JP2020088239A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

To provide a semiconductor device capable of relaxing the temperature distribution in an element formation region and coping with high-speed switching by controlling the transient current distribution due to the switching operation.SOLUTION: A semiconductor device 1 includes a cell region 3 in which a plurality of transistor cells T are arranged in parallel on the main surface 21 side of a semiconductor substrate 2, a gate wiring portion 4 connected to a gate electrode 10 of a transistor cell T, and a gate pad portion GP that applies a gate potential to the gate electrode 10 via the gate wiring portion 4. The gate wiring portion 4 includes a low-resistance wiring portion 4A and a high-resistance wiring portion 4B having higher electrical resistance than low-resistance wiring portion 4A, and the high-resistance wiring portion 4B is arranged in a region along the outer peripheral edge of the cell region 3, and the low-resistance wiring portion 4A is arranged inside a region in which the high-resistance wiring portion 4B is arranged, which includes the center of the cell region 3.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、スイッチング素子等に用いられる半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device used for a switching element or the like.

例えば、電力用スイッチング素子に用いられる半導体装置は、大電流を制御するために比較的大きなチップ面積を有する。この場合、発熱部となるトランジスタセルが形成されたセル領域において、中心部と周辺部の温度差が大きくなりやすく、温度分布が生じやすい。一方、半導体装置のチップサイズは、発熱領域の最高温度が耐熱温度を超えないように制限されるため、コスト増を抑制しつつ大電流化を進めるには、温度分布を均一にすることが求められる。 For example, a semiconductor device used for a power switching element has a relatively large chip area for controlling a large current. In this case, the temperature difference between the central portion and the peripheral portion is likely to be large and the temperature distribution is likely to occur in the cell region where the transistor cell serving as the heat generating portion is formed. On the other hand, the chip size of the semiconductor device is limited so that the maximum temperature of the heat generation region does not exceed the heat resistant temperature. Be done.

特許文献1には、チップ面内の温度アンバランスを緩和するために、ストライプ状に配置されるユニットセルを、発熱量が大きく、放熱性の悪いチップ中央部では、疎に配置し、発熱量が小さく、放熱性のよいチップ周辺部では、密に配置することで、チップ中央部の放熱性を向上させた半導体装置が提案されている。特許文献1では、このようなセル配置により、チップ面内の温度アンバランスを緩和し、温度分布の均一性向上を図っている。 In Patent Document 1, in order to reduce the temperature imbalance in the chip surface, the unit cells arranged in stripes are arranged sparsely in the central portion of the chip where the heat generation amount is large and the heat dissipation is poor, and the heat generation amount is set. A semiconductor device has been proposed in which the heat dissipation of the central part of the chip is improved by arranging them densely in the peripheral part of the chip which has small heat dissipation and good heat dissipation. In Patent Document 1, such a cell arrangement is intended to reduce the temperature imbalance in the chip surface and improve the uniformity of temperature distribution.

特開2004-363327号公報JP-A-2004-363327

特許文献1の構成では、ユニットセルが配置される間隔を可変させ、チップ面内を流れる電流分布を調整している。ところが、中心部を流れる電流が周辺部に対して抑制されることで、中央部の発熱量は抑制されるものの、周辺部により多くの電流が流れることで、導通損失に偏りが生じる。これは、損失が電流の二乗に比例(すなわち、I2×R)して発生するためであり、中央部に対して周辺部の導通損失がより大きくなることで、結果的に、チップ全体としての導通損失が増加してしまう。 In the configuration of Patent Document 1, the intervals at which the unit cells are arranged are varied to adjust the distribution of current flowing in the chip surface. However, although the current flowing through the central portion is suppressed with respect to the peripheral portion, the heat generation amount in the central portion is suppressed, but a larger amount of current flows in the peripheral portion, so that the conduction loss is biased. This is because the loss is generated in proportion to the square of the current (that is, I 2 ×R), and the conduction loss in the peripheral portion is larger than that in the central portion, and as a result, the entire chip is reduced. Will increase the conduction loss.

一方、スイッチング時には、スイッチング動作に伴う過渡電流が流れ、スイッチング損失が発生する。その際に、セル領域に温度分布が存在すると、スイッチング動作を規定する閾値電圧にばらつきが生じ、温度が高い領域ほど閾値電圧が低下して、ターンオン電流又はターンオフ電流が集中しやすくなる。特に、ゲート配線構造の工夫等により、高速スイッチング化した場合には、ターンオフ損失の割合が相対的に増加することから、ターンオフ損失が集中する領域で、温度が高くなりやすく、さらに温度分布を加速させるおそれがある。 On the other hand, at the time of switching, a transient current due to the switching operation flows and switching loss occurs. At that time, if the temperature distribution exists in the cell region, the threshold voltage that defines the switching operation varies, and the threshold voltage decreases in the higher temperature region, and the turn-on current or turn-off current is likely to concentrate. In particular, when the switching speed is increased by devising the gate wiring structure, etc., the ratio of turn-off loss relatively increases, so the temperature tends to rise in the region where turn-off loss is concentrated, and the temperature distribution is further accelerated. May cause

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、スイッチング動作による過渡電流分布を制御することにより、セル領域における温度分布を緩和し、高速スイッチングに対応可能な半導体装置を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and aims to provide a semiconductor device capable of coping with high-speed switching by controlling the transient current distribution due to the switching operation, thereby relaxing the temperature distribution in the cell region. Is.

本発明の一態様は、
半導体基板(2)の主面(21)側に、複数のトランジスタセル(T)が並設されるセル領域(3)と、上記トランジスタセルのゲート電極(10)に接続されるゲート配線部(4)と、上記ゲート配線部を介して上記ゲート電極にゲート電位を付与するゲートパッド部(GP)と、を備える半導体装置(1)であって、
上記ゲート配線部は、低抵抗配線部(4A)と、上記低抵抗配線部よりも高電気抵抗の高抵抗配線部(4B)とを有しており、
上記高抵抗配線部は、上記セル領域の外周縁部に沿う領域に配置され、上記低抵抗配線部は、上記高抵抗配線部が配置される領域よりも内側で、かつ、上記セル領域の中央部を含む領域に配置される、半導体装置にある。
One aspect of the present invention is
On the main surface (21) side of the semiconductor substrate (2), a cell region (3) in which a plurality of transistor cells (T) are arranged side by side, and a gate wiring part (10) connected to the gate electrode (10) of the transistor cell (3). A semiconductor device (1) comprising: 4) and a gate pad portion (GP) for applying a gate potential to the gate electrode via the gate wiring portion,
The gate wiring portion has a low resistance wiring portion (4A) and a high resistance wiring portion (4B) having higher electric resistance than the low resistance wiring portion,
The high resistance wiring part is arranged in a region along the outer peripheral edge of the cell region, the low resistance wiring part is inside the region in which the high resistance wiring part is arranged, and in the center of the cell region. The semiconductor device is arranged in a region including a portion.

上記半導体装置のようにゲート配線部を構成することで、セル領域の中央部を含む領域に配置される低抵抗配線部に対して、その外側に配置される高抵抗配線部が、遅延を有してターンオン又はターンオフする。したがって、ターンオフ時には、セル領域の外周側の領域にターンオフ電流が集中して温度が上昇しやすくなり、一方、セル領域の中央部を含む領域では温度上昇が抑制されることになり、全体として、セル領域の温度分布を緩和することが可能になる。 By configuring the gate wiring portion as in the above semiconductor device, the high resistance wiring portion arranged outside the low resistance wiring portion arranged in the region including the central portion of the cell region has a delay. And turn on or off. Therefore, at the time of turn-off, the turn-off current is concentrated in the region on the outer peripheral side of the cell region and the temperature easily rises, while the temperature increase is suppressed in the region including the central portion of the cell region, and as a whole, It becomes possible to relax the temperature distribution in the cell region.

以上のごとく、上記態様によれば、スイッチング動作による過渡電流分布を制御することにより、セル領域における温度分布を緩和し、高速スイッチングに対応可能な半導体装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
As described above, according to the above aspect, by controlling the transient current distribution due to the switching operation, the temperature distribution in the cell region can be relaxed, and a semiconductor device capable of high-speed switching can be provided.
In addition, the reference numerals in parentheses described in the claims and the means for solving the problems indicate the correspondence with the specific means described in the embodiments described later, and limit the technical scope of the present invention. Not a thing.

実施形態1における、半導体装置の概略構成を示す平面図とそのI−I線断面図。FIG. 2 is a plan view showing a schematic configuration of a semiconductor device according to the first embodiment and a sectional view taken along the line I-I thereof. 実施形態1における、半導体装置のセル領域に形成される半導体素子の構成例を示す図で、図1のII部拡大断面図及び半導体素子の回路図記号を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a semiconductor element formed in a cell region of the semiconductor device in the first embodiment, and an enlarged cross-sectional view of a II portion in FIG. 1 and a circuit diagram symbol of the semiconductor element. 試験例1における、試験用の半導体装置における基本的なスイッチング特性を、低速スイッチング時と高速スイッチング時とで比較して示す動作波形図。FIG. 6 is an operation waveform diagram showing the basic switching characteristics of the semiconductor device for test in Test Example 1 by comparing the characteristics at low speed switching and at high speed switching. 試験例1において、試験用の半導体装置における基本的なスイッチング特性を評価するためのダブルパルス試験回路図。In Test Example 1, a double pulse test circuit diagram for evaluating the basic switching characteristics of a semiconductor device for testing. 試験例1において、試験用の半導体装置における配線構造例を示す平面図。6 is a plan view showing an example of a wiring structure in a test semiconductor device in Test Example 1. FIG. 試験例1において、試験用の半導体装置における、セル領域の面内の温度分布と、そのA−A断面における温度(熱抵抗)分布を示す図。FIG. 6 is a diagram showing an in-plane temperature distribution of a cell region and a temperature (thermal resistance) distribution in an AA cross section in a test semiconductor device in Test Example 1. 試験例1において、試験用の半導体装置の冷却構造例を示す概略断面図。6 is a schematic cross-sectional view showing an example of a cooling structure of a test semiconductor device in Test Example 1. FIG. 試験例1において、試験用の半導体装置における、セル領域の面内の温度分布と、閾値電圧の温度特性を示す図。7 is a diagram showing a temperature distribution in a plane of a cell region and a temperature characteristic of a threshold voltage in a test semiconductor device in Test Example 1. FIG. 試験例1において、試験用の半導体装置における、セル領域のスイッチング特性を、閾値電圧の異なる領域で比較して示す動作波形図。10 is an operation waveform diagram showing switching characteristics of cell regions in a semiconductor device for testing in a test example 1 in comparison in regions having different threshold voltages. FIG. 試験例1において、実施形態1の半導体装置による温度分布の緩和効果を示す図で、セル領域における位置とターンオフ損失及び温度との関係を示す図。In Test Example 1, a graph showing the effect of relaxing the temperature distribution by the semiconductor device of Embodiment 1, showing the relationship between the position in the cell region and turn-off loss and temperature. 試験例1において、実施形態1の半導体装置における、セル領域の面内の位置によるスイッチング特性の違いを比較して示す動作波形図。FIG. 6 is an operation waveform diagram showing a comparison of switching characteristics depending on the in-plane position of the cell region in the semiconductor device of Embodiment 1 in Test Example 1; 試験例1において、実施形態1の半導体装置における効果を示す図で、セル領域のB−B断面における位置とターンオフ損失及び温度との関係を示す図。FIG. 10 is a diagram showing an effect in the semiconductor device of the first embodiment in Test Example 1, and is a diagram showing a relationship between a position in the BB cross section of the cell region, turn-off loss, and temperature. 実施形態2における、半導体装置の概略構成を示す平面図。FIG. 6 is a plan view showing a schematic configuration of a semiconductor device according to the second embodiment. 実施形態3における、半導体装置の概略構成を示す平面図。FIG. 6 is a plan view showing a schematic configuration of a semiconductor device according to a third embodiment. 実施形態3における、半導体装置のセル領域の配線ピッチとドレイン電流及びターンオフ損失との関係を比較して示す図。FIG. 10 is a diagram showing a comparison between the wiring pitch in the cell region of the semiconductor device, the drain current, and the turn-off loss in the third embodiment. 実施形態4における、半導体装置の概略構成を示す平面図。FIG. 6 is a plan view showing a schematic configuration of a semiconductor device according to a fourth embodiment. 実施形態5における、半導体装置の概略構成を示す平面図。FIG. 10 is a plan view showing a schematic configuration of a semiconductor device according to the fifth embodiment. 実施形態6における、半導体装置の概略構成を示す平面図。FIG. 13 is a plan view showing a schematic configuration of a semiconductor device according to the sixth embodiment. 実施形態7における、半導体装置の概略構成を示す平面図。FIG. 16 is a plan view showing a schematic configuration of a semiconductor device according to the seventh embodiment. 実施形態8における、半導体装置の概略構成を示す平面図。FIG. 16 is a plan view showing a schematic configuration of a semiconductor device according to an eighth embodiment. 実施形態9における、半導体装置の概略構成を示す平面図。FIG. 16 is a plan view showing a schematic configuration of a semiconductor device according to a ninth embodiment.

(実施形態1)
半導体装置に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
本形態の半導体装置は、例えば、大電流用のスイッチング素子として電力変換装置等に用いられるものであり、高速スイッチングに伴う温度分布を抑制可能に構成されている。
以下に、その概略を示す。
図1、図2に示すように、半導体装置1は、半導体基板2の主面21側に、複数のトランジスタセルTが並設されるセル領域3と、トランジスタセルTのゲート電極10に接続されるゲート配線部4と、ゲートパッド部GPと、を備えている。ゲート配線部4は、セル領域3の表面に形成されて、トランジスタセルTのゲート電極10に接続されており、ゲートパッド部GPは、ゲート配線部4を介してゲート電極10にゲート電位を付与するように構成されている。
(Embodiment 1)
An embodiment according to a semiconductor device will be described with reference to the drawings.
The semiconductor device of the present embodiment is used, for example, as a switching element for a large current in a power conversion device or the like, and is configured to be able to suppress the temperature distribution due to high speed switching.
The outline is shown below.
As shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor device 1 is connected to the main surface 21 side of the semiconductor substrate 2 to a cell region 3 in which a plurality of transistor cells T are arranged in parallel and a gate electrode 10 of the transistor cell T. The gate wiring portion 4 and the gate pad portion GP are provided. The gate wiring portion 4 is formed on the surface of the cell region 3 and connected to the gate electrode 10 of the transistor cell T, and the gate pad portion GP applies a gate potential to the gate electrode 10 via the gate wiring portion 4. Is configured to.

詳細を後述するように、ゲート配線部4は、低抵抗配線部4Aと、低抵抗配線部4Aよりも高電気抵抗の高抵抗配線部4Bとを有している。高抵抗配線部4Bは、セル領域3の外周縁部に沿う領域に配置され、低抵抗配線部4Aは、高抵抗配線部4Bが配置される領域よりも内側で、かつ、セル領域3の中央部を含む領域に配置される。低抵抗配線部4Aは、例えば、金属を含む低抵抗配線材料にて構成され、高抵抗配線部4Bは、低抵抗配線材料よりも高電気抵抗の高抵抗配線材料にて構成することができる。 As will be described later in detail, the gate wiring portion 4 has a low resistance wiring portion 4A and a high resistance wiring portion 4B having a higher electric resistance than the low resistance wiring portion 4A. The high resistance wiring part 4B is arranged in a region along the outer peripheral edge of the cell region 3, and the low resistance wiring part 4A is inside the region in which the high resistance wiring part 4B is arranged and in the center of the cell region 3. It is arranged in a region including a part. The low-resistance wiring portion 4A can be made of, for example, a low-resistance wiring material containing metal, and the high-resistance wiring portion 4B can be made of a high-resistance wiring material having a higher electric resistance than the low-resistance wiring material.

このような配置により、ゲートパッド部GPからゲート配線部4へ入力されるゲート制御信号は、低抵抗配線部4Aに対して遅延を有して高抵抗配線部4Bへ伝播する。これに伴い、高抵抗配線部4Bの近傍において、トランジスタセルTのスイッチングに遅延が生じ、セル領域3に流れるターンオフ電流が局所的に集中することで、セル領域3の温度分布を緩和することが可能になる。 With such an arrangement, the gate control signal input from the gate pad section GP to the gate wiring section 4 propagates to the high resistance wiring section 4B with a delay with respect to the low resistance wiring section 4A. Accordingly, switching of the transistor cell T is delayed in the vicinity of the high resistance wiring portion 4B, and the turn-off current flowing in the cell region 3 is locally concentrated, so that the temperature distribution in the cell region 3 can be relaxed. It will be possible.

ゲート配線部4は、例えば、セル領域3の周辺部に配置される外周側ゲート配線40と、外周側ゲート配線40の内側に接続される複数の内周側ゲート配線41、42と、を組み合わせた配線形状に形成することができる。内周側ゲート配線41、42は、少なくとも外周側ゲート配線40と接続される一部を除いて、低抵抗配線部4Aとして構成され、外周側ゲート配線40は、少なくともゲートパッド部GPに隣接する領域を除いて、高抵抗配線部4Bとして構成することができる。 The gate wiring part 4 is, for example, a combination of an outer peripheral side gate wiring 40 arranged in the peripheral part of the cell region 3 and a plurality of inner peripheral side gate wirings 41, 42 connected inside the outer peripheral side gate wiring 40. It can be formed into a wiring shape. The inner peripheral side gate wirings 41 and 42 are configured as the low resistance wiring portion 4A except at least a part connected to the outer peripheral side gate wiring 40, and the outer peripheral side gate wiring 40 is at least adjacent to the gate pad portion GP. Except for the region, it can be configured as the high resistance wiring portion 4B.

具体的には、内周側ゲート配線41、42は、ゲートパッド部GPに接続され、セル領域3の中央部に配置される帯状の主ゲート配線41と、主ゲート配線41の長手方向の複数箇所から分岐して外周側ゲート配線40に接続される複数の分岐配線42と、を有する構成とすることができる。主ゲート配線41は、例えば、ゲート接続部4Cを介して、ゲートパッド部GPに接続される。 Specifically, the inner peripheral side gate wirings 41 and 42 are connected to the gate pad portion GP, and the strip-shaped main gate wiring 41 arranged in the central portion of the cell region 3 and a plurality of main gate wirings 41 in the longitudinal direction. A plurality of branch wirings 42 branching from a location and connected to the outer peripheral side gate wiring 40 can be provided. The main gate wiring 41 is connected to the gate pad portion GP via the gate connecting portion 4C, for example.

ゲートパッド部GPから入力されるゲート制御信号は、低抵抗配線部4Aである主ゲート配線41から分岐配線42へ速やかに伝播するのに対して、高抵抗配線部4Bである外周側ゲート配線40へは、遅れを有して伝播する。このとき、セル領域3において、トランジスタセルTは、主ゲート配線41が配置される中央部が先にターンオン・ターンオフし、外周側ゲート配線40が配置される周辺部は後からターンオン・ターンオフする。
これにより、例えば、ターンオフ時には、高抵抗配線部4Bが配置される領域にターンオフ電流が集中しやすくなることで、セル領域3の周辺部にターンオフ電流集中エリアA(すなわち、図1中に示す網掛領域)が形成され、セル領域3の温度分布の緩和に寄与する。
The gate control signal input from the gate pad portion GP is rapidly propagated from the main gate wiring 41 which is the low resistance wiring portion 4A to the branch wiring 42, while the outer peripheral side gate wiring 40 which is the high resistance wiring portion 4B. Is propagated with a delay. At this time, in the cell region 3, in the transistor cell T, the central portion where the main gate wiring 41 is arranged is turned on and turned off first, and the peripheral portion where the outer peripheral side gate wiring 40 is arranged is turned on and turned off later.
As a result, for example, at the time of turn-off, the turn-off current tends to concentrate in the region where the high-resistance wiring portion 4B is arranged, so that the turn-off current concentration area A (that is, the shaded area shown in FIG. 1) is formed in the peripheral portion of the cell region 3. Region) is formed and contributes to the relaxation of the temperature distribution in the cell region 3.

次に、半導体装置1の各部構成について具体的に説明する。
図1において、半導体装置1は、概略矩形の半導体基板2を有し、その主面21側に、セル領域3を有する半導体層20が積層されている。本形態において、半導体層20は、半導体基板2の外周形状に沿う概略矩形の領域を、図2に示すトレンチ構造のトランジスタセルTが形成されるセル領域3としており、セル領域3の外側を取り囲む矩形環状の領域を、ゲートパッド部GPやケルビン・ソースパッドKSPが配置される周辺領域30としている。
複数のトランジスタセルTは、電気的に並列に接続され、例えば、セル領域3の一辺に沿う方向とトレンチの延出方向(例えば、図1上図中に示すX方向)が平行となるようにストライプ状に配置されている。
半導体基板2の主面21は、半導体基板2の厚さ方向(例えば、図1下図中に示すY方向)における一方の面であり、以降、主面21と反対側の面を半導体基板2の裏面22とする。
Next, the configuration of each part of the semiconductor device 1 will be specifically described.
In FIG. 1, a semiconductor device 1 has a substantially rectangular semiconductor substrate 2, and a semiconductor layer 20 having a cell region 3 is laminated on the main surface 21 side thereof. In the present embodiment, the semiconductor layer 20 has a substantially rectangular region along the outer peripheral shape of the semiconductor substrate 2 as the cell region 3 in which the transistor cell T having the trench structure shown in FIG. 2 is formed, and surrounds the outside of the cell region 3. The rectangular annular region is the peripheral region 30 in which the gate pad portion GP and the Kelvin/source pad KSP are arranged.
The plurality of transistor cells T are electrically connected in parallel so that, for example, the direction along one side of the cell region 3 and the extending direction of the trench (for example, the X direction shown in the upper diagram of FIG. 1) are parallel to each other. They are arranged in stripes.
The main surface 21 of the semiconductor substrate 2 is one surface in the thickness direction of the semiconductor substrate 2 (for example, the Y direction shown in the lower diagram of FIG. 1), and thereafter, the surface opposite to the main surface 21 is the surface of the semiconductor substrate 2. The back surface 22 is used.

セル領域3の表面には、ゲートパッド部GPと電気的に接続されるゲート配線部4が配置されており、ゲート配線部4の配線形状は、外周側ゲート配線40と内周側ゲート配線41、42とを組み合わせた形状となっている。外周側ゲート配線40は、セル領域3の外周縁部を取り囲むように配置される、概略矩形状の配線部であり、内周側ゲート配線41、42は、その内側に配置される、複数の帯状の配線部からなる。
ゲートパッド部GPは、セル領域3の外側において、その一辺の中央部に隣接して配置され、ゲートパッド部GPから延びるゲート接続部4Cは、内周側ゲート配線41、42と接続される。ゲート接続部4Cは、例えば、ゲートパッド部GPに隣接する外周側ゲート配線40の一部であり、金属を含む低抵抗配線材料にて構成される矩形部401からなる。
A gate wiring portion 4 electrically connected to the gate pad portion GP is arranged on the surface of the cell region 3, and the wiring shapes of the gate wiring portion 4 are the outer peripheral side gate wiring 40 and the inner peripheral side gate wiring 41. , 42 in combination. The outer peripheral side gate wiring 40 is a substantially rectangular wiring portion arranged so as to surround the outer peripheral edge portion of the cell region 3, and the inner peripheral side gate wirings 41 and 42 are arranged inside thereof. It consists of a strip-shaped wiring part.
The gate pad portion GP is arranged outside the cell region 3 adjacent to the central portion of one side thereof, and the gate connecting portion 4C extending from the gate pad portion GP is connected to the inner peripheral side gate wirings 41 and 42. The gate connecting portion 4C is, for example, a part of the outer peripheral side gate wiring 40 adjacent to the gate pad portion GP, and includes a rectangular portion 401 made of a low resistance wiring material containing metal.

具体的には、内周側ゲート配線は、帯状の主ゲート配線41と、主ゲート配線41の両側へ分岐する、複数対の帯状の分岐配線42を有する。主ゲート配線41は、セル領域3の中央部において、トレンチの延出方向(すなわち、X方向)を長手方向として配置されており、その一端側は、外周側ゲート配線40の位置にあるゲート接続部4Cを介して、ゲートパッド部GPに接続し、他端側は、ゲートパッド部GPが配置される一辺と対向する一辺の近傍まで延びている。
複数対の分岐配線42は、主ゲート配線41の延出端を含む複数箇所(例えば、図1では5箇所)から両側へ分岐して、それぞれX方向と直交する方向に延びており、その分岐端部421は、延出方向に位置する外周側ゲート配線40の内周に、電気的に接続される。
Specifically, the inner peripheral side gate wiring has a strip-shaped main gate wiring 41 and a plurality of pairs of strip-shaped branch wirings 42 branching to both sides of the main gate wiring 41. The main gate wiring 41 is arranged in the central portion of the cell region 3 with the extending direction of the trench (that is, the X direction) as the longitudinal direction, and one end side thereof is connected to the gate wiring 40 at the outer peripheral side gate wiring 40. It is connected to the gate pad portion GP via the portion 4C, and the other end side extends to the vicinity of one side facing the one side on which the gate pad portion GP is arranged.
The plurality of pairs of branch wirings 42 branch to both sides from a plurality of locations (for example, five locations in FIG. 1) including the extended end of the main gate wiring 41, and extend in a direction orthogonal to the X direction, respectively. The end portion 421 is electrically connected to the inner circumference of the outer peripheral side gate wiring 40 located in the extending direction.

本形態において、ゲート配線部4は、主ゲート配線41と、主ゲート配線41から分岐する複数対の分岐配線42の主要部が、低抵抗配線部4Aとして構成される。低抵抗配線部4Aは、相対的に低電気抵抗の導電性材料を用いて形成される。ゲートパッド部GPと主ゲート配線41とを接続するゲート接続部4Cも、同様の低電気抵抗の導電性材料を用いて形成される。
また、外周側ゲート配線40は、ゲート接続部4Cとなる矩形部401が配置される一部を除いて、高抵抗配線部4Bとして構成される。外周側ゲート配線40に接続される複数対の分岐配線42の分岐端部421も、高抵抗配線部4Bとして構成される。高抵抗配線部4Bは、低抵抗配線部4Aの構成材料に比べて、相対的に高電気抵抗の導電性材料を用いて形成される。
In the present embodiment, in the gate wiring portion 4, the main gate wiring 41 and main portions of the plurality of pairs of branch wirings 42 branched from the main gate wiring 41 are configured as the low resistance wiring portion 4A. The low resistance wiring portion 4A is formed using a conductive material having a relatively low electric resistance. The gate connecting portion 4C that connects the gate pad portion GP and the main gate wiring 41 is also formed by using a conductive material having the same low electric resistance.
In addition, the outer peripheral side gate wiring 40 is configured as the high resistance wiring portion 4B except for a portion where the rectangular portion 401 serving as the gate connecting portion 4C is arranged. The branch ends 421 of the plurality of pairs of branch wirings 42 connected to the outer peripheral side gate wiring 40 are also configured as the high resistance wiring portion 4B. The high resistance wiring part 4B is formed using a conductive material having a relatively high electric resistance as compared with the constituent material of the low resistance wiring part 4A.

すなわち、セル領域3の周辺部には、ゲート接続部4Cが配置される領域を除いて、低抵抗配線部4Aよりも電気抵抗率の高い、高抵抗配線部4Bが配置される。高抵抗配線部4Bが配置される周辺部よりも内側に位置する、セル領域3の中央部を含む領域には、低抵抗配線部4Aが配置される。配線幅は、例えば、ゲート配線部4の全体で同等であり、ゲート配線部4の各配線は、主ゲート配線41を対称軸とする線対称形状に配置されている。 That is, in the peripheral portion of the cell region 3, the high resistance wiring portion 4B having a higher electric resistivity than the low resistance wiring portion 4A is arranged except for the region where the gate connection portion 4C is arranged. The low resistance wiring portion 4A is arranged in a region including the central portion of the cell region 3 which is located inside the peripheral portion where the high resistance wiring portion 4B is arranged. The wiring width is, for example, the same in the entire gate wiring portion 4, and the wirings in the gate wiring portion 4 are arranged in a line-symmetrical shape with the main gate wiring 41 as the axis of symmetry.

ここで、低抵抗配線部4Aを構成する、相対的に低電気抵抗の導電性材料としては、例えば、アルミニウム、銅等の金属又は金属合金を含む金属系配線材料が挙げられる(例えば、アルミニウムの電気抵抗率:〜3×10-8Ωm)。
また、高抵抗配線部4Bを構成する、相対的に高電気抵抗の導電性材料は、金属又は金属合金を含む金属系配線材料よりも電気抵抗率の高い導電性材料であり、例えば、ポリシリコン等の多結晶半導体を含む高抵抗配線材料が挙げられる(例えば、ポリシリコンの電気抵抗率:〜1×10-5Ωm)。
なお、低抵抗配線部4Aは、低電気抵抗の導電性材料を用いて、所望の低電気抵抗となるように調整されていればよく、例えば、金属系配線材料を複層構造としてもよい。また、下地層として、例えば、ポリシリコン層等が積層された構造であってもよい。
Here, as the conductive material having a relatively low electric resistance which constitutes the low resistance wiring portion 4A, for example, a metal wiring material containing a metal such as aluminum or copper or a metal alloy (for example, aluminum Electric resistivity: up to 3×10 −8 Ωm).
Further, the conductive material having a relatively high electric resistance that constitutes the high resistance wiring portion 4B is a conductive material having a higher electric resistivity than a metal-based wiring material containing a metal or a metal alloy, and is, for example, polysilicon. Examples of such materials include high-resistance wiring materials containing a polycrystalline semiconductor (for example, electrical resistivity of polysilicon: 1×10 −5 Ωm).
The low-resistance wiring portion 4A may be adjusted to have a desired low electric resistance by using a conductive material having a low electric resistance. For example, a metal wiring material may have a multi-layer structure. Further, the underlying layer may have a structure in which, for example, a polysilicon layer or the like is laminated.

図2に示すように、トランジスタセルTを構成する半導体素子としては、例えば、MOSFET(すなわち、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)、IGBT(すなわち、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等のトランジスタが挙げられる。半導体基板2には、SiC、GaN等の半導体を用いることができる。 As shown in FIG. 2, examples of the semiconductor element forming the transistor cell T include a transistor such as a MOSFET (that is, a metal oxide semiconductor field effect transistor) and an IGBT (that is, an insulated gate bipolar transistor). For the semiconductor substrate 2, a semiconductor such as SiC or GaN can be used.

一例として、図2に縦型のMOSFETの構成例と回路図記号を示すように、n型の半導体基板2の主面21には、n型ドリフト層200が設けられており、n型ドリフト層200の表層部にp型ベース領域11が設けられる。p型ベース領域11の表層部には、n型ソース領域12が設けられる。これらp型ベース領域11とn型ソース領域12を貫通して、n型ドリフト層200に達するトレンチ13が設けられ、その内表面とn型ソース領域12の表面の一部に、例えば、酸化シリコンからなるゲート酸化膜14が設けられる。 As an example, as shown a vertical MOSFET structure example and schematic symbol in FIG. 2, the main surface 21 of the n-type semiconductor substrate 2, n - -type drift layer 200 is provided, n - -type The p-type base region 11 is provided in the surface layer portion of the drift layer 200. An n + type source region 12 is provided in the surface layer portion of the p type base region 11. A trench 13 that penetrates the p-type base region 11 and the n + -type source region 12 and reaches the n -type drift layer 200 is provided, and an inner surface thereof and a part of the surface of the n + -type source region 12 are formed, for example. , A gate oxide film 14 made of silicon oxide is provided.

トレンチ13の内部には、例えば、ポリシリコンからなるゲート電極10が埋設されており、ゲート電極10を覆って、例えば、酸化シリコンからなる絶縁膜15が設けられる。この絶縁膜15と、p型ベース領域11及びn型ソース領域12の表面を覆って、ソース電極16が設けられ、半導体基板2の裏面22側には、ドレイン電極17が設けられる。ゲート電極10、ソース電極16及びドレイン電極17は、それぞれゲート端子G、ソース端子S及びドレイン端子Dに接続されている。 A gate electrode 10 made of, for example, polysilicon is embedded in the trench 13, and an insulating film 15 made of, for example, silicon oxide is provided so as to cover the gate electrode 10. A source electrode 16 is provided so as to cover the insulating film 15 and the surfaces of the p-type base region 11 and the n + -type source region 12, and a drain electrode 17 is provided on the back surface 22 side of the semiconductor substrate 2. The gate electrode 10, the source electrode 16 and the drain electrode 17 are connected to the gate terminal G, the source terminal S and the drain terminal D, respectively.

上記構成のMOSFETにおいて、ゲート端子Gは、例えば、図1におけるゲートパッド部GPに対応して設けられ、ゲートパッド部GP及びゲート配線部4を介して、ゲート電極10に接続される。ソース端子S及びドレイン端子Dは、図示しないソースパッド及びドレインパッドを介して、ソース電極16及びドレイン電極17に接続される。
そして、図示しない外部の駆動装置から出力されるゲート制御信号が、ゲートパッド部GP及びゲート配線部4を介して、ゲート電極10へ入力されることによって、ソース端子Sとドレイン端子Dとの間の導通が制御される。すなわち、ゲート電極10に所定のゲート電圧が供給されることで、MOSFETがターンオンして、ソース電極16とドレイン電極17との間に、半導体基板2に対して縦方向(すなわち、図1におけるY方向)に電流が流れる。
なお、図2の回路図において、ソース電極16とソース端子Sとの間から引き出される配線の終端は、ケルビン・ソースパッドKSP(例えば、図1参照)を介して、ケルビン・ソース端子KSに接続される。
In the MOSFET having the above structure, the gate terminal G is provided corresponding to, for example, the gate pad portion GP in FIG. 1, and is connected to the gate electrode 10 via the gate pad portion GP and the gate wiring portion 4. The source terminal S and the drain terminal D are connected to the source electrode 16 and the drain electrode 17 via a source pad and a drain pad (not shown).
Then, a gate control signal output from an external driving device (not shown) is input to the gate electrode 10 via the gate pad section GP and the gate wiring section 4, so that the source terminal S and the drain terminal D are connected to each other. Is controlled. That is, when a predetermined gate voltage is supplied to the gate electrode 10, the MOSFET is turned on, and the MOSFET is turned on between the source electrode 16 and the drain electrode 17 in the vertical direction (that is, Y in FIG. 1). Current flows in the direction.
In the circuit diagram of FIG. 2, the end of the wiring drawn out between the source electrode 16 and the source terminal S is connected to the Kelvin source terminal KS via the Kelvin source pad KSP (see FIG. 1, for example). To be done.

図1において、半導体層20のセル領域3には、図2の構成のMOSFETを基本単位とする多数のトランジスタセルTが並列に配設される。
セル領域3の表面に配置されるゲート配線部4は、低抵抗配線部4Aである主ゲート配線41が、セル領域3の中央部を通って、トランジスタセルTのトレンチと平行にX方向に配置され、さらに、その分岐配線42が、X方向と直交する方向に延びて、下層に位置する各トランジスタセルTのゲート電極10と電気的に接続される。低抵抗配線部4Aの外側には、高抵抗配線部4Bである分岐配線42の分岐端部421と、分岐端部421に接続される外周側ゲート配線40とが配置され、下層に位置する各トランジスタセルTのゲート電極10と電気的に接続される。
In FIG. 1, in the cell region 3 of the semiconductor layer 20, a large number of transistor cells T each having the MOSFET of the configuration shown in FIG. 2 as a basic unit are arranged in parallel.
In the gate wiring portion 4 arranged on the surface of the cell region 3, the main gate wiring 41, which is the low resistance wiring portion 4A, is arranged in the X direction in parallel with the trench of the transistor cell T, passing through the central portion of the cell region 3. Further, the branch wiring 42 extends in the direction orthogonal to the X direction and is electrically connected to the gate electrode 10 of each transistor cell T located in the lower layer. Outside the low-resistance wiring portion 4A, a branch end portion 421 of the branch wiring 42 that is the high-resistance wiring portion 4B and an outer peripheral side gate wiring 40 connected to the branch end portion 421 are arranged, and are located in lower layers. It is electrically connected to the gate electrode 10 of the transistor cell T.

このとき、セル領域3に、ゲートパッド部GPからゲート制御信号が入力することにより、トランジスタセルTが順次ターンオン又はターンオフする。また、セル領域3は、スイッチングに伴い、トランジスタセルTに電流が流れることで、発熱が生じる発熱領域となり、流れる電流量が多いほど、発熱により温度が上昇しやすくなる。 At this time, the gate control signal is input to the cell region 3 from the gate pad portion GP, so that the transistor cells T are sequentially turned on or off. In addition, the cell region 3 becomes a heat generation region where heat is generated due to the current flowing through the transistor cell T with switching, and the larger the amount of current flowing, the easier the temperature rises due to heat generation.

そこで、本形態においては、発熱量を調整するためにゲート配線部4の配置を工夫し、熱抵抗が大きいセル領域3の中央部を含む領域には、低抵抗配線部4Aを配置し、熱抵抗が小さいセル領域3の周辺部には、低抵抗配線部4Aよりも電気抵抗率の高い、高抵抗配線部4Bを配置する。
このような配置により、ゲートパッド部GPから入力するゲート制御信号は、ゲート接続部4Cから低抵抗配線部4Aへ速やかに伝播するのに対して、高抵抗配線部4Bへの信号伝播に遅延が生じる。このとき、高抵抗配線部4Bが配置されるセル領域3の外側の領域では、低抵抗配線部4Aに遅れてターンオン・ターンオフし、特にターンオフ電流が集中することで、相対的に温度が上昇し、温度分布を緩和する作用を有する。
Therefore, in the present embodiment, the arrangement of the gate wiring portion 4 is devised in order to adjust the heat generation amount, and the low resistance wiring portion 4A is arranged in the region including the central portion of the cell region 3 having a large thermal resistance. A high resistance wiring portion 4B having a higher electric resistivity than the low resistance wiring portion 4A is arranged in the peripheral portion of the cell region 3 having a low resistance.
With such an arrangement, the gate control signal input from the gate pad section GP is rapidly propagated from the gate connection section 4C to the low resistance wiring section 4A, whereas the signal propagation to the high resistance wiring section 4B is delayed. Occurs. At this time, in a region outside the cell region 3 in which the high resistance wiring portion 4B is arranged, turn-on and turn-off are delayed after the low resistance wiring portion 4A, and particularly the turn-off current is concentrated, so that the temperature relatively rises. , Has the effect of relaxing the temperature distribution.

(試験例1)
次に、上記実施形態1の構成による効果について、図3〜図12を用いて説明する。
図3は、半導体装置1のゲート配線部4を均一に形成した場合の基本的なスイッチング特性を示すもので、図4に示すダブルパルス試験用回路100を用いて測定される。図5に示すように、試験用の半導体装置1において、ゲート配線部4は、セル領域3の全体で低抵抗配線部4Aとなっている。具体的には、ゲート配線部4は、矩形形状の外周側ゲート配線40と、その内側の帯状の複数のゲート配線410からなり、ゲート配線410は、外周側ゲート配線40の対向する二辺間を架け渡すように、トランジスタセルTのトレンチが延出するX方向と直交する方向に配置される。
その場合には、図中に矢印で示すように、ゲートパッド部GPから入力するゲート制御信号が、ゲート配線部4の全体から概略均一に伝播する。
(Test Example 1)
Next, the effect of the configuration of the first embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 shows basic switching characteristics when the gate wiring portion 4 of the semiconductor device 1 is formed uniformly, and is measured using the double pulse test circuit 100 shown in FIG. As shown in FIG. 5, in the test semiconductor device 1, the gate wiring portion 4 is a low resistance wiring portion 4A in the entire cell region 3. Specifically, the gate wiring part 4 is composed of a rectangular outer peripheral side gate wiring 40 and a plurality of strip-shaped gate wirings 410 inside thereof, and the gate wiring 410 is located between two opposite sides of the outer peripheral side gate wiring 40. Are arranged in a direction orthogonal to the X direction in which the trench of the transistor cell T extends.
In that case, as indicated by an arrow in the figure, the gate control signal input from the gate pad portion GP propagates substantially uniformly from the entire gate wiring portion 4.

図4において、ダブルパルス試験用回路100は、半導体装置1を構成するMOSFET101をハーフブリッジ回路の上下アームとする半導体モジュールを備え、半導体モジュールは、直流電源102の正負極間に、コンデンサ103と並列に接続されている。
下アームとなるMOSFET101のドレインソース間には、インダクタンス負荷104が並列に接続されており、上アームとなるMOSFET101のゲートには、ゲート抵抗Rgを介して、ゲート制御信号としてパルス状の電圧信号が入力される。このとき、ゲート抵抗Rgによってスイッチング速度を調整可能となっている。
In FIG. 4, a double pulse test circuit 100 includes a semiconductor module having MOSFETs 101 constituting the semiconductor device 1 as upper and lower arms of a half-bridge circuit, and the semiconductor module is connected in parallel with a capacitor 103 between positive and negative electrodes of a DC power supply 102. It is connected to the.
An inductance load 104 is connected in parallel between the drain and source of the MOSFET 101 serving as the lower arm, and a pulsed voltage signal as a gate control signal is applied to the gate of the MOSFET 101 serving as the upper arm via the gate resistor Rg. Is entered. At this time, the switching speed can be adjusted by the gate resistance Rg.

ここで、図3の上段に、低速スイッチング時の動作波形を示すように、MOSFET101へのパルス信号の印加により、ゲートソース電圧Vgsが上昇を開始し(時点t1)、所定の閾値電圧Vthに達すると(時点t2)、各トランジスタセルTがターンオンする。これにより、MOSFET101のドレインソース間が導通して、ドレイン電流Idが徐々に増加し、ドレインソース電圧Vdsは、オン電圧Vonとなるまで徐々に低下する(時点t3)。その後、パルス信号の停止により、ゲートソース電圧Vgsが低下すると、ドレインソース電圧Vdsが上昇し始める(時点t4)。次いで、ドレイン電流Idが徐々に減少し、ゲートソース電圧Vgsが閾値電圧Vthに達すると(時点t5)、各トランジスタセルTがターンオフする。 Here, as shown in the operation waveform at the time of low-speed switching in the upper part of FIG. 3, the gate source voltage Vgs starts to rise (time t1) by the application of the pulse signal to the MOSFET 101, and reaches the predetermined threshold voltage Vth. Then, at time t2, each transistor cell T is turned on. As a result, the drain and source of the MOSFET 101 become conductive, the drain current Id gradually increases, and the drain-source voltage Vds gradually decreases until reaching the on-voltage Von (time point t3). After that, when the gate-source voltage Vgs drops due to the stop of the pulse signal, the drain-source voltage Vds starts to rise (time point t4). Next, when the drain current Id gradually decreases and the gate-source voltage Vgs reaches the threshold voltage Vth (time point t5), each transistor cell T is turned off.

スイッチング時のような過渡期間においては、コンデンサ103と半導体モジュール間のループの寄生インダクタンスLsにより、ドレイン電流Idの電流変化率di/dtとの積で表される誘導電圧Ls×di/dtが発生し、電流変化を妨げる方向に作用する。すなわち、ターンオン時には、ドレインソース電圧Vdsがその分だけ低下し、ターンオフ時には、ドレインソース電圧Vdsがその分だけ上昇することになる。 During a transition period such as switching, an induced voltage Ls×di/dt represented by a product of the drain current Id and the current change rate di/dt is generated by the parasitic inductance Ls of the loop between the capacitor 103 and the semiconductor module. And acts in the direction of hindering current change. That is, the drain-source voltage Vds decreases by that amount at the time of turn-on, and the drain-source voltage Vds increases by that amount at the time of turn-off.

このとき、MOSFET101の損失Pは、ドレイン電流Idとドレインソース電圧Vdsとの積で表され、スイッチング時に発生するターンオン損失又はターンオフ損失は、導通期間中の導通損失(Id×Von)に比べて、大きくなる。
特に、図3の下段に示すように、高速スイッチング時には、ターンオフ損失の割合が大きくなりやすい。これは、低速スイッチング時に比べて、ゲートソース電圧Vgsの立ち上がり又は立ち下がりが早くなることで、電流変化率di/dtが大きくなるためである。これにより、誘導電圧Ls×di/dtも大きくなり、ターンオン時の電圧降下が大きくなることで、ターンオン損失は相対的に小さくなる。一方、ターンオフ時には、ドレインソース電圧Vdsに重畳される電圧が大きくなるために、ターンオン損失に対して、ターンオフ損失は相対的に大きくなる。
その場合には、損失Pによる発熱も大きくなることから、スイッチング損失の抑制が重要となる。
At this time, the loss P of the MOSFET 101 is represented by the product of the drain current Id and the drain source voltage Vds, and the turn-on loss or turn-off loss generated at the time of switching is compared with the conduction loss (Id×Von) during the conduction period. growing.
In particular, as shown in the lower part of FIG. 3, the turn-off loss ratio tends to increase during high-speed switching. This is because the gate source voltage Vgs rises or falls faster than in the low speed switching, and the current change rate di/dt increases. As a result, the induced voltage Ls×di/dt also becomes large, and the voltage drop at turn-on becomes large, so that the turn-on loss becomes relatively small. On the other hand, at the time of turn-off, the voltage superimposed on the drain-source voltage Vds becomes large, so the turn-off loss becomes relatively large with respect to the turn-on loss.
In that case, heat generation due to the loss P also increases, and thus it is important to suppress switching loss.

また、図6上図に示すように、損失Pが一定の条件において、半導体装置1のセル領域3の面内における温度(熱抵抗)分布は、セル領域3の面中心Cを含む中央部で温度が高く、中央部から離れるほど温度が低くなる分布を示す。すなわち、セル領域3の面中心Cを通るA−A断面においては、図6下図のように、面中心Cに近い領域ほど温度が高く、熱抵抗が大きくなり、外周縁部に近い領域ほど温度が低く、熱抵抗が小さくなる山状の分布を示す。
なお、図6の温度(熱抵抗)分布の測定に際しては、例えば、図7に示す半導体装置1の冷却構造を考慮し、所定の冷却温度とした冷却部との温度差に基づいて、熱抵抗を算出することができる。
Further, as shown in the upper diagram of FIG. 6, under the condition that the loss P is constant, the temperature (thermal resistance) distribution in the plane of the cell region 3 of the semiconductor device 1 is in the central portion including the plane center C of the cell region 3. The distribution is such that the temperature is high and the temperature decreases as the distance from the central part increases. That is, in the AA cross section passing through the center C of the surface of the cell region 3, as shown in the lower diagram of FIG. Shows a mountain-shaped distribution with low heat resistance and small thermal resistance.
When measuring the temperature (thermal resistance) distribution in FIG. 6, for example, the thermal resistance is determined based on the temperature difference between the cooling unit and a predetermined cooling temperature in consideration of the cooling structure of the semiconductor device 1 shown in FIG. Can be calculated.

具体的には、図7において、半導体装置1は、基板5を介して冷却部となるヒートシンク6に載置される。基板5は、例えば、絶縁用のセラミックス板51の両面に銅板52が接合された積層板であり、半田61を用いて、半導体装置1の裏面22及びヒートシンク6の載置面と、それぞれ接合される。基板5の外形は、半導体装置1の外形よりも大きく、ヒートシンク6の載置面の外形は、基板5の外形よりも大きくなっている。このとき、図7中に点線で示すように、半導体装置1の裏面22側から、基板5を介してヒートシンク6へ、放熱経路が外方へ拡がるように放熱されるので、半導体装置1の中央部よりも、放熱しやすい外周側で、熱抵抗が小さくなる。 Specifically, in FIG. 7, the semiconductor device 1 is mounted on the heat sink 6 serving as a cooling unit via the substrate 5. The substrate 5 is, for example, a laminated plate in which a copper plate 52 is bonded to both surfaces of an insulating ceramic plate 51, and is bonded to the back surface 22 of the semiconductor device 1 and the mounting surface of the heat sink 6 using solder 61, respectively. It The outer shape of the substrate 5 is larger than that of the semiconductor device 1, and the outer shape of the mounting surface of the heat sink 6 is larger than that of the substrate 5. At this time, as indicated by the dotted line in FIG. 7, heat is radiated from the back surface 22 side of the semiconductor device 1 to the heat sink 6 via the substrate 5 so that the heat radiation path is expanded outward, so that the center of the semiconductor device 1 is radiated. The thermal resistance becomes smaller on the outer peripheral side where heat is radiated more easily than on the part.

また、図8に示すように、半導体装置1のセル領域3において、トランジスタセルTのオンオフタイミングを決定する閾値電圧Vthは、温度によって変動する。具体的には、図8下図のように、温度が高いほど閾値電圧Vthが低くなる傾向を示し、図8上図のような温度分布温度を示す場合には、温度が高い中央部では閾値電圧Vthが低く、温度が低い周辺部では閾値電圧Vthが高くなる。その場合には、閾値電圧Vthの大きさに応じて、ターンオン及びターンオフのタイミングにずれが生じることになる。 Further, as shown in FIG. 8, in the cell region 3 of the semiconductor device 1, the threshold voltage Vth that determines the on/off timing of the transistor cell T varies with temperature. Specifically, as shown in the lower diagram of FIG. 8, the higher the temperature is, the lower the threshold voltage Vth tends to be. When the temperature distribution temperature is as shown in the upper diagram of FIG. The threshold voltage Vth is high in the peripheral portion where the Vth is low and the temperature is low. In that case, the turn-on and turn-off timings deviate depending on the magnitude of the threshold voltage Vth.

そのため図9に示すように、ターンオン時には、閾値電圧Vthの低い中央部が先にターンオンし(時点t11)、閾値電圧Vthの高い周辺部では後にターンオンする(時点t12)。また、ターンオフ時には、閾値電圧Vthの高い周辺部が先にターンオフし(時点t13)、閾値電圧Vthの低い中央部が後からターンオフする(時点t14)。 Therefore, as shown in FIG. 9, at the time of turn-on, the central portion having a low threshold voltage Vth is turned on first (time point t11), and the peripheral portion having a high threshold voltage Vth is turned on later (time point t12). Further, at the time of turn-off, the peripheral portion having a high threshold voltage Vth is turned off first (time point t13), and the central portion having a low threshold voltage Vth is turned off later (time point t14).

このとき、閾値電圧Vthが低い中央部では、ターンオンがより早くなることで、ターンオン時にドレイン電流Idがより多く流れ、また、ターンオフがより遅くなることで、ターンオフ時にもドレイン電流Idがより多く流れる。すなわち、温度が高くなる領域に、ターンオン電流及びターンオフ電流が集中する。
このように、セル領域3に流れる電流を均一にすることは容易でなく、例えば、ゲート配線部4からのゲート制御信号の伝播が均等になされるように構成しても、熱抵抗の差により閾値電圧Vthにバラツキが生じると、セル領域3の一部に電流が集中しやすくなる。特に、高速スイッチング時に割合が高くなるターンオフ電流が集中することで、さらに温度が上昇しやすくなり、その結果、温度分布を加速させるおそれがある。
At this time, in the central portion where the threshold voltage Vth is low, the turn-on becomes faster, so that the drain current Id flows more at the time of turn-on, and the turn-off becomes slower, and the drain current Id also flows at the time of turn-off. .. That is, the turn-on current and the turn-off current concentrate in the region where the temperature rises.
As described above, it is not easy to make the current flowing through the cell region 3 uniform. For example, even if the gate control signal is propagated evenly from the gate wiring portion 4, the difference in thermal resistance causes When the threshold voltage Vth varies, the current easily concentrates on a part of the cell region 3. In particular, the concentration of turn-off current, which increases in proportion during high-speed switching, concentrates more easily, and as a result, the temperature distribution may be accelerated.

これに対して、図10に示すように、上記実施形態1の構成では、セル領域3に配置されるゲート配線部4からの信号伝播を制御することで、セル領域3の周辺部におけるターンオフ損失を中央部に対して増加させ、温度分布を緩和させる。
具体的には、図11に示すように、ゲート配線部4に、低抵抗配線部4Aと高抵抗配線部4Bを設け、セル領域3のうち熱抵抗が小さくなりやすい周辺部に、高抵抗配線部4Bを配置してターンオフ電流集中エリアAを形成する。熱抵抗が大きくなりやすい中央部には、低抵抗配線部4Aを配置する。このとき、ゲートパッド部GPから入力するゲート制御信号は、主ゲート配線41が配置される中央部から分岐配線42を経て、分岐配線42の両側に位置するトランジスタセルTのゲート電極10へ順次印加される。また、低抵抗配線部4Aに遅れて、高抵抗配線部4Bの近傍に位置するトランジスタセルTへ、ゲート制御信号が伝播する。
On the other hand, as shown in FIG. 10, in the configuration of the first embodiment, by controlling the signal propagation from the gate wiring portion 4 arranged in the cell region 3, the turn-off loss in the peripheral portion of the cell region 3 is controlled. Is increased with respect to the central portion to relax the temperature distribution.
Specifically, as shown in FIG. 11, the gate wiring portion 4 is provided with the low resistance wiring portion 4A and the high resistance wiring portion 4B, and the high resistance wiring is provided in the peripheral portion of the cell region 3 where thermal resistance tends to be small. The turn-off current concentration area A is formed by disposing the portion 4B. The low resistance wiring portion 4A is arranged in the central portion where the thermal resistance tends to increase. At this time, the gate control signal input from the gate pad portion GP is sequentially applied to the gate electrodes 10 of the transistor cells T located on both sides of the branch wiring 42 from the central portion where the main gate wiring 41 is arranged, through the branch wiring 42. To be done. Further, the gate control signal propagates to the transistor cell T located near the high resistance wiring portion 4B after the low resistance wiring portion 4A.

したがって、ターンオフ時には、ゲートソース電圧Vgsの低下によりドレインソース電圧Vdsが上昇し(時点t21)、次いでドレイン電流Idが減少し始め(時点t22)、ゲートソース電圧Vgsが閾値電圧Vthへ低下すると(時点t23)、ドレイン電流Idはほぼ0となる。このとき、セル領域3の各トランジスタセルTへの信号伝播にずれが生じることで、各トランジスタセルのターンオフのタイミングのずれにより、セル領域3の各領域に流れるドレイン電流Idに差が生じる。例えば、セル領域3の面中心Cからの距離が異なる3つの点B1〜B3における電流を、ドレイン電流Id1〜Id3とすると、面中心Cに近い中央部の点B1におけるドレイン電流Id1が速やかに低下するのに比べて、面中心Cからより離れる中間部の点B2、周辺部の点B3の順に、ドレイン電流Id2、Id3のピーク電流が上昇している。
なお、中央部の点B1は、面中心Cに近い2つの分岐配線42間に位置し、中間部の点B2は、その外側の2つの分岐配線42間に位置する。また、周辺部の点B3は、その外側の分岐配線42と外周側ゲート配線40との間に位置する。
Therefore, at the time of turn-off, the drain-source voltage Vds rises due to the decrease in the gate-source voltage Vgs (time point t21), then the drain current Id starts to decrease (time point t22), and the gate-source voltage Vgs decreases to the threshold voltage Vth (time point). At t23), the drain current Id becomes almost zero. At this time, the signal propagation to each transistor cell T in the cell region 3 is deviated, which causes a difference in the drain current Id flowing in each region of the cell region 3 due to the deviation of the turn-off timing of each transistor cell. For example, if the currents at three points B1 to B3 at different distances from the plane center C of the cell region 3 are drain currents Id1 to Id3, the drain current Id1 at the center point B1 near the plane center C rapidly decreases. On the other hand, the peak currents of the drain currents Id2 and Id3 increase in the order of the point B2 in the intermediate portion and the point B3 in the peripheral portion, which are farther from the surface center C.
The point B1 in the central portion is located between the two branch wirings 42 close to the center C of the plane, and the point B2 in the middle portion is located between the two branch wirings 42 outside thereof. In addition, the point B3 in the peripheral portion is located between the branch wiring 42 and the gate wiring 40 on the outer periphery of the point B3.

これにより、高抵抗配線部4Bが配置されるセル領域3の周辺部に、ターンオフ電流集中エリアAが形成される。そして、図12に示すように、電流集中が抑制される中央部に対して、外周側ほどターンオフ損失が増加し、発熱量が増大する。これに伴い、中央部の温度が低くなり、外周側の温度が高くなることで、セル領域3における温度分布を緩和する効果が得られる。なお、図中、点線は、均一発熱の場合である。 As a result, the turn-off current concentration area A is formed in the peripheral portion of the cell region 3 where the high resistance wiring portion 4B is arranged. Then, as shown in FIG. 12, with respect to the central portion where current concentration is suppressed, the turn-off loss increases toward the outer peripheral side, and the amount of heat generation increases. Along with this, the temperature of the central portion becomes lower and the temperature of the outer peripheral side becomes higher, so that the effect of relaxing the temperature distribution in the cell region 3 can be obtained. In the figure, the dotted line shows the case of uniform heat generation.

その際、図12中に示すように、ゲート配線部4の配線ピッチを調整することで、ターンオフ損失の分布を積極的に形成することができる。具体的には、中央部の2つの分岐配線42の配線ピッチP1を、より外側の中間部の2つの分岐配線42の配線ピッチP2よりも小さくし、P1<P2とする。さらに、外側の分岐配線42と外周側ゲート配線40の配線ピッチP3に対しては、P1/2<P2/2<P3となるように設定する。これは、中央部及び中間部においては、低抵抗配線部4Aである2つの分岐配線42の両側から信号伝播が可能であるためである。
これにより、中央部においては、対応するトランジスタセルのゲート電極10へ、より速やかにゲート制御信号を伝播させて、ターンオフ損失を低下させ、より外側の周辺部へターンオフ損失を集中させることが可能になる。
At that time, as shown in FIG. 12, the distribution of the turn-off loss can be positively formed by adjusting the wiring pitch of the gate wiring portion 4. Specifically, the wiring pitch P1 of the two branch wirings 42 in the central portion is made smaller than the wiring pitch P2 of the two branch wirings 42 in the outer intermediate portion, and P1<P2. Further, the wiring pitch P3 between the outer branch wiring 42 and the outer peripheral side gate wiring 40 is set so that P1/2<P2/2<P3. This is because signals can be propagated from both sides of the two branch wirings 42 that are the low resistance wiring portions 4A in the central portion and the intermediate portion.
As a result, in the central portion, the gate control signal can be more quickly propagated to the gate electrode 10 of the corresponding transistor cell, the turn-off loss can be reduced, and the turn-off loss can be concentrated in the outer peripheral portion. Become.

また、上述したように、セル領域3の各部を流れるドレイン電流Id1〜Id3に差が生じることで、ドレイン電流Idが0となるタイミングにおける電流変化率di/dtが緩和される(例えば、図11参照)。したがって、電流変化率di/dtによるサージ電圧の印加やリンギングの発生が抑制される効果が得られる。 Further, as described above, since the drain currents Id1 to Id3 flowing through the respective parts of the cell region 3 are different from each other, the current change rate di/dt at the timing when the drain current Id becomes 0 is relaxed (for example, FIG. 11). reference). Therefore, the effect of suppressing the application of the surge voltage and the occurrence of ringing due to the current change rate di/dt can be obtained.

よって、本形態の構成によれば、高速スイッチング時の過渡電流分布を制御することで、温度分布を緩和し、半導体装置1の耐熱性を確保しながら、大電流化が可能になる。 Therefore, according to the configuration of this embodiment, by controlling the transient current distribution during high-speed switching, it is possible to increase the current while relaxing the temperature distribution and ensuring the heat resistance of the semiconductor device 1.

(実施形態2)
図13により、半導体装置1の実施形態2について説明する。
本形態の半導体装置1の基本構成は、上記実施形態1と同様であり、ゲート配線部4の低抵抗配線部4Aとなる主ゲート配線41又は分岐配線42の構成が異なっている。以下、相違点を中心に説明する。
なお、実施形態2以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
(Embodiment 2)
A second embodiment of the semiconductor device 1 will be described with reference to FIG.
The basic configuration of the semiconductor device 1 of the present embodiment is the same as that of the above-described first embodiment, but the configuration of the main gate wiring 41 or the branch wiring 42 that becomes the low resistance wiring portion 4A of the gate wiring portion 4 is different. The difference will be mainly described below.
In addition, among the reference numerals used in the second and subsequent embodiments, the same reference numerals as those used in the already-described embodiments represent the same components and the like as those in the already-described embodiments, unless otherwise specified.

図13に示すように、本形態においても、半導体装置1のセル領域3の表面には、ゲート接続部4Cにてゲートパッド部GPに接続されるゲート配線部4が形成されている。ゲート配線部4は、低抵抗配線部4Aと高抵抗配線部4Bとを有し、セル領域3の周辺部に高抵抗配線部4Bが配置されることにより、ターンオフ電流集中エリアAを形成して温度分布を緩和する、実施形態1と同様の効果が得られる。 As shown in FIG. 13, also in this embodiment, the gate wiring portion 4 connected to the gate pad portion GP at the gate connection portion 4C is formed on the surface of the cell region 3 of the semiconductor device 1. The gate wiring portion 4 has a low resistance wiring portion 4A and a high resistance wiring portion 4B, and the turn-off current concentrated area A is formed by disposing the high resistance wiring portion 4B around the cell region 3. The same effect as that of the first embodiment, which relaxes the temperature distribution, is obtained.

ここで、上記実施形態1では、ゲート配線部4の全体で同等の配線幅としたが、本形態では、低抵抗配線部4Aとなる主ゲート配線41の配線幅W1を、それ以外の配線である分岐配線42及び外周側ゲート配線40の配線幅W2よりも幅広に形成する(すなわち、W1>W2)。主ゲート配線41の一端側に接続される低抵抗配線であるゲート接続部4Cも、主ゲート配線41と同等の配線幅W1に形成される。 Here, in the first embodiment, the wiring width is the same for the entire gate wiring portion 4, but in the present embodiment, the wiring width W1 of the main gate wiring 41, which is the low resistance wiring portion 4A, is the same as that for the other wirings. It is formed wider than the wiring width W2 of the certain branch wiring 42 and the outer peripheral side gate wiring 40 (that is, W1>W2). The gate connection portion 4C, which is a low-resistance wiring connected to one end of the main gate wiring 41, is also formed with the wiring width W1 equivalent to that of the main gate wiring 41.

このようにすると、ゲートパッド部GPに接続される主ゲート配線41の配線抵抗を小さくし、通電に伴う発熱を抑制することができる。したがって、ゲート配線部4の配置による上記効果をより向上させることができる By doing so, the wiring resistance of the main gate wiring 41 connected to the gate pad portion GP can be reduced, and heat generation due to energization can be suppressed. Therefore, the above effect due to the arrangement of the gate wiring portion 4 can be further improved.

(実施形態3)
図14〜図15により、半導体装置1の実施形態3について説明する。
本形態は、上記実施形態2の変形例であり、ゲート配線部4の配線ピッチPを一定としている。主ゲート配線41の配線幅W1は、分岐配線42及び外周側ゲート配線40の配線幅W2よりも幅広に形成されている。その他の半導体装置1の基本構成は、上記実施形態2と同様であり、説明を省略する。以下、相違点を中心に説明する。
(Embodiment 3)
A third embodiment of the semiconductor device 1 will be described with reference to FIGS.
The present embodiment is a modification of the second embodiment, and the wiring pitch P of the gate wiring portion 4 is constant. The wiring width W1 of the main gate wiring 41 is formed wider than the wiring width W2 of the branch wiring 42 and the outer peripheral side gate wiring 40. The other basic configuration of the semiconductor device 1 is the same as that of the second embodiment, and the description thereof is omitted. The difference will be mainly described below.

上記実施形態1、2では、ゲート配線部4の分岐配線42を、中央部の配線ピッチP1と中間部の配線ピッチP2が異なるように配置したが、必ずしも可変とする必要はなく、図14に示すように、分岐配線42を一定の配線ピッチPで配置してもよい。ここでは、配線ピッチPは、例えば、P1<P<P2となるように設定されている。例えば、分岐配線42と外周側ゲート配線40との間の配線ピッチも同等となるように形成してもよい。 In the first and second embodiments, the branch wirings 42 of the gate wiring portion 4 are arranged such that the wiring pitch P1 at the central portion and the wiring pitch P2 at the intermediate portion are different, but it is not always necessary to make them variable. As shown, the branch wirings 42 may be arranged at a constant wiring pitch P. Here, the wiring pitch P is set so that, for example, P1<P<P2. For example, the wiring pitch between the branch wiring 42 and the outer peripheral side gate wiring 40 may be made equal.

図15に示すように、配線ピッチが異なる場合に比べて、同じ配線ピッチとした場合には、セル領域の中央部におけるドレイン電流Id1と、中間部におけるドレイン電流Id2との差がほとんどなくなる。そのために、中央部におけるターンオフ損失の低減効果は、配線ピッチが異なる場合よりも小さくなるが、周辺部におけるターンオフ損失の低減効果は、配線ピッチが異なる場合と同等となっている。
よって、セル領域3の周辺部に高抵抗配線部4Bが配置されることにより、ターンオフ電流集中エリアAを形成して温度分布を緩和する同様の効果が得られる。
As shown in FIG. 15, compared to the case where the wiring pitch is different, when the wiring pitch is the same, there is almost no difference between the drain current Id1 in the central portion of the cell region and the drain current Id2 in the middle portion. Therefore, the effect of reducing the turn-off loss in the central portion is smaller than that in the case where the wiring pitch is different, but the reducing effect of the turn-off loss in the peripheral portion is the same as that when the wiring pitch is different.
Therefore, by arranging the high-resistance wiring portion 4B in the peripheral portion of the cell region 3, the same effect of relaxing the temperature distribution by forming the turn-off current concentrated area A can be obtained.

(実施形態4)
図16により、半導体装置1の実施形態4について説明する。
本形態は、上記実施形態1の変形例であり、ゲート配線部4の分岐配線42の全体を、低抵抗配線部4Aとして構成している。その他の半導体装置1の基本構成は、上記実施形態1と同様であり、説明を省略する。以下、相違点を中心に説明する。
(Embodiment 4)
A fourth embodiment of the semiconductor device 1 will be described with reference to FIG.
The present embodiment is a modification of the first embodiment, and the entire branch wiring 42 of the gate wiring portion 4 is configured as the low resistance wiring portion 4A. The other basic configuration of the semiconductor device 1 is the same as that of the first embodiment, and the description thereof is omitted. The difference will be mainly described below.

上記実施形態1〜3では、外周側ゲート配線40に接続される分岐配線42の分岐端部421を、高抵抗配線部4Bとして構成したが、分岐端部421を含む分岐配線42の全体を、低抵抗配線部4Aとして構成してもよい。その場合には、低抵抗配線部4Aが、外周側ゲート配線40との接続位置まで配置されることになり、この領域でスイッチングのタイミングが早くなる。一方、低抵抗配線部4Aが、外周側ゲート配線40と接続されない二辺においては、セル領域3の周辺部に、高抵抗配線部4Bが配置されるので、ターンオフ電流集中エリアAを形成して温度分布を緩和する同様の効果が得られる。 In the first to third embodiments, the branch end 421 of the branch wiring 42 connected to the outer peripheral side gate wiring 40 is configured as the high resistance wiring section 4B, but the entire branch wiring 42 including the branch end 421 is It may be configured as the low resistance wiring portion 4A. In that case, the low resistance wiring portion 4A is arranged up to the connection position with the outer peripheral side gate wiring 40, and the switching timing is accelerated in this area. On the other hand, on the two sides where the low resistance wiring portion 4A is not connected to the outer peripheral side gate wiring 40, since the high resistance wiring portion 4B is arranged in the peripheral portion of the cell region 3, the turn-off current concentrated area A is formed. The same effect of relaxing the temperature distribution can be obtained.

(実施形態5)
図17により、半導体装置1の実施形態5について説明する。
本形態では、ゲート配線部4の主ゲート配線41と平行に、複数の副ゲート配線43を設けている。その他の半導体装置1の基本構成は、上記実施形態1と同様であり、説明を省略する。以下、相違点を中心に説明する。
(Embodiment 5)
A fifth embodiment of the semiconductor device 1 will be described with reference to FIG.
In this embodiment, a plurality of sub gate wirings 43 are provided in parallel with the main gate wiring 41 of the gate wiring portion 4. The other basic configuration of the semiconductor device 1 is the same as that of the first embodiment, and the description thereof is omitted. The difference will be mainly described below.

上記実施形態1〜4では、ゲート配線部4の内周側ゲート配線として、主ゲート配線41と分岐配線42とを設けたが、分岐配線42を設けず、ゲートパッド部GPに接続される複数の配線を有する構成としてもよい。具体的には、内周側ゲート配線は、セル領域3の中央部に配置される主ゲート配線41と、その両側に間隔をおいて、対称配置される複数(例えば、2つ)の帯状の副ゲート配線43とを有する。
本形態では、主ゲート配線41及び副ゲート配線43は同形状であり、いずれも低抵抗配線部4Aとして構成されている。
In the above-described first to fourth embodiments, the main gate wiring 41 and the branch wiring 42 are provided as the inner peripheral side gate wiring of the gate wiring section 4, but the branch wiring 42 is not provided and a plurality of gate wirings are connected to the gate pad section GP. Alternatively, the wiring may be provided. Specifically, the inner peripheral side gate wiring has a main gate wiring 41 arranged in the central portion of the cell region 3 and a plurality (for example, two) strip-shaped symmetrically arranged on both sides of the main gate wiring 41. The sub gate wiring 43 is included.
In the present embodiment, the main gate wiring 41 and the sub gate wiring 43 have the same shape, and both are configured as the low resistance wiring portion 4A.

ゲートパッド部GPは、セル領域3の外側において、その一辺の中央部に隣接して配置され、ゲートパッド部GPに隣接してゲート接続部4Cが設けられる。ゲート接続部4Cは、例えば、ゲートパッド部GPに隣接する外周側ゲート配線40の一辺の一部となる帯状部402からなる。ゲート接続部4Cは、主ゲート配線41及び副ゲート配線43の一端側と、それぞれ接続されている。主ゲート配線41及び副ゲート配線43の他端側は、ゲートパッド部GPと対向する外周側ゲート配線40の一辺へ向けて延び、その内側にそれぞれ接続されている。 The gate pad portion GP is arranged outside the cell region 3 and adjacent to the central portion of one side thereof, and the gate connection portion 4C is provided adjacent to the gate pad portion GP. The gate connection portion 4C is composed of, for example, a strip portion 402 which is a part of one side of the outer peripheral side gate wiring 40 adjacent to the gate pad portion GP. The gate connecting portion 4C is connected to one end sides of the main gate wiring 41 and the sub gate wiring 43, respectively. The other end sides of the main gate wiring 41 and the sub gate wiring 43 extend toward one side of the outer peripheral side gate wiring 40 facing the gate pad portion GP, and are connected to the inner sides thereof.

本形態では、ゲートパッド部GPが配置される一辺の方向を、X方向としており、この方向に、セル領域3に形成されるトランジスタセルTのトレンチが延出するように配置している。すなわち、主ゲート配線41及び副ゲート配線43の延出方向は、X方向と直交する方向となっている。
ゲート接続部4Cは、低電気抵抗の金属系配線材料で構成されており、外周側ゲート配線40は、ゲート接続部4Cが設けられる帯状部402を除いて、高抵抗配線部4Bとして構成されている。
In the present embodiment, the direction of one side where the gate pad portion GP is arranged is the X direction, and the trench of the transistor cell T formed in the cell region 3 is arranged to extend in this direction. That is, the extending direction of the main gate wiring 41 and the sub gate wiring 43 is a direction orthogonal to the X direction.
The gate connecting portion 4C is made of a metal-based wiring material having a low electric resistance, and the outer peripheral side gate wiring 40 is configured as the high resistance wiring portion 4B except for the strip portion 402 where the gate connecting portion 4C is provided. There is.

この構成において、ゲートパッド部GPから入力されるゲート制御信号は、ゲート接続部4Cから、低抵抗配線部4Aである主ゲート配線41及び副ゲート配線43へ速やかに伝播し、下層に位置する各トランジスタセルTのゲート電極10に入力される。このとき、図中に示すように、主ゲート配線41及び副ゲート配線43から両側へ、順次、信号伝播が可能であるため、セル領域3の中央部においては、スイッチングのタイミングが早くなる。
一方、副ゲート配線43の外側に位置する二辺においては、低抵抗配線部4Aが外周側ゲート配線40と接続されないので、セル領域3の周辺部におけるスイッチングのタイミングに遅延が生じる。これにより、セル領域3の周辺部にターンオフ電流集中エリアAが形成されて、温度分布を緩和する同様の効果が得られる。
In this configuration, the gate control signal input from the gate pad portion GP is rapidly propagated from the gate connection portion 4C to the main gate wiring 41 and the sub gate wiring 43, which are the low resistance wiring portion 4A, and is located in each lower layer. It is input to the gate electrode 10 of the transistor cell T. At this time, as shown in the figure, since the signal can be sequentially propagated from the main gate wiring 41 and the sub gate wiring 43 to both sides, the switching timing is advanced in the central portion of the cell region 3.
On the other hand, since the low resistance wiring portion 4A is not connected to the outer peripheral side gate wiring 40 on the two sides located outside the sub gate wiring 43, a delay occurs in the switching timing in the peripheral portion of the cell region 3. As a result, the turn-off current concentration area A is formed in the peripheral portion of the cell region 3, and the same effect of relaxing the temperature distribution is obtained.

(実施形態6)
図18により、半導体装置1の実施形態6について説明する。
本形態は、上記実施形態5の変形例であり、主ゲート配線41と複数の副ゲート配線43の一端を、高抵抗配線部4Bとして構成している。その他の半導体装置1の基本構成は、上記実施形態5と同様であり、説明を省略する。以下、相違点を中心に説明する。
(Embodiment 6)
A sixth embodiment of the semiconductor device 1 will be described with reference to FIG.
This embodiment is a modification of the fifth embodiment, and one end of the main gate wiring 41 and the plurality of sub-gate wirings 43 is configured as a high resistance wiring portion 4B. The other basic configuration of the semiconductor device 1 is the same as that of the fifth embodiment, and the description thereof is omitted. The difference will be mainly described below.

上記実施形態5では、主ゲート配線41の全体を、低抵抗配線部4Aとして構成したが、外周側ゲート配線40と接続される延出端部411を、高抵抗配線部4Bとして構成してもよい。同様に、副ゲート配線43についても、外周側ゲート配線40と接続される延出端部431を、高抵抗配線部4Bとして構成することができる。 In the fifth embodiment, the entire main gate wiring 41 is configured as the low resistance wiring portion 4A, but the extended end portion 411 connected to the outer peripheral side gate wiring 40 may be configured as the high resistance wiring portion 4B. Good. Similarly, with respect to the sub gate wiring 43, the extended end portion 431 connected to the outer peripheral side gate wiring 40 can be configured as the high resistance wiring portion 4B.

このように構成すると、主ゲート配線41及び副ゲート配線43が外周側ゲート配線40と接続される一辺側においても、信号伝播の遅延が生じる。これにより、セル領域3の周辺部に、概略コ字状のターンオフ電流集中エリアAが形成されることで、温度分布を緩和する同様の効果が得られる。 With this configuration, the signal propagation is delayed even on one side where the main gate wiring 41 and the sub gate wiring 43 are connected to the outer peripheral side gate wiring 40. As a result, the turn-off current concentrated area A having a substantially U shape is formed in the peripheral portion of the cell region 3, and the same effect of relaxing the temperature distribution can be obtained.

(実施形態7)
図19により、半導体装置1の実施形態7について説明する。
本形態は、上記実施形態5の変形例であり、ゲートパッド部GPの配置を変更すると共に、主ゲート配線41と複数の副ゲート配線43の両端を、高抵抗配線部4Bとして構成している。その他の半導体装置1の基本構成は、上記実施形態5と同様であり、説明を省略する。以下、相違点を中心に説明する。
(Embodiment 7)
A seventh embodiment of the semiconductor device 1 will be described with reference to FIG.
The present embodiment is a modification of the fifth embodiment, and the arrangement of the gate pad portion GP is changed, and both ends of the main gate wiring 41 and the plurality of sub gate wirings 43 are configured as the high resistance wiring portion 4B. .. The other basic configuration of the semiconductor device 1 is the same as that of the fifth embodiment, and the description thereof is omitted. The difference will be mainly described below.

上記実施形態5では、ゲートパッド部GPを、セル領域3の外側において、一辺の中央部に隣接して配置したが、セル領域3の中央に配置することもできる。その場合には、主ゲート配線41は、ゲートパッド部GPの両側からX方向と直交する方向へ向けて延びる一対の延出端部411が、それぞれ対向する外周側ゲート配線40と接続される。一対の延出端部411は、高抵抗配線部4Bとして構成される。同様に、複数の副ゲート配線43についても、外周側ゲート配線40と接続される両端側の延出端部431を、高抵抗配線部4Bとして構成することができる。 In the fifth embodiment, the gate pad portion GP is arranged outside the cell region 3 and adjacent to the center portion of one side, but it may be arranged in the center of the cell region 3. In that case, in the main gate wiring 41, a pair of extended end portions 411 extending from both sides of the gate pad portion GP in a direction orthogonal to the X direction are connected to the outer peripheral side gate wirings 40 facing each other. The pair of extending end portions 411 is configured as the high resistance wiring portion 4B. Similarly, with respect to the plurality of sub gate wirings 43, the extended end portions 431 on both end sides connected to the outer peripheral side gate wiring 40 can be configured as the high resistance wiring portion 4B.

また、複数の副ゲート配線43には、主ゲート配線41に対向する側の中間部から分岐する分岐配線44がそれぞれ設けられる。各分岐配線44は、ゲートパッド部GPへ向けてX方向に延び、ゲートパッド部GPの両側に直接接続される。各分岐配線44は、低抵抗配線部4Aとして構成することができる。 Further, the plurality of sub gate wirings 43 are respectively provided with branch wirings 44 that branch from an intermediate portion on the side facing the main gate wiring 41. Each branch wiring 44 extends in the X direction toward the gate pad portion GP and is directly connected to both sides of the gate pad portion GP. Each branch wiring 44 can be configured as a low resistance wiring portion 4A.

このように構成すると、主ゲート配線41及び副ゲート配線43が外周側ゲート配線40と接続される二辺において、信号伝播の遅延が生じる。これにより、セル領域3の周辺部の全体に、ターンオフ電流集中エリアAが形成されることで、温度分布を緩和する同様の効果が得られる。 With this structure, a signal propagation delay occurs on the two sides where the main gate wiring 41 and the sub gate wiring 43 are connected to the outer peripheral side gate wiring 40. As a result, the turn-off current concentration area A is formed over the entire periphery of the cell region 3, and the same effect of relaxing the temperature distribution can be obtained.

(実施形態8)
図20により、半導体装置1の実施形態8について説明する。
本形態は、上記実施形態1の変形例であり、ゲートパッド部GPの配置とゲート配線部4の配置方向を変更している。その他の半導体装置1の基本構成は、上記実施形態1と同様であり、説明を省略する。以下、相違点を中心に説明する。
(Embodiment 8)
An eighth embodiment of the semiconductor device 1 will be described with reference to FIG.
This embodiment is a modification of the first embodiment, and the arrangement of the gate pad portion GP and the arrangement direction of the gate wiring portion 4 are changed. The other basic configuration of the semiconductor device 1 is the same as that of the first embodiment, and the description thereof is omitted. The difference will be mainly described below.

上記実施形態1では、ゲートパッド部GPを、セル領域3の外側において、その一辺の中央部に隣接して配置したが、セル領域3の角部の外側に配置してもよい。その場合には、主ゲート配線41は、セル領域3の対角線の方向に配置され、トランジスタセルTのトレンチの方向も対角線の方向となる。主ゲート配線41は、外周側ゲート配線40の一部となり、低電気抵抗の金属系配線材料で構成される角部403からなるゲート接続部4Cを介して、ゲートパッド部GPに接続される。
主ゲート配線41の両側には、分岐配線42が設けられ、外周側ゲート配線40の内側に接続される。外周側ゲート配線40と分岐配線42の分岐端部421は、高抵抗配線部4Bとして構成され、分岐端部421を除く分岐配線42と主ゲート配線41は、低抵抗配線部4Aとして構成される。
In the first embodiment, the gate pad portion GP is arranged outside the cell region 3 adjacent to the center portion of one side thereof, but may be arranged outside the corner portion of the cell region 3. In that case, the main gate wiring 41 is arranged in the diagonal direction of the cell region 3, and the direction of the trench of the transistor cell T is also the diagonal direction. The main gate wiring 41 becomes a part of the outer peripheral side gate wiring 40, and is connected to the gate pad portion GP via the gate connecting portion 4C composed of the corner portion 403 made of a metal-based wiring material having a low electric resistance.
Branch wirings 42 are provided on both sides of the main gate wiring 41 and are connected to the inside of the outer peripheral side gate wiring 40. The outer peripheral side gate wiring 40 and the branch end portion 421 of the branch wiring 42 are configured as a high resistance wiring portion 4B, and the branch wiring 42 and the main gate wiring 41 excluding the branch end portion 421 are configured as a low resistance wiring portion 4A. ..

このような構成によっても、セル領域3の周辺部の全体にターンオフ電流集中エリアAが形成されることで、温度分布を緩和する同様の効果が得られる。 With such a configuration as well, the turn-off current concentration area A is formed over the entire peripheral portion of the cell region 3, so that the same effect of relaxing the temperature distribution can be obtained.

(実施形態9)
図21により、半導体装置1の実施形態9について説明する。
本形態は、上記実施形態2の変形例であり、半導体装置1の外形形状を変更している。その他の半導体装置1の基本構成は、上記実施形態2と同様であり、説明を省略する。以下、相違点を中心に説明する。
(Embodiment 9)
A ninth embodiment of the semiconductor device 1 will be described with reference to FIG.
The present embodiment is a modification of the second embodiment, and the outer shape of the semiconductor device 1 is changed. The other basic configuration of the semiconductor device 1 is the same as that of the second embodiment, and the description thereof is omitted. The difference will be mainly described below.

上記実施形態2では、半導体装置1の半導体層20及びその下層の半導体基板2を矩形形状としたが、基板形状は、矩形に限らず任意の形状とすることができ、例えば、四角形以上の多角形状とすることができる。ここでは、例えば、八角形の半導体基板2上に、半導体層20を形成した半導体装置1としており、セル領域3も八角形状となっている。 In the second embodiment, the semiconductor layer 20 of the semiconductor device 1 and the semiconductor substrate 2 below the semiconductor layer 20 have a rectangular shape. However, the substrate shape is not limited to a rectangular shape, and may be an arbitrary shape, for example, a quadrangle or larger polygon. It can be shaped. Here, for example, the semiconductor device 1 has a semiconductor layer 20 formed on an octagonal semiconductor substrate 2, and the cell region 3 also has an octagonal shape.

本形態においても、ゲートパッド部GPは、八角形の一辺の中央部に隣接して配置され、ゲート接続部4Cを介して、主ゲート配線41が接続される。主ゲート配線41の両側に分岐する分岐配線42は、主ゲート配線41と直交する方向に、互いに平行に延び、分岐配線42の分岐端部421は、対向する外周側ゲート配線40の二辺の内側に接続される。外周側ゲート配線40と分岐配線42の分岐端部421は、高抵抗配線部4Bとして構成され、分岐端部421を除く分岐配線42と主ゲート配線41は、低抵抗配線部4Aとして構成される。 Also in the present embodiment, the gate pad portion GP is arranged adjacent to the central portion of one side of the octagon, and the main gate wiring 41 is connected via the gate connecting portion 4C. The branch wirings 42 branching on both sides of the main gate wiring 41 extend in parallel to each other in the direction orthogonal to the main gate wiring 41, and the branch end portions 421 of the branch wirings 42 are on two sides of the facing outer side gate wiring 40. Connected to the inside. The outer peripheral side gate wiring 40 and the branch end portion 421 of the branch wiring 42 are configured as a high resistance wiring portion 4B, and the branch wiring 42 and the main gate wiring 41 excluding the branch end portion 421 are configured as a low resistance wiring portion 4A. ..

このような構成によっても、セル領域3の周辺部の全体にターンオフ電流集中エリアAが形成されることで、温度分布を緩和する同様の効果が得られる。 With such a configuration as well, the turn-off current concentration area A is formed over the entire peripheral portion of the cell region 3, so that the same effect of relaxing the temperature distribution can be obtained.

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、半導体装置をスイッチング素子として電力変換装置に適用する例を示したが、これに限らない任意の用途に用いることができる。
また、上記各実施形態においては、半導体装置1のセル領域3にトランジスタセルTのトレンチをストライプ状に配置した例を示したが、これに限らず、トレンチが格子状に配置される構成としてもよい。トランジスタセルTは、トレンチを有する縦型のMOSFETとして構成したがIGBTであってもよく、プレーナ構造の横型のMOSFET又はIGBT等であってもよい。
さらに、ゲート配線部4の配線形状は図示の例に限らず、主ゲート配線41と分岐配線42又は副ゲート配線43とを組み合わせた形状、位置関係等は適宜変更することができる。また、副ゲート配線43を主ゲート配線41に接続する構成としてもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be applied to various embodiments without departing from the spirit of the invention. For example, although an example in which a semiconductor device is applied to a power conversion device as a switching element has been shown, the semiconductor device can be used for any application other than this.
Further, in each of the above-described embodiments, the example in which the trenches of the transistor cells T are arranged in a stripe shape in the cell region 3 of the semiconductor device 1 has been described, but the present invention is not limited to this, and the trenches may be arranged in a lattice shape. Good. Although the transistor cell T is configured as a vertical MOSFET having a trench, it may be an IGBT or may be a planar lateral MOSFET or IGBT.
Further, the wiring shape of the gate wiring portion 4 is not limited to the illustrated example, and the shape, positional relationship, etc. in which the main gate wiring 41 and the branch wiring 42 or the sub gate wiring 43 are combined can be changed as appropriate. Further, the sub gate wiring 43 may be connected to the main gate wiring 41.

1 半導体装置
2 半導体基板
21 主面
3 セル領域
4 ゲート配線部
40 外周側ゲート配線
41 主ゲート配線
42 分岐配線
4A 低抵抗配線部
4B 高抵抗配線部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 semiconductor device 2 semiconductor substrate 21 main surface 3 cell region 4 gate wiring portion 40 outer peripheral side gate wiring 41 main gate wiring 42 branch wiring 4A low resistance wiring portion 4B high resistance wiring portion

Claims (9)

半導体基板(2)の主面(21)側に、複数のトランジスタセル(T)が並設されるセル領域(3)と、上記トランジスタセルのゲート電極(10)に接続されるゲート配線部(4)と、上記ゲート配線部を介して上記ゲート電極にゲート電位を付与するゲートパッド部(GP)と、を備える半導体装置(1)であって、
上記ゲート配線部は、低抵抗配線部(4A)と、上記低抵抗配線部よりも高電気抵抗の高抵抗配線部(4B)とを有しており、
上記高抵抗配線部は、上記セル領域の外周縁部に沿う領域に配置され、上記低抵抗配線部は、上記高抵抗配線部が配置される領域よりも内側で、かつ、上記セル領域の中央部を含む領域に配置される、半導体装置。
On the main surface (21) side of the semiconductor substrate (2), a cell region (3) in which a plurality of transistor cells (T) are arranged side by side, and a gate wiring part (10) connected to the gate electrode (10) of the transistor cell (3). A semiconductor device (1) comprising: 4) and a gate pad portion (GP) for applying a gate potential to the gate electrode via the gate wiring portion,
The gate wiring portion has a low resistance wiring portion (4A) and a high resistance wiring portion (4B) having higher electric resistance than the low resistance wiring portion,
The high resistance wiring part is arranged in a region along the outer peripheral edge of the cell region, the low resistance wiring part is inside the region in which the high resistance wiring part is arranged, and in the center of the cell region. A semiconductor device arranged in a region including a portion.
上記ゲート配線部は、上記セル領域の周辺部に配置される外周側ゲート配線(40)と、上記外周側ゲート配線の内側に接続される複数の内周側ゲート配線(41、42)とからなり、
上記内周側ゲート配線は、少なくとも上記外周側ゲート配線と接続される一部を除いて、上記低抵抗配線部として構成され、
上記外周側ゲート配線は、少なくとも上記ゲートパッド部に隣接する領域を除いて、上記高抵抗配線部として構成される、請求項1に記載の半導体装置。
The gate wiring portion includes an outer peripheral side gate wiring (40) arranged in the peripheral portion of the cell region and a plurality of inner peripheral side gate wirings (41, 42) connected inside the outer peripheral side gate wiring. Becomes
The inner peripheral side gate wiring is configured as the low resistance wiring portion except at least a part connected to the outer peripheral side gate wiring,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the outer peripheral side gate wiring is configured as the high resistance wiring portion except at least a region adjacent to the gate pad portion.
上記内周側ゲート配線は、上記ゲートパッド部に接続され、上記セル領域の中央部に配置される帯状の主ゲート配線(41)と、上記主ゲート配線の長手方向の複数箇所から分岐して上記外周側ゲート配線に接続される複数の分岐配線(42)とを有する、請求項2に記載の半導体装置。 The inner peripheral side gate wiring is branched from a strip-shaped main gate wiring (41) connected to the gate pad portion and arranged in the central portion of the cell region and a plurality of locations in the longitudinal direction of the main gate wiring. The semiconductor device according to claim 2, further comprising a plurality of branch wirings (42) connected to the outer peripheral side gate wiring. 複数の上記分岐配線は、上記外周側ゲート配線に接続される分岐端部(421)が、上記高抵抗配線部として構成される、請求項3に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3, wherein the plurality of branch wirings have branch end portions (421) connected to the outer peripheral side gate wiring as the high resistance wiring portions. 複数の上記分岐配線は、上記主ゲート配線の長手方向と直交する方向に平行配置され、上記セル領域の中央部において、隣り合う複数の上記分岐配線の配線ピッチ(P1)は、それより外側における配線ピッチ(P2)よりも小さく形成されており、
上記主ゲート配線の配線幅(W1)は、上記分岐配線及び上記外周側ゲート配線の配線幅(W2)よりも幅広に形成される、請求項3又は4に記載の半導体装置。
The plurality of branch wirings are arranged in parallel in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the main gate wiring, and the wiring pitch (P1) of the plurality of branch wirings adjacent to each other in the central portion of the cell region is outside thereof. It is formed smaller than the wiring pitch (P2),
The semiconductor device according to claim 3, wherein a wiring width (W1) of the main gate wiring is formed wider than a wiring width (W2) of the branch wiring and the outer peripheral side gate wiring.
上記内周側ゲート配線は、上記ゲートパッド部に接続され、上記セル領域の中央部に配置される帯状の主ゲート配線(42)と、上記ゲートパッド部又は上記主ゲート配線に接続され、上記主ゲート配線と平行に配置される1以上の副ゲート配線(43)とを有する、請求項2に記載の半導体装置。 The inner peripheral side gate wiring is connected to the gate pad portion and is connected to the strip-shaped main gate wiring (42) arranged in the central portion of the cell region and the gate pad portion or the main gate wiring, The semiconductor device according to claim 2, further comprising one or more sub-gate wirings (43) arranged in parallel with the main gate wirings. 上記半導体基板は、四角形以上の多角形状であり、上記外周側ゲート配線及び上記内周側ゲート配線は、上記主ゲート配線に対して、線対称に配置される、請求項3〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。 7. The semiconductor substrate has a polygonal shape of a quadrangle or more, and the outer peripheral side gate wiring and the inner peripheral side gate wiring are arranged line-symmetrically with respect to the main gate wiring. The semiconductor device according to item 1. 上記ゲートパッド部は、上記セル領域において、上記外周側ゲート配線よりも内側に配置されており、上記内周側ゲート配線は、上記ゲートパッド部に直接接続される、請求項2〜7のいずれか1項に記載の半導体装置。 8. The gate pad portion is arranged inside the outer peripheral side gate wiring in the cell region, and the inner peripheral side gate wiring is directly connected to the gate pad portion. 2. The semiconductor device according to item 1. 上記ゲートパッド部は、上記セル領域の外側に配置されており、上記ゲートパッド部に隣接し低抵抗配線材料にて構成されるゲート接続部(4C)を介して、上記内周側ゲート配線と接続される、請求項2〜7のいずれか1項に記載の半導体装置。 The gate pad portion is arranged outside the cell region and is connected to the inner peripheral side gate wiring via a gate connecting portion (4C) adjacent to the gate pad portion and made of a low resistance wiring material. The semiconductor device according to claim 2, which is connected.
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