JP2020155705A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

To provide a semiconductor device capable of suppressing a gate voltage without transmitting and receiving a signal during a short circuit operation, and thereby capable of shortening a time from a short circuit to a start of a protected operation.SOLUTION: A semiconductor device 100 comprises: a base layer 7 disposed on a front side surface of a drift layer 6; a source layer 8 disposed on a front side surface of a base layer 7; a first trench 5a in contact with the source layer 8 and passing through the base layer 7 to reach the drift layer 6; a second trench 5b passing through the base layer 7 to reach the drift layer 6; a gate voltage control electrode 13 disposed in the second trench 5b and disposed to be in contact with the base layer 7 and the source layer 8 outside the second trench 19; a thermionic element 15 having one end in contact with the gate voltage control electrode 13; an emitter electrode 14 to which a reference potential of a gate signal voltage is connected, in contact with the other end of the thermionic element 15; and a third insulating film 16 insulating the gate voltage control electrode 13 and the emitter electrode 14 from each other.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本願は、半導体装置に関する。 The present application relates to semiconductor devices.

インバータ等に用いられるパワーモジュールなどの半導体装置では、内蔵するスイッチング機能を持つIGBT等のパワートランジスタが短絡した場合においても、パワートランジスタが一定時間破壊せずに持ちこたえることが要求される。一定時間とは、例えば、2〜10μsであり、短絡した場合に短絡保護回路が動作し、短絡保護回路により半導体装置の動作が停止するまでの時間である。 In a semiconductor device such as a power module used for an inverter or the like, even if a power transistor such as an IGBT having a built-in switching function is short-circuited, the power transistor is required to withstand for a certain period of time without being destroyed. The constant time is, for example, 2 to 10 μs, and is the time until the short-circuit protection circuit operates when a short circuit occurs and the operation of the semiconductor device is stopped by the short-circuit protection circuit.

パワートランジスタが短絡した場合は、短絡した時間が継続するにつれてパワートランジスタが発熱して破壊に至ることがある。パワートランジスタが破壊した場合は、半導体装置の周辺装置の破壊を招く懸念がある。そのため、パワートランジスタを備えた半導体装置においては、パワートランジスタの短絡動作時になるべく早く通電制御等の短絡保護動作を開始して、半導体装置の動作を停止することが求められる。 When the power transistor is short-circuited, the power transistor may generate heat and be destroyed as the short-circuited time continues. If the power transistor is destroyed, there is a concern that the peripheral devices of the semiconductor device may be destroyed. Therefore, in a semiconductor device provided with a power transistor, it is required to start a short-circuit protection operation such as energization control as soon as possible when the power transistor is short-circuited, and stop the operation of the semiconductor device.

通電制御の保護動作としては、パワートランジスタの短絡時にパワートランジスタのゲート電圧を制御することで、パワートランジスタの通電を制御してパワートランジスタの破壊を防止する技術がある。例えば、従来の半導体装置では、ロゴスキーコイルを有し、ロゴスキーコイルの出力電圧を基に短絡検出器でパワートランジスタの短絡を検知して、短絡検出器によって短絡を検知した場合には、ゲート電圧制限手段にてパワートランジスタのゲート信号電圧を引き下げて通電を制御することでパワートランジスタの破壊を防止する半導体装置が記載されている(例えば、特許文献1参照)。 As a protection operation of energization control, there is a technique of controlling energization of the power transistor to prevent destruction of the power transistor by controlling the gate voltage of the power transistor when the power transistor is short-circuited. For example, a conventional semiconductor device has a Rogowski coil, and when a short-circuit detector detects a short-circuit of a power transistor based on the output voltage of the Rogowski coil and the short-circuit detector detects a short-circuit, the gate A semiconductor device that prevents the power transistor from being destroyed by reducing the gate signal voltage of the power transistor by a voltage limiting means to control energization is described (see, for example, Patent Document 1).

特開2001−169533号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-169533

しかしながら、上述したような従来の半導体装置においては、短絡してからゲート信号電圧を引き下げるまでに、短絡を検知した信号やゲート信号電圧引き下げのための信号の送受信(演算等の信号処理を含む)が必要である。信号の送受信に時間が掛かることから、短絡動作時に通電制御を開始するまでに時間を要する課題があった。 However, in the conventional semiconductor device as described above, the signal for detecting the short circuit and the signal for lowering the gate signal voltage are transmitted and received (including signal processing such as calculation) between the short circuit and the reduction of the gate signal voltage. is necessary. Since it takes time to send and receive signals, there is a problem that it takes time to start energization control during a short-circuit operation.

本願は、上述のような課題を解決するためになされたもので、短絡動作時に信号の送受信をせずとも、ゲート電圧の引き下げによる通電制御が可能な半導体装置を提供することを目的とする。 The present application has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present application is to provide a semiconductor device capable of energization control by lowering the gate voltage without transmitting and receiving signals during a short-circuit operation.

本願に係る半導体装置は、第1導電型のドリフト層と、ドリフト層の表面に設けられた第2導電型のベース層と、ベース層の表面に選択的に設けられた第1導電型のソース層と、ソース層に接し前記ベース層を貫通して前記ドリフト層に達する第1トレンチと、第1トレンチの側面及び底面に設けられた第1絶縁膜と、第1トレンチ内に設けられ、第1絶縁膜を介して前記ベース層に面するゲート電極と、ベース層を貫通してドリフト層に達する第2トレンチと、第2トレンチの側面及び底面に配設された第2絶縁膜と、ベース層上及びソース層上にベース層及びソース層に接して設けられ、第2絶縁膜に隣接して第2トレンチ内にも設けられたゲート電圧制御用電極と、電圧制御用電極上に第3絶縁膜を介して設けられ、ゲート信号電圧の基準電位が接続されるエミッタ電極と、第2トレンチ内でゲート電圧制御用電極に電気的に接続された一端と、エミッタ電極に電気的に接続された他端と、を有し、一端と他端との温度差に応じて一端の電位を他端の電位より高くする熱電素子と、を備えるものである。 The semiconductor device according to the present application includes a first conductive type drift layer, a second conductive type base layer provided on the surface of the drift layer, and a first conductive type source selectively provided on the surface of the base layer. A first trench that is in contact with the layer, the source layer, penetrates the base layer, and reaches the drift layer, a first insulating film provided on the side surface and the bottom surface of the first trench, and a first trench provided in the first trench. 1. A gate electrode facing the base layer via an insulating film, a second trench penetrating the base layer and reaching the drift layer, a second insulating film arranged on the side surface and the bottom surface of the second trench, and a base. A gate voltage control electrode provided on the layer and the source layer in contact with the base layer and the source layer, and also provided in the second trench adjacent to the second insulating film, and a third electrode on the voltage control electrode. An emitter electrode provided via an insulating film and to which a reference potential of the gate signal voltage is connected, one end electrically connected to the gate voltage control electrode in the second trench, and electrically connected to the emitter electrode. It is provided with a thermoelectric element having the other end and making the potential of one end higher than the potential of the other end according to the temperature difference between one end and the other end.

本願に開示される半導体装置によれば、短絡動作時に信号の送受信をせずともゲート電圧を抑制できるため、短絡から保護動作開始までの時間を短縮可能な半導体装置を提供することが可能である。 According to the semiconductor device disclosed in the present application, since the gate voltage can be suppressed without transmitting and receiving signals during the short-circuit operation, it is possible to provide a semiconductor device capable of shortening the time from the short-circuit to the start of the protection operation. ..

実施の形態1に係る半導体装置の平面図である。It is a top view of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態2に係る半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2. FIG. 短絡動作時における実施の形態1に係る半導体装置の内部の電界分布の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the electric field distribution inside the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 at the time of a short circuit operation. ゼーベック効果を利用した実施の形態1に係る半導体装置の短絡動作時のゲート電圧の抑制効果を示す図である。It is a figure which shows the effect of suppressing the gate voltage at the time of the short-circuit operation of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 using the Seebeck effect. 図4に実施の形態1に係る半導体装置の通常動作時のゲート電圧を追加した図である。FIG. 4 is a diagram in which a gate voltage during normal operation of the semiconductor device according to the first embodiment is added. 実施の形態2に係る半導体装置の平面図である。It is a top view of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2. FIG. 実施の形態2に係る半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2. FIG. 実施の形態3に係る半導体装置の平面図である。It is a top view of the semiconductor device which concerns on Embodiment 3. FIG. 実施の形態3に係る半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device which concerns on Embodiment 3. FIG.

以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。図面は模式的に示されたものであるため、サイズおよび位置の相互関係は変更し得る。以下の説明では、同じまたは対応する構成要素には同じ符号を付与し、繰り返しの説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. Since the drawings are schematically shown, the interrelationships of size and position can be changed. In the following description, the same or corresponding components may be given the same reference numerals and repeated description may be omitted.

また、以下の説明では、「上」、「下」、「側」、「底」、「表(おもて)」または「裏」などの特定の位置および方向を意味する用語が用いられる場合があるが、これらの用語は、実施形態の内容を理解することを容易にするために便宜上用いられているものであり、実際に実施される際の方向を限定するものではない。 Also, in the following description, when terms that mean a specific position and direction such as "top", "bottom", "side", "bottom", "front" or "back" are used. However, these terms are used for convenience in order to facilitate understanding of the contents of the embodiments, and do not limit the direction in which they are actually implemented.

半導体の導電型については、第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明を行う。しかし、これらを反対にして第1導電型をp型、第2導電型をn型としてもよい。n+型はn型よりもドナー不純物の濃度が高く、n−型はn型よりもドナー不純物の濃度が低いことを意味する。同様に、p+型はp型よりもアクセプタ不純物の濃度が高く、p−型はp型よりもアクセプタ不純物の濃度が低いことを意味する。 The conductive type of the semiconductor will be described with the first conductive type as the n type and the second conductive type as the p type. However, these may be reversed and the first conductive type may be p-type and the second conductive type may be n-type. The n + type means that the concentration of donor impurities is higher than that of the n type, and the n- type means that the concentration of donor impurities is lower than that of the n type. Similarly, p + type means that the concentration of acceptor impurities is higher than that of p type, and p-type means that the concentration of acceptor impurities is lower than that of p type.

<実施の形態1>
図1を用いて実施の形態1に係る半導体装置100の構成を説明する。図1は、実施の形態1に係る半導体装置の平面図である。
<Embodiment 1>
The configuration of the semiconductor device 100 according to the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a plan view of the semiconductor device according to the first embodiment.

半導体装置100は、アクティブ領域1とゲートパッド領域2と平面視でアクティブ領域1及びゲートパッド領域2を囲むように配置された終端領域3とを有する。アクティブ領域1は通電領域であり、表面にゲート信号の基準電位を入力するワイヤ及び主電流が流れるワイヤが接続される領域である。ゲートパッド領域2は、半導体装置100のゲート信号のゲート電位を入力するワイヤが接続される領域である。終端領域3は、半導体装置100の耐圧を保持するための領域である。アクティブ領域1と終端領域3との界面近傍には、ゲートパッド領域2に接続されたゲート配線4が環状に配置されている。アクティブ領域1にはゲート配線4に接続された複数のトレンチ5が平行に配置されている。 The semiconductor device 100 has an active region 1, a gate pad region 2, and a terminal region 3 arranged so as to surround the active region 1 and the gate pad region 2 in a plan view. The active region 1 is an energized region, which is a region to which a wire for inputting a reference potential of a gate signal and a wire through which a main current flows are connected to the surface. The gate pad region 2 is a region to which a wire for inputting the gate potential of the gate signal of the semiconductor device 100 is connected. The terminal region 3 is a region for maintaining the withstand voltage of the semiconductor device 100. In the vicinity of the interface between the active region 1 and the terminal region 3, the gate wiring 4 connected to the gate pad region 2 is arranged in an annular shape. A plurality of trenches 5 connected to the gate wiring 4 are arranged in parallel in the active region 1.

以降は、図2を用いて説明する。図2は、実施の形態1に係る半導体装置の断面図である。図2は、図1に記載のA−A線での断面図である。 Hereinafter, description will be made with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG.

n−型のドリフト層6の表面に、p型のベース層7が配置されている。ベース層7の表面にはn+型のソース層8とp+型の拡散層9が選択的に配置されている。ソース層8に接しベース層7を貫通してドリフト層6に到達するゲート用トレンチ5aが配置されている。ゲート用トレンチ5aの側面及び底面には第1絶縁膜10が配置され、第1絶縁膜10を介してゲート電極11がベース層7に面して配置されている。ゲート電極11はポリシリコン等の材料で構成される。ゲート電極11の上に層間絶縁膜12が配置されている。なお、図2には図示しないが、ゲート電極11はゲート配線4を介してゲートパッド領域2と電気的に接続されている。なお、p+型の拡散層9は必ずしも必要ではなく、p+型の拡散層9を形成せずにp+型の拡散層9をベース層7のままとしても良い。 A p-type base layer 7 is arranged on the surface of the n-type drift layer 6. An n + type source layer 8 and a p + type diffusion layer 9 are selectively arranged on the surface of the base layer 7. A gate trench 5a that is in contact with the source layer 8 and penetrates the base layer 7 to reach the drift layer 6 is arranged. The first insulating film 10 is arranged on the side surface and the bottom surface of the gate trench 5a, and the gate electrode 11 is arranged so as to face the base layer 7 via the first insulating film 10. The gate electrode 11 is made of a material such as polysilicon. An interlayer insulating film 12 is arranged on the gate electrode 11. Although not shown in FIG. 2, the gate electrode 11 is electrically connected to the gate pad region 2 via the gate wiring 4. The p + type diffusion layer 9 is not always necessary, and the p + type diffusion layer 9 may be left as the base layer 7 without forming the p + type diffusion layer 9.

ベース層7を貫通してドリフト層6に到達する熱電素子用トレンチ5bが配置されている。熱電素子用トレンチ5bの側面及び底面には第2絶縁膜19が配置され、第2絶縁膜19に隣接してゲート電圧制御用電極13が配置されている。ゲート電圧制御用電極13は、熱電素子用トレンチ5bの外でベース層7、ソース層8、拡散層9の夫々の表面に接して設けられ、ゲート電圧制御用電極13はベース層7、ソース層8、拡散層9と電気的に接続されている。 A thermoelectric element trench 5b that penetrates the base layer 7 and reaches the drift layer 6 is arranged. A second insulating film 19 is arranged on the side surface and the bottom surface of the thermoelectric element trench 5b, and a gate voltage control electrode 13 is arranged adjacent to the second insulating film 19. The gate voltage control electrode 13 is provided outside the thermoelectric element trench 5b in contact with the surfaces of the base layer 7, the source layer 8 and the diffusion layer 9, and the gate voltage control electrode 13 is provided in contact with the base layer 7 and the source layer. 8. It is electrically connected to the diffusion layer 9.

熱電素子15は一端と他端を有する。熱電素子15は導電性のN型熱電材料にて構成され、一端と他端との温度差に応じた起電力が発生する現象(ゼーベック効果)を利用し、高温側の端部を低温側の端部より起電力分だけ高電位とする素子である。本願においては熱電材料のタイプを示すN型及びP型は大文字で示し、半導体領域をn型及びp型は小文字で示して区別する The thermoelectric element 15 has one end and the other end. The thermoelectric element 15 is made of a conductive N-type thermoelectric material, and utilizes the phenomenon that an electromotive force is generated according to the temperature difference between one end and the other end (Seebeck effect), and the end on the high temperature side is on the low temperature side. It is an element that has a higher potential by the amount of electromotive force from the end. In the present application, N-type and P-type indicating the type of thermoelectric material are shown in uppercase letters, and the semiconductor region is shown in lowercase letters for n-type and p-type to distinguish them.

熱電素子用トレンチ5b内に熱電素子15の一端が配置され、熱電素子15の一端はゲート電圧制御用電極13に接続され、熱電素子15の他端は熱電素子用トレンチ5bの上方、熱電素子用トレンチ5bの外でエミッタ電極14に接続されている。ゲート電圧制御用電極13とエミッタ電極14とは熱電素子15を介して電気的に接続されるが、熱電素子15の一端および他端で接続された箇所以外の領域は、第3絶縁膜16によりゲート電圧制御用電極13とエミッタ電極14とが電気的に分離されている。また熱電素子15の側面も第3絶縁膜16に覆われる。 One end of the thermoelectric element 15 is arranged in the trench 5b for the thermoelectric element, one end of the thermoelectric element 15 is connected to the gate voltage control electrode 13, and the other end of the thermoelectric element 15 is above the trench 5b for the thermoelectric element for the thermoelectric element. It is connected to the emitter electrode 14 outside the trench 5b. The gate voltage control electrode 13 and the emitter electrode 14 are electrically connected via the thermoelectric element 15, but the region other than the portions connected at one end and the other end of the thermoelectric element 15 is formed by the third insulating film 16. The gate voltage control electrode 13 and the emitter electrode 14 are electrically separated. The side surface of the thermoelectric element 15 is also covered with the third insulating film 16.

また、図2中にエミッタ電極14の表面S1、ベース層7の表面の深さD1、ベース層7とドリフト層6との界面の深さD2を示す。ベース層7の表面の深さD1及びベース層7とドリフト層6との界面の深さD2は夫々エミッタ電極の表面S1を基準とした深さである。 Further, FIG. 2 shows the surface S1 of the emitter electrode 14, the depth D1 of the surface of the base layer 7, and the depth D2 of the interface between the base layer 7 and the drift layer 6. The depth D1 of the surface of the base layer 7 and the depth D2 of the interface between the base layer 7 and the drift layer 6 are depths based on the surface S1 of the emitter electrode, respectively.

熱電素子15の一端は、ベース層7とドリフト層6との界面の深さD2から±5μm以内の深さに配置されることが望ましい。熱電素子15の一端を前述の範囲より浅くした場合、つまりエミッタ電極14側に熱電素子15の一端を配置した場合は、一端と他端との温度差が小さくなりゼーベック効果が弱まる。熱電素子15の一端を前述の範囲より深くした場合、つまりエミッタ電極14より離れる側に熱電素子15の一端を配置した場合は、熱電素子用トレンチ5bをドリフト層6内に深く形成する必要があり、熱電素子用トレンチ5bの深さとゲート用トレンチ5aとの深さを合わせることが困難である。熱電素子用トレンチ5bの深さがゲート用トレンチ5aの深さより深くなる場合、熱電素子用トレンチ5bの底面近傍のドリフト層6の電界強度が増すことから、スイッチング動作時におけるドリフト層6の破壊耐量が低下する懸念がある。望ましくは熱電素子用トレンチ5bの深さとゲート用トレンチ5aの深さとは製造誤差の範囲内において同じであることが良く、熱電素子用トレンチ5bの深さとゲート用トレンチ5aの深さは±5μm以内が良い。 It is desirable that one end of the thermoelectric element 15 is arranged at a depth within ± 5 μm from the depth D2 of the interface between the base layer 7 and the drift layer 6. When one end of the thermoelectric element 15 is shallower than the above range, that is, when one end of the thermoelectric element 15 is arranged on the emitter electrode 14 side, the temperature difference between one end and the other end becomes small and the Seebeck effect is weakened. When one end of the thermoelectric element 15 is deeper than the above range, that is, when one end of the thermoelectric element 15 is arranged on the side away from the emitter electrode 14, it is necessary to form the thermoelectric element trench 5b deep in the drift layer 6. It is difficult to match the depth of the thermoelectric element trench 5b with the depth of the gate trench 5a. When the depth of the thermoelectric element trench 5b is deeper than the depth of the gate trench 5a, the electric field strength of the drift layer 6 near the bottom surface of the thermoelectric element trench 5b increases, so that the breakdown resistance of the drift layer 6 during the switching operation increases. There is a concern that Desirably, the depth of the thermoelectric element trench 5b and the depth of the gate trench 5a should be the same within the range of manufacturing error, and the depth of the thermoelectric element trench 5b and the depth of the gate trench 5a are within ± 5 μm. Is good.

トレンチ5aの幅Waと熱電素子用トレンチ5bの幅Wbとは、同じ幅にしても良いし、異なる幅としても良い。例えば、熱電素子15の幅がゲート電極11の幅より大きい場合は、熱電素子用トレンチ5bの幅Wbをゲート用トレンチ5aの幅Waの幅より大きくして、熱電素子15を配置するスペースを設けても良い。 The width Wa of the trench 5a and the width Wb of the thermoelectric element trench 5b may be the same width or different widths. For example, when the width of the thermoelectric element 15 is larger than the width of the gate electrode 11, the width Wb of the thermoelectric element trench 5b is made larger than the width Wa of the gate trench 5a to provide a space for arranging the thermoelectric element 15. You may.

ドリフト層6の裏面にはn型のバッファ層16が配置され、バッファ層16の下にはp型のコレクタ層17が配置される。コレクタ層17の下には、コレクタ電極18が配置される。 An n-type buffer layer 16 is arranged on the back surface of the drift layer 6, and a p-type collector layer 17 is arranged under the buffer layer 16. A collector electrode 18 is arranged below the collector layer 17.

次にこのように構成された半導体装置100における短絡動作時の熱電素子15のゼーベック効果を利用した起電力について説明する。図3は、短絡動作時における実施の形態1に係る半導体装置の内部の電界分布の一例を示す図である。短絡動作時には、エミッタ電極14とコレクタ電極18との間に外部電源に応じた電圧VCCが印加される。電圧VCCに応じて半導体装置100の内部は、図3に示すような電界分布となる。 Next, an electromotive force utilizing the Seebeck effect of the thermoelectric element 15 during a short-circuit operation in the semiconductor device 100 configured as described above will be described. FIG. 3 is a diagram showing an example of the electric field distribution inside the semiconductor device according to the first embodiment at the time of short-circuit operation. During the short-circuit operation, a voltage VCC corresponding to the external power supply is applied between the emitter electrode 14 and the collector electrode 18. The inside of the semiconductor device 100 has an electric field distribution as shown in FIG. 3 according to the voltage VCC .

図3は、アクティブ領域1においてトレンチ5が配置されていない箇所における電界を示す。横軸はエミッタ電極14の表面S1からの深さ方向の距離を示しており、縦軸はエミッタ電極14の表面S1からの深さ方向の距離に応じた電界を示している。エミッタ電極14の表面S1からベース層7の表面の深さD1までの深さ範囲には電界がない。しかしながら、ベース層7の表面の深さD1からベース層7とドリフト層6との界面の深さD2までの深さ範囲D2では深くなるほど電界は強くなる。 FIG. 3 shows an electric field in the active region 1 where the trench 5 is not arranged. The horizontal axis shows the distance of the emitter electrode 14 from the surface S1 in the depth direction, and the vertical axis shows the electric field corresponding to the distance of the emitter electrode 14 from the surface S1 in the depth direction. There is no electric field in the depth range from the surface S1 of the emitter electrode 14 to the depth D1 of the surface of the base layer 7. However, in the depth range D2 from the surface depth D1 of the base layer 7 to the depth D2 of the interface between the base layer 7 and the drift layer 6, the deeper the electric field, the stronger the electric field.

半導体装置100の内部の発熱は、電界の強さに応じて大きくなる。つまり、エミッタ電極14の表面S1やベース層7の表面の深さD1における発熱に比べてベース層7とドリフト層6との界面の深さD2における発熱は大きい。 The heat generated inside the semiconductor device 100 increases according to the strength of the electric field. That is, the heat generated at the depth D2 of the interface between the base layer 7 and the drift layer 6 is larger than the heat generated at the surface S1 of the emitter electrode 14 and the surface depth D1 of the base layer 7.

熱電素子15の一端は、ベース層7とドリフト層6との界面の深さD2から±5μmの深さに配置されている。電界の強いベース層7とドリフト層6との界面近傍で発生した熱は、第2絶縁膜19及びゲート電圧制御用電極13を介して熱電素子15の一端に伝熱され、熱電素子15の一端を昇温する。一方で熱電素子15の他端は、前述のように電界がないエミッタ電極14の裏面に接続されていることから、熱電素子15の一端と比べて昇温しない。このことから、短絡動作時は、熱電素子15の一端の温度は、熱電素子15の他端の温度と比べて高くなる。 One end of the thermoelectric element 15 is arranged at a depth of ± 5 μm from the depth D2 of the interface between the base layer 7 and the drift layer 6. The heat generated near the interface between the base layer 7 and the drift layer 6 having a strong electric field is transferred to one end of the thermoelectric element 15 via the second insulating film 19 and the gate voltage control electrode 13, and one end of the thermoelectric element 15. To raise the temperature. On the other hand, since the other end of the thermoelectric element 15 is connected to the back surface of the emitter electrode 14 having no electric field as described above, the temperature does not rise as compared with one end of the thermoelectric element 15. For this reason, during the short-circuit operation, the temperature at one end of the thermoelectric element 15 is higher than the temperature at the other end of the thermoelectric element 15.

熱電素子15は導電性のN型熱電材料にて構成されていることから、一端と他端との温度差に応じた起電力が発生して、熱電素子15の高温側の端部を低温側の端部より起電力の分だけ高電位にする。つまり、短絡動作時には、熱電素子15の一端は、他端より高電位となる。 Since the thermoelectric element 15 is made of a conductive N-type thermoelectric material, an electromotive force corresponding to the temperature difference between one end and the other end is generated, and the high temperature side end of the thermoelectric element 15 is on the low temperature side. The potential is raised by the amount of electromotive force from the end of. That is, during the short-circuit operation, one end of the thermoelectric element 15 has a higher potential than the other end.

図4は、ゼーベック効果を利用した実施の形態1に係る半導体装置の短絡動作時のゲート電圧の抑制効果を示す図である。図4の横線は下からエミッタ電極14の電位VE、短絡動作時のゲート電圧制御用電極13の電位VS1、ゲート電極11の電位VGを示し、上側に行くほど高電位であることを示している。 FIG. 4 is a diagram showing the effect of suppressing the gate voltage during a short-circuit operation of the semiconductor device according to the first embodiment using the Seebeck effect. The horizontal line in FIG. 4 shows the potential VE of the emitter electrode 14, the potential VS1 of the gate voltage control electrode 13 at the time of short-circuit operation, and the potential VG of the gate electrode 11 from the bottom, and indicates that the potential is higher toward the upper side. ..

図4の矢印は、半導体装置100のゲート信号電圧V1、短絡動作時のゲート駆動電圧V2を示す。基準電位がエミッタ電極14に接続され、ゲート電位がゲート電極11に接続されたゲートパッド領域2に接続されていることより、ゲート信号電圧V1はエミッタ電極14の電位VEとゲート電極11の電位VGとの電位差で示される。短絡動作時のゲート駆動電圧V2は、半導体装置100のソース層8に接続されたゲート電圧制御用電極13の電位VS1とゲート電極の電位VGとの電位差で示され、短絡動作時に半導体装置100の通電を制御する電圧である。短絡動作時のゲート駆動電圧V2が小さい程、短絡動作時に通電される電流が小さくなり、半導体装置100の発熱を抑制して破壊を防ぐことができる。 The arrows in FIG. 4 indicate the gate signal voltage V1 of the semiconductor device 100 and the gate drive voltage V2 during the short-circuit operation. Since the reference potential is connected to the emitter electrode 14 and the gate potential is connected to the gate pad region 2 connected to the gate electrode 11, the gate signal voltage V1 is the potential VE of the emitter electrode 14 and the potential VG of the gate electrode 11. It is indicated by the potential difference with. The gate drive voltage V2 during the short-circuit operation is indicated by the potential difference between the potential VS1 of the gate voltage control electrode 13 connected to the source layer 8 of the semiconductor device 100 and the potential VG of the gate electrode, and is indicated by the potential difference of the semiconductor device 100 during the short-circuit operation. It is a voltage that controls energization. The smaller the gate drive voltage V2 during the short-circuit operation, the smaller the current energized during the short-circuit operation, and the heat generation of the semiconductor device 100 can be suppressed to prevent destruction.

半導体装置100が短絡した場合、前述のように熱電素子15の一端は他端と比べて高電位となる。熱電素子15の一端はゲート電圧制御用電極13に接続され、熱電素子15の他端はエミッタ電極14に接続されていることより、短絡動作時のゲート電圧制御用電極13の電位VS1はエミッタ電極14の電位VEより高電位になる。より具体的には、エミッタ電極14の電位VEはゲート信号の基準電位で制御されることにより、エミッタ電極14の電位VEは低下せず、短絡動作時のゲート電圧制御用電極13の電位VS1が熱電素子15で発生した起電力の分だけ、エミッタ電極14の電位VEより高くなる。つまり、熱電素子15で発生した電圧の分だけ短絡動作時のゲート駆動電圧V2は、ゲート信号電圧V1よりも小さくなり、短絡動作時のアクティブ領域1の電流を小さくするように半導体装置100の通電を制御できる。 When the semiconductor device 100 is short-circuited, one end of the thermoelectric element 15 has a higher potential than the other end as described above. Since one end of the thermoelectric element 15 is connected to the gate voltage control electrode 13 and the other end of the thermoelectric element 15 is connected to the emitter electrode 14, the potential VS1 of the gate voltage control electrode 13 during the short-circuit operation is the emitter electrode. The potential becomes higher than the potential VE of 14. More specifically, since the potential VE of the emitter electrode 14 is controlled by the reference potential of the gate signal, the potential VE of the emitter electrode 14 does not decrease, and the potential VS1 of the gate voltage control electrode 13 during the short-circuit operation becomes The potential VE of the emitter electrode 14 is higher than that of the electromotive force generated by the thermoelectric element 15. That is, the gate drive voltage V2 during the short-circuit operation is smaller than the gate signal voltage V1 by the amount of the voltage generated by the thermoelectric element 15, and the semiconductor device 100 is energized so as to reduce the current in the active region 1 during the short-circuit operation. Can be controlled.

続いて半導体装置100の通常動作時のゲート電圧に関して説明する。通常動作を通電(オン)状態、非通電(オフ)状態、通電と非通電の切替(スイッチング)状態の3つの状態に分けて説明する。通電状態では、エミッタ電極14とコレクタ電極18との間に印加される電圧は短絡動作時の電圧VCCと比べて例えば100分の1程度であり、電流も短絡動作時の例えば5〜10分の1程度であることから、短絡動作時と比較して熱電素子15の一端及び他端は昇温せず、ゼーベック効果による起電力は低い。非通電状態においてはリーク電流しか流れないことよりゼーベック効果による起電力は短絡動作時と比較して低い。通電と非通電との切替状態においては、電流と電界の夫々が短絡動作時より低く弱いことよりゼーベック効果による起電力は短絡動作時と比較して低い。つまり、通常動作時は、熱電素子15のゼーベック効果による起電力は短絡動作時と比べて小さい。 Next, the gate voltage during normal operation of the semiconductor device 100 will be described. The normal operation will be described by dividing it into three states: an energized (on) state, a non-energized (off) state, and a switching (switching) state between energized and non-energized. The energized state is about one applied voltage is as compared to the voltage V CC at the time of short-circuit operation, for example, 100 minutes between the emitter electrode 14 and collector electrode 18, for example, 5 to 10 minutes when the current short-circuit operation Since it is about 1, one end and the other end of the thermoelectric element 15 do not rise in temperature as compared with the short-circuit operation, and the electromotive force due to the Seebeck effect is low. Since only the leak current flows in the non-energized state, the electromotive force due to the Seebeck effect is lower than that in the short-circuit operation. In the switched state between energized and de-energized, the electromotive force due to the Seebeck effect is lower than that in the short-circuit operation because the current and the electric field are lower and weaker than in the short-circuit operation. That is, during normal operation, the electromotive force due to the Seebeck effect of the thermoelectric element 15 is smaller than during short-circuit operation.

図5は、図4に実施の形態1に係る半導体装置の通常動作時のゲート電圧を追加した図である。具体的には、図4に通常動作時のゲート電圧制御用電極13の電位VS2、通常動作時のゲート駆動電圧V3を追加した図である。 FIG. 5 is a diagram in which a gate voltage during normal operation of the semiconductor device according to the first embodiment is added to FIG. Specifically, FIG. 4 is a diagram in which the potential VS2 of the gate voltage control electrode 13 during normal operation and the gate drive voltage V3 during normal operation are added.

通常動作時は、短絡動作時と比べて熱電素子15のゼーベック効果による起電力が小さいため、熱電素子15の一端の電位の上昇が短絡動作時より小さい。そのため、短絡動作時のゲート電圧制御用電極13の電位VS1より通常動作時のゲート電圧制御用電極13の電位VS2は低くなる。通常動作時のゲート駆動電圧V3は短絡動作時のゲート駆動電圧V2より大きくなる。 In the normal operation, the electromotive force due to the Seebeck effect of the thermoelectric element 15 is smaller than in the short-circuit operation, so that the potential increase at one end of the thermoelectric element 15 is smaller than that in the short-circuit operation. Therefore, the potential VS2 of the gate voltage control electrode 13 during normal operation is lower than the potential VS1 of the gate voltage control electrode 13 during short-circuit operation. The gate drive voltage V3 during normal operation is larger than the gate drive voltage V2 during short-circuit operation.

つまり、通常動作から短絡動作に移行した場合には、ゲート駆動電圧を小さくして、アクティブ領域1の電流を小さくするように半導体装置100の通電を制御できる。 That is, when the normal operation is shifted to the short-circuit operation, the energization of the semiconductor device 100 can be controlled so as to reduce the gate drive voltage and reduce the current in the active region 1.

以上より、半導体装置100は短絡動作時に熱電素子15のゼーベック効果を利用して、ソース層8に接続されたゲート電圧制御用電極13の電位を高め、ゲート駆動電圧V2を抑制し、半導体装置100の通電を制御することが可能である。なお、ゲート駆動電圧V3の抑制は、外部から入力されるゲート信号電圧を変更せずに実施できることから、外部との信号の送受信が不要である。 From the above, the semiconductor device 100 utilizes the Seebeck effect of the thermoelectric element 15 during the short-circuit operation to increase the potential of the gate voltage control electrode 13 connected to the source layer 8 to suppress the gate drive voltage V2, and the semiconductor device 100 It is possible to control the energization of. Since the gate drive voltage V3 can be suppressed without changing the gate signal voltage input from the outside, it is not necessary to send and receive signals to and from the outside.

<実施の形態2>
図6および図7を用いて実施の形態2に係る半導体装置200の構成を説明する。図6は、実施の形態2に係る半導体装置の平面図である。また、図7は、実施の形態2に係る半導体装置の断面図である。図7は図6に記載のB−B線での断面図である。なお、実施の形態2では、実施の形態1と同一又は対応する部分についての説明は、省略する。
<Embodiment 2>
The configuration of the semiconductor device 200 according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 6 and 7. FIG. 6 is a plan view of the semiconductor device according to the second embodiment. Further, FIG. 7 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line BB shown in FIG. In the second embodiment, the description of the same or corresponding parts as the first embodiment will be omitted.

実施の形態2に係る半導体装置200は、実施の形態1に係る半導体装置100とは熱電素子の構成が異なる。実施の形態2に係る半導体装置200では、熱電素子用トレンチ5b内に配置される熱電素子215が、二つのN型熱電材料215aと一つのP型熱電素子215bとを1セットとした構成であり、その構成が複数回の繰り返しで配置される。熱電素子用トレンチ5bの長手方向、つまり図6における紙面左右方向で、図7に示すように、二つのN型熱電材料215aが、P型熱電素子215bを挟むように、配置される。P型熱電素子215bとは、低温側の端部を高温側の端部より起電力分だけ高電位とする熱電素子であり、高温側の端部を低温側の端部より起電力分だけ高電位とする熱電素子N型熱電素子215aとは、逆の温度特性を有する。 The semiconductor device 200 according to the second embodiment has a different thermoelectric element configuration from the semiconductor device 100 according to the first embodiment. In the semiconductor device 200 according to the second embodiment, the thermoelectric element 215 arranged in the thermoelectric element trench 5b has a configuration in which two N-type thermoelectric materials 215a and one P-type thermoelectric element 215b are set as one set. , The configuration is arranged in multiple iterations. As shown in FIG. 7, two N-type thermoelectric materials 215a are arranged so as to sandwich the P-type thermoelectric element 215b in the longitudinal direction of the thermoelectric element trench 5b, that is, in the left-right direction of the paper surface in FIG. The P-type thermoelectric element 215b is a thermoelectric element in which the end on the low temperature side has a higher potential by the electromotive force than the end on the high temperature side, and the end on the high temperature side is higher by the electromotive force than the end on the low temperature side. It has the opposite temperature characteristics to the electric potential N-type thermoelectric element 215a.

N型熱電材料215a及びP型熱電素子215bは夫々一端及び他端を有する。N型熱電材料215a及びP型熱電素子215bの一端は、ベース層7とドリフト層6との界面の深さD2から±5μmの深さとなるように配置されている。N型熱電材料215a及びP型熱電素子215bの夫々の他端は、夫々の一端よりエミッタ電極14側、つまり図6における紙面上側であり、ベース層7とドリフト層6との界面の深さD2からは夫々の一端と比較して遠くに配置される。 The N-type thermoelectric material 215a and the P-type thermoelectric element 215b each have one end and the other end. One end of the N-type thermoelectric material 215a and the P-type thermoelectric element 215b is arranged so as to have a depth of ± 5 μm from the depth D2 of the interface between the base layer 7 and the drift layer 6. The other ends of the N-type thermoelectric material 215a and the P-type thermoelectric element 215b are on the emitter electrode 14 side, that is, on the upper side of the paper surface in FIG. 6 from each one end, and the depth D2 of the interface between the base layer 7 and the drift layer 6 is From now on, it is placed farther than one end of each.

P型熱電素子215bを挟んだ一方のN型熱電材料215aの他端は、熱電素子電極215cを介してエミッタ電極14に接続されており、一方のN型熱電材料215aの他端は、熱電素子電極215cを介してP型熱電素子215bの他端に接続されている。P型熱電素子215bの一端は、熱電素子電極215cを介して他方のN型熱電材料215aの一端に接続される。他方のN型熱電材料215aの他端は、熱電素子電極215cを介してゲート電圧制御用電極13に接続される。エミッタ電極14とゲート電圧制御用電極13との間のその他の領域には、絶縁材215dが配置される。つまり、熱電素子電極215cを介して、エミッタ電極、N型熱電材料215a、P型熱電素子215b、N型熱電材料215a、ゲート電圧制御用電極13が直列に接続された構成である。 The other end of one N-type thermoelectric material 215a sandwiching the P-type thermoelectric element 215b is connected to the emitter electrode 14 via the thermoelectric element electrode 215c, and the other end of one N-type thermoelectric material 215a is a thermoelectric element. It is connected to the other end of the P-type thermoelectric element 215b via an electrode 215c. One end of the P-type thermoelectric element 215b is connected to one end of the other N-type thermoelectric material 215a via the thermoelectric element electrode 215c. The other end of the other N-type thermoelectric material 215a is connected to the gate voltage control electrode 13 via the thermoelectric element electrode 215c. Insulating material 215d is arranged in the other region between the emitter electrode 14 and the gate voltage control electrode 13. That is, the emitter electrode, the N-type thermoelectric material 215a, the P-type thermoelectric element 215b, the N-type thermoelectric material 215a, and the gate voltage control electrode 13 are connected in series via the thermoelectric element electrode 215c.

次にこのように構成された半導体装置200における短絡動作時の熱電素子215のゼーベック効果を利用した起電圧について説明する。半導体装置200においても、短絡時には、N型熱電材料215a及びP型熱電素子215bの夫々の一端は、夫々の他端と比較して高温となる。 Next, an electromotive voltage utilizing the Seebeck effect of the thermoelectric element 215 during a short-circuit operation in the semiconductor device 200 configured as described above will be described. Even in the semiconductor device 200, at the time of a short circuit, one end of each of the N-type thermoelectric material 215a and the P-type thermoelectric element 215b becomes hotter than the other end of each.

一方のN型熱電材料215aの他端は、エミッタ電極14に接続されており、ゲート信号の基準電位である。一方のN型熱電材料215aの一端は、一方のN型熱電材料215aで発生したゼーベック効果による起電力の分だけ一方のN型熱電材料215aの他端と比較して高電位である。一方のN型熱電材料215aの一端は、熱電素子電極215cを介してP型熱電素子215bの一端に接続されていることから、一方のN型熱電材料215aの一端とP型熱電素子215bの一端とは同電位であり、共に、エミッタ電極14及び一方のN型熱電材料215aの他端の電位より高電位である。 The other end of the N-type thermoelectric material 215a is connected to the emitter electrode 14, and is the reference potential of the gate signal. One end of one N-type thermoelectric material 215a has a higher potential than the other end of one N-type thermoelectric material 215a by the amount of electromotive force generated by the Seebeck effect of one N-type thermoelectric material 215a. Since one end of the N-type thermoelectric material 215a is connected to one end of the P-type thermoelectric element 215b via the thermoelectric element electrode 215c, one end of the one N-type thermoelectric material 215a and one end of the P-type thermoelectric element 215b Is the same potential, and both are higher potentials than the potentials of the emitter electrode 14 and the other end of one N-type thermoelectric material 215a.

P型熱電素子215bの他端は、P型熱電素子215bの他端より低温であることから、P型熱電素子215bの他端は、P型熱電素子215bで発生したゼーベック効果による起電力の分だけP型熱電素子215bの一端と比較して高電位である。P型熱電素子215bの他端は、熱電素子電極215cを介して他方のN型熱電素子215aの一端に接続されていることから、P型熱電素子215bの他端と他方のN型熱電材料215aの他端とは同電位であり、共に、一方のN型熱電材料215aの一端及びP型熱電素子215bの一端の電位より高電位である。 Since the other end of the P-type thermoelectric element 215b is lower than the other end of the P-type thermoelectric element 215b, the other end of the P-type thermoelectric element 215b is the amount of the electromotive force generated by the Seebeck effect generated by the P-type thermoelectric element 215b. Only one end of the P-type thermoelectric element 215b has a higher potential. Since the other end of the P-type thermoelectric element 215b is connected to one end of the other N-type thermoelectric element 215a via the thermoelectric element electrode 215c, the other end of the P-type thermoelectric element 215b and the other N-type thermoelectric material 215a The other end has the same potential, and both have a higher potential than the potential of one end of the N-type thermoelectric material 215a and one end of the P-type thermoelectric element 215b.

他方のN型熱電素子215aの一端は、他方のN型熱電素子215aの他端より高温であることから、他方のN型熱電素子215aの一端は、他方のN型熱電素子215aで発生した効果による起電力の分だけ他方のN型熱電材料215aの他端と比較して高電位である。P型熱電素子215bの他端は、熱電素子電極215cを介して他方のN型熱電素子215aの一端に接続されていることから、P型熱電素子215bの他端と他方のN型熱電材料215aの他端とは同電位であり、共に、一方のN型熱電材料215aの一端及びP型熱電素子215bの一端の電位より高電位である。高電位となったP型熱電素子215bの一端はゲート電圧制御用電極13に接続されていることから、ゲート電圧制御用電極13の電位を、エミッタ電極14の電位より高めることができる。 Since one end of the other N-type thermoelectric element 215a is hotter than the other end of the other N-type thermoelectric element 215a, one end of the other N-type thermoelectric element 215a is the effect generated by the other N-type thermoelectric element 215a. The potential is higher than that of the other end of the other N-type thermoelectric material 215a by the amount of the electromotive force generated by. Since the other end of the P-type thermoelectric element 215b is connected to one end of the other N-type thermoelectric element 215a via the thermoelectric element electrode 215c, the other end of the P-type thermoelectric element 215b and the other N-type thermoelectric material 215a The other end has the same potential, and both have a higher potential than the potential of one end of the N-type thermoelectric material 215a and one end of the P-type thermoelectric element 215b. Since one end of the high potential P-type thermoelectric element 215b is connected to the gate voltage control electrode 13, the potential of the gate voltage control electrode 13 can be made higher than the potential of the emitter electrode 14.

以上より、半導体装置200は短絡動作時には、熱電素子215のゼーベック効果を利用して、ソース層8に接続されたゲート電圧制御用電極13の電位を高め、半導体装置200の通電を制御することが可能である。なお、半導体装置200の通電を制御には外部から入力されるゲート信号電圧を変更せずに実施できることから、外部との信号の送受信が不要である。 From the above, the semiconductor device 200 can control the energization of the semiconductor device 200 by increasing the potential of the gate voltage control electrode 13 connected to the source layer 8 by utilizing the Seebeck effect of the thermoelectric element 215 during the short-circuit operation. It is possible. Since the energization of the semiconductor device 200 can be controlled without changing the gate signal voltage input from the outside, it is not necessary to send and receive signals to and from the outside.

実施の形態2に係る半導体装置200では、N型熱電素子215aの一端及びP型熱電素子215bの一他端を高温となるベース層7とドリフト層6との界面側に配置して直列に配置した例を示したが、N型熱電素子215aのみを直列に接続した構成も可能である。例えば、熱電素子電極215cにて一つのN型熱電素子215aの一端と、他のN型熱電素子215aの他端を接続することで同様な効果を得ることが可能である。 In the semiconductor device 200 according to the second embodiment, one end of the N-type thermoelectric element 215a and the other end of the P-type thermoelectric element 215b are arranged in series on the interface side between the base layer 7 and the drift layer 6 which become hot. Although the above example is shown, it is also possible to connect only the N-type thermoelectric element 215a in series. For example, the same effect can be obtained by connecting one end of one N-type thermoelectric element 215a and the other end of the other N-type thermoelectric element 215a with the thermoelectric element electrode 215c.

実施の形態2に係る半導体装置200では、二つのN型熱電材料215aと一つのP型熱電素子215bとを1セットとした例を示したが、三つのN型熱電材料215aと二つのP型熱電素子215b等のように、直列接続する熱電素子の数を変更しても同様な効果を得ることが可能である。 In the semiconductor device 200 according to the second embodiment, an example in which two N-type thermoelectric materials 215a and one P-type thermoelectric element 215b are set as one set is shown, but three N-type thermoelectric materials 215a and two P-types are shown. The same effect can be obtained by changing the number of thermoelectric elements connected in series, such as the thermoelectric element 215b.

<実施の形態3>
図8および図9を用いて実施の形態3に係る半導体装置300の構成を説明する。図8は実施の形態3に係る半導体装置の平面図である。また、図9は実施の形態3に係る半導体装置の断面図である。図9は図8に記載のC−C線での断面図である。なお、実施の形態3では、実施の形態1及び実施の形態2と同一又は対応する部分についての説明は、省略する。
<Embodiment 3>
The configuration of the semiconductor device 300 according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 8 and 9. FIG. 8 is a plan view of the semiconductor device according to the third embodiment. Further, FIG. 9 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the third embodiment. FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line CC shown in FIG. In the third embodiment, the description of the same or corresponding parts as those in the first and second embodiments will be omitted.

図8および図9に示すように、実施の形態3に係る半導体装置300においては、熱電素子用トレンチ5bがアクティブ領域1内のゲートパッド領域2と隣接する箇所に配置される。図9に示すように、熱電素子315の一端と他端とが熱電素子用トレンチ5bの深さ方向に対して垂直な方向つまり紙面左右方向に位置するように熱電素子315が熱電素子用トレンチ5bの中に配置される。熱電素子315の一端は熱電素子315の他端に対して、アクティブ領域1側に配置される。 As shown in FIGS. 8 and 9, in the semiconductor device 300 according to the third embodiment, the thermoelectric element trench 5b is arranged at a position adjacent to the gate pad region 2 in the active region 1. As shown in FIG. 9, the thermoelectric element 315 is located in the direction perpendicular to the depth direction of the thermoelectric element trench 5b, that is, in the left-right direction of the paper surface so that one end and the other end of the thermoelectric element 315 are located in the thermoelectric element trench 5b. Placed in. One end of the thermoelectric element 315 is arranged on the active region 1 side with respect to the other end of the thermoelectric element 315.

熱電素子315は、N型熱電材料にて形成される。熱電素子315の一端はゲート電圧制御用電極13に接続され、熱電素子315の他端はエミッタ電極14に接続される。熱電素子315に接続するため、ゲート電圧制御用電極13及びエミッタ電極14は、熱電素子用トレンチ5bの深さ方向に対して平行な部分を有する。ゲート電圧制御用電極13とエミッタ電極14とは熱電素子15を介して接続されるが、熱電素子315で接続された箇所以外の領域は、第3絶縁膜16により電気的に分離されている。また熱電素子315の側面も第3絶縁膜16に覆われる。第3絶縁膜16を広範囲で形成することが困難な場合は絶縁材にて熱電素子15の側面を覆っても良い。 The thermoelectric element 315 is made of an N-type thermoelectric material. One end of the thermoelectric element 315 is connected to the gate voltage control electrode 13, and the other end of the thermoelectric element 315 is connected to the emitter electrode 14. In order to connect to the thermoelectric element 315, the gate voltage control electrode 13 and the emitter electrode 14 have a portion parallel to the depth direction of the thermoelectric element trench 5b. The gate voltage control electrode 13 and the emitter electrode 14 are connected via the thermoelectric element 15, but the region other than the portion connected by the thermoelectric element 315 is electrically separated by the third insulating film 16. The side surface of the thermoelectric element 315 is also covered with the third insulating film 16. When it is difficult to form the third insulating film 16 in a wide range, the side surface of the thermoelectric element 15 may be covered with an insulating material.

短絡動作時にはアクティブ領域1は通電により発熱するが、ゲートパッド領域2は、短絡動作時において非通電の領域であることから発熱しない。そのため、短絡時のアクティブ領域1の温度はゲートパッド領域2と比較して高い。 During the short-circuit operation, the active region 1 generates heat due to energization, but the gate pad region 2 does not generate heat because it is a non-energized region during the short-circuit operation. Therefore, the temperature of the active region 1 at the time of short circuit is higher than that of the gate pad region 2.

熱電素子315の一端は熱電素子315の他端に対して、アクティブ領域1側に配置されていることから、短絡時に熱電素子315の一端は、他端に対して高温となる。そのため、半導体装置300が短絡した場合、熱電素子315の一端は他端と比べて高電位となり、短絡動作時のゲート駆動電圧を抑制できる。半導体装置300の通常動作時においては、アクティブ領域1の発熱が短絡時と比較して小さいことから、通常動作時は、熱電素子15のゼーベック効果による起電力は短絡動作時と比べて小さい。 Since one end of the thermoelectric element 315 is arranged on the active region 1 side with respect to the other end of the thermoelectric element 315, one end of the thermoelectric element 315 becomes hot with respect to the other end at the time of a short circuit. Therefore, when the semiconductor device 300 is short-circuited, one end of the thermoelectric element 315 has a higher potential than the other end, and the gate drive voltage during the short-circuit operation can be suppressed. Since the heat generated in the active region 1 is smaller in the normal operation of the semiconductor device 300 than in the short-circuit operation, the electromotive force due to the Seebeck effect of the thermoelectric element 15 is smaller in the normal operation than in the short-circuit operation.

つまり、通常動作から短絡動作に移行した場合には、ゲート駆動電圧は小さくして、アクティブ領域1の電流を小さくするように半導体装置300の通電を制御できる。 That is, when the normal operation is shifted to the short-circuit operation, the gate drive voltage can be reduced and the energization of the semiconductor device 300 can be controlled so as to reduce the current in the active region 1.

以上より、半導体装置300は短絡動作時に熱電素子315のゼーベック効果を利用して、ソース層8に接続されたゲート電圧制御用電極13の電位を高め、ゲート駆動電圧V2を抑制し、半導体装置300の通電を制御することが可能である。なお、ゲート駆動電圧V3の抑制は、外部から入力されるゲート信号電圧を変更せずに実施できることから、外部との信号の送受信が不要である。 From the above, the semiconductor device 300 utilizes the Seebeck effect of the thermoelectric element 315 during the short-circuit operation to increase the potential of the gate voltage control electrode 13 connected to the source layer 8 and suppress the gate drive voltage V2 to suppress the gate drive voltage V2. It is possible to control the energization of. Since the gate drive voltage V3 can be suppressed without changing the gate signal voltage input from the outside, it is not necessary to send and receive signals to and from the outside.

実施の形態3に係る半導体装置300では、熱電素子315の一端は熱電素子315の他端に対して、アクティブ領域1側に配置し、他端をゲートパッド領域2側に配置した例を示したが、熱電素子315の一端は熱電素子315の他端に対して、アクティブ領域1側に配置し、他端を終端領域3側に配置しても同様に効果を奏する。これは、終端領域3は、ゲートパッド領域2と同様に短絡動作時において非通電の領域であるためである。 In the semiconductor device 300 according to the third embodiment, an example is shown in which one end of the thermoelectric element 315 is arranged on the active region 1 side and the other end is arranged on the gate pad region 2 side with respect to the other end of the thermoelectric element 315. However, even if one end of the thermoelectric element 315 is arranged on the active region 1 side with respect to the other end of the thermoelectric element 315 and the other end is arranged on the terminal region 3 side, the same effect can be obtained. This is because the terminal region 3 is a non-energized region at the time of short-circuit operation like the gate pad region 2.

5a ゲート用トレンチ
5b 熱電素子用トレンチ
6 ドリフト層
7 ベース層
8 ソース層
10 第1絶縁膜
11 ゲート電極
13 ゲート電圧制御用電極
15 熱電素子
16 第3絶縁膜
19 第2絶縁膜
100 半導体装置
200 半導体装置
215 熱電素子
300 半導体装置
315 熱電素子
5a Gate trench 5b Thermoelectric element trench 6 Drift layer 7 Base layer 8 Source layer 10 1st insulating film 11 Gate electrode 13 Gate voltage control electrode 15 Thermoelectric element 16 3rd insulating film 19 2nd insulating film 100 Semiconductor device 200 Semiconductor Device 215 Thermoelectric element 300 Semiconductor device 315 Thermoelectric element

Claims (8)

第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の表面に設けられた第2導電型のベース層と、
前記ベース層の表面に選択的に設けられた第1導電型のソース層と、
前記ソース層に接し前記ベース層を貫通して前記ドリフト層に達する第1トレンチと、
前記第1トレンチの側面及び底面に設けられた第1絶縁膜と、
前記第1トレンチ内に設けられ、前記第1絶縁膜を介して前記ベース層に面するゲート電極と、
前記ベース層を貫通して前記ドリフト層に達する第2トレンチと、
前記第2トレンチの側面及び底面に配設された第2絶縁膜と、
前記ベース層上及び前記ソース層上に前記ベース層及び前記ソース層に接して設けられ、前記第2絶縁膜に隣接して前記第2トレンチ内にも設けられたゲート電圧制御用電極と、
前記電圧制御用電極上に第3絶縁膜を介して設けられ、ゲート信号電圧の基準電位が接続されるエミッタ電極と、
前記第2トレンチ内で前記ゲート電圧制御用電極に電気的に接続された一端と、前記エミッタ電極に電気的に接続された他端と、を有し、前記一端と前記他端との温度差に応じて前記一端の電位を前記他端の電位より高くする熱電素子と、
を備えた半導体装置。
The first conductive type drift layer and
A second conductive type base layer provided on the surface of the drift layer and
A first conductive type source layer selectively provided on the surface of the base layer, and
A first trench that is in contact with the source layer, penetrates the base layer, and reaches the drift layer.
The first insulating film provided on the side surface and the bottom surface of the first trench, and
A gate electrode provided in the first trench and facing the base layer via the first insulating film, and
A second trench that penetrates the base layer and reaches the drift layer,
The second insulating film disposed on the side surface and the bottom surface of the second trench, and
A gate voltage control electrode provided on the base layer and on the source layer in contact with the base layer and the source layer, and also provided in the second trench adjacent to the second insulating film.
An emitter electrode provided on the voltage control electrode via a third insulating film and to which a reference potential of a gate signal voltage is connected,
It has one end electrically connected to the gate voltage control electrode in the second trench and the other end electrically connected to the emitter electrode, and the temperature difference between the one end and the other end. A thermoelectric element that raises the potential of one end higher than the potential of the other end according to
Semiconductor device equipped with.
前記熱電素子はN型熱電材料を用いて構成された、
請求項1に記載の半導体装置。
The thermoelectric element is constructed using an N-type thermoelectric material.
The semiconductor device according to claim 1.
前記熱電素子は少なくとも2つ以上のN型熱電材料と少なくとも1つ以上のP型熱電材料とを直列に接続して構成された、
請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
The thermoelectric element is configured by connecting at least two or more N-type thermoelectric materials and at least one P-type thermoelectric material in series.
The semiconductor device according to claim 1 or 2.
前記熱電素子の前記一端は、前記ドリフト層と前記ベース層の界面の深さから±5μm以内の深さに設けられた、
請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体装置。
The one end of the thermoelectric element is provided at a depth within ± 5 μm from the depth of the interface between the drift layer and the base layer.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3.
前記第2トレンチの幅は、前記第1トレンチの幅より広い、
請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体装置。
The width of the second trench is wider than the width of the first trench.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4.
前記第2トレンチの深さは、前記第1トレンチの深さと同じである、
請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体装置。
The depth of the second trench is the same as the depth of the first trench.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5.
前記熱電素子の前記一端は、前記第2トレンチ内で前記ゲート電圧制御用電極に電気的に接続され、
前記熱電素子の前記他端は、前記第1トレンチの上方かつ外で前記エミッタ電極に電気的に接続された、
請求項1から6のいずれか1項に記載の半導体装置。
The one end of the thermoelectric element is electrically connected to the gate voltage control electrode in the second trench.
The other end of the thermoelectric element was electrically connected to the emitter electrode above and outside the first trench.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6.
前記第1トレンチ及び前記第2トレンチが配置された通電領域と、
前記通電領域の周囲に配置された非通電領域と、
を備え、
前記熱電素子の前記他端は前記第2トレンチ内に配置され、前記熱電素子の前記一端よりも、前記非通電領域側に配置された、
請求項1から6のいずれか1項に記載の半導体装置。
The energized region in which the first trench and the second trench are arranged, and
A non-energized area arranged around the energized area and
With
The other end of the thermoelectric element is arranged in the second trench, and is arranged closer to the non-energized region side than the one end of the thermoelectric element.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6.
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