JP2019012813A - Insulated gate bipolar transistor - Google Patents

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Tsuneo Ogura
常雄 小倉
知子 末代
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知子 末代
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Abstract

To provide an IGBT with low ON voltage and reduced switching loss.SOLUTION: An IGBT according to an embodiment includes a first electrode, a first semiconductor layer of a first conductivity type with a second electrode on the first semiconductor layer, a second semiconductor layer of a second conductivity type, a third semiconductor layer of a second conductivity type, a fourth semiconductor layer of the first conductivity type, and a fifth semiconductor layer of the second conductivity type in this order. The third electrode is provided on the third semiconductor layer, the fourth semiconductor layer, and the fifth semiconductor layer via a gate insulating film, and is insulated from the first electrode and the second electrode. The fourth electrode is provided between the third electrode and the second semiconductor layer, and is insulated from the third electrode and the second semiconductor layer.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

絶縁ゲート型バイポーラトランジスタに関する。   The present invention relates to an insulated gate bipolar transistor.

600V以上の耐圧を有するパワー半導体素子として絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor))が一般に用いられている。パワー半導体装置は、一般にスイッチとして用いられるので、オン抵抗が低く、スイッチング速度が速いことが望まれている。オン抵抗低減のために、チャネル領域からさらに深くn形ベース層まで延伸するトレンチゲート構造が用いられる。この構造を用いることにより、隣り合うトレンチゲート間のn形ベース層にキャリアを効率よく閉じ込めて伝導度変調を引き起こし、IGBTのオン抵抗が低減される。しかしながら、チャネルより深いトレンチゲート構造により、IGBTのオフ状態からオン状態への移行(ターンオン)時にキャリア蓄積の遅延が大きく、また、オン状態から/オフ状態への移行(ターンオフ)時にはキャリアの排出の遅延が大きい。これにより、ターンオン時のスイッチングロス及びターンオフ時のスイッチングロスが大きいという問題があった。 An insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)) is generally used as a power semiconductor element having a breakdown voltage of 600 V or higher. Since a power semiconductor device is generally used as a switch, it is desired that the on-resistance is low and the switching speed is high. In order to reduce the on-resistance, a trench gate structure extending from the channel region to the n -type base layer is used. By using this structure, carriers are efficiently confined in the n -type base layer between adjacent trench gates to cause conductivity modulation, and the on-resistance of the IGBT is reduced. However, because of the trench gate structure deeper than the channel, the delay of carrier accumulation is large when the IGBT is switched from the off state to the on state (turn on), and the carrier is discharged when the switch is from the on state to / off state (turn off). The delay is large. As a result, there is a problem that the switching loss at turn-on and the switching loss at turn-off are large.

特開2016−154218号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2006-154218 特開2013−251395号公報JP 2013-251395 A

オン電圧が低くスイッチングロスが低減されたIGBTの提供。   Providing IGBT with low on-voltage and reduced switching loss.

実施形態の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタは 第1電極と、第2電極と、第1半導体層と、第2半導体層と、第3半導体層と、第4半導体層と、第5半導体層と、第3電極と、第4電極と、を備える。第1半導体層は、第1電極と第2電極との間に設けられ第1導電形を有する。第2半導体層は、第2電極と第1半導体層との間に設けられ第2導電形を有する。第3半導体層は、第2電極と第2半導体層との間に設けられ第2導電形であり第2半導体層よりも不純物濃度が高い。第4半導体層は、第2電極と第3半導体層との間に設けられ第1導電形であり第2電極に電気的に接続される。第5半導体層は、第2電極と第4半導体層との間に選択的に設けられ第2導電形であり、第2電極と電気的に接続され、第2半導体層よりも不純物濃度が高い。第3電極は、第3半導体層、第4半導体層、及び第5半導体層上にゲート絶縁膜を介して設けられ、第1電極及び第2電極と絶縁される。第4電極は、第3電極と第2半導体層との間に設けられ、第3電極及び第2半導体層とは絶縁されている。   The insulated gate bipolar transistor of the embodiment includes a first electrode, a second electrode, a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, a third semiconductor layer, a fourth semiconductor layer, a fifth semiconductor layer, 3 electrodes and a fourth electrode. The first semiconductor layer is provided between the first electrode and the second electrode and has a first conductivity type. The second semiconductor layer is provided between the second electrode and the first semiconductor layer and has a second conductivity type. The third semiconductor layer is provided between the second electrode and the second semiconductor layer, has a second conductivity type, and has an impurity concentration higher than that of the second semiconductor layer. The fourth semiconductor layer is provided between the second electrode and the third semiconductor layer, has a first conductivity type, and is electrically connected to the second electrode. The fifth semiconductor layer is selectively provided between the second electrode and the fourth semiconductor layer, has the second conductivity type, is electrically connected to the second electrode, and has a higher impurity concentration than the second semiconductor layer. . The third electrode is provided on the third semiconductor layer, the fourth semiconductor layer, and the fifth semiconductor layer via a gate insulating film, and is insulated from the first electrode and the second electrode. The fourth electrode is provided between the third electrode and the second semiconductor layer, and is insulated from the third electrode and the second semiconductor layer.

本発明の第1の実施形態に係るIGBTの断面図。1 is a cross-sectional view of an IGBT according to a first embodiment of the present invention. 比較例に係るIGBTの断面図。Sectional drawing of IGBT which concerns on a comparative example. 本発明の第1の実施形態に係るIGBTと比較例に係るIGBTのターンオフ特性を比較する図。The figure which compares the turn-off characteristic of IGBT which concerns on the 1st Embodiment of this invention, and IGBT which concerns on a comparative example. 比較例に係るIGBTのn形ベース層中におけるターンオフ時のキャリア濃度分布の時間推移を示す図。The figure which shows the time transition of the carrier concentration distribution at the time of turn-off in the n < - > type base layer of IGBT which concerns on a comparative example. 本発明の第1の実施形態に係るIGBTのn形ベース層中におけるターンオフ時のキャリア濃度分布の時間推移を示す図。The figure which shows the time transition of the carrier concentration distribution at the time of turn-off in the n < - > base layer of IGBT which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係るIGBTと比較例に係るIGBTのターンオン特性を比較する図。The figure which compares the turn-on characteristic of IGBT which concerns on the 1st Embodiment of this invention, and IGBT which concerns on a comparative example. 比較例に係るIGBTのn形ベース層中におけるターンオン時のキャリア濃度分布の時間推移を示す図。The IGBT according to the comparative example n - diagram illustrating the evolution in time of the carrier concentration distribution at the time of turn-on in the form the base layer. 本発明の第1の実施形態に係るIGBTのn形ベース層中におけるターンオン時のキャリア濃度分布の時間推移を示す図。The figure which shows the time transition of the carrier concentration distribution at the time of turn-on in the n − type base layer of the IGBT according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態の変形例に係るIGBTの断面図。Sectional drawing of IGBT which concerns on the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係るIGBTの断面図。Sectional drawing of IGBT which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係るIGBTの断面図。Sectional drawing of IGBT which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係るIGBTの断面図。Sectional drawing of IGBT which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係るIGBTの断面図。Sectional drawing of IGBT which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態に係るIGBTの斜視断面図。The perspective sectional view of IGBT which concerns on the 6th Embodiment of this invention. 本発明の第7の実施形態に係るIGBTの断面図。Sectional drawing of IGBT which concerns on the 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7の実施形態に係るIGBTのターンオフ時の制御方法を示すタイミングチャート。The timing chart which shows the control method at the time of turn-off of IGBT which concerns on the 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7の実施形態に係るIGBTのキャリア濃度分布図。The carrier concentration distribution figure of IGBT which concerns on the 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7の実施形態に係るIGBTのターンオン時の制御方法を示すタイミングチャート。The timing chart which shows the control method at the time of turn-on of IGBT which concerns on the 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7の実施形態に係るIGBTの制御回路を示すブロック図。The block diagram which shows the control circuit of IGBT which concerns on the 7th Embodiment of this invention. 本発明の第8の実施形態に係るIGBTの断面図。Sectional drawing of IGBT which concerns on the 8th Embodiment of this invention. 本発明の第9の実施形態に係るIGBTの断面図。Sectional drawing of IGBT which concerns on the 9th Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。実施例中の説明で使用する図は、説明を容易にするための模式的なものであり、図中の各要素の形状、寸法、大小関係などは、実際の実施においては必ずしも図に示されたとおりとは限らず、本発明の効果が得られる範囲内で適宜変更可能である。同様な性質、機能、又は特徴を有する要素は、同一参照番号又は同一参照記号を用い、説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings used in the description in the embodiments are schematic for ease of description, and the shape, size, magnitude relationship, etc. of each element in the drawings are not necessarily shown in the drawings in actual implementation. The present invention is not limited to the above, and can be appropriately changed within a range in which the effect of the present invention can be obtained. Elements having similar properties, functions, or characteristics are denoted by the same reference numerals or the same reference symbols, and description thereof is omitted.

、n、及びnは、n形半導体であることを示し、そのn形不純物濃度はこの順に低く設定される。p、p、及びpは、p形半導体であることを示し、そのp形不純物濃度はこの順に低く設定される。n形不純物濃度及びp形不純物濃度は、実際のn形不純物の濃度及び実際のp形不純物の濃度を示すのではなく、それぞれの補償後の実効的な不純物濃度を示す。例えば、実際のp形不純物の濃度が実際のn形不純物の濃度よりも大きい場合は、実際のp形不純物の濃度から実際のn形不純物の濃度を引いた濃度を、p形不純物濃度とする。n形不純物濃度に関しても同様である。 n + , n, and n indicate an n-type semiconductor, and the n-type impurity concentration is set lower in this order. p + , p, and p indicate a p-type semiconductor, and the p-type impurity concentration is set lower in this order. The n-type impurity concentration and the p-type impurity concentration do not indicate the actual n-type impurity concentration and the actual p-type impurity concentration, but indicate effective impurity concentrations after compensation. For example, when the actual p-type impurity concentration is higher than the actual n-type impurity concentration, the p-type impurity concentration is obtained by subtracting the actual n-type impurity concentration from the actual p-type impurity concentration. . The same applies to the n-type impurity concentration.

(実施形態1)
図1を用いて、本発明の第1の実施形態に係る絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下、IGBT)を説明する。図1に示すとおり、本実施形態に係るIGBT1は、コレクタ電極10(第1電極)と、エミッタ電極11(第2電極)と、p形コレクタ層12(第1半導体層)と、n形ベース層13(第2半導体層)と、n形バリア層14(第3半導体層)と、p形ベース層15(第4半導体層)と、n形エミッタ層16(第5半導体層)と、ゲート電極17(第3電極)と、第1フィールドプレート電極19(第4電極)と、を備える。
(Embodiment 1)
An insulated gate bipolar transistor (hereinafter, IGBT) according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the IGBT 1 according to this embodiment includes a collector electrode 10 (first electrode), an emitter electrode 11 (second electrode), a p + -type collector layer 12 (first semiconductor layer), an n Type base layer 13 (second semiconductor layer), n type barrier layer 14 (third semiconductor layer), p type base layer 15 (fourth semiconductor layer), and n + type emitter layer 16 (fifth semiconductor layer). And a gate electrode 17 (third electrode) and a first field plate electrode 19 (fourth electrode).

形コレクタ層12は、エミッタ電極11とコレクタ電極10との間に設けられ第1導電形を有する半導体層である。本実施例では、第1導電形はp形の場合を表し、第2導電形はn形の場合を表す。また、半導体層は、シリコン(Si)を一例として示すが、これに限定されない。p形コレクタ層12は、1×1013〜1×1015 cm−2程度のp形不純物総量を有し、層厚は0.1〜10μm程度である。コレクタ電極10及びエミッタ電極11は、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、タングステン(W)、金(Au)、ポリシリコン等の群から選ばれる少なくとも1つを含む金属で構成される。 The p + -type collector layer 12 is a semiconductor layer provided between the emitter electrode 11 and the collector electrode 10 and having the first conductivity type. In this embodiment, the first conductivity type represents the p-type case, and the second conductivity type represents the n-type case. The semiconductor layer is illustrated using silicon (Si) as an example, but is not limited thereto. The p + -type collector layer 12 has a p-type impurity total amount of about 1 × 10 13 to 1 × 10 15 cm −2 and a layer thickness of about 0.1 to 10 μm. The collector electrode 10 and the emitter electrode 11 are, for example, a metal including at least one selected from the group of aluminum (Al), titanium (Ti), nickel (Ni), tungsten (W), gold (Au), polysilicon, and the like. Consists of.

形ベース層13は、エミッタ電極11とp形コレクタ層12との間に設けられ第2導電形(以下、n形)を有する半導体層である。n形ベース層13のn形不純物濃度は例えば、1×1012〜1×1015(atoms/cm)程度であり、素子の耐圧設計により任意の不純物濃度に設定できる。また、層厚は1〜1000μm程度であり、素子の耐圧設計により任意の厚さに設定できる。 The n -type base layer 13 is a semiconductor layer provided between the emitter electrode 11 and the p + -type collector layer 12 and having a second conductivity type (hereinafter, n-type). n - n-type impurity concentration of -type base layer 13 is, for example, is about 1 × 10 12 ~1 × 10 15 (atoms / cm 3), can be set to any of the impurity concentration by the withstand voltage design of the device. The layer thickness is about 1 to 1000 μm, and can be set to an arbitrary thickness depending on the breakdown voltage design of the element.

n形バリア層14は、n形半導体層であり、n形ベース層13のn形不純物濃度よりも高いn形不順物濃度を有し、その不純物総量は1×1012〜1×1014 cm−2程度である。n形バリア層14の層厚は0.1〜数μm程度である。 The n-type barrier layer 14 is an n-type semiconductor layer and has an n-type irregularity concentration higher than the n-type impurity concentration of the n -type base layer 13, and the total amount of impurities is 1 × 10 12 to 1 × 10 14. It is about cm- 2 . The layer thickness of the n-type barrier layer 14 is about 0.1 to several μm.

p形ベース層15は、p形半導体層であり、エミッタ電極11とn形バリア層14との間に設けられ、p形コレクタ層12のp形不純物濃度よりも一般に低いp形不純物濃度を有する。p形ベース層15のp形不純物総量は1×1012〜1×1014 cm−2程度であり、層厚は0.1〜数μm程度である。このため、設計によってはp形コレクタ層12のp形不純物濃度よりも高いp形不純物濃度を有する場合もあり得る。p形ベース層15は、エミッタ電極11に電気的に接続される。 The p-type base layer 15 is a p-type semiconductor layer and is provided between the emitter electrode 11 and the n-type barrier layer 14 and has a p-type impurity concentration generally lower than the p-type impurity concentration of the p + -type collector layer 12. Have. The total amount of p-type impurities in the p-type base layer 15 is about 1 × 10 12 to 1 × 10 14 cm −2 , and the layer thickness is about 0.1 to several μm. For this reason, depending on the design, there may be a p-type impurity concentration higher than the p-type impurity concentration of the p + -type collector layer 12. The p-type base layer 15 is electrically connected to the emitter electrode 11.

形エミッタ層16は、n形半導体層であり、エミッタ電極11とp形ベース層15との間に選択的に設けられ、エミッタ電極11と電気的に接続される。n形エミッタ層16はn形ベース層13のn形不純物濃度よりも高いn形不純物濃度を有し、そのn形不純物総量は1×1014〜1×1016 cm−2程度である。n形エミッタ層16の層厚は0.1〜数μm程度であり、p形ベース層15よりも層厚は小さい。 The n + -type emitter layer 16 is an n-type semiconductor layer, is selectively provided between the emitter electrode 11 and the p-type base layer 15, and is electrically connected to the emitter electrode 11. The n + -type emitter layer 16 has an n-type impurity concentration higher than the n-type impurity concentration of the n -type base layer 13, and the total amount of n-type impurities is about 1 × 10 14 to 1 × 10 16 cm −2. . The layer thickness of the n + -type emitter layer 16 is about 0.1 to several μm and is smaller than the p-type base layer 15.

エミッタ電極11側からn形エミッタ層16、p形ベース層15、及びn形バリア層14を通り抜け、n形ベース層13に達する複数のトレンチ21がp形ベース層15の面内方向(水平方向)に周期的に設けられる。トレンチ21の深さは、1〜10μm程度である。隣り合うトレンチの周期は、0.1〜数μm程度である。トレンチ21の側壁には、n形エミッタ層16、p形ベース層15、n形バリア層14及びn形ベース層13が露出する。トレンチ21の側壁において、n形エミッタ層16上、p形ベース層15上、及びn形バリア層14上をゲート絶縁膜18が覆う。ゲート電極17が、ゲート絶縁膜18を介して、n形エミッタ層16、p形ベース層15、及びn形バリア層14上に設けられる。ゲート電極17とエミッタ電極11との間には、第1層間絶縁膜23が存在し、第1層間絶縁膜23はゲート電極17をエミッタ電極11から絶縁する。ゲート電極17は、図示しない領域でゲートパッド領域に電気的に接続される。ゲートパッド領域はゲート端子に電気的に接続される(図示せず)。 A plurality of trenches 21 passing through the n + -type emitter layer 16, the p-type base layer 15, and the n-type barrier layer 14 from the emitter electrode 11 side and reaching the n -type base layer 13 are in the in-plane direction of the p-type base layer 15 ( In the horizontal direction). The depth of the trench 21 is about 1 to 10 μm. The period of adjacent trenches is about 0.1 to several μm. The n + -type emitter layer 16, the p-type base layer 15, the n-type barrier layer 14, and the n -type base layer 13 are exposed on the sidewall of the trench 21. On the sidewall of the trench 21, the gate insulating film 18 covers the n + -type emitter layer 16, the p-type base layer 15, and the n-type barrier layer 14. A gate electrode 17 is provided on the n + -type emitter layer 16, the p-type base layer 15, and the n-type barrier layer 14 via the gate insulating film 18. A first interlayer insulating film 23 exists between the gate electrode 17 and the emitter electrode 11, and the first interlayer insulating film 23 insulates the gate electrode 17 from the emitter electrode 11. The gate electrode 17 is electrically connected to the gate pad region in a region not shown. The gate pad region is electrically connected to the gate terminal (not shown).

トレンチ21の側壁及び底部において、第1絶縁膜22は、n形バリア層14及びn形ベース層13を覆い、ゲート絶縁膜18と連続する。第1フィールドプレート電極19は、ゲート電極17とn形ベース層13との間に設けられる。ゲート電極17と第1フィールドプレート電極19との間には、電極間絶縁膜20が存在する。第1フィールドプレート電極19とn形ベース層13の間には、第1絶縁膜22が存在する。また、電極間絶縁膜20は、ゲート絶縁膜18及び第1絶縁膜22と連続する。第1フィールドプレート電極19は、図示しない領域でエミッタ電極と電気的に接続され、エミッタ電極と同じ電位を有する。 The first insulating film 22 covers the n-type barrier layer 14 and the n -type base layer 13 on the side wall and bottom of the trench 21 and is continuous with the gate insulating film 18. The first field plate electrode 19 is provided between the gate electrode 17 and the n -type base layer 13. An interelectrode insulating film 20 exists between the gate electrode 17 and the first field plate electrode 19. A first insulating film 22 exists between the first field plate electrode 19 and the n -type base layer 13. The interelectrode insulating film 20 is continuous with the gate insulating film 18 and the first insulating film 22. The first field plate electrode 19 is electrically connected to the emitter electrode in a region not shown, and has the same potential as the emitter electrode.

言い換えると、トレンチ21の側壁において、ゲート電極17(第3電極)がゲート絶縁膜18を介してn形エミッタ層16、p形ベース層15、及びn形バリア層14上に設けられる。ゲート電極17は、エミッタ電極11とコレクタ電極10とは絶縁される。また、第1フィールドプレート電極19は、ゲート電極17とn形ベース層13との間に設けられ、ゲート電極17とn形ベース層13とは絶縁され、エミッタ電極11に電気的に接続される。 In other words, on the sidewall of the trench 21, the gate electrode 17 (third electrode) is provided on the n + -type emitter layer 16, the p-type base layer 15, and the n-type barrier layer 14 via the gate insulating film 18. The gate electrode 17 is insulated from the emitter electrode 11 and the collector electrode 10. Further, the first field plate electrode 19, gate electrode 17 and the n - is provided between the -type base layer 13, the gate electrode 17 and the n - and -type base layer 13 is insulated, electrically connected to the emitter electrode 11 Is done.

なお、ゲート電極17は、n形ベース層13上まで延伸してもよい。 Note that the gate electrode 17 may extend to the n -type base layer 13.

上記ゲート絶縁膜18、第1層間絶縁膜23、第1絶縁膜22、及び電極間絶縁膜20は、例えば酸化シリコン(SiO)であるが、これに限定されない。また、それぞれの絶縁膜は、同じ材料でなく、それぞれ別の材料であっても良い。ゲート絶縁膜18は、第1絶縁膜22よりも薄いほうが望ましいが、これに限定されない。ゲート電極17及び第1フィールドプレート電極19は、例えば、n形またはp形不純物を含むポリシリコンからなるが、これに限定されない。 The gate insulating film 18, the first interlayer insulating film 23, the first insulating film 22, and the interelectrode insulating film 20 are, for example, silicon oxide (SiO 2 ), but are not limited thereto. In addition, the respective insulating films may be made of different materials instead of the same material. The gate insulating film 18 is desirably thinner than the first insulating film 22, but is not limited thereto. The gate electrode 17 and the first field plate electrode 19 are made of, for example, polysilicon containing n-type or p-type impurities, but are not limited thereto.

トレンチ21内のゲート電極17、ゲート絶縁膜18、第1絶縁膜22、第1フィールドプレート電極19、電極間絶縁膜20、及び第1層間絶縁膜23で構成された第1トレンチゲート構造が、ユニットセルとして、p形ベース層15の水平面内の少なくとも一方向において、複数繰り返して設けられる。例えば、第1トレンチゲート構造は、0.1〜数μm程度の周期でp形ベース層15内に繰返し設けられる。   A first trench gate structure constituted by the gate electrode 17, the gate insulating film 18, the first insulating film 22, the first field plate electrode 19, the interelectrode insulating film 20, and the first interlayer insulating film 23 in the trench 21, A plurality of unit cells are repeatedly provided in at least one direction within the horizontal plane of the p-type base layer 15. For example, the first trench gate structure is repeatedly provided in the p-type base layer 15 with a period of about 0.1 to several μm.

本実施形態に係るIGBT1の動作を説明する前に、比較例のIGBT101の構造について説明する。図2は、比較例に係るIGBT101の断面図を示す。比較例に係るIGBT101と、本実施形態に係るIGBT1は、以下の点で相違する。   Before describing the operation of the IGBT 1 according to the present embodiment, the structure of the IGBT 101 of the comparative example will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view of the IGBT 101 according to the comparative example. The IGBT 101 according to the comparative example is different from the IGBT 1 according to the present embodiment in the following points.

比較例に係るIGBT101は、本実施形態に係るIGBT1と同様に、エミッタ電極11と、コレクタ電極10と、p形コレクタ層12と、n形ベース層13と、n形バリア層14と、p形ベース層15と、n形エミッタ層16と、を備え、トレンチ21が設けられる。 The IGBT 101 according to the comparative example is similar to the IGBT 1 according to the present embodiment, the emitter electrode 11, the collector electrode 10, the p + type collector layer 12, the n − type base layer 13, the n type barrier layer 14, A p-type base layer 15 and an n + -type emitter layer 16 are provided, and a trench 21 is provided.

本実施形態に係るIGBT1は、トレンチ21内に設けられたゲート電極17、ゲート絶縁膜18、第1フィールドプレート電極19、第1絶縁膜22、電極間絶縁膜20、第1層間絶縁膜23からなるトレンチゲート構造を有する。これに対して、比較例に係るIGBT101は、トレンチ21内に設けられた、ゲート電極117、ゲート絶縁膜118、及び第1層間絶縁膜23からトレンチゲート構造を有する。   The IGBT 1 according to this embodiment includes a gate electrode 17, a gate insulating film 18, a first field plate electrode 19, a first insulating film 22, an interelectrode insulating film 20, and a first interlayer insulating film 23 provided in the trench 21. A trench gate structure. On the other hand, the IGBT 101 according to the comparative example has a trench gate structure including a gate electrode 117, a gate insulating film 118, and a first interlayer insulating film 23 provided in the trench 21.

ゲート絶縁膜118は、トレンチ21の側壁に露出したn形エミッタ層16、p形ベース層15、n形バリア層14及びn形ベース層13と、底部に露出したn形ベース層13を覆うように設けられる。ゲート電極117は、ゲート絶縁膜118だけを介してトレンチ21内に設けられる。ゲート電極117は、トレンチ21の側壁において、ゲート絶縁膜118を介してn形エミッタ層16、p形ベース層15、n形バリア層14及びn形ベース層13上に設けられる。ゲート電極117は、n形エミッタ層16上からトレンチ21の底部に位置するn形ベース層13の一部まで延伸する。 The gate insulating film 118, n + -type emitter layer 16 exposed on the side wall, p-type base layer 15, n-type barrier layer 14 and n of the trench 21 - and -type base layer 13, exposed on the bottom n - -type base layer 13 It is provided so as to cover. The gate electrode 117 is provided in the trench 21 through only the gate insulating film 118. The gate electrode 117 is provided on the n + -type emitter layer 16, the p-type base layer 15, the n-type barrier layer 14, and the n -type base layer 13 via the gate insulating film 118 on the sidewall of the trench 21. The gate electrode 117 extends from the n + -type emitter layer 16 to a part of the n -type base layer 13 located at the bottom of the trench 21.

比較例に係るIGBT101は、本実施形態に係るIGBT1と上記の通りトレンチゲート構造において相違する。   The IGBT 101 according to the comparative example is different from the IGBT 1 according to the present embodiment in the trench gate structure as described above.

本実施形態に係るIGBT1のスイッチング特性と比較例に係るIGBT101のスイッチング特性とを比較する。図3は、本実施形態に係るIGBT1及び比較例に係るIGBT101のターンオフ時のコレクタ−エミッタ間電圧及びコレクタ電流の時間変化のシミュレーション結果を示す。時間が0秒のとき、ゲート電極の電位を駆動電位(例えば15V)から例えば0Vに変化させる(ターンオフ開始)。   The switching characteristics of the IGBT 1 according to this embodiment are compared with the switching characteristics of the IGBT 101 according to the comparative example. FIG. 3 shows the simulation result of the time change of the collector-emitter voltage and the collector current at the time of turn-off of the IGBT 1 according to the present embodiment and the IGBT 101 according to the comparative example. When the time is 0 second, the potential of the gate electrode is changed from the driving potential (for example, 15 V) to, for example, 0 V (turn-off start).

先ず比較例に係るIGBT101の動作について説明する。ターンオフ開始後一定期間経過しゲート電極の電位が閾値電圧以下になると、チャネル層が消失する。このチャネル層の消失には、ゲート−エミッタ間容量Cgeとゲート−コレクタ間容量Cgcの和に応じた時間を要する。   First, the operation of the IGBT 101 according to the comparative example will be described. When a certain period of time elapses after the turn-off starts and the potential of the gate electrode becomes lower than the threshold voltage, the channel layer disappears. The disappearance of the channel layer requires time corresponding to the sum of the gate-emitter capacitance Cge and the gate-collector capacitance Cgc.

このため、ターンオフ開始からしばらく遅れて、n形ベース層13への電子の供給が断たれる一方で、n形ベース層13中に蓄積されていた電子はコレクタへ、正孔はエミッタへそれぞれ排出され始める。この結果、ターンオフ開始からしばらくして、コレクタ電流は動作時の電流から減少して0になる。この電流の動作時の電流値から0に減少するまでに要する時間は、n形ベース層13中における電子と正孔の排出に要する時間で決まる。 Therefore, the supply of electrons to the n -type base layer 13 is cut off after a while from the start of turn-off, while the electrons accumulated in the n -type base layer 13 are transferred to the collector and the holes are transferred to the emitter. Each begins to be discharged. As a result, after a while from the start of turn-off, the collector current decreases from the current during operation to zero. The time required for the current to decrease from the current value during operation to zero is determined by the time required for discharging electrons and holes in the n -type base layer 13.

図4は、比較例に係るIGBT101のターンオフ後の、n形ベース層13中の電子と正孔のキャリア濃度の時間変化のシミュレーション結果を示す。電子のキャリア濃度と正孔のキャリア濃度は等しい(以後単にキャリア濃度というときは、電子と正孔の両者のキャリア濃度をさす)。キャリア濃度は、ターンオフ開始後0.4×10−6秒ごとの値である。なお、図中のeは冪演算の底が10であることを意味する。 FIG. 4 shows a simulation result of the temporal change in the carrier concentration of electrons and holes in the n -type base layer 13 after the IGBT 101 according to the comparative example is turned off. The carrier concentration of electrons and the carrier concentration of holes are equal (hereinafter simply referred to as carrier concentration refers to the carrier concentration of both electrons and holes). The carrier concentration is a value every 0.4 × 10 −6 seconds after the start of turn-off. Note that e in the figure means that the base of the 冪 calculation is 10.

図4からわかるように、比較例に係るIGBT101では、1.2マイクロ秒までは、キャリア濃度にほとんど変化がなく、1.6マイクロ秒からエミッタ側からキャリア濃度が減少し始める。これに対応してコレクタ電流が減少し始める。2.8マイクロ秒でキャリアが枯渇し、コレクタ電流がゼロになる。   As can be seen from FIG. 4, in the IGBT 101 according to the comparative example, the carrier concentration hardly changes until 1.2 microseconds, and the carrier concentration starts to decrease from the emitter side from 1.6 microseconds. Correspondingly, the collector current starts to decrease. In 2.8 microseconds, the carrier is depleted and the collector current becomes zero.

コレクタ電流の減少と同時に、p形ベース層15とn形バリア層14との界面からn形ベース層13に向かって空乏層が伸びていき、コレクタ−エミッタ間電圧が0Vから電源電圧に上昇する。ターンオフ時にコレクタ電流がある程度時間をかけて減少し、コレクタ−エミッタ間電圧がある程度時間をかけて上昇するため、スイッチングロスが発生する。比較例に係るIGBT101では、このターンオフ時のスイッチングロスは21.1mJであった。 Simultaneously with the decrease in the collector current, the depletion layer extends from the interface between the p-type base layer 15 and the n-type barrier layer 14 toward the n -type base layer 13, and the collector-emitter voltage increases from 0 V to the power supply voltage. To do. At the time of turn-off, the collector current decreases over a certain amount of time, and the collector-emitter voltage increases over a certain amount of time, so that a switching loss occurs. In the IGBT 101 according to the comparative example, the switching loss at the turn-off time was 21.1 mJ.

これに対して本実施形態に係るIGBT1では、図3に示したように、ターンオフ開始後のコレクタ−エミッタ間の電圧の上昇開始までの時間とコレクタ電流の減少開始までの時間が比較例に係るIGBT101のそれの約半分に短縮されている。図5は、本実施形態に係るIGBT1のターンオフ後の、n形ベース層13中における電子と正孔のキャリア濃度の時間変化のシミュレーション結果を示す。ターンオフ開始後の0.4〜0.8マイクロ秒の間にキャリア濃度が減少し始める。1.6マイクロ秒で、キャリア濃度はほとんど枯渇する。この結果、上記のように、コレクタ電流が減少し始めるまでの時間が約半分に短縮される。 On the other hand, in the IGBT 1 according to the present embodiment, as shown in FIG. 3, the time until the start of the collector-emitter voltage increase after the start of turn-off and the time until the collector current starts to decrease are related to the comparative example. It is shortened to about half that of the IGBT 101. FIG. 5 shows a simulation result of the temporal change in the carrier concentration of electrons and holes in the n -type base layer 13 after the IGBT 1 according to this embodiment is turned off. The carrier concentration begins to decrease between 0.4 and 0.8 microseconds after the start of turn-off. At 1.6 microseconds, the carrier concentration is almost depleted. As a result, as described above, the time until the collector current starts to decrease is shortened by about half.

比較例に係るIGBT101は、ゲート絶縁膜118を介してトレンチ21内に設けられたゲート電極117を有する。ゲート電極117は、トレンチ21の側壁において、n形エミッタ層16上からトレンチ21の底部に位置するn形ベース層13の一部まで延伸する。これにより、ゲート電極117は、p形ベース層15、ゲート絶縁膜118、及びゲート電極117により形成されたゲート−エミッタ間容量Cgeを有する。さらに、ゲート電極117は、n形ベース層13、ゲート絶縁膜118、及びゲート電極117により形成されたゲート−コレクタ間容量Cgc(帰還容量)を有する。ゲート電極117がn形ベース層13中にまで延伸することにより、n形ベース層13中にn形蓄積層を形成し伝導度変調を引き起こしている。しかしながら、この構造により、ゲートコレクタ間容量Cgcは大きな値を有する。 The IGBT 101 according to the comparative example has a gate electrode 117 provided in the trench 21 with a gate insulating film 118 interposed therebetween. The gate electrode 117 extends from the n + -type emitter layer 16 to a part of the n -type base layer 13 located at the bottom of the trench 21 on the sidewall of the trench 21. As a result, the gate electrode 117 has a gate-emitter capacitance Cge formed by the p-type base layer 15, the gate insulating film 118, and the gate electrode 117. Further, the gate electrode 117 has a gate-collector capacitance Cgc (feedback capacitance) formed by the n -type base layer 13, the gate insulating film 118, and the gate electrode 117. Gate electrode 117 the n - by stretching up into -type base layer 13, n - to form an n-type accumulation layer is causing conductivity modulation in the form the base layer 13. However, with this structure, the gate-collector capacitance Cgc has a large value.

これに対して、本実施形態に係るIGBT1は、トレンチ21内に、第1絶縁膜22を介して設けられた第1フィールドプレート電極19と、ゲート絶縁膜18及び電極間絶縁膜20を介して設けられたゲート電極17とを有する。第1フィールドプレート電極19は、n形ベース層13上に第1絶縁膜22を介して設けられる。ゲート電極17は、第1フィールドプレート電極19上に電極間絶縁膜20を介して、また、p形ベース層15上にゲート絶縁膜18を介して設けられる。第1フィールドプレート電極19が、ゲート電極17とn形ベース層13との間に存在することにより、ゲート電極17は、比較例に係るIGBT101のゲート電極117に比べて、n形ベース層13中にほとんど延伸しない。 In contrast, the IGBT 1 according to the present embodiment includes the first field plate electrode 19 provided in the trench 21 via the first insulating film 22, the gate insulating film 18, and the interelectrode insulating film 20. And a gate electrode 17 provided. The first field plate electrode 19 is provided on the n -type base layer 13 via the first insulating film 22. The gate electrode 17 is provided on the first field plate electrode 19 via the interelectrode insulating film 20 and on the p-type base layer 15 via the gate insulating film 18. Since the first field plate electrode 19 exists between the gate electrode 17 and the n -type base layer 13, the gate electrode 17 is more n -type base layer than the gate electrode 117 of the IGBT 101 according to the comparative example. 13 hardly stretches.

従って、本実施形態に係るIGBT1のゲート−コレクタ間容量Cgcは、比較例に係るIGBT101のゲート−コレクタ間容量Cgcに比べて遥かに小さい。IGBTのチャネル部の消失は、ゲート−エミッタ間容量Cgeとゲート−コレクタ間容量Cgcとの和が大きいほど遅い。本実施形態に係るIGBT1のゲート−コレクタ間容量Cgcは、比較例に係るIGBT101のゲート−コレクタ間容量Cgcに比べて無視できるほど小さい。従って、本実施形態に係るIGBT1の方が比較例に係るIGBT101よりもチャネル部が速く消失する。これにより、本実施形態に係るIGBT1の方が比較例に係るIGBT101よりも、コレクタ電流が減少し始めるまでの時間が短くなり、図3及び図5に示した結果が得られる。   Therefore, the gate-collector capacitance Cgc of the IGBT 1 according to the present embodiment is much smaller than the gate-collector capacitance Cgc of the IGBT 101 according to the comparative example. The disappearance of the channel portion of the IGBT is slower as the sum of the gate-emitter capacitance Cge and the gate-collector capacitance Cgc increases. The gate-collector capacitance Cgc of the IGBT 1 according to this embodiment is negligibly small compared to the gate-collector capacitance Cgc of the IGBT 101 according to the comparative example. Therefore, the channel portion disappears faster in the IGBT 1 according to the present embodiment than in the IGBT 101 according to the comparative example. Thereby, the time until the collector current starts to decrease is shorter in the IGBT 1 according to the present embodiment than in the IGBT 101 according to the comparative example, and the results shown in FIGS. 3 and 5 are obtained.

コレクタ電流の減少開始に連動して、コレクタ−エミッタ間電圧は上昇し始めるので、コレクタエミッタ間電圧が上昇し始めるまでの時間に関しても、本実施形態に係るIGBT1の方が比較例に係るIGBT101よりも早い。   Since the collector-emitter voltage starts to rise in conjunction with the start of the decrease in the collector current, the IGBT 1 according to this embodiment also has a longer time than the IGBT 101 according to the comparative example with respect to the time until the collector-emitter voltage starts to rise. Too early.

さらに、ターンオフ時にコレクタ電流がある程度時間をかけて減少し、コレクタ−エミッタ間電圧がある程度時間をかけて上昇するため、スイッチングロスが発生する。本実施形態に係るIGBT1では、このターンオフ時のスイッチングロスは18.2mJであった。この値は、比較例に係るIGBT101のターンオフ時のスイッチングロスに比べて、13.7%減少した。スイッチングロスが小さいということは、本実施形態に係るIGBT1の方が比較例に係るIGBT101に比べて、n形ベース層13中に蓄積された電子と正孔の排出に要する時間が短いと考えられる。 Furthermore, the collector current decreases over a certain amount of time during turn-off, and the collector-emitter voltage increases over a certain amount of time, resulting in a switching loss. In the IGBT 1 according to the present embodiment, the switching loss at the turn-off time was 18.2 mJ. This value decreased by 13.7% compared to the switching loss at the turn-off time of the IGBT 101 according to the comparative example. The smaller switching loss means that the IGBT 1 according to the present embodiment has a shorter time required for discharging the electrons and holes accumulated in the n -type base layer 13 than the IGBT 101 according to the comparative example. It is done.

比較例に係るIGBT101では、n形ベース層13中にゲート電極117が延伸している。このため、ゲート−コレクタ間容量Cgcが大きく、ターンオフ時に、このゲート−コレクタ間容量Cgcを放電する時間が長くなることによって、キャリアの排出時間が長くなる。 In the IGBT 101 according to the comparative example, the gate electrode 117 extends into the n -type base layer 13. For this reason, the gate-collector capacitance Cgc is large, and at the time of turn-off, the time for discharging the gate-collector capacitance Cgc becomes longer, so that the carrier discharge time becomes longer.

これに対して、本実施形態に係るIGBT1では、比較例に係るゲート電極117がゲート電極17と第1フィールドプレート電極19との二段構造になっており、n形ベース層13中に突出している第1フィールドプレート電極19は、エミッタ電極に接続されている。このため、ゲート−コレクタ間容量Cgcが小さく、ターンオフ時にこのゲート−コレクタ間容量Cgcを放電する時間が短くなることによって、キャリアの排出時間が短くなる。 On the other hand, in the IGBT 1 according to this embodiment, the gate electrode 117 according to the comparative example has a two-stage structure of the gate electrode 17 and the first field plate electrode 19, and protrudes into the n -type base layer 13. The first field plate electrode 19 is connected to the emitter electrode. For this reason, the gate-collector capacitance Cgc is small, and the time for discharging the gate-collector capacitance Cgc at the time of turn-off is shortened, so that the carrier discharge time is shortened.

以上により、本実施形態に係るIGBT1は、比較例に係るIGBT101に比べてターンオフ時のスイッチングロスが減少したと考えられる。   As described above, it is considered that the switching loss at the turn-off of the IGBT 1 according to the present embodiment is reduced as compared with the IGBT 101 according to the comparative example.

次に、本実施形態に係るIGBT1のターンオン時の特性と、比較例に係るIGBT101のターンオン時の特性を比較する。図6は、本実施形態に係るIGBT1と比較例に係るIGBT101とのそれぞれのコレクタ電流とコレクタ−エミッタ間電圧のターンオン時の時間変化を示す。図7は、比較例に係るIGBT101のターンオン時のn形ベース層13中のキャリア濃度の時間変化を示す。図8は、本実施形態に係るIGBT1のターンオン時のn形ベース層13中のキャリア濃度の時間変化を示す。いずれの図も、ゲート電極の電位を0Vから動作時の駆動電位に切り替えた時を0秒とする(ターンオン開始)。図7及び図8は、時間を0.1マイクロ秒単位で切り替えたときのキャリア濃度プロファイルを示す。横軸は、n形ベース層13中の深さを示し、左側がエミッタ側であり、右側がコレクタ側である。 Next, the characteristics at the time of turn-on of the IGBT 1 according to the present embodiment and the characteristics at the time of turn-on of the IGBT 101 according to the comparative example are compared. FIG. 6 shows temporal changes at the time of turn-on of the respective collector currents and collector-emitter voltages of the IGBT 1 according to this embodiment and the IGBT 101 according to the comparative example. FIG. 7 shows the change over time of the carrier concentration in the n -type base layer 13 when the IGBT 101 according to the comparative example is turned on. FIG. 8 shows the change over time of the carrier concentration in the n -type base layer 13 when the IGBT 1 according to this embodiment is turned on. In both figures, the time when the potential of the gate electrode is switched from 0 V to the driving potential during operation is set to 0 second (turn-on start). 7 and 8 show carrier concentration profiles when the time is switched in units of 0.1 microseconds. The horizontal axis indicates the depth in the n -type base layer 13, the left side is the emitter side, and the right side is the collector side.

先ず比較例に係るIGBT101の動作について説明する。ターンオン開始後にゲート電極の電位が閾値電圧以上になると、チャネル層が形成される。このチャネル層の形成には、ゲート−エミッタ間容量Cgeとゲート−コレクタ間容量Cgcの和に応じた時間を要する。   First, the operation of the IGBT 101 according to the comparative example will be described. When the potential of the gate electrode becomes equal to or higher than the threshold voltage after the turn-on starts, a channel layer is formed. The formation of this channel layer requires time corresponding to the sum of the gate-emitter capacitance Cge and the gate-collector capacitance Cgc.

このため、ターンオンからしばらく遅れて、チャネル層を介してエミッタからn形ベース層13へ電子が供給されることで、n形ベース層13中にp形コレクタ層12から正孔が供給され始める。この結果、ターンオンからしばらくして、コレクタ電流は0Aから上昇して動作時の電流(この場合には200A)になる。このコレクタ電流の0から動作時の電流値に達するまでに要する時間は、n形ベース層13中における電子と正孔の蓄積に要する時間できまる。図7は、比較例に係るIGBT101のターンオン後の、n形ベース層13中の電子と正孔のキャリア濃度の時間変化のシミュレーション結果を示す。電子のキャリア濃度と正孔のキャリア濃度は等しい。キャリア濃度は、ターンオン後0.1×10−6秒(0.1マイクロ秒)ごとの値である。 Therefore, electrons are supplied from the emitter to the n -type base layer 13 via the channel layer after a while from the turn-on, so that holes are supplied from the p-type collector layer 12 into the n -type base layer 13. start. As a result, after a while from the turn-on, the collector current rises from 0 A and becomes an operating current (in this case, 200 A). The time required to reach the current value during operation from 0 of the collector current is determined by the time required for accumulation of electrons and holes in the n -type base layer 13. FIG. 7 shows the simulation result of the time change of the electron and hole carrier concentrations in the n -type base layer 13 after the IGBT 101 according to the comparative example is turned on. The electron carrier concentration is the same as the hole carrier concentration. The carrier concentration is a value every 0.1 × 10 −6 seconds (0.1 microseconds) after turn-on.

図7からわかるように、比較例に係るIGBT101では、0.4マイクロ秒までは、キャリア濃度にほとんど変化がなく、0.5マイクロ秒からコレクタ側からキャリア濃度が増加し始める。これに対応してコレクタ電流が増加し始める。0.55マイクロ秒ぐらいでコレクタ電流が動作電流にほぼ達する。   As can be seen from FIG. 7, in the IGBT 101 according to the comparative example, the carrier concentration hardly changes until 0.4 microsecond, and the carrier concentration starts to increase from the collector side from 0.5 microsecond. Correspondingly, the collector current starts to increase. The collector current almost reaches the operating current in about 0.55 microseconds.

コレクタ電流の増加と同時に、p形ベース層15とn形バリア層14との界面からn形ベース層13に向かって伸びていた空乏層が縮小し、コレクタ−エミッタ間電圧が電源電圧(600V)から0Vに減少する。ターンオン時にコレクタ電流がある程度時間をかけて増加し、コレクタ−エミッタ間電圧がある程度時間をかけて減少するため、スイッチングロスが発生する。比較例に係るIGBT101では、このターンオン時のスイッチングロスは10.0mJであった。 Simultaneously with the increase of the collector current, the depletion layer extending from the interface between the p-type base layer 15 and the n-type barrier layer 14 toward the n -type base layer 13 is reduced, and the collector-emitter voltage becomes the power supply voltage (600 V). ) To 0V. At the time of turn-on, the collector current increases over time and the collector-emitter voltage decreases over time, resulting in switching loss. In the IGBT 101 according to the comparative example, the switching loss at the turn-on was 10.0 mJ.

これに対して本実施形態に係るIGBT1では、図6に示したように、ターンオン後のコレクタ−エミッタ間の電圧の減少開始までの時間とコレクタ電流の増加開始までの時間が比較例に係るIGBT101のそれに比べて短縮している。図8は、本実施形態に係るIGBT1のターンオン後の、n形ベース層13中における電子と正孔のキャリア濃度の時間変化のシミュレーション結果を示す。ターンオン後の0.4マイクロ秒までの間にキャリア濃度が増加し始める。0.6マイクロ秒で、キャリア濃度はほぼ飽和する。この結果、上記のように、本実施形態に係るIGBT1では、コレクタ電流が増加し始めるまでの時間が短縮される。 On the other hand, in the IGBT 1 according to the present embodiment, as shown in FIG. 6, the time until the start of the decrease in the collector-emitter voltage after the turn-on and the time until the start of the increase in the collector current are related to the IGBT 101 according to the comparative example. It is shortened compared to that. FIG. 8 shows the simulation result of the time change of the carrier concentration of electrons and holes in the n -type base layer 13 after the IGBT 1 according to the present embodiment is turned on. The carrier concentration begins to increase within 0.4 microseconds after turn-on. In 0.6 microseconds, the carrier concentration is almost saturated. As a result, as described above, in the IGBT 1 according to the present embodiment, the time until the collector current starts to increase is shortened.

前述したように、本実施形態に係るIGBT1のゲート−コレクタ間容量Cgcは、比較例に係るIGBT101のゲート−コレクタ間容量Cgcに比べて遥かに小さい。IGBTのチャネル部の形成は、ゲート−エミッタ間容量Cgeとゲート−コレクタ間容量Cgcとの和が大きいほど遅い。本実施形態に係るIGBT1のゲート−コレクタ間容量Cgcは、比較例に係るIGBT101のゲート−コレクタ間容量Cgcに比べて無視できるほど小さい。従って、本実施形態に係るIGBT1の方が比較例に係るIGBT101よりもチャネル部が速く形成される。これにより、本実施形態に係るIGBT1の方が比較例に係るIGBT101よりも、コレクタ電流が増加し始めるまでの時間が短くなり、図6及び図8に示した結果が得られる。   As described above, the gate-collector capacitance Cgc of the IGBT 1 according to the present embodiment is much smaller than the gate-collector capacitance Cgc of the IGBT 101 according to the comparative example. The formation of the IGBT channel portion is slower as the sum of the gate-emitter capacitance Cge and the gate-collector capacitance Cgc increases. The gate-collector capacitance Cgc of the IGBT 1 according to this embodiment is negligibly small compared to the gate-collector capacitance Cgc of the IGBT 101 according to the comparative example. Therefore, the channel portion of the IGBT 1 according to this embodiment is formed faster than the IGBT 101 according to the comparative example. Thereby, the time until the collector current starts increasing is shorter in the IGBT 1 according to the present embodiment than in the IGBT 101 according to the comparative example, and the results shown in FIGS. 6 and 8 are obtained.

コレクタ電流の増加開始に連動して、コレクタ−エミッタ間電圧は減少し始めるので、コレクタ−エミッタ間電圧が減少し始めるまでの時間に関しても、本実施形態に係るIGBT1の方が比較例に係るIGBT101よりも短い。   Since the collector-emitter voltage starts to decrease in conjunction with the start of the increase in the collector current, the IGBT 1 according to the present embodiment is also the IGBT 101 according to the comparative example with respect to the time until the collector-emitter voltage starts to decrease. Shorter than.

さらに、ターンオン時にコレクタ電流がある程度時間をかけて増加し、コレクタ−エミッタ間電圧がある程度時間をかけて減少するため、スイッチングロスが発生する。本実施形態に係るIGBT1では、このターンオン時のスイッチングロスは3.2mJであった。この値は、比較例に係るIGBT101のターンオン時のスイッチングロスに比べて、68%減少した。スイッチングロスが小さいということは、本実施形態に係るIGBT1の方が比較例に係るIGBT101に比べて、n形ベース層13中に電子と正孔が蓄積される速度が速いと考えられる。 Furthermore, when the turn-on is performed, the collector current increases over time and the collector-emitter voltage decreases over time, so that a switching loss occurs. In the IGBT 1 according to the present embodiment, the switching loss at the time of turn-on was 3.2 mJ. This value was reduced by 68% compared to the switching loss at the turn-on time of the IGBT 101 according to the comparative example. The fact that the switching loss is smaller is considered that the IGBT 1 according to the present embodiment is faster in the rate at which electrons and holes are accumulated in the n -type base layer 13 than the IGBT 101 according to the comparative example.

比較例に係るIGBT101では、n形ベース層13中にゲート電極117が延伸している。このため、ゲート−コレクタ間容量Cgcが大きく、ターンオン時の電圧下降時間が長くなる。 In the IGBT 101 according to the comparative example, the gate electrode 117 extends into the n -type base layer 13. For this reason, the gate-collector capacitance Cgc is large, and the voltage drop time at turn-on becomes long.

これに対して、本実施形態に係るIGBT1では、比較例に係るゲート電極117に替えてゲート電極17と第1フィールドプレート電極19との二段構造になっており、n形ベース層13中に突出している第1フィールドプレート電極19は、エミッタ電極に接続されている。このため、ゲート−コレクタ間容量Cgcが小さく、ターンオン時の電圧下降時間が短くなる。 In contrast, in IGBT1 according to the present embodiment has a two-stage structure of the gate electrode 17 and the first field plate electrode 19 instead of the gate electrode 117 according to the comparative example, n - -type base layer 13 in The first field plate electrode 19 protruding in the direction is connected to the emitter electrode. Therefore, the gate-collector capacitance Cgc is small, and the voltage drop time at turn-on is shortened.

この結果、コレクタ電流が増加し始めるまでの時間においても電圧下降時間においても、本実施形態に係るIGBT1は高速化され、比較例に係るIGBT101に比べてターンオン時のスイッチングロスがターンオフ時と比較して大幅に減少したと考えられる。   As a result, both the time until the collector current starts to increase and the voltage fall time, the IGBT 1 according to the present embodiment is speeded up, and the switching loss at turn-on is higher than that at the turn-off compared to the IGBT 101 according to the comparative example. It is thought that it decreased significantly.

(実施形態1の変形例)
図9を用いて、本発明の第1の実施形態の変形に係るIGBT1aを説明する。第1の実施形態に係るIGBT1は、トレンチ21内にゲート電極17及び第1フィールドプレート電極19がエミッタ電極11からコレクタ電極10方向に向かって積層されている。この変形例では、ゲート電極17のコレクタ電極10方向の長さをtg1、第1フィールドプレート電極19のコレクタ電極10方向の長さをtg2とするとき、tg1>tg2としている。このようにすることで、ゲート電極17がn形ベース層13中にまで延伸し、n形ベース層13中にn形蓄積層を形成し伝導度変調を引き起こすので、オン電圧を低減することができる。逆に、tg1を短くするとオン電圧が増加する。これに対して、第1フィールドプレート電極19の長さtg2は、短くてもゲート−コレクタ間容量Cgcの低減効果は十分であり、スイッチング損失が効果的に低減できる。以上のことから、tg1>tg2がより良好な構造となる。
(Modification of Embodiment 1)
An IGBT 1a according to a modification of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the IGBT 1 according to the first embodiment, the gate electrode 17 and the first field plate electrode 19 are stacked in the trench 21 from the emitter electrode 11 toward the collector electrode 10. In this modification, when the length of the gate electrode 17 in the collector electrode 10 direction is tg1, and the length of the first field plate electrode 19 in the collector electrode 10 direction is tg2, tg1> tg2. In this way, the gate electrode 17 the n - extends to during -type base layer 13, n - so to form a shape-based layer n-type accumulation layer in 13 cause conductivity modulation, to reduce the on-voltage be able to. On the other hand, when tg1 is shortened, the ON voltage increases. On the other hand, even if the length tg2 of the first field plate electrode 19 is short, the effect of reducing the gate-collector capacitance Cgc is sufficient, and the switching loss can be effectively reduced. From the above, tg1> tg2 is a better structure.

(実施形態2)
図10を用いて、本発明の第2の実施形態に係るIGBT2を説明する。本実施形態に係るIGBT2は、第2絶縁膜25を介してn形ベース層13、n形バリア層14、及びp形ベース層15上にゲート電極17と第1フィールドプレート電極19とに対向して設けられ、エミッタ電極11に電気的に接続された第2フィールドプレート電極26(第5電極)を備えている点で、第1の実施形態に係るIGBT1とは異なる。すなわち、第2フィールドプレート電極26は、p形ベース層15の表面から、n形バリア層14を抜けてn形ベース層13中に延伸するトレンチ24中に第2絶縁膜25を介して埋め込まれている。
(Embodiment 2)
The IGBT 2 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The IGBT 2 according to this embodiment is opposed to the gate electrode 17 and the first field plate electrode 19 on the n -type base layer 13, the n-type barrier layer 14, and the p-type base layer 15 through the second insulating film 25. And the second field plate electrode 26 (fifth electrode) electrically connected to the emitter electrode 11 is different from the IGBT 1 according to the first embodiment. That is, the second field plate electrode 26 is buried through the second insulating film 25 in the trench 24 extending from the surface of the p-type base layer 15 through the n-type barrier layer 14 and into the n -type base layer 13. It is.

トレンチ24の深さは、トレンチ21の深さと概略同じである。第2フィールプレート電極は、第1フィールドプレート電極19と同様にポリシリコンにより構成される。第1フィールドプレート電極19のコレクタ電極10側の一端とエミッタ電極11との間の距離は、第2フィールドプレート電極のコレクタ電極10側の一端とエミッタ電極11との間の距離と概略同じである。第2絶縁膜25は、第1絶縁膜22と同様に例えば酸化シリコンから構成される。第2絶縁膜25の厚さは、第1絶縁膜22の厚さと概略同じである。   The depth of the trench 24 is substantially the same as the depth of the trench 21. Similar to the first field plate electrode 19, the second feel plate electrode is made of polysilicon. The distance between the one end of the first field plate electrode 19 on the collector electrode 10 side and the emitter electrode 11 is substantially the same as the distance between the one end of the second field plate electrode on the collector electrode 10 side and the emitter electrode 11. . Similar to the first insulating film 22, the second insulating film 25 is made of, for example, silicon oxide. The thickness of the second insulating film 25 is substantially the same as the thickness of the first insulating film 22.

第1の実施形態に係るIGBT1は、トレンチ21内に設けられたゲート電極17及び第1フィールドプレート電極19からなる第1トレンチゲート構造が、p形ベース層15の面内の少なくとも一方向において、複数繰り返して設けられる。これに対して本実施形態に係るIGBT2は、第1の実施形態に係るIGBT1において、隣り合う第1トレンチゲート構造のうちの一方をトレンチ24に第2絶縁膜25を介して埋め込まれた第2フィールドプレート電極26からなる第2トレンチゲート構造で置き換えて、これをユニットとして複数繰り返して設けられている。また、第2フィールドプレート電極26には、第2絶縁膜25を介してn型エミッタ層16は隣接していない。 In the IGBT 1 according to the first embodiment, the first trench gate structure including the gate electrode 17 and the first field plate electrode 19 provided in the trench 21 has at least one direction in the plane of the p-type base layer 15. A plurality of repetitions are provided. On the other hand, in the IGBT 2 according to the present embodiment, in the IGBT 1 according to the first embodiment, one of the adjacent first trench gate structures is embedded in the trench 24 via the second insulating film 25. It is replaced with a second trench gate structure composed of the field plate electrode 26, and this is repeatedly provided as a unit. Further, the n + -type emitter layer 16 is not adjacent to the second field plate electrode 26 via the second insulating film 25.

本実施形態の係るIGBT2は、上記のように周期的に第1トレンチゲート構造が第2トレンチゲート構造で置き換えられた構造を有する。このため、本実施形態に係るIGBT2は、第1の実施形態に係るIGBT1に比べてゲートエミッタ間容量が小さい。この結果、本実施形態に係るIGBT2は、第1の実施形態に係るIGBT1に比べてさらにターンオフ後にコレクタ電流が減少し始めるまでの時間及びターンオン後にコレクタ電流が増加し始める時間が短くなる。したがって、本実施形態に係るIGBT2は、第1の実施形態に係るIGBT1に比べて良好なスイッチング特性を有する。   The IGBT 2 according to the present embodiment has a structure in which the first trench gate structure is periodically replaced with the second trench gate structure as described above. For this reason, the IGBT 2 according to the present embodiment has a smaller gate-emitter capacitance than the IGBT 1 according to the first embodiment. As a result, the IGBT 2 according to the present embodiment has a shorter time until the collector current starts to decrease after turn-off and the time when the collector current starts to increase after the turn-on than the IGBT 1 according to the first embodiment. Therefore, the IGBT 2 according to the present embodiment has better switching characteristics than the IGBT 1 according to the first embodiment.

(実施形態3)
図11を用いて、本発明の第3の実施形態に係るIGBT3を説明する。第2の実施形態と異なる点を中心に説明する。図11は、本実施形態に係るIGBT3の断面図である。本実施形態に係るIGBT3は、第2の実施形態に係るIGBT2においてn形バリア層14が存在しない点で、第2の実施形態に係るIGBT2と異なる。
(Embodiment 3)
An IGBT 3 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. A description will be given centering on differences from the second embodiment. FIG. 11 is a cross-sectional view of the IGBT 3 according to the present embodiment. The IGBT 3 according to the present embodiment is different from the IGBT 2 according to the second embodiment in that the n-type barrier layer 14 does not exist in the IGBT 2 according to the second embodiment.

本実施形態に係るIGBT3は、n形バリア層14が存在しないので、伝導度変調に関して少々不利益を有するが、ターンオフ時のキャリアの排出に要する時間が短くなるので、スイッチング特性において第2の実施形態に係るIGBT2よりも優れる。   The IGBT 3 according to the present embodiment has a slight disadvantage with respect to conductivity modulation because the n-type barrier layer 14 is not present. However, since the time required for discharging carriers at the time of turn-off is shortened, the second implementation is performed in the switching characteristics. It is superior to IGBT2 which concerns on a form.

(実施形態4)
図12を用いて、本発明の第4の実施形態に係るIGBT4を説明する。第2の実施形態と異なる点を中心に説明する。図12は、本実施形態に係るIGBT4の断面図である。本実施形態に係るIGBT4は、第2の実施形態に係るIGBT2において第1のトレンチゲート構造をさらに第2のトレンチゲート構造で置換して、1つの第1のトレンチゲート構造の次に3つの第2のトレンチゲート構造からなる構造をユニットとし、このユニットを周期的に複数回繰り返して有する点で、第2の実施形態に係るIGBT2と異なる。
(Embodiment 4)
The IGBT 4 according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. A description will be given centering on differences from the second embodiment. FIG. 12 is a cross-sectional view of the IGBT 4 according to the present embodiment. In the IGBT 4 according to the present embodiment, the first trench gate structure is further replaced with the second trench gate structure in the IGBT 2 according to the second embodiment. It differs from IGBT2 which concerns on 2nd Embodiment by the structure which consists of two trench gate structures as a unit, and having this unit repeated several times periodically.

言い換えると、本実施形態に係るIGBT4は、ゲート電極17と第2フィールドプレート電極26との間に第3フィールドプレート電極28を有する。第3フィールドプレート電極28は、p形ベース層15の表面から、n形バリア層14を抜けてn形ベース層13中に延伸するトレンチ27中に第3絶縁膜29を介して埋め込まれている。 In other words, the IGBT 4 according to this embodiment includes the third field plate electrode 28 between the gate electrode 17 and the second field plate electrode 26. The third field plate electrode 28 is embedded through the third insulating film 29 in the trench 27 extending from the surface of the p-type base layer 15 through the n-type barrier layer 14 and into the n -type base layer 13. Yes.

第3フィールドプレート電極28は、第2フィールドプレート電極26と同様にポリシリコンから形成される。第3フィールドプレート電極28のp形ベース層15からn形ベース層13まで延伸する長さは第2フィールドプレート電極26の長さと同様である。第3絶縁膜29は、第2絶縁膜25と同様に酸化シリコンから構成される。 Similar to the second field plate electrode 26, the third field plate electrode 28 is made of polysilicon. The length of the third field plate electrode 28 extending from the p-type base layer 15 to the n -type base layer 13 is the same as the length of the second field plate electrode 26. The third insulating film 29 is made of silicon oxide like the second insulating film 25.

本実施形態に係るIGBT4においても、第2の実施形態に係るIGBT2と同様に良好なスイッチング特性を有する。   The IGBT 4 according to the present embodiment also has good switching characteristics as with the IGBT 2 according to the second embodiment.

なお、本実施例の拡張として1つの第1のトレンチゲート構造の次に3つではなく任意の数の第2トレンチゲート構造からなる構造をユニットとしても同様な効果が得られることは明らかである。   As an extension of the present embodiment, it is obvious that the same effect can be obtained even if a structure including an arbitrary number of second trench gate structures instead of three after one first trench gate structure is used as a unit. .

(実施形態5)
図13を用いて、本発明の第5の実施形態に係るIGBT5を説明する。第4の実施形態に係るIGBT4と異なる点を中心に説明する。図13は、本実施形態に係るIGBT5の断面図である。本実施形態に係るIGBT5は、第4の実施形態に係るIGBT5において、隣り合う第2のトレンチゲート構造との間に、p形ベース層15を覆う第2層間絶縁膜30を有する点で、第4の実施形態に係るIGBT4と異なる。
(Embodiment 5)
An IGBT 5 according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. A description will be given centering on differences from the IGBT 4 according to the fourth embodiment. FIG. 13 is a cross-sectional view of the IGBT 5 according to the present embodiment. The IGBT 5 according to the present embodiment is different from the IGBT 5 according to the fourth embodiment in that the second interlayer insulating film 30 covering the p-type base layer 15 is provided between the adjacent second trench gate structure. 4 is different from the IGBT 4 according to the fourth embodiment.

すなわち、第2層間絶縁膜30は、エミッタ電極11とp形ベース層15との間に設けられ、p形ベース層15を覆う。第2層間絶縁膜30は、第2絶縁膜25と第3絶縁膜29と連続し、p形ベース層15上を跨ぐ。第2層間絶縁膜30は、例えば酸化シリコンから構成される。   That is, the second interlayer insulating film 30 is provided between the emitter electrode 11 and the p-type base layer 15 and covers the p-type base layer 15. The second interlayer insulating film 30 is continuous with the second insulating film 25 and the third insulating film 29 and straddles the p-type base layer 15. The second interlayer insulating film 30 is made of, for example, silicon oxide.

本実施形態に係るIGBT5では、第2層間絶縁膜30により、n形ベース層13中の正孔がエミッタ電極11に抜けるのを抑制されるので、n形ベース層13中の正孔と電子のキャリア濃度が増大し、伝導度変調が促進される。本実施形態に係るIGBT5は、他の実施形態に係るIGBTと同様にスイッチング応答性に優れ、スイッチングロスが少なく、オン抵抗が低い。 In the IGBT 5 according to this embodiment, the second interlayer insulating film 30 suppresses the holes in the n -type base layer 13 from escaping to the emitter electrode 11, so that the holes in the n -type base layer 13 and The electron carrier concentration increases and conductivity modulation is promoted. The IGBT 5 according to the present embodiment is excellent in switching responsiveness, has a small switching loss, and has a low on-resistance like the IGBTs according to other embodiments.

(実施形態6)
図14を用いて、本発明の第6の実施形態に係るIGBT6を説明する。第2の実施形態に係るIGBT2と異なる点を中心に説明する。図14は、本実施形態に係るIGBT6の斜視断面図である。本実施形態に係るIGBT6は、第2の実施形態に係るIGBT2において、n形エミッタ層16が、ゲート電極17と第2フィールドプレート電極26が交互に配置されている方向とp形ベース層15内で垂直な方向に沿って、周期的に離間して複数設けられる。この複数のn形エミッタ層16のそれぞれは、ゲート電極17とゲート絶縁膜18を介して接続し、第2フィールドプレート電極26と第2絶縁膜25を介して接続する。以上の点で、本実施形態に係るIGBT6は、第2の実施形態に係るIGBT2と異なる。
(Embodiment 6)
The IGBT 6 according to the sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. A description will be given centering on differences from the IGBT 2 according to the second embodiment. FIG. 14 is a perspective sectional view of the IGBT 6 according to the present embodiment. The IGBT 6 according to the present embodiment is similar to the IGBT 2 according to the second embodiment in that the n + -type emitter layer 16 has a direction in which the gate electrodes 17 and the second field plate electrodes 26 are alternately arranged and the p-type base layer 15. A plurality of them are periodically spaced apart along a vertical direction. Each of the plurality of n + -type emitter layers 16 is connected to the gate electrode 17 via the gate insulating film 18 and is connected to the second field plate electrode 26 via the second insulating film 25. In the above points, the IGBT 6 according to the present embodiment is different from the IGBT 2 according to the second embodiment.

本実施形態に係るIGBT6は、第2の実施形態に係るIGBT2と同様にスイッチング応答性に優れ、スイッチングロスが少なく、オン抵抗が低い。さらに、本実施形態に係るIGBT6は、微細化を進めてゲート電極17と第2フィールドプレート電極26との距離を小さくしたときに、n形エミッタ層16及びp形ベース層15とエミッタ電極11との良好なコンタクトを有する。 The IGBT 6 according to the present embodiment is excellent in switching responsiveness like the IGBT 2 according to the second embodiment, has low switching loss, and low on-resistance. Further, in the IGBT 6 according to the present embodiment, when the miniaturization is advanced and the distance between the gate electrode 17 and the second field plate electrode 26 is reduced, the n + -type emitter layer 16 and the p-type base layer 15 and the emitter electrode 11 are reduced. And have good contact with.

(実施形態7)
本発明の実施形態7に係るIGBTについて、図15乃至図19を用いて説明する。図15は、本実施形態に係るIGBTを示す断面図である。本実施形態が実施形態1と同様の部分の説明は省略し、異なる点について説明する。本実施形態が実施形態1と異なる点は、第4電極もゲート電極と同様に電位を変化させられるようにした点にある。その他に関しては、実施形態1と同様である。
(Embodiment 7)
An IGBT according to Embodiment 7 of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 15 is a cross-sectional view showing the IGBT according to the present embodiment. The description of the same parts as those of the first embodiment is omitted, and different points will be described. This embodiment is different from the first embodiment in that the potential of the fourth electrode can be changed similarly to the gate electrode. Others are the same as those in the first embodiment.

即ち、図15に示すように、本実施形態のIGBT50は、ゲート電極17(以後、第1ゲート電極17と称す)各々が図示しない領域でp形ベース層15上に引き出されて、図示しない第1ゲート配線を介して第1ゲートパッド52に電気的に接続されている。同様に、第4電極19(以後、便宜的に第2ゲート電極19と称する。但し、ここでは前述したように電圧が印加される電極という意味で用いるものであり必ずしもゲート機能を有する必要はないものとする)各々は図示しない領域でp形ベース層15上に引き出されて、図示しない第2ゲート配線を介して第2ゲートパッド53に電気的に接続されている。第1ゲート電極17と第2ゲート電極19とは、電気的に分離しており、それぞれ独立して制御電圧が与えられるように構成されている。   That is, as shown in FIG. 15, in the IGBT 50 of this embodiment, each of the gate electrodes 17 (hereinafter referred to as the first gate electrode 17) is drawn on the p-type base layer 15 in a region not shown, It is electrically connected to the first gate pad 52 through one gate wiring. Similarly, the fourth electrode 19 (hereinafter referred to as the second gate electrode 19 for the sake of convenience. However, it is used herein to mean an electrode to which a voltage is applied as described above, and does not necessarily have a gate function. Each of them is drawn on the p-type base layer 15 in a region not shown, and is electrically connected to the second gate pad 53 via a second gate wiring not shown. The first gate electrode 17 and the second gate electrode 19 are electrically separated from each other and are configured to be independently supplied with a control voltage.

図16は、本実施形態のIGBT50のターンオフ時の制御方法を示すタイミングチャートである。図16において、横軸は時間、縦軸は第1ゲート電極17に与えられる第1ゲート電圧Vg1、第2ゲート電極19に与えられる第2ゲート電圧Vg2、コレクタ−エミッタ間電圧Vce、およびコレクタ電流Icを模式的に示している。
時間t0と時間t1の間はIGBT50がオン状態(定常状態)であり、時間t1と時間t2の間はIGBT50がオン状態ではあるがnベース層13のキャリア濃度を調整する期間であることを示している。時間t2と時間t3の間はIGBT50がオン状態からオフ状態に至るターンオフ期間であり、時間t3以降はIGBT50がオフ状態であることを示している。
FIG. 16 is a timing chart showing a control method when the IGBT 50 of the present embodiment is turned off. In FIG. 16, the horizontal axis represents time, the vertical axis represents the first gate voltage Vg1 applied to the first gate electrode 17, the second gate voltage Vg2 applied to the second gate electrode 19, the collector-emitter voltage Vce, and the collector current. Ic is schematically shown.
Between time t0 and time t1, the IGBT 50 is in an on state (steady state), and between time t1 and time t2, the IGBT 50 is in an on state, but it is a period for adjusting the carrier concentration of the n base layer 13. Show. Between the time t2 and the time t3 is a turn-off period in which the IGBT 50 is switched from the on state to the off state, and after the time t3, the IGBT 50 is in the off state.

図16に示すように、オン状態では、第1ゲート電極17および第2ゲート電極19ともに正の電圧(High)が与えられている。第1ゲート電圧Vg1は閾値Vth以上の電圧である。第2ゲート電圧Vg2は正の電圧であればよく、特に限定されないが、第1ゲート電圧Vg1と同じ電圧とするとよい。   As shown in FIG. 16, in the ON state, a positive voltage (High) is applied to both the first gate electrode 17 and the second gate electrode 19. The first gate voltage Vg1 is a voltage equal to or higher than the threshold value Vth. The second gate voltage Vg2 is not particularly limited as long as it is a positive voltage, but may be the same voltage as the first gate voltage Vg1.

第1ゲート電極17に第1ゲート電圧Vg1が与えられると、第1ゲート電極17の側壁に設けられたゲート絶縁膜18近傍のp形ベース層15にn形チャネル層(反転層)が形成される。第2ゲート電極19に第2ゲート電圧Vg2が与えられると、第2ゲート電極19の側壁に設けられた第1絶縁膜22近傍のnベース層13にn形蓄積層が形成される。 When the first gate voltage Vg1 is applied to the first gate electrode 17, an n-type channel layer (inversion layer) is formed in the p-type base layer 15 near the gate insulating film 18 provided on the side wall of the first gate electrode 17. The When the second gate voltage Vg <b> 2 is applied to the second gate electrode 19, an n-type storage layer is formed in the n base layer 13 near the first insulating film 22 provided on the side wall of the second gate electrode 19.

これにより、n形エミッタ層16からn形チャネル層、n形バリア層14およびn形蓄積層を介して電子がn形ベース層13に流れ込むとともに、p形コレクタ層12から正孔がn形ベース層13に流れ込み、伝導度変調によりn形ベース層13の抵抗値が低下してオン状態(導通状態)になる。 As a result, electrons flow from the n + -type emitter layer 16 to the n -type base layer 13 via the n-type channel layer, the n-type barrier layer 14, and the n-type storage layer, and holes from the p + -type collector layer 12. The n − type base layer 13 flows into the n − type base layer 13, and the resistance value of the n − type base layer 13 decreases due to the conductivity modulation, and the on state (conductive state) is set.

このとき、n形蓄積層の形成によりエミッタ側のキャリア(電子)の蓄積が促進されるとともに、n形ベース層13に正孔の蓄積が促進されてオン抵抗の低減が図られる。n形ベース層13に正孔の蓄積が促進されるのは、n形ベース層13に流れ込んだ正孔は隣り合うトレンチ21の間の領域を通ってp形ベース層15に抜けていくが、隣り合うn形蓄積層に挟まれて、正孔がp形ベース層15に抜ける経路が狭められるためである。第2ゲート電極19に与えられる第2ゲート電圧Vg2に応じて、n形蓄積層を制御することができるので、より低いオン抵抗が得られる。 At this time, the formation of the n-type accumulation layer promotes the accumulation of carriers (electrons) on the emitter side, and the accumulation of holes in the n -type base layer 13 is promoted to reduce the on-resistance. The accumulation of holes in the n -type base layer 13 is promoted because holes flowing into the n -type base layer 13 pass through the region between the adjacent trenches 21 and escape to the p-type base layer 15. This is because the path through which holes pass through the p-type base layer 15 is narrowed by being sandwiched between adjacent n-type accumulation layers. Since the n-type storage layer can be controlled according to the second gate voltage Vg2 applied to the second gate electrode 19, a lower on-resistance can be obtained.

これに加えて、n形バリア層14によりエミッタ側のキャリア濃度が高い状態にあるので、n形ベース層13から正孔がp形ベース層15にさらに抜け難くなる。n形ベース層13に正孔の蓄積が促進され、さらに低いオン抵抗を得ることが可能である。 In addition, since the n-type barrier layer 14 has a high carrier concentration on the emitter side, holes are more difficult to escape from the n -type base layer 13 to the p-type base layer 15. Accumulation of holes in the n -type base layer 13 is promoted, and a further lower on-resistance can be obtained.

n形バリア層14の効果について具体的に説明する。図17はIGBT50のキャリア濃度の深さ方向分布を模式的に示す図である。図17(a)および図17(b)において、横軸はエミッタ電極11側からコレクタ電極10側の深さ方向の距離を示し、縦軸はキャリア濃度を示している。図17(a)において、実線Aはn形バリア層およびn形蓄積層を有しない通常のIGBTのキャリア濃度、破線Bはn形バリア層を有するIGBTのキャリア濃度、破線Cはn形バリア層およびn形蓄積層を有するIGBTのキャリア濃度を示している。図17(b)において、一点鎖線Dはn形蓄積層のみを有するIGBTのキャリア濃度を示している。   The effect of the n-type barrier layer 14 will be specifically described. FIG. 17 is a diagram schematically illustrating the distribution of the carrier concentration of the IGBT 50 in the depth direction. 17A and 17B, the horizontal axis indicates the distance in the depth direction from the emitter electrode 11 side to the collector electrode 10 side, and the vertical axis indicates the carrier concentration. In FIG. 17A, a solid line A is a normal IGBT carrier concentration without an n-type barrier layer and an n-type accumulation layer, a broken line B is an IGBT carrier concentration with an n-type barrier layer, and a broken line C is an n-type barrier layer. And shows the carrier concentration of an IGBT having an n-type accumulation layer. In FIG. 17B, the alternate long and short dash line D indicates the carrier concentration of the IGBT having only the n-type accumulation layer.

図17(a)に示すように、n形バリア層14を有する場合のエミッタ側のキャリア濃度Bはn形バリア層14を有しない場合のキャリア濃度Aより上昇する。第2ゲート電極19に第2ゲート電圧Vg2を与えることにより生じるn形蓄積層の効果が加わることにより、n形バリア層およびn形蓄積層を有するIGBTのキャリア濃度Cはn形バリア層を有するIGBTのキャリア濃度Bより上昇する。   As shown in FIG. 17A, the carrier concentration B on the emitter side when the n-type barrier layer 14 is provided is higher than the carrier concentration A when the n-type barrier layer 14 is not provided. By adding the effect of the n-type accumulation layer generated by applying the second gate voltage Vg2 to the second gate electrode 19, the carrier concentration C of the IGBT having the n-type barrier layer and the n-type accumulation layer has the n-type barrier layer. It rises from the carrier concentration B of IGBT.

一方、図17(b)に示すように、n形蓄積層のみを有するIGBTのキャリア濃度Dは、第2ゲート電極19に第2ゲート電圧Vg2を与えることにより生じるn形蓄積層の効果により、通常のIGBTのキャリア濃度Aより上昇するが、n形バリア層14の効果は得られない。   On the other hand, as shown in FIG. 17B, the carrier concentration D of the IGBT having only the n-type accumulation layer is due to the effect of the n-type accumulation layer caused by applying the second gate voltage Vg2 to the second gate electrode 19. Although it is higher than the carrier concentration A of normal IGBT, the effect of the n-type barrier layer 14 cannot be obtained.

即ち、本実施形態のIGBT50は、n形バリア層14によるエミッタ側のキャリア濃度を高める効果と、第2ゲート電極19に第2ゲート電圧Vg2を与えることにより生じるn形蓄積層によるエミッタ側のキャリア濃度を高める効果とが加算されるので、n形ベース層13に電子および正孔の蓄積が促進されて格段にオン抵抗が低減するという特別の効果を奏するものである。 That is, the IGBT 50 of this embodiment has the effect of increasing the emitter-side carrier concentration by the n-type barrier layer 14 and the emitter-side carrier by the n-type accumulation layer generated by applying the second gate voltage Vg2 to the second gate electrode 19. Since the effect of increasing the concentration is added, the accumulation of electrons and holes in the n -type base layer 13 is promoted and the on-resistance is remarkably reduced.

ターンオフに際しては、時間t1で、第2ゲート電圧Vg2を第1ゲート電圧Vg1より先にLowにする。第2ゲート電圧Vg2は0Vでも、負電圧としてもよい。第2ゲート電圧Vg2を先にLowにすることにより、n形ベース層13に形成されたn形蓄積層が消失する。 At the time of turn-off, at time t1, the second gate voltage Vg2 is set to Low before the first gate voltage Vg1. The second gate voltage Vg2 may be 0V or a negative voltage. By setting the second gate voltage Vg2 to Low first, the n-type accumulation layer formed in the n -type base layer 13 disappears.

これにより、エミッタ側のキャリア蓄積量が減少する。さらに、n形ベース層13における正孔の流通経路が広がり、正孔がp形ベース層15に抜け易くなるので、n形ベース層13における正孔の蓄積量が減少する。時間t1と時間t2の間は、正孔がp形ベース層15に抜けることによるn形ベース層13のキャリア濃度が低減する期間である。この期間は、オン抵抗がわずかながらも増加するので、同じコレクタ電流Icを流すためにコレクタ−エミッタ間電圧Vceもわずかに増加する。 Thereby, the amount of accumulated carriers on the emitter side is reduced. Furthermore, since the hole flow path in the n -type base layer 13 is widened and holes are likely to escape to the p-type base layer 15, the amount of accumulated holes in the n -type base layer 13 is reduced. Between the time t1 and the time t2, it is a period during which the carrier concentration of the n -type base layer 13 is reduced due to holes being lost to the p-type base layer 15. During this period, since the on-resistance increases slightly, the collector-emitter voltage Vce also increases slightly to allow the same collector current Ic to flow.

所定時間(t2−t1)経過後、第1ゲート電圧Vg1をLowにすると、n形チャネル層が消失し、n形エミッタ層16からの電子の注入がとまるので、IGBT50はターンオフする。この際、先に第2ゲート電圧Vg2をLowにしてエミッタ側のキャリア蓄積量を減少させているので、ターンオフはより早くなり、ターンオフ損失が減少する。
なお、第2ゲート電圧Vg2を負電圧にした場合、第2ゲート電極19下のn形ベース層13に形成されていたn形蓄積層が消失した後にp形反転層が形成される。これにより、正孔がp形ベース層15にさらに抜け易くなるので、ターンオフにおけるスイッチング速度の向上に役立つ。
When the first gate voltage Vg1 is changed to Low after a predetermined time (t2-t1) has elapsed, the n-type channel layer disappears and the injection of electrons from the n + -type emitter layer 16 stops, so that the IGBT 50 is turned off. At this time, the second gate voltage Vg2 is set to Low first to reduce the carrier accumulation amount on the emitter side, so that the turn-off becomes faster and the turn-off loss is reduced.
When the second gate voltage Vg2 is a negative voltage, the p-type inversion layer is formed after the n-type accumulation layer formed in the n -type base layer 13 under the second gate electrode 19 disappears. This makes it easier for holes to escape to the p-type base layer 15, which helps improve the switching speed at turn-off.

ターンオフ損失の低減量は、第2ゲート電圧Vg2をLowにした後、同じコレクタ電流Icを流すために、コレクタ−エミッタ間電圧Vceが増加することによる定常損失の増加量よりはるかに大きい。そのため、スイッチング動作全体での素子の損失を大幅に低減することが可能である。   The reduction amount of the turn-off loss is much larger than the increase amount of the steady loss due to the increase of the collector-emitter voltage Vce in order to cause the same collector current Ic to flow after the second gate voltage Vg2 is set to Low. Therefore, it is possible to significantly reduce the element loss in the entire switching operation.

ここまでは、ターンオフ時の制御方法について説明した。次に、ターンオン時の制御方法について説明する。   So far, the control method at the time of turn-off has been described. Next, a control method at turn-on will be described.

図18は、本実施形態のIGBT50のターンオン時の制御方法を示すタイミングチャートである。図18において、横軸は時間、縦軸は第1ゲート電極17に与えられる第1ゲート電圧Vg1、第2ゲート電極19に与えられる第2ゲート電圧Vg2、コレクタ−エミッタ間電圧Vce、およびコレクタ電流Icを模式的に示している。
時間t0と時間t1の間はIGBT50がオフ状態であり、時間t1と時間t2の間はIGBT50がオフ状態からオン状態に至るターンオン期間であることを示している。時間t2と時間t3の間はIGBT50がオン状態であることを示し、時間t3と時間t4の間はIGBT50がオン状態であるが、nベース層13のキャリア濃度を調整する期間であることを示している。
FIG. 18 is a timing chart showing a control method when the IGBT 50 of the present embodiment is turned on. In FIG. 18, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the first gate voltage Vg1 applied to the first gate electrode 17, the second gate voltage Vg2 applied to the second gate electrode 19, the collector-emitter voltage Vce, and the collector current. Ic is schematically shown.
The IGBT 50 is in the OFF state between the time t0 and the time t1, and the IGBT 50 is in the turn-on period from the OFF state to the ON state between the time t1 and the time t2. Between time t2 and time t3, it indicates that the IGBT 50 is in an on state, and between time t3 and time t4, the IGBT 50 is in an on state, but it is a period for adjusting the carrier concentration of the n base layer 13. Show.

図18に示すように、オフ状態では、第1ゲート電極17および第2ゲート電極19ともに負の電圧もしくはゼロ電位が与えられている(Low)。ターンオンに際しては、時間t1で、第1ゲート電圧Vg1を閾値Vth以上の電圧(High)にする。第2ゲート電圧Vg2はLowのままである。
第1ゲート電極17に第1ゲート電圧Vg1が与えられると、第1ゲート電極17下のトレンチ21の側壁に設けられたゲート絶縁膜18近傍のp形ベース層15にn形チャネル層(反転層)が形成される。これにより、n形エミッタ層16からn形チャネル層、n形バリア層14を介して電子がn形ベース層13に流れ込むとともに、p形コレクタ層12から正孔がn形ベース層13に流れ込み、伝導度変調によりn形ベース層13の抵抗値が低下してオン状態(導通状態)になる。
As shown in FIG. 18, in the off state, a negative voltage or a zero potential is applied to both the first gate electrode 17 and the second gate electrode 19 (Low). At the time of turn-on, the first gate voltage Vg1 is set to a voltage (High) equal to or higher than the threshold value Vth at time t1. The second gate voltage Vg2 remains low.
When the first gate voltage Vg <b> 1 is applied to the first gate electrode 17, an n-type channel layer (inversion layer) is formed on the p-type base layer 15 in the vicinity of the gate insulating film 18 provided on the side wall of the trench 21 below the first gate electrode 17. ) Is formed. As a result, electrons flow from the n + -type emitter layer 16 to the n -type base layer 13 through the n-type channel layer and the n-type barrier layer 14, and holes from the p + -type collector layer 12 become the n -type base layer. 13, and the resistance value of the n -type base layer 13 decreases due to conductivity modulation, and is turned on (conductive state).

所定時間(t3―t1)経過後、第2ゲート電圧Vg2をHighにする。第2ゲート電圧Vg2は正の電圧であればよく、特に限定されないが、第1ゲート電圧Vg1と同じ電圧とするとよい。第2ゲート電極19に第2ゲート電圧Vg2が与えられると、第2ゲート電極19下のトレンチ21の側壁に設けられた第1絶縁膜22近傍のnベース層13にn形蓄積層が形成される。 After a predetermined time (t3-t1) has elapsed, the second gate voltage Vg2 is set to High. The second gate voltage Vg2 is not particularly limited as long as it is a positive voltage, but may be the same voltage as the first gate voltage Vg1. When the second gate voltage Vg <b> 2 is applied to the second gate electrode 19, an n-type accumulation layer is formed in the n base layer 13 near the first insulating film 22 provided on the side wall of the trench 21 below the second gate electrode 19. Is done.

n形蓄積層の形成により、エミッタ側のキャリア(電子)の蓄積が促進されるとともに、n形ベース層13に正孔の蓄積が促進されるので、さらなるオン抵抗の低減が図られる。時間t3と時間t4の間は、n形ベース層13のキャリア濃度が増加する期間である。この間コレクタ電流Icは一定であるが、コレクタ−エミッタ間電圧Vceが低下しており、オン抵抗が低減したことがわかる。第2ゲート電極19に与えられる第2ゲート電圧Vg2に応じて、n形蓄積層を制御することができるので、より低いオン抵抗が得られる。 By forming the n-type accumulation layer, the accumulation of carriers (electrons) on the emitter side is promoted, and the accumulation of holes in the n -type base layer 13 is promoted, so that the on-resistance can be further reduced. Between the time t3 and the time t4 is a period in which the carrier concentration of the n -type base layer 13 increases. During this time, the collector current Ic is constant, but it can be seen that the collector-emitter voltage Vce has decreased and the on-resistance has been reduced. Since the n-type storage layer can be controlled according to the second gate voltage Vg2 applied to the second gate electrode 19, a lower on-resistance can be obtained.

ターンオン時には、まず第1ゲート電極17のみでIGBT50をオンさせることにより、エミッタ側にためるキャリアが少なくてよく、高速でターンオンさせることが可能となる。そして、ターンオンさせた後に、第2ゲート電極19に第2ゲート電圧Vg2を印加することにより、トレンチ21の側壁に設けられた第1絶縁膜22近傍のnベース層13にn形蓄積層を形成し、エミッタ側のさらなるキャリアの蓄積を生じさせ、さらに低いオン抵抗を得ることが可能である。 At the time of turn-on, first, the IGBT 50 is turned on only by the first gate electrode 17, so that the number of carriers that accumulate on the emitter side may be small and the turn-on can be performed at high speed. After the turn-on, the second gate voltage Vg 2 is applied to the second gate electrode 19, thereby forming an n-type accumulation layer on the n base layer 13 in the vicinity of the first insulating film 22 provided on the sidewall of the trench 21. It is possible to form and cause further carrier accumulation on the emitter side to obtain even lower on-resistance.

図19は、第1ゲート電極17および第2ゲート電極19のゲート制御回路を示すブロック図である。図19に示すように、ゲート制御回路55は、IGBT50のターンオンおよびターンオフを指示する制御信号Vsを受けて、図16および図18に示すタイミングチャートに従った第1ゲート電圧Vg1および第2ゲート電圧Vg2を生成する。   FIG. 19 is a block diagram showing a gate control circuit for the first gate electrode 17 and the second gate electrode 19. As shown in FIG. 19, the gate control circuit 55 receives the control signal Vs instructing the turn-on and turn-off of the IGBT 50, and receives the first gate voltage Vg1 and the second gate voltage according to the timing charts shown in FIGS. Vg2 is generated.

ゲート制御回路55は、例えば制御信号Vsの立ち上がりで、第1ゲート電圧Vg1をHighにし、制御信号Vsの立ち下がりで所定時間(図16に示すt2−t1)遅延して第1ゲート電圧Vg1をLowにする第1ゲート制御回路と、制御信号Vsの立ち上がりで、所定時間(図18に示すt3−t1)遅延して第2ゲート電圧Vg2をHighにし、制御信号Vsの立ち下がりで第2ゲート電圧Vg2をLowにする第2ゲート制御回路とを有している。第1、第2ゲート制御回路は、例えばシュミットトリガ、ラッチ、インバータ、デジタルまたはアナログの遅延回路等を用いて構成することができる。第1、第2ゲート電圧Vg1、Vg2が等しい場合、第1、第2ゲート制御回路は遅延に係る回路を除いて共用することができる。   For example, the gate control circuit 55 sets the first gate voltage Vg1 to High at the rise of the control signal Vs, and delays the first gate voltage Vg1 by a predetermined time (t2-t1 shown in FIG. 16) at the fall of the control signal Vs. The first gate control circuit to be low, the second gate voltage Vg2 is set high after a predetermined time (t3-t1 shown in FIG. 18) at the rising edge of the control signal Vs, and the second gate is turned on at the falling edge of the control signal Vs. And a second gate control circuit for setting the voltage Vg2 to Low. The first and second gate control circuits can be configured using, for example, a Schmitt trigger, a latch, an inverter, a digital or analog delay circuit, and the like. When the first and second gate voltages Vg1 and Vg2 are equal, the first and second gate control circuits can be shared except for a circuit related to delay.

ゲート制御回路55と第1ゲートパッド52との間に第1抵抗R1が接続されている。第1抵抗R1は、第1ゲート電圧Vg1の立ち上がりのタイミングを調整するために挿入されている。ゲート制御回路55と第2ゲートパッド53との間にも第2抵抗R2が接続されている。第2抵抗R2は、第2ゲート電圧Vg2の立ち上がりのタイミングを調整するために挿入されている。なお、ゲート制御回路55は、第1、第2抵抗R1、R2が無くても動作は可能である。   A first resistor R 1 is connected between the gate control circuit 55 and the first gate pad 52. The first resistor R1 is inserted to adjust the rising timing of the first gate voltage Vg1. A second resistor R2 is also connected between the gate control circuit 55 and the second gate pad 53. The second resistor R2 is inserted to adjust the rising timing of the second gate voltage Vg2. Note that the gate control circuit 55 can operate without the first and second resistors R1 and R2.

以上説明したように、本実施形態のIGBT50では、第4電極19を第1ゲート電極17と独立して制御可能な第2ゲート電極19として機能させている。第2ゲート電極19に与えられる第2ゲート電圧Vg2に応じて、第2ゲート電極19の側壁に設けられた第1絶縁膜22近傍のnベース層13にn形蓄積層が形成される。n形蓄積層により、エミッタ側のキャリアの蓄積量およびnベース層13の正孔の蓄積量を制御することができる。n形バリア層14により、エミッタ側のキャリアの蓄積およびn形ベース層13に正孔の蓄積を促進させることができる。
その結果、n形蓄積層による効果とn形バリア層14による効果とが合わさって、オン状態ではより低いオン抵抗が得られ、ターンオフされる際にはターンオフ損失をより低減することができる。従って、オン電圧が低くスイッチングロスが低減されたIGBTが得られる。
As described above, in the IGBT 50 of this embodiment, the fourth electrode 19 functions as the second gate electrode 19 that can be controlled independently of the first gate electrode 17. In accordance with the second gate voltage Vg 2 applied to the second gate electrode 19, an n-type accumulation layer is formed in the n base layer 13 in the vicinity of the first insulating film 22 provided on the side wall of the second gate electrode 19. With the n-type accumulation layer, the amount of accumulated carriers on the emitter side and the amount of accumulated holes in the n base layer 13 can be controlled. The n-type barrier layer 14 can promote the accumulation of carriers on the emitter side and the accumulation of holes in the n -type base layer 13.
As a result, the effect of the n-type accumulation layer and the effect of the n-type barrier layer 14 are combined, so that a lower on-resistance can be obtained in the on state, and the turn-off loss can be further reduced when turned off. Therefore, an IGBT with a low on-voltage and reduced switching loss can be obtained.

なお、IGBT50は、図9に示すIGBT1aと同様に、コレクタ電極10からエミッタ電極11に向かう方向において、第1ゲート電極17の長さtg1を、第2ゲート電極19の長さtg2よりも長くすることもできる。
さらに、ここでは第1ゲート電極17より先に第2ゲート電極19をLowにする場合を記載したが、その順序は逆であってもよい。第2ゲート電極19をあとからLowにすることで、ターンオフ動作時の急峻な電圧、電流の変化を抑制し、オーバーシュート電圧を抑制する効果が得られる。
即ち、第1ゲート電圧Vg1および第2ゲート電圧Vg2を与えるタイミングは、必ずしも図16および図18に示すタイミングに限られるものではなく、目的に応じて適宜設定することができる。
In the IGBT 50, the length tg1 of the first gate electrode 17 is made longer than the length tg2 of the second gate electrode 19 in the direction from the collector electrode 10 to the emitter electrode 11, as in the IGBT 1a shown in FIG. You can also.
Furthermore, although the case where the second gate electrode 19 is set to Low before the first gate electrode 17 is described here, the order may be reversed. By setting the second gate electrode 19 to Low later, an effect of suppressing an abrupt voltage and current during a turn-off operation and suppressing an overshoot voltage can be obtained.
That is, the timing at which the first gate voltage Vg1 and the second gate voltage Vg2 are applied is not necessarily limited to the timing shown in FIGS. 16 and 18, and can be set as appropriate according to the purpose.

(実施形態8)
本発明の実施形態8に係るIGBTについて、図20を用いて説明する。図20は、本実施形態に係るIGBTを示す断面図である。本実施形態が実施形態7と同様の部分の説明は省略し、異なる点について説明する。本実施形態が実施形態7と異なる点は、複数の第4電極うち、一部をゲート電極として機能させつつ、他部をフィールドプレート電極として機能させるようにした点にある。その他に関しては、実施形態1と同様である。
言うなれば、本実施形態に係るIGBTは、図1に示すIGBT1と図15に示すIGBT50とを混載したIGBTである。
(Embodiment 8)
An IGBT according to Embodiment 8 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 20 is a cross-sectional view showing the IGBT according to this embodiment. The description of the same parts as those of the seventh embodiment is omitted, and different points will be described. The present embodiment is different from the seventh embodiment in that a part of the plurality of fourth electrodes functions as a gate electrode while the other part functions as a field plate electrode. Others are the same as those in the first embodiment.
In other words, the IGBT according to the present embodiment is an IGBT in which the IGBT 1 shown in FIG. 1 and the IGBT 50 shown in FIG. 15 are mixedly mounted.

図20に示すように、本実施形態のIGBT60では、隣接する第4電極19のうち、一方の第4電極19を第2ゲート電極として機能させ、他方の第4電極19を第1フィールドプレート電極として機能させている。すなわち、この図20の断面図においては、両端及び中央に位置する3つの第4電極19を第2ゲート電極19として機能させ、残りの第4電極19を第1フィールドプレート電極として機能させる。このように、本実施形態では、第2ゲート電極と第1フィールドプレートが交互に隣接して設けられている。ここで、第2ゲート電極19は、第2ゲートパッド53に接続され、第2ゲート電圧Vg2が与えられる。第1フィールドプレート電極19は、エミッタ電極11に接続され、固定されたエミッタ電位が与えられる。   As shown in FIG. 20, in the IGBT 60 of this embodiment, one of the adjacent fourth electrodes 19 functions as the second gate electrode, and the other fourth electrode 19 serves as the first field plate electrode. It is functioning as. That is, in the cross-sectional view of FIG. 20, the three fourth electrodes 19 located at both ends and the center function as the second gate electrode 19, and the remaining fourth electrode 19 functions as the first field plate electrode. As described above, in the present embodiment, the second gate electrodes and the first field plates are alternately provided adjacent to each other. Here, the second gate electrode 19 is connected to the second gate pad 53 and supplied with the second gate voltage Vg2. The first field plate electrode 19 is connected to the emitter electrode 11 and is given a fixed emitter potential.

第2ゲート電極19により、ターンオン時にはより低いオン抵抗が得られ、ターンオフされる際にはターンオフ損失がより低減される。さらに、第1フィールドプレート電極19により、ゲート−コレクタ間容量Cgcが低減し、ターンオフ時のターンオフ損失が更に低減される。   The second gate electrode 19 provides a lower on-resistance when turned on, and the turn-off loss is further reduced when turned off. Furthermore, the first field plate electrode 19 reduces the gate-collector capacitance Cgc, further reducing the turn-off loss during turn-off.

以上説明したように、本実施形態のIGBT60では、複数配置された第4電極19を第2ゲート電極19と第1フィールドプレート電極19として機能させ、交互に隣接して設けるようにした。その結果、第2ゲート電極19による効果と第1フィールドプレート電極19による効果を合わせて得ることができる。従って、オン電圧が低くスイッチングロスが低減されたIGBTが得られる。
なお、第2ゲート電極19と第1フィールドプレート電極19とは、1:1に配置される必要はない。所望の特性に応じて、配置する比率を自由に設定することができる。即ちn:m(n、mは正の整数)に配置することができる。
As described above, in the IGBT 60 of the present embodiment, the plurality of arranged fourth electrodes 19 function as the second gate electrode 19 and the first field plate electrode 19 and are provided adjacent to each other alternately. As a result, the effect of the second gate electrode 19 and the effect of the first field plate electrode 19 can be obtained together. Therefore, an IGBT with a low on-voltage and reduced switching loss can be obtained.
The second gate electrode 19 and the first field plate electrode 19 do not need to be arranged 1: 1. The ratio of arrangement can be freely set according to desired characteristics. That is, it can arrange | position to n: m (n and m are positive integers).

(実施形態9)
本発明の実施形態9に係るIGBTについて、図21を用いて説明する。図21は、本実施形態に係るIGBTを示す断面図である。本実施形態が実施形態7と同様の部分の説明は省略し、異なる点について説明する。本実施形態が実施形態7と異なる点は、第1、第2ゲート電極に対向するように第2フィールドプレート電極を設けた点にある。その他に関しては、実施形態7と同様である。
(Embodiment 9)
An IGBT according to Embodiment 9 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 21 is a cross-sectional view showing the IGBT according to the present embodiment. The description of the same parts as those of the seventh embodiment is omitted, and different points will be described. The present embodiment is different from the seventh embodiment in that a second field plate electrode is provided so as to face the first and second gate electrodes. Others are the same as in the seventh embodiment.

即ち、図21に示すように、本実施形態のIGBT70は、第2絶縁膜25を介してn形ベース層13、n形バリア層14、及びp形ベース層15上に第1ゲート電極17と第2ゲート電極19とに対向して設けられ、エミッタ電極11に電気的に接続された第2フィールドプレート電極26(第5電極)を備えている。
第2フィールドプレート電極26は、エミッタ電極11側からp形ベース層15、及びn形バリア層14を抜けて、n形ベース層13中に延伸するトレンチ24中に第2絶縁膜25を介して埋め込まれている。
That is, as shown in FIG. 21, the IGBT 70 of this embodiment includes the first gate electrode 17 on the n -type base layer 13, the n-type barrier layer 14, and the p-type base layer 15 via the second insulating film 25. And a second field plate electrode 26 (fifth electrode) provided opposite to the second gate electrode 19 and electrically connected to the emitter electrode 11.
The second field plate electrode 26 passes through the p-type base layer 15 and the n-type barrier layer 14 from the emitter electrode 11 side, and extends into the n -type base layer 13 via the second insulating film 25. Embedded.

第2フィールドプレート電極26は、第1フィールドプレート電極19より側面積が大きいので、等価的にフィールドプレート電極が増加したことになる。第2フィールドプレート電極26は、第1フィールドプレート電極19より高い遮蔽効果を有している。第2フィールドプレート電極26により、ゲート−コレクタ間容量Cgcがより低減するので、ターンオフ時のターンオフ損失を更に低減することが可能である。   Since the second field plate electrode 26 has a larger area than the first field plate electrode 19, the field plate electrode is equivalently increased. The second field plate electrode 26 has a higher shielding effect than the first field plate electrode 19. Since the gate-collector capacitance Cgc is further reduced by the second field plate electrode 26, it is possible to further reduce the turn-off loss at the time of turn-off.

以上説明したように、本実施形態のIGBT70では、第1フィールドプレート電極19より高い遮蔽効果を有する第2フィールドプレート電極26を有している。その結果、ゲート−コレクタ間容量Cgcが低減し、ターンオフ時のターンオフ損失を低減することができる。従って、オン電圧が低くスイッチングロスが低減されたIGBTが得られる。   As described above, the IGBT 70 of the present embodiment has the second field plate electrode 26 having a higher shielding effect than the first field plate electrode 19. As a result, the gate-collector capacitance Cgc is reduced, and turn-off loss at turn-off can be reduced. Therefore, an IGBT with a low on-voltage and reduced switching loss can be obtained.

なお、IGBT70は、図10に示すIGBT2と同様に、第2ゲート電極19のコレクタ電極10側の一端とエミッタ電極11との間の距離は、第2フィールドプレート電極26のコレクタ電極10側の一端とエミッタ電極11との間の距離と同じとすることができる。
第1、第2ゲート電極17、19と第2フィールドプレート電極26とは、1:1に配置される必要はない。所望の特性に応じて、配置する比率を自由に設定することができる。即ちn:m(n、mは正の整数)に配置することができる。
In the IGBT 70, as in the IGBT 2 shown in FIG. 10, the distance between the one end of the second gate electrode 19 on the collector electrode 10 side and the emitter electrode 11 is the same as that of the second field plate electrode 26 on the collector electrode 10 side. And the distance between the emitter electrode 11 and the emitter electrode 11.
The first and second gate electrodes 17 and 19 and the second field plate electrode 26 need not be arranged 1: 1. The ratio of arrangement can be freely set according to desired characteristics. That is, it can arrange | position to n: m (n and m are positive integers).

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1〜6、50、60、70、101 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ
10 コレクタ電極(第2電極)
11 エミッタ電極(第1電極)
12 p形コレクタ層
13 n形ベース層
14 n形バリア層
15 p形ベース層
16 エミッタ層
17、117 ゲート電極(第3電極)
18、118 ゲート絶縁膜
19 第1フィールドプレート電極(第2ゲート電極、第4電極)
20 電極間絶縁膜
21、24、27 トレンチ
22 第1絶縁膜
23、123 第1層間絶縁膜
25 第2絶縁膜
26 第2フィールドプレート電極
28 第3フィールドプレート電極
29 第3絶縁膜
30 第2層間絶縁膜
1 to 6, 50, 60, 70, 101 Insulated gate bipolar transistor 10 Collector electrode (second electrode)
11 Emitter electrode (first electrode)
12 p-type collector layer 13 n-type base layer 14 n-type barrier layer 15 p-type base layer 16 emitter layers 17 and 117 gate electrode (third electrode)
18, 118 Gate insulating film 19 First field plate electrode (second gate electrode, fourth electrode)
20 Interelectrode insulating films 21, 24, 27 Trench 22 First insulating films 23, 123 First interlayer insulating film 25 Second insulating film 26 Second field plate electrode 28 Third field plate electrode 29 Third insulating film 30 Second interlayer Insulation film

Claims (17)

第1電極と、
第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に設けられた第1導電形の第1半導体層と、
前記第2電極と前記第1半導体層との間に設けられた第2導電形の第2半導体層と、
前記第2電極と前記第2半導体層との間に設けられ前記第2半導体層よりも不純物濃度が高い前記第2導電形の第3半導体層と、
前記第2電極と前記第3半導体層との間に設けられ前記第2電極に電気的に接続された前記第1導電形の第4半導体層と、
前記第2電極と前記第4半導体層との間に選択的に設けられ、前記第2電極と電気的に接続され、前記第2半導体層よりも不純物濃度が高い前記第2導電形の第5半導体層と、
前記第3半導体層、前記第4半導体層、及び前記第5半導体層上にゲート絶縁膜を介して設けられ、前記第1電極及び前記第2電極と絶縁された第3電極と、
前記第3電極と前記第2半導体層との間に設けられ、前記第3電極及び前記第2半導体層とは絶縁された第4電極と、
を備えた絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。
A first electrode;
A second electrode;
A first semiconductor layer of a first conductivity type provided between the first electrode and the second electrode;
A second semiconductor layer of a second conductivity type provided between the second electrode and the first semiconductor layer;
A third semiconductor layer of the second conductivity type provided between the second electrode and the second semiconductor layer and having an impurity concentration higher than that of the second semiconductor layer;
A fourth semiconductor layer of the first conductivity type provided between the second electrode and the third semiconductor layer and electrically connected to the second electrode;
A fifth of the second conductivity type, which is selectively provided between the second electrode and the fourth semiconductor layer, is electrically connected to the second electrode, and has a higher impurity concentration than the second semiconductor layer. A semiconductor layer;
A third electrode provided on the third semiconductor layer, the fourth semiconductor layer, and the fifth semiconductor layer via a gate insulating film, and insulated from the first electrode and the second electrode;
A fourth electrode provided between the third electrode and the second semiconductor layer and insulated from the third electrode and the second semiconductor layer;
Insulated gate bipolar transistor.
前記第4電極は、前記第2電極に電気的に接続されている請求項1に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。   The insulated gate bipolar transistor according to claim 1, wherein the fourth electrode is electrically connected to the second electrode. 前記第4電極は、前記第2電極側の前記第2半導体層のキャリア濃度を制御するための電圧が与えられる請求項1に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。   2. The insulated gate bipolar transistor according to claim 1, wherein the fourth electrode is supplied with a voltage for controlling a carrier concentration of the second semiconductor layer on the second electrode side. 第1電極と、
第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に設けられた第1導電形の第1半導体層と、
前記第2電極と前記第1半導体層との間に設けられた第2導電形の第2半導体層と、
前記第2電極と前記第2半導体層との間に設けられ前記第2半導体層よりも不純物濃度が高い前記第2導電形の第3半導体層と、
前記第2電極と前記第3半導体層との間に設けられ前記第2電極に電気的に接続された前記第1導電形の第4半導体層と、
前記第2電極と前記第4半導体層との間に選択的に設けられ、前記第2電極と電気的に接続され、前記第2半導体層よりも不純物濃度が高い前記第2導電形の第5半導体層と、
前記第3半導体層、前記第4半導体層、及び前記第5半導体層上にゲート絶縁膜を介して設けられ、前記第1電極及び前記第2電極と絶縁された第3電極と、
前記第3電極と前記第2半導体層との間に設けられ、前記第3電極及び前記第2半導体層とは絶縁され、前記第2電極に電気的に接続された第4電極と、を備えた絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。
A first electrode;
A second electrode;
A first semiconductor layer of a first conductivity type provided between the first electrode and the second electrode;
A second semiconductor layer of a second conductivity type provided between the second electrode and the first semiconductor layer;
A third semiconductor layer of the second conductivity type provided between the second electrode and the second semiconductor layer and having an impurity concentration higher than that of the second semiconductor layer;
A fourth semiconductor layer of the first conductivity type provided between the second electrode and the third semiconductor layer and electrically connected to the second electrode;
A fifth of the second conductivity type, which is selectively provided between the second electrode and the fourth semiconductor layer, is electrically connected to the second electrode, and has a higher impurity concentration than the second semiconductor layer. A semiconductor layer;
A third electrode provided on the third semiconductor layer, the fourth semiconductor layer, and the fifth semiconductor layer via a gate insulating film, and insulated from the first electrode and the second electrode;
A fourth electrode provided between the third electrode and the second semiconductor layer, insulated from the third electrode and the second semiconductor layer, and electrically connected to the second electrode. Insulated gate bipolar transistor.
前記第1電極から前記第2電極に向かう方向において、前記第3電極の長さが、前期第4電極の長さよりも長いことを特徴とする請求項4に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。   5. The insulated gate bipolar transistor according to claim 4, wherein the length of the third electrode is longer than the length of the fourth electrode in the direction from the first electrode to the second electrode. 6. 絶縁膜を介して前記第2半導体層、前記第3半導体層、及び前記第4半導体層上に前記第3電極及び前記第4電極に対向して設けられ、前記第2電極に電気的に接続された第5電極をさらに備えた、請求項4または5に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。   An insulating film is provided on the second semiconductor layer, the third semiconductor layer, and the fourth semiconductor layer so as to face the third electrode and the fourth electrode, and is electrically connected to the second electrode. The insulated gate bipolar transistor according to claim 4, further comprising a fifth electrode formed. 前記第4電極の前記第1電極側の一端と前記第2電極との間の距離は、前記第5電極の前記第1電極側の一端と前記第2電極との間の距離と同じである請求項6記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。   The distance between the one end of the fourth electrode on the first electrode side and the second electrode is the same as the distance between the one end of the fifth electrode on the first electrode side and the second electrode. The insulated gate bipolar transistor according to claim 6. 絶縁膜を介して前記第2半導体層、前記第3半導体層、及び前記第4半導体層上に設けられ、前記第2の電極に電気的に接続された第6電極を、前記第3電極と前記第5電極との間にさらに備えた請求項6または7に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。   A sixth electrode provided on the second semiconductor layer, the third semiconductor layer, and the fourth semiconductor layer via an insulating film and electrically connected to the second electrode is connected to the third electrode. The insulated gate bipolar transistor according to claim 6, further provided between the fifth electrode and the fifth electrode. 前記第5電極と前記第6電極との間で、前記第2電極と前記第4半導体層との間に設けられ、前記第4半導体層を覆う層間絶縁膜をさらに備える請求項8に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。   9. The interlayer insulating film according to claim 8, further comprising an interlayer insulating film provided between the second electrode and the fourth semiconductor layer between the fifth electrode and the sixth electrode and covering the fourth semiconductor layer. Insulated gate bipolar transistor. 前記第5電極は前記絶縁膜を介して前記第5半導体層上に接続している請求項6乃至9のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。   10. The insulated gate bipolar transistor according to claim 6, wherein the fifth electrode is connected to the fifth semiconductor layer through the insulating film. 11. 第1電極と、
第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に設けられた第1導電形の第1半導体層と、
前記第2電極と前記第1半導体層との間に設けられた第2導電形の第2半導体層と、
前記第2電極と前記第2半導体層との間に設けられ前記第2半導体層よりも不純物濃度が高い前記第2導電形の第3半導体層と、
前記第2電極と前記第3半導体層との間に設けられ前記第2電極に電気的に接続された前記第1導電形の第4半導体層と、
前記第2電極と前記第4半導体層との間に選択的に設けられ、前記第2電極と電気的に接続され、前記第2半導体層よりも不純物濃度が高い前記第2導電形の第5半導体層と、
前記第3半導体層、前記第4半導体層、及び前記第5半導体層上にゲート絶縁膜を介して設けられ、前記第1電極及び前記第2電極と絶縁された第3電極と、
少なくとも前記第2半導体層および前記第3電極上に絶縁膜を介して設けられる第4電極と、
を備え、
ターンオン、もしくは、ターンオフ動作の際に、前記第4電極と前記第3電極とは所定時間の間隔をもって電圧が与えられる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。
A first electrode;
A second electrode;
A first semiconductor layer of a first conductivity type provided between the first electrode and the second electrode;
A second semiconductor layer of a second conductivity type provided between the second electrode and the first semiconductor layer;
A third semiconductor layer of the second conductivity type provided between the second electrode and the second semiconductor layer and having an impurity concentration higher than that of the second semiconductor layer;
A fourth semiconductor layer of the first conductivity type provided between the second electrode and the third semiconductor layer and electrically connected to the second electrode;
A fifth of the second conductivity type, which is selectively provided between the second electrode and the fourth semiconductor layer, is electrically connected to the second electrode, and has a higher impurity concentration than the second semiconductor layer. A semiconductor layer;
A third electrode provided on the third semiconductor layer, the fourth semiconductor layer, and the fifth semiconductor layer via a gate insulating film, and insulated from the first electrode and the second electrode;
A fourth electrode provided on at least the second semiconductor layer and the third electrode via an insulating film;
With
An insulated gate bipolar transistor in which a voltage is applied to the fourth electrode and the third electrode at a predetermined time interval during turn-on or turn-off operation.
前記第4電極は、前記第3半導体層上にも前記絶縁膜を介して設けられている請求項11に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。   The insulated gate bipolar transistor according to claim 11, wherein the fourth electrode is also provided on the third semiconductor layer via the insulating film. 前記第1電極から前記第2電極に向かう方向において、前記第3電極の長さが、前期第4電極の長さよりも長いことを特徴とする請求項11に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。   12. The insulated gate bipolar transistor according to claim 11, wherein the length of the third electrode is longer than the length of the fourth electrode in the direction from the first electrode to the second electrode. 前記第3電極および前記第4電極はそれぞれ複数設けられ、一部の前記第4電極は前記第2電極に電気的に接続されている請求項11に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。   12. The insulated gate bipolar transistor according to claim 11, wherein a plurality of the third electrode and the fourth electrode are provided, and a part of the fourth electrode is electrically connected to the second electrode. 絶縁膜を介して前記第2半導体層、前記第3半導体層、及び前記第4半導体層上に前記第3電極及び前記第4電極に対向して設けられ、前記第2電極に電気的に接続された第5電極をさらに備えた請求項11に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。   An insulating film is provided on the second semiconductor layer, the third semiconductor layer, and the fourth semiconductor layer so as to face the third electrode and the fourth electrode, and is electrically connected to the second electrode. The insulated gate bipolar transistor according to claim 11, further comprising a fifth electrode formed. 前記第4電極の前記第1電極側の一端と前記第2電極との間の距離は、前記第5電極の前記第1電極側の一端と前記第2電極との間の距離と同じである請求項15に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。   The distance between the one end of the fourth electrode on the first electrode side and the second electrode is the same as the distance between the one end of the fifth electrode on the first electrode side and the second electrode. The insulated gate bipolar transistor according to claim 15. 前記第5半導体層は複数であり、前記複数の第5半導体層は、前記第3電極および前記第4電極の延伸方向に沿って離間している請求項1乃至16のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。   The said 5th semiconductor layer is plurality, The said 5th semiconductor layer is any one of Claims 1 thru | or 16 spaced apart along the extending direction of the said 3rd electrode and the said 4th electrode. Insulated gate bipolar transistor.
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