JP2017098359A - Reverse conducting igbt - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書で開示される技術は、逆導通IGBT(Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor)に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a reverse conducting IGBT (Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor).
特許文献1に開示されるように、IGBT領域とダイオード領域を半導体層内に一体化させた逆導通IGBTが開発されている。このような逆導通IGBTでは、半導体層の裏面に第1主電極が設けられ、半導体層の表面に第2主電極が設けられ、半導体層の表面側にトレンチゲートが設けられている。第1主電極は、IGBT領域においてコレクタ電極として機能し、ダイオード領域においてカソード電極として機能する。第2主電極は、IGBT領域においてエミッタ電極として機能し、ダイオード領域においてアノード電極として機能する。逆導通IGBTでは、トレンチゲートに印加される電位に応じて第1主電極と第2主電極の間を流れる電流量が制御される。また、逆導通IGBTでは、ダイオード領域に形成されているダイオード構造がフリーホイールダイオードとして動作する。
As disclosed in
IGBT領域のIGBT構造がオンしているときの半導体層内のキャリア分布を詳細に検討したところ、IGBT領域とダイオード領域の境界近傍のキャリア量が、IGBT領域の中心のキャリア量よりも顕著に低いことが分かってきた。この検討結果から、従来の逆導通IGBTでは、IGBT領域とダイオード領域の境界近傍を電流経路として有効に活用できていないことが分かってきた。本明細書は、IGBT領域とダイオード領域の境界近傍を電流経路として有効に活用することで、逆導通IGBTのオン電圧を低下させる技術を提供する。 When the carrier distribution in the semiconductor layer when the IGBT structure of the IGBT region is on is examined in detail, the carrier amount in the vicinity of the boundary between the IGBT region and the diode region is significantly lower than the carrier amount at the center of the IGBT region. I understand that. From this examination result, it has been found that the conventional reverse conducting IGBT cannot effectively use the vicinity of the boundary between the IGBT region and the diode region as a current path. The present specification provides a technique for reducing the on-voltage of the reverse conducting IGBT by effectively utilizing the vicinity of the boundary between the IGBT region and the diode region as a current path.
本明細書が開示する逆導通IGBTの一実施形態は、IGBT領域とダイオード領域に区画されている素子領域を有する半導体層、半導体層の第1主面に設けられている第1主電極、半導体層の第2主面に設けられている第2主電極及び半導体層のIGBT領域の第2主面側に設けられているトレンチゲートを備える。半導体層は、第1導電型のドリフト領域及び第2導電型領域を有する。ドリフト領域は、IGBT領域とダイオード領域の双方に連続して設けられている。第2導電型領域は、ドリフト領域上に設けられており、IGBT領域とダイオード領域の双方に連続して設けられており、半導体層の第2主面に露出する。トレンチゲートは、第2導電型領域を貫通してドリフト領域に突出する。IGBT領域の中心からIGBT領域とダイオード領域の境界までの半導体層を中心から境界までの距離の3等分で分割したときに、境界側の分割領域に含まれるトレンチゲートがドリフト領域に突出する側面の合計である第1面積が中心側の分割領域に含まれるトレンチゲートがドリフト領域に突出する側面の合計である第2面積よりも大きく、境界側の分割領域と中心側の分割領域の間の分割領域に含まれるトレンチゲートがドリフト領域に突出する側面の合計である第3面積が、第2面積以上であって第1面積以下である。 One embodiment of the reverse conducting IGBT disclosed in this specification includes a semiconductor layer having an element region partitioned into an IGBT region and a diode region, a first main electrode provided on a first main surface of the semiconductor layer, and a semiconductor A second main electrode provided on the second main surface of the layer; and a trench gate provided on the second main surface side of the IGBT region of the semiconductor layer. The semiconductor layer has a first conductivity type drift region and a second conductivity type region. The drift region is provided continuously in both the IGBT region and the diode region. The second conductivity type region is provided on the drift region, is provided continuously in both the IGBT region and the diode region, and is exposed on the second main surface of the semiconductor layer. The trench gate protrudes into the drift region through the second conductivity type region. Side surface where the trench gate included in the dividing region on the boundary side protrudes into the drift region when the semiconductor layer from the center of the IGBT region to the boundary between the IGBT region and the diode region is divided into three equal parts of the distance from the center to the boundary The first area, which is the sum of the two, is larger than the second area which is the sum of the side surfaces of the trench gate included in the center-side divided region and protrudes into the drift region, and is between the boundary-side divided region and the center-side divided region. The third area, which is the sum of the side surfaces from which the trench gates included in the divided regions protrude into the drift region, is not less than the second area and not more than the first area.
上記実施形態の逆導通IGBTでは、トレンチゲートがドリフト領域に突出する側面の面積が、IGBT領域とダイオード領域の境界側で大きくなるように構成されていることを1つの特徴とする。これにより、第1主電極と第2主電極の間の電気抵抗値は、IGBT領域とダイオード領域の境界側で低くなる。このため、IGBT領域のIGBT構造がオンしているとき、IGBT領域とダイオード領域の境界近傍の半導体層内のキャリア量が増加する。上記実施形態の逆導通IGBTでは、IGBT領域とダイオード領域の境界近傍が電流経路として有効に活用され、オン電圧が低下する。 One feature of the reverse conducting IGBT of the above embodiment is that the area of the side surface from which the trench gate protrudes into the drift region is configured to be large on the boundary side between the IGBT region and the diode region. As a result, the electrical resistance value between the first main electrode and the second main electrode is lowered on the boundary side between the IGBT region and the diode region. For this reason, when the IGBT structure of the IGBT region is on, the amount of carriers in the semiconductor layer near the boundary between the IGBT region and the diode region increases. In the reverse conducting IGBT of the above embodiment, the vicinity of the boundary between the IGBT region and the diode region is effectively utilized as a current path, and the on-voltage is reduced.
図1に示されるように、逆導通IGBT1は、シリコン単結晶の半導体層10を備える。半導体層10は、IGBT領域2aとダイオード領域2bに区画されている素子領域2を有する。素子領域2の範囲は、後述する第2主電極が被膜される範囲に概ね一致する。この例では、素子領域2内のIGBT領域2aとダイオード領域2bが、一方向に沿って交互に繰り返すように区画されている。
As shown in FIG. 1, the
図2に示されるように、逆導通IGBT1は、半導体層10の裏面(第1主面の一例)を被覆する第1主電極22、半導体層10の表面(第2主面の一例)を被覆する第2主電極24、半導体層10のIGBT領域2aの表面側に設けられているトレンチゲート26及び半導体層10のダイオード領域2bの表面側に設けられているダミートレンチ28を備える。
As shown in FIG. 2, the
第1主電極22は、IGBT領域2aにおいてコレクタ電極として機能し、ダイオード領域2bにおいてカソード電極として機能する。第2主電極24は、IGBT領域2aにおいてエミッタ電極として機能し、ダイオード領域2bにおいてアノード電極として機能する。一例では、第1主電極22及び第2主電極24の材料にアルミニウムが用いられている。図3に示されるように、トレンチゲート26及びダミートレンチ28はいずれも、半導体層10の表面に対して直交する方向から観測したときに、ストライプ状のレイアウトを有する。
The first
図2及び図3に示されるように、半導体層10は、p+型のコレクタ領域11、n+型のカソード領域12、n+型のバッファ領域13、n型のドリフト領域14、p型領域15、n+型のエミッタ領域16、n型のバリア領域17及びp+型のコンタクト領域18を有する。
2 and 3, the
図2に示されるように、コレクタ領域11は、半導体層10の裏面側の一部に設けられている。また、コレクタ領域11は、ドリフト領域14の下方の一部に設けられており、IGBT領域2aに選択的に配置されている。半導体層10では、コレクタ領域11が存在する範囲をIGBT領域2aという。コレクタ領域11は、その不純物濃度が濃く、第1主電極22にオーミック接触する。コレクタ領域11は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層10の裏面からボロンを導入することで形成されている。
As shown in FIG. 2, the
図2に示されるように、カソード領域12は、半導体層10の裏面側の一部に設けられている。また、カソード領域12は、ドリフト領域14の下方の一部に設けられており、ダイオード領域2bに選択的に配置されている。半導体層10では、カソード領域12が存在する範囲をダイオード領域2bという。カソード領域12は、その不純物濃度が濃く、第1主電極22にオーミック接触する。カソード領域12は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層10の裏面からリンを導入することで形成されている。
As shown in FIG. 2, the
図2に示されるように、バッファ領域13は、コレクタ領域11とドリフト領域14の間、及び、カソード領域12とドリフト領域14の間に設けられており、IGBT領域2aとダイオード領域2bを連続して双方に配置されている。バッファ領域13は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層10の裏面からリンを導入することで形成されている。
As shown in FIG. 2, the
図2に示されるように、ドリフト領域14は、バッファ領域13とp型領域15の間に設けられており、IGBT領域2aとダイオード領域2bを連続して双方に配置されている。ドリフト領域14は、半導体層10に他の領域を形成した残部であり、不純物濃度は厚み方向に一定である。ドリフト領域14の上層部には、He照射によって結晶欠陥が高密度に調整されたライフタイム制御領域14aが形成されている。
As shown in FIG. 2, the
図2に示されるように、p型領域15は、ドリフト領域14の上方に設けられており、ドリフト領域14に接しており、IGBT領域2aとダイオード領域2bを連続して双方に配置されており、半導体層10の表面に露出する。p型領域15は、IGBT領域2aにおいてボディ領域として機能し、ダイオード領域2bにおいてアノード領域として機能する。p型領域15は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層10の表面からボロンを導入することで形成されている。なお、p型領域15は、特許請求の範囲に記載の第2導電型領域の一例である。
As shown in FIG. 2, the p-
図2に示されるように、エミッタ領域16は、p型領域15の上方に設けられており、p型領域15に接しており、IGBT領域2aに選択的に配置されており、トレンチゲート26の側面に接しており、半導体層10の表面に露出する。図3に示されるように、エミッタ領域16は、トレンチゲート26の長手方向に直交する方向に伸びた形態を有する。また、エミッタ領域16は、トレンチゲート26の長手方向に沿って分散して配置されている。エミッタ領域16は、その不純物濃度が濃く、第2主電極24にオーミック接触する。エミッタ領域16は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層10の表面からリンを導入することで形成されている。
As shown in FIG. 2, the
図2に示されるように、バリア領域17は、p型領域15内に設けられており、p型領域15によってドリフト領域14から隔てられており、p型領域15によってエミッタ領域16からも隔てられており、IGBT領域2aに選択的に配置されており、トレンチゲート26の側面に接する。バリア領域17の電位はフローティングである。バリア領域17は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層10の表面からリンを導入することで形成されている。なお、バリア領域17は、ドリフト領域14とp型領域15の間に介在するように設けられていてもよい。この場合、バリア領域17の不純物濃度は、ドリフト領域14の不純物濃度よりも濃くなるように調整される。
As shown in FIG. 2, the
図3に示されるように、コンタクト領域18は、p型領域15の上方に設けられており、p型領域15に接しており、IGBT領域2aに選択的に配置されており、半導体層10の表面に露出する。コンタクト領域18は、トレンチゲート26の長手方向に沿って分散して配置されている。コンタクト領域18は、その不純物濃度がp型領域15よりも濃く、第2主電極24にオーミック接触する。コンタクト領域18は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層10の表面からボロンを導入することで形成されている。
As shown in FIG. 3, the
図2に示されるように、トレンチゲート26及びダミートレンチ28はいずれも、ポリシリコンを材料とする電極部と酸化シリコンを材料とする絶縁膜を有しており、電極部が絶縁膜を介して半導体層10に対向する。トレンチゲート26の電極部は、層間絶縁膜によって第2主電極24から分離されており、ゲート電位が印加可能に構成されている。ダミートレンチの電極部は、第2主電極24に接触しており、第2主電極24と同電位となるように構成されている。
As shown in FIG. 2, each of the
図2に示されるように、トレンチゲート26は、半導体層10の表面から深部に向けて伸びており、p型領域15を貫通してドリフト領域14に突出するように構成されている。エミッタ領域16及びバリア領域17は、トレンチゲート26の側面に接する。ダミートレンチ28も、半導体層10の表面から深部に向けて伸びており、p型領域15を貫通してドリフト領域14に突出するように構成されている。
As shown in FIG. 2, the
図2に示されるように、トレンチゲート26は、半導体層10の厚み方向に沿ってドリフト領域14に突出する長さが異なるように構成されている。トレンチゲート26は、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界からの距離が近いほど、ドリフト領域14に突出する長さが長くなるように構成されている。換言すると、次のように説明することができる。図4に示されるように、IGBT領域2aの中心からIGBT領域2aとダイオード領域2bの境界までの半導体層10を中心から境界までの距離の3等分で分割し、境界側分割領域51、中心側分割領域52、境界側分割領域51と中心側分割領域52の間の中間分割領域53を規定する。境界側分割領域51に含まれるトレンチゲート26がドリフト領域14に突出する側面の合計である第1面積S1が中心側分割領域52に含まれるトレンチゲート26がドリフト領域14に突出する側面の合計である第2面積S2よりも大きい。さらに、中間分割領域53に含まれるトレンチゲート26がドリフト領域14に突出する側面の合計である第3面積S3が、第2面積S2以上であり第1面積S1以下である。なお、この例では、第3面積S3が、第2面積S2よりも大きく、第1面積S1よりも小さい。
As shown in FIG. 2, the
この例では、トレンチゲート26がドリフト領域14に突出する長さが、IGBT領域2aの中心からIGBT領域2aとダイオード領域2bの境界に向けて漸次増加するように設定されている。しかしながら、最もダイオード領域2b側にあるトレンチゲート26の突出長さが中心にあるトレンチゲート26の突出長さよりも長い関係が得られている限りにおいて、それらの間にあるトレンチゲート26の突出長さは、全てが一定に設定されていてもよく、あるいは、一部が一定の長さで階段状に増加するように設定されていてもよい。即ち、最もダイオード領域2b側にあるトレンチゲート26の突出長さが中心にあるトレンチゲート26の突出長さよりも長く、且つ、それらの間のトレンチゲート26の突出長さは、中心にあるトレンチゲート26の突出長さ以上であって最もダイオード領域2b側にあるトレンチゲート26の突出長さ以下であり、さらに、隣り合うトレンチゲート26の突出長さを比較したときに、ダイオード領域2b側のトレンチゲート26の突出長さが中心側のトレンチゲート26の突出長さ以上である。
In this example, the length that the
逆導通IGBT1では、第1主電極22、コレクタ領域11、バッファ領域13、ドリフト領域14、p型領域15、エミッタ領域16、バリア領域17、コンタクト領域18、第2主電極24及びトレンチゲート26がIGBT構造を構成する。逆導通IGBT1では、第1主電極22、カソード領域12、バッファ領域13、ドリフト領域14、p型領域15及び第2主電極24がダイオード構造を構成する。
In the
逆導通IGBT1では、第1主電極22に第2主電極24よりも正となる電圧が印加され、トレンチゲート26の電極部に第2主電極24よりも正となる電圧が印加されると、IGBT領域2aのIGBT構造がターンオンする。上記したように、逆導通IGBT1では、トレンチゲート26がドリフト領域14に突出する長さが、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界からの距離が近いほど長くなるように構成されていることを1つの特徴とする。これにより、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界近傍では、トレンチゲート26の側面に沿うように正孔が多く流入する。第1主電極22と第2主電極24の間の電気抵抗値は、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界からの距離が近いほど低くなる。このため、IGBT領域2aのIGBT構造がオンしているとき、IGBT領域2aの中心よりもIGBT領域2aとダイオード領域2bの境界近傍に電流が多く流れ、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界近傍の半導体層10内のキャリア量が増加する。逆導通IGBT1では、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界近傍が電流経路として有効に活用され、オン電圧が低下する。
In the
また、逆導通IGBT1では、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界近傍を流れる電流が増加するので、この部分での発熱量が増加する。従来の逆導通IGBT(トレンチゲートの長さ及びピッチが一定)では、IGBT領域とダイオード領域の境界近傍の電流が小さいことから、半導体層の熱分布は、IGBT領域の中心をピークとしてダイオード領域の中心に向けて急峻に低下し、不均一なものとなる。このような熱分布の不均一は、逆導通IGBTの電気特性を不均一なものとし、逆導通IGBTの信頼性を低下させる。一方、逆導通IGBT1では、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界近傍を流れる電流が増加するので、この部分での発生した熱が効率的にダイオード領域2bに放熱され、これにより、半導体層10の熱分布が均一化される。逆導通IGBT1では、半導体層10の熱分布が均一化され、電気特定も安定し、信頼性が向上する。
In the
さらに、逆導通IGBT1は、バリア領域17を有することを1つの特徴とする。バリア領域17は、IGBT領域2aのIGBT構造がオンしているときに、正孔が第2主電極24に排出されるのを抑制し、半導体層10内に正孔を蓄積させ、オン電圧を低下させる。逆導通IGBT1では、上記したトレンチゲート26の形状効果によって、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界近傍に多くの正孔が流入する。この正孔は、バリア領域17によって効果的に蓄積される。換言すると、上記したトレンチゲート26の形状効果は、バリア領域17の正孔蓄積効果を向上させることができる。これにより、逆導通IGBT1では、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界近傍が電流経路として極めて有効に活用され、オン電圧が顕著に低下する。
Further, the
図5に、変形例の逆導通IGBT1Aを示す。この逆導通IGBT1Aでは、隣り合うトレンチゲート26間のピッチ幅が、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界からの距離が近いほど短くなるように構成されていることを特徴とする。図示は省略するが、逆導通IGBT1Aでも、IGBT領域2aの中心からIGBT領域2aとダイオード領域2bの境界までの半導体層10を中心から境界までの距離の3等分で分割し、境界側分割領域、中心側分割領域、中間分割領域を規定したときに、境界側分割領域に含まれるトレンチゲート26がドリフト領域14に突出する側面の合計である第1面積が中心側分割領域に含まれるトレンチゲートがドリフト領域14に突出する側面の合計である第2面積よりも大きく、さらに、中間分割領域に含まれるトレンチゲート26がドリフト領域14に突出する側面の合計である第3面積が、第2面積以上であり第1面積以下である。また、最もダイオード領域2b側で隣り合うトレンチゲート26間のピッチ幅が最も中心側で隣り合うトレンチゲート26間のピッチ幅よりも短く、且つ、最もダイオード領域2b側にあるトレンチゲート26と中心にあるトレンチゲート26の間のトレンチゲート26間のピッチ幅は、最もダイオード領域2b側で隣り合うトレンチゲート26のピッチ幅以上であって最も中心側で隣り合うトレンチゲート26のピッチ幅以下であり、さらに、各々のトレンチゲート26間のピッチ幅を比較すると、ダイオード領域2b側のトレンチゲート26間のピッチ幅が中心側のトレンチゲート26間のピッチ幅以上である、と言うこともできる。逆導通IGBT1Aではさらに、トレンチゲート26が、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界からの距離が近いほど、ドリフト領域14に突出する長さが長くなるように構成されていてもよい。
FIG. 5 shows a modified
上記したように、逆導通IGBT1Aでは、隣り合うトレンチゲート26間のピッチ幅が、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界からの距離が近いほど短くなるように構成されている。これにより、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界近傍では、トレンチゲート26の側面に沿うように正孔が多く流入する。第1主電極22と第2主電極24の間の電気抵抗値は、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界からの距離が近いほど低くなる。このため、IGBT領域2aのIGBT構造がオンしているとき、IGBT領域2aの中心よりもIGBT領域2aとダイオード領域2bの境界近傍に電流が多く流れ、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界近傍の半導体層10内のキャリア量が増加する。逆導通IGBT1では、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界近傍が電流経路として有効に活用され、オン電圧が低下する。
As described above, the
さらに、逆導通IGBT1Aでも、バリア領域17を有することを1つの特徴とする。逆導通IGBT1Aでは、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界近傍において、トレンチゲート26のピッチ幅が狭いので、この部分から排出される正孔に対する電気抵抗値が高い。さらに、バリア領域17が設けられているので、この部分から排出される正孔に対する電気抵抗値がさらに高くなる。このように、逆導通IGBT1Aでは、トレンチゲート26とバリア領域17の相乗効果によって、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界近傍の正孔蓄積効果が顕著に向上する。これにより、逆導通IGBT1では、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界が電流経路として極めて有効に活用され、オン電圧が顕著に低下する。
Further, the
図6に、変形例の逆導通IGBT1Bを示す。この逆導通IGBT1Bは、半導体層10の表面に露出するエミッタ領域16の面積が、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界からの距離が近いほど大きくなるように構成されていることを特徴とする。図示は省略するが、変形例の逆導通IGBT1Bでも、IGBT領域2aの中心からIGBT領域2aとダイオード領域2bの境界までの半導体層10を中心から境界までの距離の3等分で分割し、境界側分割領域、中心側分割領域、中間分割領域を規定したときに、境界側分割領域の半導体層10の表面に露出するエミッタ領域16の合計である第1面積が中心側分割領域の半導体層10の表面に露出するエミッタ領域16の合計である第2面積よりも大きく、さらに、中間分割領域の半導体層10の表面に露出するエミッタ領域16の合計である第3面積が、第2面積以上であり第1面積以下である。この変形例に代えて、エミッタ領域16の不純物濃度が、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界からの距離が近いほど濃くなるように構成されていてもよい。図示は省略するが、この場合でも、IGBT領域2aの中心からIGBT領域2aとダイオード領域2bの境界までの半導体層10を中心から境界までの距離の3等分で分割し、境界側分割領域、中心側分割領域、中間分割領域を規定したときに、境界側分割領域のエミッタ領域16の不純物濃度の第1濃度が中心側分割領域のエミッタ領域16の不純物濃度の第2濃度よりも濃く、さらに、中間分割領域のエミッタ領域16の不純物濃度の第3濃度が、第2濃度以上であり第1濃度以下である。あるいは、エミッタ領域16は、これらの特徴を組合せたように構成されていてもよい。エミッタ領域16がこのように構成されていると、エミッタ領域16と第2主電極24のコンタクト抵抗の低下及び/又はエミッタ領域16からの電子の注入量の増加により、第1主電極22と第2主電極24の間の電気抵抗値は、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界からの距離が近いほど低くなる。このため、IGBT領域2aのIGBT構造がオンしているとき、IGBT領域2aの中心よりもIGBT領域2aとダイオード領域2bの境界近傍に電流が多く流れ、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界近傍の半導体層10内のキャリア量が増加する。逆導通IGBT1Aでは、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界が電流経路としてさらに有効に活用され、オン電圧がさらに低下する。
FIG. 6 shows a
また、IGBT領域2aに設けられているコレクタ領域11の不純物濃度が、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界からの距離が近いほど濃くなるように構成されていてもよい。図示は省略するが、この場合でも、IGBT領域2aの中心からIGBT領域2aとダイオード領域2bの境界までの半導体層10を中心から境界までの距離の3等分で分割し、境界側分割領域、中心側分割領域、中間分割領域を規定したときに、境界側分割領域のコレクタ領域11の不純物濃度の第1濃度が中心側分割領域のコレクタ領域11の不純物濃度の第2濃度よりも濃く、さらに、中間分割領域のコレクタ領域11の不純物濃度の第3濃度が、第2濃度以上であり第1濃度以下である。コレクタ領域11がこのように構成されていると、コレクタ領域11からの正孔の注入量の増加により、第1主電極22と第2主電極24の間の電気抵抗値は、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界からの距離が近いほど低くなる。このため、IGBT領域2aのIGBT構造がオンしているとき、IGBT領域2aの中心よりもIGBT領域2aとダイオード領域2bの境界近傍に電流が多く流れ、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界近傍の半導体層10内のキャリア量が増加する。逆導通IGBT1,1Aでは、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界が電流経路としてさらに有効に活用され、オン電圧がさらに低下する。
Further, the impurity concentration of the
上記例では、図1に示されるように、素子領域2内のIGBT領域2aとダイオード領域2bが、一方向に沿って交互に繰り返すように区画されている場合を例示した。IGBT領域2aとダイオード領域2bのレイアウトには、この例に限られず、様々なものを採用することができる。例えば、IGBT領域2aに囲まれるように、1つ又は複数のダイオード領域2bが分散配置されていてもよく、その囲まれるダイオード領域2bが矩形状、多角形状、円状、楕円状の形態を有していてもよい。
In the above example, as shown in FIG. 1, the case where the
上記例では、IGBT領域2aに7本のトレンチゲート26が設けられている場合を例示した。IGBT領域2aに設けられるトレンチゲート26の本数は、この例に限られるものではない。ただし、IGBT領域2aの中心とIGBT領域2aとダイオード領域2bの境界との間でトレンチゲート26の形態上の相違を生じさせるために、IGBT領域2aに設けられるトレンチゲート26の本数が少なくとも3本であるのが望ましい。
In the above example, the case where seven
上記例では、IGBT領域2aに設けられているトレンチゲート26が、図2に示す断面において、IGBT領域2aの中心に対して線対称となるように構成されている場合を例示した。これに代えて、IGBT領域2aに設けられているトレンチゲート26は、図2に示す断面において、IGBT領域2aの中心に対して非対称となるように構成されていてもよい。例えば、IGBT領域2aの中心に対して一方の側にあるトレンチゲート26の突出長さが他方の側にあるトレンチゲート26の突出長さよりも長くなるように構成されていてもよい。
In the above example, the case where the
上記例では、IGBT領域2aの全範囲において、トレンチゲート26がドリフト領域14に突出する側面の単位体積当たりの面積が、IGBT領域2aとダイオード領域2bの境界からの距離が近いほど大きくなるように構成されている場合を例示した。この場合、IGBT領域2aの全体が電流経路として有効に活用されるので、オン電圧の低下効果が大きい。しかしながら、本明細書で開示される技術は、このような構成が適用されるトレンチゲート26が、IGBT領域2aの少なくとも一部の範囲に設けられている場合でも有用である。この場合でも、そのIGBT領域2aの少なくとも一部の範囲において、IGBT領域とダイオード領域の境界が電流経路として有効に活用され、オン電圧が低下する。
In the above example, in the entire range of the
以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。 The technical features disclosed in this specification will be summarized below. The items described below have technical usefulness independently.
本明細書で開示される逆導通IGBTの一実施形態は、IGBT領域とダイオード領域に区画されている素子領域を有する半導体層、半導体層の第1主面に設けられている第1主電極、半導体層の第2主面に設けられている第2主電極及び半導体層のIGBT領域の第2主面側に設けられているトレンチゲートを備えていてもよい。半導体層は、第1導電型のドリフト領域及び第2導電型領域を有する。ドリフト領域は、IGBT領域とダイオード領域の双方に連続して設けられている。第2導電型領域は、ドリフト領域上に設けられており、IGBT領域とダイオード領域の双方に連続して設けられており、半導体層の第2主面に露出する。トレンチゲートは、第2導電型領域を貫通してドリフト領域に突出する。IGBT領域の中心からIGBT領域とダイオード領域の境界までの半導体層を中心から境界までの距離の3等分で分割したときに、境界側の分割領域に含まれるトレンチゲートがドリフト領域に突出する側面の合計である第1面積が中心側の分割領域に含まれるトレンチゲートがドリフト領域に突出する側面の合計である第2面積よりも大きく、境界側の分割領域と中心側の分割領域の間の分割領域に含まれるトレンチゲートがドリフト領域に突出する側面の合計である第3面積が、第2面積以上であって第1面積以下である。より望ましくは、第3面積が、第2面積よりも大きく、第1面積よりも小さい。 One embodiment of the reverse conducting IGBT disclosed in this specification includes a semiconductor layer having an element region partitioned into an IGBT region and a diode region, a first main electrode provided on a first main surface of the semiconductor layer, A second main electrode provided on the second main surface of the semiconductor layer and a trench gate provided on the second main surface side of the IGBT region of the semiconductor layer may be provided. The semiconductor layer has a first conductivity type drift region and a second conductivity type region. The drift region is provided continuously in both the IGBT region and the diode region. The second conductivity type region is provided on the drift region, is provided continuously in both the IGBT region and the diode region, and is exposed on the second main surface of the semiconductor layer. The trench gate protrudes into the drift region through the second conductivity type region. Side surface where the trench gate included in the dividing region on the boundary side protrudes into the drift region when the semiconductor layer from the center of the IGBT region to the boundary between the IGBT region and the diode region is divided into three equal parts of the distance from the center to the boundary The first area, which is the sum of the two, is larger than the second area which is the sum of the side surfaces of the trench gate included in the center-side divided region and protrudes into the drift region, and is between the boundary-side divided region and the center-side divided region. The third area, which is the sum of the side surfaces from which the trench gates included in the divided regions protrude into the drift region, is not less than the second area and not more than the first area. More desirably, the third area is larger than the second area and smaller than the first area.
IGBT領域の少なくとも一部の範囲に設けられているトレンチゲートは、最もダイオード領域側にあるトレンチゲートがドリフト領域に突出する突出長さが、IGBT領域の中心にあるトレンチゲートがドリフト領域に突出する突出長さよりも長く構成されていてもよい。さらに、最もダイオード領域側にあるトレンチゲートと中心にあるトレンチゲートの間のトレンチゲートがドリフト領域に突出する突出長さは、中心にあるトレンチゲートの突出長さ以上であって最もダイオード領域側にあるトレンチゲートの突出長さ以下となるように構成されていてもよい。さらに、隣り合うトレンチゲートの突出長さを比較したときに、ダイオード領域側のトレンチゲートの突出長さが中心側のトレンチゲートの突出長さ以上となるように構成されていてもよい。より望ましくは、トレンチゲートの突出長さが、IGBT領域とダイオード領域の境界からの距離が近いほど大きくなるように構成されていてもよい。また、IGBT領域の少なくとも一部の範囲に設けられているトレンチゲートは、最もダイオード領域側で隣り合うトレンチゲート間のピッチ幅が最も中心側で隣り合うトレンチゲート間のピッチ幅よりも短く構成されていてもよい。さらに、最もダイオード領域側にあるトレンチゲートと中心にあるトレンチゲートの間にあるトレンチゲート間のピッチ幅は、最もダイオード領域側で隣り合うトレンチゲートのピッチ幅以上であって最も中心側で隣り合うトレンチゲートのピッチ幅以下となるように構成されていてもよい。さらに、各々のトレンチゲート間のピッチ幅を比較すると、ダイオード領域側のトレンチゲート間のピッチ幅が中心側のトレンチゲート間のピッチ幅以上となるように構成されていてもよい。より望ましくは、隣り合うトレンチゲート間のピッチ幅が、IGBT領域とダイオード領域の境界からの距離が近いほど大きくなるように構成されていてもよい。あるいは、トレンチゲートは、これらの特徴を組合せたように構成されていてもよい。これらの態様の逆導通IGBTによると、第1主電極と第2主電極の間の電気抵抗値は、IGBT領域とダイオード領域の境界からの距離が近いほど低くなる。このため、IGBT領域のIGBT構造がオンしているとき、IGBT領域とダイオード領域の境界からの距離が近い半導体層内のキャリア量が増加する。上記態様の逆導通IGBTでは、IGBT領域とダイオード領域の境界が電流経路として有効に活用され、オン電圧が低下する。 The trench gate provided in at least a part of the IGBT region has a protruding length at which the trench gate closest to the diode region protrudes into the drift region, and the trench gate at the center of the IGBT region protrudes into the drift region. You may be comprised longer than protrusion length. Furthermore, the protrusion length of the trench gate between the trench gate closest to the diode region and the trench gate in the center protruding into the drift region is equal to or longer than the protrusion length of the trench gate in the center and closest to the diode region. You may be comprised so that it may become below the protrusion length of a certain trench gate. Furthermore, when the protruding lengths of adjacent trench gates are compared, the protruding length of the trench gate on the diode region side may be greater than or equal to the protruding length of the trench gate on the center side. More desirably, the protruding length of the trench gate may be configured to increase as the distance from the boundary between the IGBT region and the diode region decreases. In addition, the trench gate provided in at least a part of the IGBT region is configured such that the pitch width between the trench gates adjacent on the most diode region side is shorter than the pitch width between the trench gates adjacent on the most central side. It may be. Furthermore, the pitch width between the trench gates located between the trench gate closest to the diode region and the trench gate located at the center is equal to or greater than the pitch width of the trench gate adjacent to the diode region, and is adjacent to the center. You may be comprised so that it may become below the pitch width of a trench gate. Furthermore, when the pitch width between the respective trench gates is compared, the pitch width between the trench gates on the diode region side may be configured to be greater than or equal to the pitch width between the trench gates on the center side. More desirably, the pitch width between adjacent trench gates may be configured to increase as the distance from the boundary between the IGBT region and the diode region becomes shorter. Alternatively, the trench gate may be configured to combine these features. According to the reverse conducting IGBT of these aspects, the electrical resistance value between the first main electrode and the second main electrode becomes lower as the distance from the boundary between the IGBT region and the diode region is closer. For this reason, when the IGBT structure of the IGBT region is on, the amount of carriers in the semiconductor layer near the distance from the boundary between the IGBT region and the diode region increases. In the reverse conducting IGBT of the above aspect, the boundary between the IGBT region and the diode region is effectively utilized as a current path, and the on-voltage decreases.
上記態様の逆導通IGBTでは、半導体層が、第1導電型のエミッタ領域をさらに有していてもよい。エミッタ領域は、ドリフト領域上に設けられており、IGBT領域に設けられており、トレンチゲートの側面に接しており、半導体層の第2主面に露出する。この場合、半導体層の第2主面に露出するエミッタ領域の面積が、IGBT領域とダイオード領域の境界からの距離が近いほど大きくなるように構成されていてもよい。また、エミッタ領域の不純物濃度が、IGBT領域とダイオード領域の境界からの距離が近いほど濃くなるように構成されていてもよい。あるいは、エミッタ領域は、これらの特徴を組合せたように構成されていてもよい。これらの態様の逆導通IGBTによると、第1主電極と第2主電極の間の電気抵抗値は、IGBT領域とダイオード領域の境界からの距離が近いほど低くなる。このため、IGBT領域のIGBT構造がオンしているとき、IGBT領域とダイオード領域の境界からの距離が近い半導体層内のキャリア量が増加する。上記態様の逆導通IGBTでは、IIGBT領域とダイオード領域の境界が電流経路として有効に活用され、オン電圧が低下する。 In the reverse conducting IGBT of the above aspect, the semiconductor layer may further include a first conductivity type emitter region. The emitter region is provided on the drift region, is provided in the IGBT region, is in contact with the side surface of the trench gate, and is exposed on the second main surface of the semiconductor layer. In this case, the area of the emitter region exposed on the second main surface of the semiconductor layer may be configured to increase as the distance from the boundary between the IGBT region and the diode region decreases. Further, the impurity concentration of the emitter region may be configured to increase as the distance from the boundary between the IGBT region and the diode region becomes shorter. Alternatively, the emitter region may be configured to combine these features. According to the reverse conducting IGBT of these aspects, the electrical resistance value between the first main electrode and the second main electrode becomes lower as the distance from the boundary between the IGBT region and the diode region is closer. For this reason, when the IGBT structure of the IGBT region is on, the amount of carriers in the semiconductor layer near the distance from the boundary between the IGBT region and the diode region increases. In the reverse conducting IGBT of the above aspect, the boundary between the IIGBT region and the diode region is effectively utilized as a current path, and the on-voltage decreases.
上記態様の逆導通IGBTでは、半導体層が、第2導電型のコレクタ領域を有していてもよい。コレクタ領域は、IGBT領域に設けられており、半導体層の第1主面に露出する。この場合、コレクタ領域の不純物濃度が、IGBT領域とダイオード領域の境界からの距離が近いほど濃くなるように構成されていてもよい。この態様の逆導通IGBTによると、第1主電極と第2主電極の間の電気抵抗値は、IGBT領域とダイオード領域の境界からの距離が近いほど低くなる。このため、IGBT領域のIGBT構造がオンしているとき、IGBT領域とダイオード領域の境界からの距離が近い半導体層内のキャリア量が増加する。上記態様の逆導通IGBTでは、IGBT領域とダイオード領域の境界が電流経路として有効に活用され、オン電圧が低下する。 In the reverse conducting IGBT of the above aspect, the semiconductor layer may have a second conductivity type collector region. The collector region is provided in the IGBT region and is exposed on the first main surface of the semiconductor layer. In this case, the collector region may be configured such that the impurity concentration in the collector region increases as the distance from the boundary between the IGBT region and the diode region decreases. According to the reverse conducting IGBT of this aspect, the electrical resistance value between the first main electrode and the second main electrode becomes lower as the distance from the boundary between the IGBT region and the diode region is closer. For this reason, when the IGBT structure of the IGBT region is on, the amount of carriers in the semiconductor layer near the distance from the boundary between the IGBT region and the diode region increases. In the reverse conducting IGBT of the above aspect, the boundary between the IGBT region and the diode region is effectively utilized as a current path, and the on-voltage decreases.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
1:逆導通IGBT
2a:IGBT領域
2b:ダイオード領域
10:半導体層
11:コレクタ領域
12:カソード領域
13:バッファ領域
14:ドリフト領域
15:p型領域
16:エミッタ領域
17:バリア領域
18:コンタクト領域
19:ピラー領域
22:第1主電極
24:第2主電極
28:ダミートレンチ
1: Reverse conducting IGBT
2a:
Claims (1)
IGBT領域とダイオード領域に区画されている素子領域を有する半導体層と、
前記半導体層の第1主面に設けられている第1主電極と、
前記半導体層の第2主面に設けられている第2主電極と、
前記半導体層の前記IGBT領域の前記第2主面側に設けられているトレンチゲートと、を備えており、
前記半導体層は、
前記IGBT領域と前記ダイオード領域の双方に連続して設けられている第1導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域上に設けられており、前記IGBT領域と前記ダイオード領域の双方に連続して設けられており、前記半導体層の前記第2主面に露出する第2導電型領域と、を有しており、
前記トレンチゲートは、前記第2導電型領域を貫通して前記ドリフト領域に突出しており、
前記IGBT領域の中心から前記IGBT領域と前記ダイオード領域の境界までの前記半導体層を前記中心から前記境界までの距離の3等分で分割したときに、前記境界側の分割領域に含まれる前記トレンチゲートが前記ドリフト領域に突出する側面の合計である第1面積が前記中心側の分割領域に含まれる前記トレンチゲートが前記ドリフト領域に突出する側面の合計である第2面積よりも大きく、前記境界側の分割領域と前記中心側の分割領域の間の分割領域に含まれる前記トレンチゲートが前記ドリフト領域に突出する側面の合計である第3面積が、前記第2面積以上であって前記第1面積以下である、逆導通IGBT。 A reverse conducting IGBT,
A semiconductor layer having an element region partitioned into an IGBT region and a diode region;
A first main electrode provided on a first main surface of the semiconductor layer;
A second main electrode provided on the second main surface of the semiconductor layer;
A trench gate provided on the second main surface side of the IGBT region of the semiconductor layer,
The semiconductor layer is
A drift region of a first conductivity type provided continuously in both the IGBT region and the diode region;
A second conductivity type region provided on the drift region, continuously provided in both the IGBT region and the diode region, and exposed to the second main surface of the semiconductor layer; And
The trench gate protrudes into the drift region through the second conductivity type region,
When the semiconductor layer from the center of the IGBT region to the boundary between the IGBT region and the diode region is divided into three equal parts of the distance from the center to the boundary, the trench included in the division region on the boundary side The first area, which is the sum of the side surfaces where the gate protrudes into the drift region, is larger than the second area, which is the sum of the side surfaces where the trench gate included in the central divided region protrudes into the drift region, and the boundary A third area that is the sum of the side surfaces of the trench gates included in the divided region between the divided region on the side and the divided region on the central side that protrudes into the drift region is equal to or greater than the second area, and Reverse conducting IGBT that is smaller than the area.
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