JP2018200974A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板の第1の主面に形成された第1導電型の半導体層1と、第2導電型のウェル領域2と、ウェル領域を挟んで隣接して形成された第1ゲート電極6および第2ゲート電極13と、第1導電型のエミッタ領域3と、第2導電型の給電領域12と、エミッタ電極7と、第2の主面側に形成された第2導電型のコレクタ層4と、コレクタ電極8と、を備える。第1ゲート電極と第2ゲート電極の間隔は、隣接する他のゲート電極との間隔よりも狭く、第1ゲート電極および第2ゲート電極は、スイッチングゲート配線またはキャリア制御ゲート配線のいずれか一方と接続され、キャリア制御ゲート配線に接続されるゲート電極の数が前記スイッチングゲート配線に接続されるゲート電極の数よりも多い。
【選択図】図1
Description
半導体装置の制御方法であって、
前記半導体装置は、互いに独立して制御が可能なスイッチングゲート電極とキャリア制御ゲート電極を備えるデュアルゲート型IGBTであり、
前記スイッチングゲート電極および前記キャリア制御ゲート電極の間隔は、各々に隣接する他のゲート電極との間隔よりも狭く、かつ、前記キャリア制御ゲート電極の数は前記スイッチングゲート電極の数よりも多く、
前記デュアルゲート型IGBTを駆動させる際に、
(a)前記スイッチングゲート電極および前記キャリア制御ゲート電極の両方に閾値電圧以上の電圧を印加する第1の状態と、
(b)前記スイッチングゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加し、前記キャリア制御ゲート電極に閾値未満の電圧を印加する第2の状態と、
(c)前記スイッチングゲート電極および前記キャリア制御ゲート電極の両方に閾値未満の電圧を印加する第3の状態と、を有することを特徴とする半導体装置の制御方法。
付記1に記載の半導体装置の制御方法であって、
前記デュアルゲート型IGBTが導通状態から非導通状態に移行する際、前記(a),前記(b),前記(c)の順に移行することを特徴とする半導体装置の制御方法。
付記1に記載の半導体装置の制御方法であって、
前記デュアルゲート型IGBTが非導通状態から導通状態に移行する際、前記(c),前記(b),前記(a)の順に移行することを特徴とする半導体装置の制御方法。
付記1に記載の半導体装置の制御方法であって、
前記デュアルゲート型IGBTが非導通状態から導通状態に移行する際、前記(c),前記(a),前記(b),前記(a)の順に移行することを特徴とする半導体装置の制御方法。
付記1から付記4のいずれかに記載の半導体装置の制御方法であって、
前記デュアルゲート型IGBTが導通状態から非導通状態に移行する際、前記(b)を経過する時間は10μ秒以上であることを特徴とする半導体装置の制御方法。
付記1から付記5のいずれかに記載の半導体装置の制御方法であって、
前記デュアルゲート型IGBTが非導通状態から導通状態に移行する際、前記(b)を経過する時間は0.5μ秒以上であることを特徴とする半導体装置の制御方法。
スイッチング素子となるIGBTと、
前記IGBTと逆並列に接続され、整流素子となるダイオードと、
前記IGBTの駆動信号を出力する制御回路と、
前記制御回路からの駆動信号を、前記IGBTのゲートの入力信号に変換する駆動回路と、を備える電力変換装置であって、
前記IGBTは、特許請求の範囲に記載の請求項1から10のいずれか1項に記載の半導体装置を用いることを特徴とする電力変換装置。
付記7に記載の電力変換装置であって、
前記ダイオードは、半導体基体として炭化ケイ素を用いるショットキーバリアダイオードであることを特徴とする電力変換装置。
付記7に記載の電力変換装置であって、
前記ダイオードは、内部のキャリアを動的に制御可能な絶縁ゲート制御型ダイオードであることを特徴とする電力変換装置。
2…p型ウェル層
3…n型エミッタ層
4…p型コレクタ層
5…ゲート絶縁膜(酸化膜)
6…絶縁ゲート電極GS(GSゲート)
7…エミッタ電極
8…コレクタ電極
12…p型給電層
13…絶縁ゲート電極GC(GCゲート)
15…p型フローティング層またはn-型ドリフト層
16…厚い絶縁膜
18…GSゲート(の駆動信号)
19…GCゲート(の駆動信号)
20…IGBTのコレクタエミッタ間電圧(波形)
21…IGBTのコレクタ電流(波形)
22…IGBTの電流・電圧積
23…(IGBTの)導通期間
24…ターンオフ直前の期間
25…ターンオフ期間
26…(p型ウェル層2に反転層を形成する)閾値電圧
27…電源電圧
28…従来のIGBT
29…本発明の第1実施形態(実施例1)を適用したIGBT
30…(ターンオフ直前の期間24における)導通損失の上昇量
31…(ターンオフ期間25における)ターンオフスイッチング損失
32…合計ターンオフ損失
40…GSゲート配線
41…GCゲート配線
42…コンタクト層
43…(トレンチゲート型IGBTの)帰還容量
44…(サイドゲート型IGBTの)帰還容量
45…非導通期間
46…ターンオン期間
47…本発明の実施例4(図11)を適用したIGBTの波形
48…本発明の実施例4の第一の変形例(図12)を適用したIGBTの波形
49…本発明の実施例4の第二の変形例(図14)を適用したIGBTの波形
64…制御回路
66…ダイオード
67…(IGBTを駆動する)駆動回路
68…誘導性負荷
69…直流電圧(電力)源
70…IGBT
71…IGBT70の絶縁ゲート(端子)
72…(IGBT70と逆並列接続の)ダイオード
76…(本発明の)IGBT
77…(本発明のIGBT76の)GSゲート端子
78…(本発明のIGBT76の)GCゲート端子
81…ショットキーバリアダイオード
82…絶縁ゲート制御型ダイオード
83…(絶縁ゲート制御型ダイオードの)絶縁ゲート端子
84…(2つの絶縁ゲートから構成された)絶縁ゲート制御型ダイオード
85…(2つの絶縁ゲートから構成された絶縁ゲート制御型ダイオードの)第一絶縁ゲート端子
86…(2つの絶縁ゲートから構成された絶縁ゲート制御型ダイオードの)第二絶縁ゲート端子
91…ゲート電極(絶縁ゲート電極G1)
92…ゲート電極(絶縁ゲート電極G2)
93…p型フローティング層
94…伝導度変調
100…(本発明の第1実施形態の)IGBT
200…(本発明の第2実施形態の)IGBT
201…(本発明の第2実施形態の変形例の)IGBT
300…(本発明の第3実施形態の)IGBT
301…(本発明の第3実施形態の変形例の)IGBT
400…(本発明の第4実施形態の)IGBTの駆動方法
401…(本発明の第4実施形態の第一の変形例の)IGBTの駆動方法
402…(本発明の第4実施形態の第二の変形例の)IGBTの駆動方法
500…(本発明の第5実施形態の)電力変換装置。
501…(本発明の第5実施形態の第一の変形例の)電力変換装置
502…(本発明の第5実施形態の第二の変形例の)電力変換装置
503…(本発明の第5実施形態の第三の変形例の)電力変換装置。
Claims (10)
- 半導体基板の第1の主面に形成された第1導電型の半導体層と、
前記第1導電型の半導体層に接し、前記第1の主面側に形成された第2導電型のウェル領域と、
ゲート絶縁膜を介して前記第1導電型の半導体層および前記第2導電型のウェル領域に接し、前記第2導電型のウェル領域を挟んで互いに隣接して形成された第1ゲート電極および第2ゲート電極と、
前記第2導電型のウェル領域の前記第1の主面側に形成された第1導電型のエミッタ領域と、
前記第1導電型のエミッタ領域を貫通し、前記第2導電型のウェル領域と電気的に接続された第2導電型の給電領域と、
前記第2導電型の給電領域を介して、前記第2導電型のウェル領域と電気的に接続されたエミッタ電極と、
前記第1導電型の半導体層に接し、前記第1の主面側とは反対側の前記半導体基板の第2の主面側に形成された第2導電型のコレクタ層と、
前記第2導電型のコレクタ層と電気的に接続されたコレクタ電極と、を備え、
前記第1ゲート電極および前記第2ゲート電極の間隔は、各々に隣接する他のゲート電極との間隔よりも狭く、
前記第1ゲート電極および前記第2ゲート電極の各々は、スイッチングゲート配線またはキャリア制御ゲート配線のいずれか一方と電気的に接続され、
前記キャリア制御ゲート配線に接続されるゲート電極の数が前記スイッチングゲート配線に接続されるゲート電極の数よりも多いことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置であって、
前記第1ゲート電極および前記第2ゲート電極は、前記第2導電型のウェル領域を貫いて形成されたトレンチ内に設けられたトレンチゲート型のゲート電極であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置であって、
前記第1ゲート電極および前記第2ゲート電極は、各々に隣接する他のゲート電極との間に導電領域を有しないサイドゲート型のゲート電極であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項3に記載の半導体装置であって、
前記第1ゲート電極および前記第2ゲート電極は、前記エミッタ電極側から前記コレクタ電極側に向かって幅が広くなるサイドウォール形状を有するサイドウォールゲート型のゲート電極であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体装置であって、
前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極は、互いに独立して制御が可能であり、
前記半導体装置を駆動させる際に、
(a)前記スイッチングゲート配線に接続されるゲート電極および前記キャリア制御ゲート配線に接続されるゲート電極の両方に閾値電圧以上の電圧を印加する第1の状態と、
(b)前記スイッチングゲート配線に接続されるゲート電極に閾値電圧以上の電圧を印加し、前記キャリア制御ゲート配線に接続されるゲート電極に閾値未満の電圧を印加する第2の状態と、
(c)前記スイッチングゲート配線に接続されるゲート電極および前記キャリア制御ゲート配線に接続されるゲート電極の両方に閾値未満の電圧を印加する第3の状態と、を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項5に記載の半導体装置であって、
前記半導体装置が導通状態から非導通状態に移行する際、前記(a),前記(b),前記(c)の順に移行することを特徴とする半導体装置。 - 請求項5に記載の半導体装置であって、
前記半導体装置が非導通状態から導通状態に移行する際、前記(c),前記(b),前記(a)の順に移行することを特徴とする半導体装置。 - 請求項5に記載の半導体装置であって、
前記半導体装置が非導通状態から導通状態に移行する際、前記(c),前記(a),前記(b),前記(a)の順に移行することを特徴とする半導体装置。 - 請求項5から8のいずれか1項に記載の半導体装置であって、
前記半導体装置が導通状態から非導通状態に移行する際、前記(b)を経過する時間は10μ秒以上であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項5から9のいずれか1項に記載の半導体装置であって、
前記半導体装置が非導通状態から導通状態に移行する際、前記(b)を経過する時間は0.5μ秒以上であることを特徴とする半導体装置。
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