異なっている)を仮定する。すなわち、第一のn型ソース領域108を含むp型チャネル層104のy方向の繰り返し単位長さb1と、第二のn型ソース領域109を含むp型チャネル層104のy方向の繰り返し単位長さb2が等しく、かつ、第一のn型ソース領域108のy方向の長さa1と第一のn型ソース領域108のy方向の長さa2が等しい場合を仮定する。   FIG. 3 shows an example of output characteristics of the power conversion switching element 100. First, it is assumed that the carrier injection efficiency of the first n-type source region 108 is equal to the carrier injection efficiency of the second n-type source region 109 (different from the present embodiment). That is, the repeating unit length b1 in the y direction of the p-type channel layer 104 including the first n-type source region 108 and the repeating unit length in the y-direction of the p-type channel layer 104 including the second n-type source region 109 It is assumed that the length b2 is equal and the length a1 of the first n-type source region 108 in the y direction is equal to the length a2 of the first n-type source region 108 in the y direction.

この場合、第一のゲート電極106および第二のゲート電極107それぞれの駆動信号の電圧を、ともにしきい値電圧Vthよりも高くした状態(オン状態)でのコレクタ電圧Vceと比較して、第一のゲート電極106の駆動信号の電圧がしきい値電圧Vthよりも高い状態(オン状態)で、かつ、第二のゲート電極107の駆動信号の電圧がしきい値電圧Vthよりも低い状態(オフ状態)でのコレクタ電圧Vceは大きくなる。これは、既に述べたように、第二のゲート電極107側に形成されていたチャネルを介したn-型ドリフト層101への電子注入がなくなるので、それに応じて、p型コレクタ層102からn-ドリフト層101へ注入されるホールの量が減少するためである。   In this case, the voltage of the drive signal of each of the first gate electrode 106 and the second gate electrode 107 is compared with the collector voltage Vce in a state where both are higher than the threshold voltage Vth (on state). A state in which the voltage of the drive signal for one gate electrode 106 is higher than the threshold voltage Vth (ON state), and a state in which the voltage of the drive signal for the second gate electrode 107 is lower than the threshold voltage Vth ( The collector voltage Vce in the off state increases. As described above, since the electron injection into the n− type drift layer 101 via the channel formed on the second gate electrode 107 side is eliminated, the n-type drift layer 101 is accordingly n-typed accordingly. This is because the amount of holes injected into the drift layer 101 is reduced.

次に、本実施例のように、第一のn型ソース領域108のキャリア注入効率が、第二のn型ソース領域109のキャリア注入効率より小さい場合を仮定する。すなわち、第一のn型ソース領域108を含むp型チャネル層104のy方向の繰り返し単位長さb1と、第二のn型ソース領域109を含むp型チャネル層104のy方向の繰り返し単位長さb2が等しく、かつ、第一のn型ソース領域108のy方向の長さa1が第一のn型ソース領域108のy方向の長さa2より小さい場合を仮定する。ただし、第一のn型ソース領域108のy方向の長さa1と第一のn型ソース領域108のy方向の長さa2の和(a1+a2)は先の場合と同一とする。   Next, it is assumed that the carrier injection efficiency of the first n-type source region 108 is smaller than the carrier injection efficiency of the second n-type source region 109 as in the present embodiment. That is, the repeating unit length b1 in the y direction of the p-type channel layer 104 including the first n-type source region 108 and the repeating unit length in the y-direction of the p-type channel layer 104 including the second n-type source region 109 It is assumed that the lengths b2 are equal and the length a1 of the first n-type source region 108 in the y direction is smaller than the length a2 of the first n-type source region 108 in the y direction. However, the sum (a1 + a2) of the length a1 of the first n-type source region 108 in the y direction and the length a2 of the first n-type source region 108 in the y direction is the same as the previous case.

この場合、第一のゲート電極106および第二のゲート電極107それぞれの駆動信号の電圧を、ともにしきい値電圧Vthよりも高くした状態(オン状態)でのコレクタ電圧Vceは、先の場合と変わらない。なぜなら、第一のn型ソース領域108のy方向の長さa1と第一のn型ソース領域108のy方向の長さa2の和(a1+a2)が先の場合と同一であるため、第一のゲート電極106および第二のゲート電極107によって形成されたチャネルを介してn-型ドリフト層101へ注入される電子の量は変化せず、その電子注入に応じてp型コレクタ層102からn-ドリフト層101へ注入されるホールの量も変化しないためである。   In this case, the collector voltage Vce when the drive signal voltages of the first gate electrode 106 and the second gate electrode 107 are both higher than the threshold voltage Vth (on state) is the same as in the previous case. does not change. This is because the sum (a1 + a2) of the length a1 in the y direction of the first n-type source region 108 and the length a2 in the y direction of the first n-type source region 108 is the same as in the previous case. The amount of electrons injected into the n − -type drift layer 101 through the channel formed by the gate electrode 106 and the second gate electrode 107 does not change, and the n-type drift layer 101 changes from the p-type collector layer 102 to n according to the electron injection. This is because the amount of holes injected into the drift layer 101 does not change.

しかしながら、第一のゲート電極106の駆動信号の電圧がしきい値電圧Vthよりも高い状態(オン状態)で、かつ、第二のゲート電極107の駆動信号の電圧がしきい値電圧Vthよりも低い状態(オフ状態)でのコレクタ電圧Vceは、先の場合より大きくなる。これは、第二のゲート電極107側に形成されていたチャネル消失することによる、n-型ドリフト層101への電子注入の低減量が、先の場合より大きいためである。この結果、電子注入の減少に応じてp型コレクタ層102からn-ドリフト層101へ注入されるホールの量の減少量が先の場合より大きくなり、コレクタ電圧Vceが大きくなる。   However, the voltage of the drive signal for the first gate electrode 106 is higher (on state) than the threshold voltage Vth, and the voltage of the drive signal for the second gate electrode 107 is higher than the threshold voltage Vth. The collector voltage Vce in the low state (off state) is larger than in the previous case. This is because the amount of reduction in electron injection into the n − -type drift layer 101 due to the disappearance of the channel formed on the second gate electrode 107 side is larger than in the previous case. As a result, as the electron injection decreases, the amount of holes injected from the p-type collector layer 102 to the n− drift layer 101 decreases more than before, and the collector voltage Vce increases.

以上のように、第一のn型ソース領域108のキャリア注入効率を、第二のn型ソース領域109のキャリア注入効率より小さくすることで、第一のn型ソース領域108のキャリア注入効率が第二のn型ソース領域109のキャリア注入効率と等しい場合と比較してホールの低減量を大きくすることができる。その結果、電力変換用スイッチング素子100のターンオフ時間が短くなり、ターンオフ損失が低減するという効果が得られる。   As described above, the carrier injection efficiency of the first n-type source region 108 is reduced by making the carrier injection efficiency of the first n-type source region 108 smaller than the carrier injection efficiency of the second n-type source region 109. Compared with the case where the carrier injection efficiency of the second n-type source region 109 is equal, the amount of hole reduction can be increased. As a result, the turn-off time of the power conversion switching device 100 is shortened, and the effect of reducing the turn-off loss can be obtained.

図4は、本発明の第2の実施例に係る電力変換用スイッチング素子100の構造の例を模式的に示した図である。   FIG. 4 is a diagram schematically showing an example of the structure of the power conversion switching device 100 according to the second embodiment of the present invention.

本発明で第一のn型ソース領域108のキャリア注入効率を、第二のn型ソース領域109のキャリア注入効率より小さくする方法は、第一のゲート電極106にゲート絶縁膜105を介して接する第一のn型ソース領域108のy方向の長さa1を、第二のn型ソース領域109のy方向の長さa2より短くする方法に限定されない。   In the present invention, the method of making the carrier injection efficiency of the first n-type source region 108 smaller than the carrier injection efficiency of the second n-type source region 109 is in contact with the first gate electrode 106 through the gate insulating film 105. The method is not limited to the method in which the length a1 of the first n-type source region 108 in the y direction is shorter than the length a2 of the second n-type source region 109 in the y direction.

図4に示す本発明の第2の実施例では、例えば第一のゲート電極106のz方向のトレンチ深さを、第二のゲート電極107のz方向のトレンチ深さより浅くすることで、第一のn型ソース領域108のキャリア注入効率を、第二のn型ソース領域109のキャリア注入効率より小さくする。   In the second embodiment of the present invention shown in FIG. 4, for example, the first gate electrode 106 has a depth in the z direction that is shallower than the depth of the second gate electrode 107 in the z direction. The carrier injection efficiency of the n-type source region 108 is made smaller than the carrier injection efficiency of the second n-type source region 109.

トレンチを浅くすると、チャネルは浅くしか形成されず、ホールの排出抵抗が減少する。この結果、キャリア注入効率が小さくなり、ターンオフ損失が低減する。   When the trench is shallow, the channel is formed only shallowly, and the hole discharge resistance is reduced. As a result, the carrier injection efficiency is reduced and the turn-off loss is reduced.

図5は、本発明の第3の実施例に係る電力変換用スイッチング素子100の構造の例を模式的に示した図である。   FIG. 5 is a diagram schematically showing an example of the structure of the power conversion switching device 100 according to the third embodiment of the present invention.

本発明の効果は、トレンチ型のIGBTに限定されるものではない。図5に示す本発明の第3の実施例では、プレーナ型のIGBTに適用した例を示している。本実施例ではpチャネル領域104がn-ドリフト層101の表面に選択的に形成され、n-ドリフト層101が露出する領域を覆うように、第一のゲート電極106および第二のゲート電極107がゲート絶縁膜105を介して配置されている。   The effects of the present invention are not limited to trench type IGBTs. In the third embodiment of the present invention shown in FIG. 5, an example applied to a planar type IGBT is shown. In this embodiment, the p-channel region 104 is selectively formed on the surface of the n-drift layer 101, and the first gate electrode 106 and the second gate electrode 107 are so covered as to cover the region where the n-drift layer 101 is exposed. Are arranged with the gate insulating film 105 interposed therebetween.

本実施例においても、第一のゲート電極106に隣接する第一のn型ソース領域108のy方向の長さa1を、第二のゲート電極107に隣接する第二のn型ソース領域109のy方向長さa2より短くすることで、第一のn型ソース領域108の注入効率を第二のn型ソース領域109の注入効率より小さくしている。この結果、ターンオフ損失が低減する。   Also in the present embodiment, the length a1 of the first n-type source region 108 adjacent to the first gate electrode 106 in the y direction is equal to the length of the second n-type source region 109 adjacent to the second gate electrode 107. By making it shorter than the length a2 in the y direction, the injection efficiency of the first n-type source region 108 is made smaller than the injection efficiency of the second n-type source region 109. As a result, turn-off loss is reduced.

100 電力変換用スイッチング素子
101 n-型ドリフト層
102 p型コレクタ層
103 コレクタ電極
104 p型チャネル層
105 ゲート絶縁膜
106 第一のゲート電極
107 第二のゲート電極
108 第一のn型ソース領域
109 第二のn型ソース領域
100 switching element for power conversion 101 n-type drift layer 102 p-type collector layer 103 collector electrode 104 p-type channel layer 105 gate insulating film 106 first gate electrode 107 second gate electrode 108 first n-type source region 109 Second n-type source region

Claims (8)

互いに直交するx方向とy方向によって規定されるxy平面、および前記xy平面に直交するz方向に対して、
前記xy平面に沿って形成された第一導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の第一表面に形成された第二導電型のコレクタ層と、
前記ドリフト層の第二表面に形成された第二導電型のチャネル層と、
前記チャネル層の表面から、前記チャネル層をz方向に貫通して前記ドリフト層まで達し、y方向に延設された複数のトレンチと、
前記トレンチの壁面に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成され、それぞれ独立に駆動可能である第一のゲート電極、および第二のゲート電極と、
前記チャネル層の表面にて、前記第一のゲート電極の側部に前記ゲート絶縁膜を介して選択的に形成された第一導電型の第一のソース領域、および前記第二のゲート電極の側部に前記ゲート絶縁膜を介して選択的に形成された第一導電型の第二のソース領域と
を備えた半導体装置であって、
前記第一のソース領域のキャリア注入効率が、前記第二のソース領域のキャリア注入効率と比較して小さい
ことを特徴とする半導体装置。
For the xy plane defined by the x and y directions orthogonal to each other, and the z direction orthogonal to the xy plane,
A first conductivity type drift layer formed along the xy plane;
A collector layer of a second conductivity type formed on the first surface of the drift layer;
A channel layer of a second conductivity type formed on the second surface of the drift layer;
A plurality of trenches extending in the y direction, extending from the surface of the channel layer to the drift layer through the channel layer in the z direction;
A gate insulating film formed on the wall of the trench;
A first gate electrode formed on the gate insulating film and capable of being independently driven; and a second gate electrode;
A first source region of a first conductivity type selectively formed on the side of the first gate electrode via the gate insulating film on the surface of the channel layer, and the second gate electrode A semiconductor device comprising a second source region of a first conductivity type selectively formed on a side portion through the gate insulating film,
A semiconductor device, wherein the carrier injection efficiency of the first source region is smaller than the carrier injection efficiency of the second source region.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記第一のソース領域のy方向の長さa1の、前記第一のソース領域を含む前記チャネル層のy方向の繰り返し単位の長さb1に対する比a1/b1が、
前記第二のソース領域のy方向の長さa2の、前記第二のソース領域を含む前記チャネル層のy方向の繰り返し単位の長さb2に対する比a2/b2より小さい
ことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The ratio a1 / b1 of the length a1 in the y direction of the first source region to the length b1 of the repeating unit in the y direction of the channel layer including the first source region is:
A semiconductor device, wherein the length a2 of the second source region in the y direction is smaller than the ratio a2 / b2 to the length b2 of the repeating unit in the y direction of the channel layer including the second source region. .
請求項1に記載の半導体装置において、
前記第二のゲート電極に与えられる駆動信号の電圧が、しきい値電圧より高い状態から低い状態へ切り替わるタイミングが、
前記第一のゲート電極に与えられる駆動信号の電圧が、しきい値電圧より高い状態から低い状態へ切り替わるタイミングより早い
ことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The timing at which the voltage of the drive signal applied to the second gate electrode switches from a state higher than a threshold voltage to a lower state,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the voltage of the drive signal applied to the first gate electrode is earlier than the timing of switching from a higher state to a lower state than a threshold voltage.
請求項3に記載の半導体装置において、
前記第一のソース領域のy方向の長さa1の、前記第一のソース領域を含む前記チャネル層のy方向の繰り返し単位の長さb1に対する比a1/b1が、
前記第二のソース領域のy方向の長さa2の、前記第二のソース領域を含む前記チャネル層のy方向の繰り返し単位の長さb2に対する比a2/b2より小さい
ことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 3.
The ratio a1 / b1 of the length a1 in the y direction of the first source region to the length b1 of the repeating unit in the y direction of the channel layer including the first source region is:
The semiconductor device, wherein the length a2 of the second source region in the y direction is smaller than the ratio a2 / b2 to the length b2 of the repeating unit in the y direction of the channel layer including the second source region .
互いに直交するx方向とy方向によって規定されるxy平面、および前記xy平面に直交するz方向に対して、
前記xy平面に沿って形成された第一導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の第一表面に形成された第二導電型のコレクタ層と、
前記ドリフト層の第二表面に選択的に形成された第二導電型のチャネル領域と、
前記チャネル領域の表面に選択的に形成された第一導電型の第一のソース領域と、
前記チャネル領域の表面に選択的に形成された第一導電型の第二のソース領域と、
前記第一のソース領域、前記チャネル領域および前記ドリフト層の上にゲート絶縁膜を介して形成された第一のゲート電極と、
前記第二のソース領域、前記チャネル領域および前記ドリフト層の上にゲート絶縁膜を介して形成された第二のゲート電極と
を備えた半導体装置であって、
前記第一のソース領域のキャリア注入効率が、前記第二のソース領域のキャリア注入効率と比較して小さい
ことを特徴とする半導体装置。
With respect to the xy plane defined by the x and y directions orthogonal to each other, and the z direction orthogonal to the xy plane,
A first conductivity type drift layer formed along the xy plane;
A collector layer of a second conductivity type formed on the first surface of the drift layer;
A channel region of a second conductivity type selectively formed on the second surface of the drift layer;
A first source region of a first conductivity type selectively formed on the surface of the channel region;
A second source region of the first conductivity type selectively formed on the surface of the channel region;
A first gate electrode formed on the first source region, the channel region and the drift layer via a gate insulating film;
A semiconductor device comprising: a second gate electrode formed on the second source region, the channel region and the drift layer via a gate insulating film;
A semiconductor device, wherein the carrier injection efficiency of the first source region is smaller than the carrier injection efficiency of the second source region.
請求項5に記載の半導体装置において、
前記第一のソース領域のy方向の長さa1の、前記第一のソース領域を含む前記チャネル層のy方向の繰り返し単位の長さb1に対する比a1/b1が、
前記第二のソース領域のy方向の長さa2の、前記第二のソース領域を含む前記チャネル層のy方向の繰り返し単位の長さb2に対する比a2/b2より小さい
ことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 5,
The ratio a1 / b1 of the length a1 in the y direction of the first source region to the length b1 of the repeating unit in the y direction of the channel layer including the first source region is:
The semiconductor device, wherein the length a2 of the second source region in the y direction is smaller than the ratio a2 / b2 to the length b2 of the repeating unit in the y direction of the channel layer including the second source region .
請求項5に記載の半導体装置において、
前記第二のゲート電極に与えられる駆動信号の電圧が、しきい値電圧より高い状態から低い状態へ切り替わるタイミングが、
前記第一のゲート電極に与えられる駆動信号の電圧が、しきい値電圧より高い状態から低い状態へ切り替わるタイミングより早い
ことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 5,
The timing at which the voltage of the drive signal applied to the second gate electrode switches from a state higher than a threshold voltage to a lower state,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the voltage of the drive signal applied to the first gate electrode is earlier than the timing of switching from a higher state to a lower state than a threshold voltage.
請求項7に記載の半導体装置において、
前記第一のソース領域のy方向の長さa1の、前記第一のソース領域を含む前記チャネル層のy方向の繰り返し単位の長さb1に対する比a1/b1が、
前記第二のソース領域のy方向の長さa2の、前記第二のソース領域を含む前記チャネル層のy方向の繰り返し単位の長さb2に対する比a2/b2より小さい
ことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 7,
The ratio a1 / b1 of the length a1 in the y direction of the first source region to the length b1 of the repeating unit in the y direction of the channel layer including the first source region is:
The semiconductor device, wherein the length a2 of the second source region in the y direction is smaller than the ratio a2 / b2 to the length b2 of the repeating unit in the y direction of the channel layer including the second source region .
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