JP2018129350A - 半導体装置の制御装置、及び半導体装置とその半導体装置を制御する制御装置を含むシステム - Google Patents
半導体装置の制御装置、及び半導体装置とその半導体装置を制御する制御装置を含むシステム Download PDFInfo
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【課題】半導体装置のテール電流を抑制する制御装置及び半導体装置と制御装置を含むシステムを提供する。【解決手段】エミッタ領域からベース領域を貫通してドリフト領域に達する溝と、ベース領域と対向する溝の側壁上に絶縁膜を介して溝内に配置された制御電極と、ドリフト領域と対向する溝の壁面上に絶縁膜を介して溝内に配置された補助電極を含むトレンチゲート型IGBTを制御する制御装置であって、制御装置はIGBTをオフさせるように制御電極にオフ信号を出力する前に、補助電極に印加される電圧を下げる信号を出力する。【選択図】図2
Description
本発明は、スイッチング動作を行う半導体装置を制御する制御装置と、その半導体装置とその制御装置を含むシステムに関する。
大電流のスイッチング動作を行う半導体装置(パワー半導体素子)として、トレンチゲート型のIGBTが広く用いられている。
トレンチゲート型のIGBTは、図5の半導体装置1aで示すように、一般的に第1導電型のコレクタ領域10と、第1導電型のコレクタ領域10の上に形成された第2導電型のドリフト領域20と、第2導電型のドリフト領域20上に形成された第1導電型のベース領域40と、第1導電型のベース領域40上に選択的に形成された第1導電型のエミッタ領域50と、エミッタ領域50からベース領域40を貫通してドリフト領域20に達する溝30と、ベース領域40と対向する溝30の側壁に絶縁膜60を介して形成されたゲート電極80aと、エミッタ領域50と電気的に接続したエミッタ電極90と、コレクタ領域10と電気的に接続したコレクタ電極100とを備える。IGBTはエミッタ電極90とコレクタ電極100との間に所定のコレクタ・エミッタ間電圧を印加し、エミッタ電極90とゲート電極80aとの間に所定のゲート電圧を印加する。例えば、コレクタ電圧は300V〜1600V程度、ゲート電圧は10V〜20V程度である。このとき半導体装置1aはチャネル領域においてp型からn型に反転してチャネルが形成される。すると、エミッタ電極90からチャネルを通過して、電子がドリフト領域20に注入される。そしてコレクタ領域10とドリフト領域20との間が順バイアスされ、コレクタ電極100からコレクタ領域10を経由して正孔(ホール)がドリフト領域20、ベース領域40の順に移動する。更に半導体装置1aに流れる電流を増やしていくと、コレクタ領域10からの正孔が増加し、ベース領域40の下方に正孔が蓄積される。その結果、IGBTはMOSFETには無い伝導度変調の効果があり、低いオン電圧を実現することができる。
ここで、特許文献1のように、トレンチゲート型のIGBTにおいて、ゲート・コレクタ間の容量を低減するため、たとえば、ゲート電極の下にソース電位に接続された補助電極をゲート電極と同じ溝内に配置する構造が公知である。
しかしながら、IGBTをオンからオフに切り替えた時、IGBTのオン時にドリフト領域内に存在した正孔がすぐに消滅することなく残存キャリアとなる。すると、IGBTをオフさせる信号をゲート電極に与えたにも関わらずIGBTのコレクタ・エミッタ間にテール電流が流れてしまい、IGBTの高速スイッチングの妨げとなったり、IGBTのオフ時の発熱が増加したりする問題がある。IGBTのテール電流を減少させるためには、残存キャリアを少なくすることが有効である。しかし、残存キャリアを少なくするためにコレクタ領域から注入される正孔を減らすと、IGBTのオン時の伝導度変調効果も弱くなり、IGBTのオン電圧が増加してしまう。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決することができる半導体装置を制御する制御装置、及び半導体装置とその半導体装置を制御する制御装置を含むシステムを提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置の制御装置は、第1導電型の第1半導体領域と、前記第1半導体領域上に配置された、第1導電型と反対導電型である第2導電型の第2半導体領域と、前記第2半導体領域上に配置された、第1導電型の第3半導体領域と、前記第3半導体領域上に配置された、第2導電型の第4半導体領域と、前記第4半導体領域から前記第3半導体領域を貫通し、前記第2半導体領域に達する溝と、前記第3半導体領域と対向する溝の側壁上に絶縁膜を介して溝内に配置された制御電極と、前記第2半導体領域と対向する溝の壁面上に絶縁膜を介して溝内に配置された補助電極と、前記第4半導体領域と電気的に接続された第1の主電極と前記第1半導体領域と電気的に接続された第2の主電極とを備える半導体装置を制御する制御装置であって、前記制御装置は前記半導体装置をオフさせるように前記制御電極にオフ信号を出力する前に、前記補助電極に印加される電圧を下げる信号を出力することを特徴とする。
本発明の半導体装置の制御装置は、第1導電型の第1半導体領域と、前記第1半導体領域上に配置された、第1導電型と反対導電型である第2導電型の第2半導体領域と、前記第2半導体領域上に配置された、第1導電型の第3半導体領域と、前記第3半導体領域上に配置された、第2導電型の第4半導体領域と、前記第4半導体領域から前記第3半導体領域を貫通し、前記第2半導体領域に達する溝と、前記第3半導体領域と対向する溝の側壁上に絶縁膜を介して溝内に配置された制御電極と、前記第2半導体領域と対向する溝の壁面上に絶縁膜を介して溝内に配置された補助電極と、前記第4半導体領域と電気的に接続された第1の主電極と前記第1半導体領域と電気的に接続された第2の主電極とを備える半導体装置を制御する制御装置であって、前記制御装置は前記半導体装置をオフさせるように前記制御電極にオフ信号を出力する前に、前記補助電極に印加される電圧を下げる信号を出力することを特徴とする。
本発明は以上のように構成されているので、半導体装置をオンからオフに切り替えた時のテール電流を抑制することができる。
以下、本発明の実施の形態となる半導体装置について説明する。
半導体装置1の断面図を図1で示す。この半導体装置1は、コレクタ領域となるp+領域(第1の半導体領域)10の上に、ドリフト領域となるn−領域(第2の半導体領域)20、p+領域10よりも不純物濃度が低いベース領域となるp−領域(第3の半導体領域)40を備える。また、半導体装置1は、p−領域40を貫通して底部がn−領域20に達する第1の溝(溝)30を備える。第1の溝30は、図1における紙面と垂直方向に延伸し、紙面と平行方向に繰返し複数形成されている。
半導体装置1の断面図を図1で示す。この半導体装置1は、コレクタ領域となるp+領域(第1の半導体領域)10の上に、ドリフト領域となるn−領域(第2の半導体領域)20、p+領域10よりも不純物濃度が低いベース領域となるp−領域(第3の半導体領域)40を備える。また、半導体装置1は、p−領域40を貫通して底部がn−領域20に達する第1の溝(溝)30を備える。第1の溝30は、図1における紙面と垂直方向に延伸し、紙面と平行方向に繰返し複数形成されている。
第1の溝30の両側に、n−領域20よりも不純物濃度が高いエミッタ領域となるn+領域(第4の半導体領域)50が形成されている。第1の溝30の内面(側面及び底面)には絶縁膜60が形成されている。その絶縁膜60を介してp−領域40と対向するように、第1の溝30内にゲート電極(制御電極)80が形成されている。ゲート電極80は、例えば高濃度にドープされた導電性の多結晶シリコン(ポリシリコン)で構成される。ゲート電極80の下にはゲート電極80及びn−領域20と絶縁された補助電極70が形成されている。絶縁膜60を介してn−領域20と対向するように、第1の溝30内に補助電極70が形成されていることにより、半導体装置1はゲート・コレクタ間の容量(Cgd)を低減することができ、スイッチング損失を低減することができる。第1の溝30の底面と第1の溝30の側面及びゲート電極80と補助電極70との間において絶縁膜60を備えるため、補助電極70はゲート電極80及びn−領域20と絶縁されている。第1の溝30の底面と第1の溝30の側面及びゲート電極80と補助電極70との間の絶縁膜60の少なくとも一部が異なる材料で形成されても良い。
また、p+領域10とn−領域20との間にn−領域20よりも不純物濃度が高いn+領域130が設けられているが、n+領域130が設けられていなくても良い。
また、p+領域10とn−領域20との間にn−領域20よりも不純物濃度が高いn+領域130が設けられているが、n+領域130が設けられていなくても良い。
開口部にn+領域50が設けられた第1の溝30間に、p−領域40を貫通しない第2の溝120と第2の溝120の底部にp+コンタクト領域110が形成されている。第2の溝120は、第1の溝30と同様に図1における紙面と垂直方向に延伸し、紙面と平行方向に第1の溝30と第2の溝120が繰返し複数備える。ただし、第2の溝120とp+コンタクト領域110は形成されていなくても良い。また、n+領域50は紙面と垂直方向にある領域と無い領域が繰り返されていてもよい。また、図1の断面においてn+領域50とp+コンタクト領域110は両方が設けられているが、n+領域50とp+コンタクト領域110は紙面と垂直方向に交互に繰り返し形成してもよい。
エミッタ電極(第1の主電極)90が層間絶縁膜140上及び第2の溝120内に形成され、n+領域50と電気的に接続されている。ここで、エミッタ電極90はp−領域40と電気的に接続してもよい。これにより、p−領域4とn+領域5とのpn接合界面近傍の電位上昇を抑制し、半導体装置1のアバランシェ耐量の低下を抑制することができる。また、第2の溝120の底部にp−領域40よりも不純物濃度が高いp+コンタクト領域110を備え、p+コンタクト領域110を介してp−領域40とエミッタ電極90が電気的に接続しても良い。
半導体装置1のp+層10の裏面全面には、p+層10と電気的に接続されるコレクタ電極(第2の主電極)100が形成されている。
半導体装置1のp+層10の裏面全面には、p+層10と電気的に接続されるコレクタ電極(第2の主電極)100が形成されている。
半導体装置1を動作させる制御装置2及び半導体装置1と制御装置2を含むシステム3について、図2で説明する。図2は図1で示す半導体装置1と、ブロック図で示す制御装置2と、半導体装置1と制御装置2を含むシステム3と、システム3と電源や外部負荷などの周辺部品との接続関係を示す。
図2で示すように、制御装置2は半導体装置1のゲート電極80へ信号を出力するドライバ回路D1と、ドライバ回路D1がオンとオフの信号を出力するように制御信号を出力するパルス回路P1と、パルス回路P1の出力信号に応じて出力する制御装置2の出力端子T1と、半導体装置1の補助電極70へ信号を出力するドライバ回路D2と、ドライバ回路D2がオンとオフの信号を出力するように制御信号を出力するパルス回路P2と、パルス回路P2の出力信号に応じて出力する制御装置2の出力端子T2を備える。図2においてパルス回路P1とパルス回路P2を別々の装置として構成したが、パルス回路P1とパルス回路P2を1つの装置内で2出力できる構成とし、ドライバ回路D2への制御信号をドライバ回路D1への制御信号よりも所定時間だけ早くオン・オフする若しくは遅くオン・オフするように制御装置2を構成しても良い。また、制御装置2が1つの装置内で2出力できるように構成され、ドライバ回路D2がドライバ回路D1よりも所定時間だけ早くオン・オフする若しくは遅くオン・オフするように、制御装置2の中にパルス回路の代わりに別途リレー回路等を組み込んでも良い。また、ドライバ回路D1とドライバ回路D2の少なくとも何れか1つを制御装置2の外に設けて、パルス回路P1、P2の少なくとも何れか1つが制御装置2の出力端子と電気的に接続しても良い。
図2で示すように、制御装置2は半導体装置1のゲート電極80へ信号を出力するドライバ回路D1と、ドライバ回路D1がオンとオフの信号を出力するように制御信号を出力するパルス回路P1と、パルス回路P1の出力信号に応じて出力する制御装置2の出力端子T1と、半導体装置1の補助電極70へ信号を出力するドライバ回路D2と、ドライバ回路D2がオンとオフの信号を出力するように制御信号を出力するパルス回路P2と、パルス回路P2の出力信号に応じて出力する制御装置2の出力端子T2を備える。図2においてパルス回路P1とパルス回路P2を別々の装置として構成したが、パルス回路P1とパルス回路P2を1つの装置内で2出力できる構成とし、ドライバ回路D2への制御信号をドライバ回路D1への制御信号よりも所定時間だけ早くオン・オフする若しくは遅くオン・オフするように制御装置2を構成しても良い。また、制御装置2が1つの装置内で2出力できるように構成され、ドライバ回路D2がドライバ回路D1よりも所定時間だけ早くオン・オフする若しくは遅くオン・オフするように、制御装置2の中にパルス回路の代わりに別途リレー回路等を組み込んでも良い。また、ドライバ回路D1とドライバ回路D2の少なくとも何れか1つを制御装置2の外に設けて、パルス回路P1、P2の少なくとも何れか1つが制御装置2の出力端子と電気的に接続しても良い。
半導体装置1及び制御装置2を含むシステム3において、半導体装置1のゲート電極80と電気的に接続された端子Gと制御装置2の出力端子T1とが電気的に接続されている。そして半導体装置1の補助電極70と電気的に接続した半導体装置1の端子T3と制御装置2の出力端子T2とが電気的に接続されている。
このようなシステム3において、半導体装置1のエミッタ電極90と電気的に接続した端子Eは、コイルやモータ等の誘導負荷や抵抗などの外部負荷Lの一方の端子T4と電気的に接続され、半導体装置1のコレクタ電極100と電気的に接続した端子Cは、入力(外部電源)VOの高圧側の端子T6と電気的に接続され、コイルやモータ等の誘導負荷や抵抗などの外部負荷Lの他方の端子T5は入力(外部電源)VOの低圧側の端子T7と電気的に接続される。システム3は外部負荷Lに流れる電流または電圧を制御する。
このようなシステム3において、半導体装置1のエミッタ電極90と電気的に接続した端子Eは、コイルやモータ等の誘導負荷や抵抗などの外部負荷Lの一方の端子T4と電気的に接続され、半導体装置1のコレクタ電極100と電気的に接続した端子Cは、入力(外部電源)VOの高圧側の端子T6と電気的に接続され、コイルやモータ等の誘導負荷や抵抗などの外部負荷Lの他方の端子T5は入力(外部電源)VOの低圧側の端子T7と電気的に接続される。システム3は外部負荷Lに流れる電流または電圧を制御する。
図3は制御装置2の端子T1とT2から出力する信号VT1とVT2を図3で示す。なお、図3において制御装置2の信号に対して半導体装置1がどのようにコレクタ・エミッタ間電流Iceとコレクタ・エミッタ間電圧VCEが生じるか簡略的に説明する波形も併せて示す。図4は図3で示す制御装置2の端子T1、T2の出力信号VT1、VT2と、図3の制御装置2をシステム3へ組み込んだ際、半導体装置1をオンからオフへの切り替え時の半導体装置1の補助電極70に印加される電圧波形VFGEと、半導体装置1のゲート電極80に印加される電圧VGEと、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電流Iceと、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEを示す図である。ここで、図4(a)はシステム3がオフからオンの時の各波形を示し、図4(b)はシステム3がオンからオフの時の各波形を示す。なお、実線は図2のシステムにおける各波形を示し、一点破線は図5の従来の半導体装置1aを同様のシステム3aでオンまたはオフさせた時の各波形を示す。なお、図5の半導体装置1aの断面図が示すように、半導体装置1aの第1の溝内に図1の半導体装置1のように補助電極70は設けられておらず、その代わりにゲート電極80aが埋められている点が図2の半導体装置1と異なる。また、図5において、半導体装置1aにおいて図1の半導体装置1のような補助電極70が設けられていないので、図5の制御装置2aにおいて図2の制御装置2のドライバ回路D2とパルス回路P2とが設けられていない。それ以外は図2のシステム3の構成と図5のシステム3a構成は同じである。
図2の半導体装置1がオフの時、図4(a)の期間Pで示すように半導体装置1のゲート電極80に負電位又はゼロ電位が印加されるように、制御装置2のパルス回路P1の信号はオフを出力し、ドライバ回路D1は負電位又はゼロ電位を出力する。よって、制御装置2の端子T1の電圧VT1は負電位又はゼロ電位を出力する。一方、図4(a)で示すように半導体装置1の補助電極70に負電位又はゼロ電位が印加されるように、制御装置2のパルス回路P2の信号はオフ信号を出力し、ドライバ回路D2は負電位又はゼロ電位を出力する。よって、制御装置2の端子T2の電位VT2は負電位又はゼロ電位を出力する。
図2の半導体装置1がオフの時、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電流Iceは流れず、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEに所定の電圧が印加されている。そして外部負荷Lには電圧が印加されず、電流が流れない。
図2の半導体装置1がオフの時、図4(a)の期間Pで示すように半導体装置1のゲート電極80に負電位又はゼロ電位が印加されるように、制御装置2のパルス回路P1の信号はオフを出力し、ドライバ回路D1は負電位又はゼロ電位を出力する。よって、制御装置2の端子T1の電圧VT1は負電位又はゼロ電位を出力する。一方、図4(a)で示すように半導体装置1の補助電極70に負電位又はゼロ電位が印加されるように、制御装置2のパルス回路P2の信号はオフ信号を出力し、ドライバ回路D2は負電位又はゼロ電位を出力する。よって、制御装置2の端子T2の電位VT2は負電位又はゼロ電位を出力する。
図2の半導体装置1がオフの時、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電流Iceは流れず、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEに所定の電圧が印加されている。そして外部負荷Lには電圧が印加されず、電流が流れない。
制御装置2のパルス回路P1の信号がオフからオンに切り替えると、図3に示すように、少し遅れてコレクタ・エミッタ間電電流Iceは流れ、コレクタ・エミッタ間電圧VCEは下がる。これを詳細に見ると、図4(a)の期間Qで示すように、制御装置2のパルス回路P1の信号をオフからオンに切り替えると、ドライバ回路D1の出力及び制御装置2の端子T1の電圧VT1は負電位又はゼロ電位から立ち上がる。半導体装置1のゲート電極80の電圧VGEは除々に立ち上がり、電圧VGEは、やがて正の電圧が印加される。そして半導体装置1のゲート電極80が半導体装置1の閾値電圧を超えると、図4で示すように半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電流Iceが流れ始めて、コレクタ・エミッタ間電圧VCEは減少し始める。そして外部負荷Lには電圧が印加され、電流が流れる。
やがて、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電流Iceはピーク値Zに達し、やがてピーク値Zよりも下がり、ほぼ一定の定常状態(オン状態)となる。ピーク値Zは、配線やモータ等の外部負ZのL成分によるものであり、周辺部品によって変化する。
なお、上記期間Qにおいて、半導体装置1の補助電極70に負電位又はゼロ電位が印加されるように、制御装置2のパルス回路P2の信号はオフ信号を出力し、ドライバ回路D2は負電位又はゼロ電位を出力する。よって、制御装置2の端子T2の電位VT2は負電位又はゼロ電位を出力する。
やがて、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電流Iceはピーク値Zに達し、やがてピーク値Zよりも下がり、ほぼ一定の定常状態(オン状態)となる。ピーク値Zは、配線やモータ等の外部負ZのL成分によるものであり、周辺部品によって変化する。
なお、上記期間Qにおいて、半導体装置1の補助電極70に負電位又はゼロ電位が印加されるように、制御装置2のパルス回路P2の信号はオフ信号を出力し、ドライバ回路D2は負電位又はゼロ電位を出力する。よって、制御装置2の端子T2の電位VT2は負電位又はゼロ電位を出力する。
半導体装置1のゲート電極80の電圧VGEがある程度大きくなると、ミラー容量の効果によって、半導体装置1のゲート電極80の電圧VGEがほぼ一定のまま、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEが減少する。ここで、図4(a)のコレクタ・エミッタ間電圧VCEの立ち下がりが、実線で示すシステム3の方が一点波線で示すシステム3aよりも早い。これは、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEの減少に伴う半導体装置1のゲート電極80と補助電極70に蓄積された電荷の変化を、負電位又はゼロ電位に印加された補助電極70側で吸収することができるためである。その結果、図2の半導体装置1の電圧VCE(図4の実線)の立ち下がりは図5の半導体装置1aの電圧VCE(図4の一点破線)の立ち下がりに比べて早くなり、半導体装置1は半導体装置1aより早くオンさせることができる。
ミラー効果の終わりになると、再び半導体装置1のゲート電極80の電圧VGEが上昇し、やがて一定となる。チャネル抵抗は下がり、半導体装置1の電圧VCEは低下する。
ミラー効果の終わりになると、再び半導体装置1のゲート電極80の電圧VGEが上昇し、やがて一定となる。チャネル抵抗は下がり、半導体装置1の電圧VCEは低下する。
その後、図4(a)の期間Rで示すように半導体装置1の補助電極70に正の電位が印加されるように、制御装置2のパルス回路P2の出力をオフからオンに切り替え、制御装置2の端子T2の電圧VT2は立ち上がり、半導体装置1の補助電極70に印加される信号VFGEが立ち上げる。パルス回路P2がオンの時、半導体装置1の補助電極70に印加される電圧が半導体装置1のゲート電極80に印加される電圧以上になるように、制御装置2のドライバ回路D2の出力する電圧を調整する。一方、図4(a)の期間Rで示すように、半導体装置1のゲート電極80には引き続き閾値以上の正電位が印加されるように、制御装置2のパルス回路P1の信号はオン信号を出力し、ドライバ回路D1は正電位を出力している。よって、制御装置2の端子T1の電位VT1は正電位を出力する。
ここで、半導体装置1の補助電極70に印加される電圧を半導体装置1のゲート電極80に印加される電圧以上とすることによって、半導体装置1のn−領域20の補助電極70と対向する領域近傍に電子がより多く引きつけられる。これにより、半導体装置1のn−領域における補助電極70と対向する領域の不純物濃度が高まり、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEをより低減することができる。ここで、半導体装置1の補助電極70に印加される電圧を半導体装置1のゲート電極80に印加される電圧よりも大きくすることが望ましい。これにより、半導体装置1のn−領域における補助電極70と対向する領域の不純物濃度が更に高まり、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEを更に低減することができる。
なお、制御装置2のパルス回路P2の出力をオフからオンへ切り替える時点は、ミラー効果の終わりゲート電極80に印加される電圧の上昇が終わる、ゲート電極80がほぼ一定の値となった後であることが望ましい。それは、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEの減少に伴う半導体装置1のゲート電極80と補助電極70に蓄積された電荷の変化を、補助電極70側でより効果的に吸収することができ、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEの立ち下がりを早くすることができるためである。なお、制御装置2のパルス回路P2の出力をオフからオンへ切り替える時点は、外部負荷L等の影響を考慮し、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電流Iceの立ち上がりによるピーク値Zから所定の時間を経った後としても良い。
ここで、半導体装置1の補助電極70に印加される電圧を半導体装置1のゲート電極80に印加される電圧以上とすることによって、半導体装置1のn−領域20の補助電極70と対向する領域近傍に電子がより多く引きつけられる。これにより、半導体装置1のn−領域における補助電極70と対向する領域の不純物濃度が高まり、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEをより低減することができる。ここで、半導体装置1の補助電極70に印加される電圧を半導体装置1のゲート電極80に印加される電圧よりも大きくすることが望ましい。これにより、半導体装置1のn−領域における補助電極70と対向する領域の不純物濃度が更に高まり、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEを更に低減することができる。
なお、制御装置2のパルス回路P2の出力をオフからオンへ切り替える時点は、ミラー効果の終わりゲート電極80に印加される電圧の上昇が終わる、ゲート電極80がほぼ一定の値となった後であることが望ましい。それは、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEの減少に伴う半導体装置1のゲート電極80と補助電極70に蓄積された電荷の変化を、補助電極70側でより効果的に吸収することができ、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEの立ち下がりを早くすることができるためである。なお、制御装置2のパルス回路P2の出力をオフからオンへ切り替える時点は、外部負荷L等の影響を考慮し、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電流Iceの立ち上がりによるピーク値Zから所定の時間を経った後としても良い。
図4(a)の期間Rまたは図4(b)の期間RDで示すように、制御装置2のパルス回路P2の出力をオフからオンに切り替えた後、制御装置2のパルス回路P2にオフ信号を出力するまで、半導体装置1のゲート電極80と補助電極70に一定の電位が印加されるように、制御装置2のパルス回路P1及びP2はオン信号を出力し、制御装置2のドライバ回路D1及びD2も所定の正の電圧を出力し、制御装置2のVT1,VT2も所定の正の電圧を出力する。例えば、ゲート電極80の電圧を15Vとなり、補助電極70の電圧が18Vとなるように、ドライバ回路D1及びD2は出力する。
制御装置2のパルス回路P1の信号をオフとすることで、半導体装置1にコレクタ・エミッタ間電電流Iceが流れず、半導体装置1はオフとなる。図4(b)の期間QDで示すように、制御装置2のパルス回路P1がオフ信号を出力する前に、制御装置2のパルス回路P2はオフ信号を出力し、制御装置2のドライブ回路D2の出力を下げ、制御装置2のVT2も所定の電圧(負電位又はゼロ電位)に下げる。すると、半導体装置1の補助電極70に印加される電圧VFGEは徐々に下がり、やがて電圧VFGEはオフ状態(電圧VFGEが負電位又はゼロ電位)となる。
一方、図4(b)の期間QDにおいて、制御装置2のパルス回路P1はオン信号を出力して、制御装置2のドライバ回路D1も所定の正の電圧を出力し、制御装置2のVT1も所定の正の電圧を出力する。
半導体装置1の補助電極70に印加される電圧が立ち下がることで、半導体装置1のn−領域20の補助電極70と対向する領域近傍に電子が集まる量が補助電極70に正の電位が印加された時に比べて減少し、IGBTの伝導度変調が低くなり、IGBTの飽和が浅くなる。その結果、IGBTのベース電流が下がり、コレクタ・エミッタ間電圧VCEは若干上昇する。これにより電力損失は若干上昇するが、短時間であるので、半導体装置1の発熱が大きく増加することはない。
一方、図4(b)の期間QDにおいて、制御装置2のパルス回路P1はオン信号を出力して、制御装置2のドライバ回路D1も所定の正の電圧を出力し、制御装置2のVT1も所定の正の電圧を出力する。
半導体装置1の補助電極70に印加される電圧が立ち下がることで、半導体装置1のn−領域20の補助電極70と対向する領域近傍に電子が集まる量が補助電極70に正の電位が印加された時に比べて減少し、IGBTの伝導度変調が低くなり、IGBTの飽和が浅くなる。その結果、IGBTのベース電流が下がり、コレクタ・エミッタ間電圧VCEは若干上昇する。これにより電力損失は若干上昇するが、短時間であるので、半導体装置1の発熱が大きく増加することはない。
その後、図4(b)の期間PDで示すように、図2のシステムにおいて、制御装置2のパルス回路P1の信号をオンからオフに切り替える。制御装置2のパルス回路P1をオフすると、制御装置2のドライバ回路D1の出力が低下し、図4(b)の期間PDで示すように半導体装置1のゲート電圧VGEは徐々に下がる。
一方、図4(b)の期間PDにおいて、パルス回路P2の信号はオフしており、半導体装置1の補助電極70に印加される電圧を負電位又はゼロ電位となるように制御装置2のドライバ回路D2は出力を設定している。
やがて、半導体装置1のゲート電圧VGEがある電圧にまで下がると、ミラー容量の効果により、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEは上昇するが、ゲート電圧VGEは一定となる。ここで、半導体装置1の補助電極70に印加される電圧を負電位又はゼロ電位となるように制御装置2の出力を設定しているので、半導体装置1がオンしているときに比べて、IGBTの伝導度変調が低い状態となっており、IGBTの飽和が浅い。よって、図2の半導体装置1の電圧VCE(図4の実線)の立ち上がりは図5の半導体装置1aの電圧VCE(図4の一点破線)の立ち上がりに比べて早くなり、半導体装置1は半導体装置1aより早くオフさせることができる。さらに、半導体装置1のn−領域20の残存キャリアも半導体装置1aのn−領域20の残存キャリアに比べて少なくなり、半導体装置1のIGBTのテール電流Y1は図5の半導体装置1aのテール電流Y2よりも短くなる。よって、半導体装置1の電力損失が大幅に低減され、半導体装置1のオフ時の発熱を抑制することができる。
ここで、制御装置2のパルス回路P1の信号をオンからオフに切り替えは、半導体装置1の補助電極70に印加される電圧VFGEの立ち下がりが終わってからの方が望ましい。また、半導体装置1をオンからオフへの切り替えは、図4(b)の期間QDにおいて半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEが若干上昇することが終わってからの方が望ましい。半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEの増加に伴う半導体装置1のゲート電極80と補助電極70に蓄積された電荷の変化を、補助電極70側でより効果的に吸収することができ、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEの立ち上がりを早め、ミラー容量の効果の終了による電流の立ち下がりを早くすることができる。そして半導体装置1がオフになると、外部負荷Lには電流が流れなくなる。
一方、図4(b)の期間PDにおいて、パルス回路P2の信号はオフしており、半導体装置1の補助電極70に印加される電圧を負電位又はゼロ電位となるように制御装置2のドライバ回路D2は出力を設定している。
やがて、半導体装置1のゲート電圧VGEがある電圧にまで下がると、ミラー容量の効果により、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEは上昇するが、ゲート電圧VGEは一定となる。ここで、半導体装置1の補助電極70に印加される電圧を負電位又はゼロ電位となるように制御装置2の出力を設定しているので、半導体装置1がオンしているときに比べて、IGBTの伝導度変調が低い状態となっており、IGBTの飽和が浅い。よって、図2の半導体装置1の電圧VCE(図4の実線)の立ち上がりは図5の半導体装置1aの電圧VCE(図4の一点破線)の立ち上がりに比べて早くなり、半導体装置1は半導体装置1aより早くオフさせることができる。さらに、半導体装置1のn−領域20の残存キャリアも半導体装置1aのn−領域20の残存キャリアに比べて少なくなり、半導体装置1のIGBTのテール電流Y1は図5の半導体装置1aのテール電流Y2よりも短くなる。よって、半導体装置1の電力損失が大幅に低減され、半導体装置1のオフ時の発熱を抑制することができる。
ここで、制御装置2のパルス回路P1の信号をオンからオフに切り替えは、半導体装置1の補助電極70に印加される電圧VFGEの立ち下がりが終わってからの方が望ましい。また、半導体装置1をオンからオフへの切り替えは、図4(b)の期間QDにおいて半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEが若干上昇することが終わってからの方が望ましい。半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEの増加に伴う半導体装置1のゲート電極80と補助電極70に蓄積された電荷の変化を、補助電極70側でより効果的に吸収することができ、半導体装置1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEの立ち上がりを早め、ミラー容量の効果の終了による電流の立ち下がりを早くすることができる。そして半導体装置1がオフになると、外部負荷Lには電流が流れなくなる。
上記で示す期間P、Q、R、RD、QD、PDを繰り返すことで、図3のように繰り返し波形となり、半導体装置は制御装置によって制御される。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様の作用効果をそうするものは、いかなるものであっても本発明に含まれる。
たとえば、上記の構成は、いずれもnチャネル型の素子であったが、導電型(p型、n型)を逆転させ、pチャネル型の半導体装置を同様に得ることができることは明らかである。
また、溝の中に制御電極と補助電極を含むIGBTを含む半導体装置1の構造であれば、本発明を実現することができる。例えば、制御電極と補助電極が別々の溝内に配置されている場合も同様の効果を奏することも明らかである。また、制御電極が溝の中央側で分断し、p―領域40と対向する第1の溝30の側面のみに絶縁膜60を介して配置されている場合も同様の効果を奏することも明らかである。
また、半導体装置1と制御装置2との間、ドライバ回路D1とパルス回路P1との間、またドライバ回路D2とパルス回路P2との間にフォトカプラのように半導体装置1と制御装置2とを絶縁する回路を設けた場合やアンプのような増幅回路を設けた場合においても、本発明を実現することができることも明らかである。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様の作用効果をそうするものは、いかなるものであっても本発明に含まれる。
たとえば、上記の構成は、いずれもnチャネル型の素子であったが、導電型(p型、n型)を逆転させ、pチャネル型の半導体装置を同様に得ることができることは明らかである。
また、溝の中に制御電極と補助電極を含むIGBTを含む半導体装置1の構造であれば、本発明を実現することができる。例えば、制御電極と補助電極が別々の溝内に配置されている場合も同様の効果を奏することも明らかである。また、制御電極が溝の中央側で分断し、p―領域40と対向する第1の溝30の側面のみに絶縁膜60を介して配置されている場合も同様の効果を奏することも明らかである。
また、半導体装置1と制御装置2との間、ドライバ回路D1とパルス回路P1との間、またドライバ回路D2とパルス回路P2との間にフォトカプラのように半導体装置1と制御装置2とを絶縁する回路を設けた場合やアンプのような増幅回路を設けた場合においても、本発明を実現することができることも明らかである。
1 半導体装置
2 制御装置
3 システム
10 p+領域
20 n−領域
30 第1の溝
40 p―領域
50 n+領域
60 絶縁膜
70 補助電極
80 ゲート電極
90 エミッタ電極
100 コレクタ電極
110 p+コンタクト領域
120 第2の溝
130 n+領域
140 層間絶縁膜
D1、D2 ドライバ回路
P1、P2 パルス回路
2 制御装置
3 システム
10 p+領域
20 n−領域
30 第1の溝
40 p―領域
50 n+領域
60 絶縁膜
70 補助電極
80 ゲート電極
90 エミッタ電極
100 コレクタ電極
110 p+コンタクト領域
120 第2の溝
130 n+領域
140 層間絶縁膜
D1、D2 ドライバ回路
P1、P2 パルス回路
Claims (8)
- 第1導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域上に配置された、第1導電型と反対導電型である第2導電型の第2半導体領域と、
前記第2半導体領域上に配置された、第1導電型の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域上に配置された、第2導電型の第4半導体領域と、
前記第4半導体領域から前記第3半導体領域を貫通し、前記第2半導体領域に達する溝と、
前記第3半導体領域と対向する前記溝の側壁上に絶縁膜を介して前記溝内に配置された制御電極と、
前記第2半導体領域と対向する前記溝の壁面上に絶縁膜を介して前記溝内に配置された補助電極と、
前記第4半導体領域と電気的に接続された第1の主電極と、
前記第1半導体領域と電気的に接続された第2の主電極と、
を備える半導体装置を制御する制御装置であって、
前記制御装置は前記半導体装置をオフさせるように前記制御電極にオフ信号を出力する前に、
前記補助電極に印加される電圧を下げる信号を出力することを特徴とする制御装置。 - 前記補助電極を下げたことによる前記半導体装置の伝導度変調の飽和が浅くなった後に、前記半導体装置をオフさせるように前記制御電極にオフ信号を出力することを特徴とする請求項1の制御装置。
- 前記補助電極を下げた時の前記半導体装置のオン電圧が上昇した後、半導体装置をオフするように前記制御電極に信号を出力することを特徴とする請求項1又は2の制御装置。
- 前記補助電極に印加される電圧を下げる信号は、前記補助電極の電圧をゼロ又はマイナス電位となるように、出力することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の制御装置
- 前記半導体装置の前記制御電極に半導体装置をオンさせる信号を出力した後に、前記半導体装置の前記補助電極に印加される電圧を立ち上げる信号を出力することを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の制御装置。
- 前記半導体装置の前記補助電極に印加される電圧を立ち上げる信号を出力し、
前記半導体装置の前記補助電極に印加される電圧が前記半導体装置の前記制御電極に印加される電圧以上の電圧となるように、前記制御装置の出力を制御することを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の制御装置。 - 前記補助電極に印加される電圧を下げる信号は、前記補助電極の電圧をマイナス電位となるように出力し、
前記半導体装置がオンした後、前記半導体装置の前記補助電極に印加される電圧が前記半導体装置の前記制御電極に印加される電圧よりも大きい電圧となるように、前記制御装置の出力を制御することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の制御装置 - 請求項1〜7の何れか1項に記載の制御装置は、
前記半導体装置の前記制御電極へ信号を出力する第1のドライバ回路と、
前記第1のドライバ回路がオンとオフの信号を出力するように制御信号を出力する第1のパルス回路と、
前記第1のパルス回路の出力信号に応じて出力する第1の出力端子と、
前記半導体装置の前記補助電極へ信号を出力する第2のドライバ回路と、
前記第2のドライバ回路がオンとオフの信号を出力するように制御信号を出力する第2のパルス回路と、
前記第2のパルス回路の出力信号に応じて出力する第2の出力端子と、
を含み、
前記第1の出力端子は前記制御電極と電気的に接続し、
前記第2の出力端子は前記補助電極と電気的に接続し、
前記第1の主電極または第2の主電極と電気的に接続された外部負荷に印加される電圧を制御することを特徴とするシステム。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
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- 2017-02-06 JP JP2017019966A patent/JP2018129350A/ja active Pending
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