JP4952638B2

JP4952638B2 - 半導体素子と半導体装置とその駆動方法

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Publication number: JP4952638B2
Application number: JP2008098968A
Authority: JP
Inventors: 順斎藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-04-07
Filing date: 2008-04-07
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2028-04-07
Also published as: JP2009253004A

Description

本発明は、半導体素子と半導体装置とその駆動方法に関する。特に、同一の半導体基板にＩＧＢＴ素子領域とダイオード素子領域が混在している半導体素子と、その半導体素子とその半導体素子を制御する回路を備えている半導体装置と、その半導体素子およびその半導体装置を駆動する方法に関する。

同一の半導体基板にＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子領域とダイオード素子領域が混在している構造を備えている逆導通ＩＧＢＴが知られている。ダイオード素子領域では、ＩＧＢＴ素子領域に流れる電流と逆方向に電流を流すダイオード構造が形成されており、逆方向のサージ耐量を向上することができる。

特許文献１に、逆導通ＩＧＢＴの従来例が記載されている。図５に、その逆導通ＩＧＢＴ４００の断面図を示す。
逆導通ＩＧＢＴ４００では、同一の半導体基板５８内にＩＧＢＴ素子領域７４とダイオード素子領域７６が混在している。逆導通ＩＧＢＴ４００は、半導体基板５８の中間深さをＩＧＢＴ素子領域７４とダイオード素子領域７６に亘って伸びているｎ⁻型のドリフト層５２を備えている。逆導通ＩＧＢＴ４００は、ＩＧＢＴ素子領域７４のドリフト層５２の裏面に接しているｐ^＋型のＩＧＢＴ裏面層７２と、ダイオード素子領域７６のドリフト層５２の裏面に接しているｎ^＋型のダイオード裏面層６８を備えている。逆導通ＩＧＢＴ４００は、半導体基板５８の表面に沿って形成されているとともにＩＧＢＴ素子領域７４とダイオード素子領域７６に亘って伸びているｐ型の表面層５４を備えている。

逆導通ＩＧＢＴ４００は、表面層５４の表面の一部に形成されているｎ^＋型のｎ型高濃度領域６０ａ、６０ｂを備えている。ｎ型高濃度領域６０ａ、６０ｂは、通常のＩＧＢＴにおけるエミッタ領域に相当する。逆導通ＩＧＢＴ４００は、半導体基板５８の表面から表面層５４を貫通してドリフト層５２に達しているトレンチゲート電極群５６ａ、５６ｂを備えている。逆導通ＩＧＢＴ４００は、ｎ型高濃度領域６０ａ、６０ｂに接しているとともにトレンチゲート電極群５６ａ、５６ｂから絶縁されている表面電極６４と、ＩＧＢＴ裏面層７２とダイオード裏面層６８の裏面に形成されている裏面電極７０を備えている。逆導通ＩＧＢＴ４００は、ドリフト層５２の上面と表面層５４の下面に接しているとともに隣接するトレンチゲート電極５６ａ、５６ｂ間に亘って形成されているｎ型の第２ドリフト層６６を備えている。第２ドリフト層６６は、トレンチゲート電極群５６ａ、５６ｂの外壁を覆うゲート絶縁膜５９ａ、５９ｂに接している。

逆導通ＩＧＢＴ４００では、ＩＧＢＴ素子領域７４をオンするときに、トレンチゲート電極５６ａ、５６ｂに所定の電圧を印加する。表面層５４内にチャネルが形成され、表面電極６４からドリフト層５２、６６に電子が注入されるとともにＩＧＢＴ裏面層７２からドリフト層５２、６６に正孔が注入され、ドリフト層５２、６６で伝導度変調現象が生じてＩＧＢＴ素子領域７４に、裏面電極７０から表面電極６４に向かう電流が流れる。

逆導通ＩＧＢＴ４００では、表面層５４の直下にドリフト層５２よりもｎ型不純物濃度の高い第２ドリフト層６６が形成されていることによって、表面層５４と第２ドリフト層６６の間にポテンシャル障壁が形成される。ＩＧＢＴ素子領域７４をオンするときにコレクタ層６８からドリフト層５２、６６注入された正孔は、このポテンシャル障壁によって流動が妨げられる。その結果、ドリフト層５２内に正孔が蓄積されて、逆導通ＩＧＢＴ４００のオン電圧が低減される。

特開２００５−５７２３５号公報

しかしながら、上記の逆導通ＩＧＢＴ４００によると、第２ドリフト層６６のｎ型不純物濃度を上げることによって、第２ドリフト層６６とｐ型の表面層５４の間で電界強度が高くなる。その結果、表面電極６４と裏面電極７０の間の耐圧が低下する。逆導通ＩＧＢＴ４００では、第２ドリフト層６６が形成されていることによって耐圧が低下してしまう。

本発明は、上記の課題を解決する。すなわち本発明は、ＩＧＢＴのターンオフ時にダイオードにフリーホイール電流が流れる逆導通ＩＧＢＴであって、耐圧を低下させることなくオン電圧を低減することができる半導体素子を提供することを目的とする。また、そのような逆導通ＩＧＢＴを制御する回路を備えている半導体装置を提供することを目的とする。

本発明は、同一の半導体基板にＩＧＢＴ素子領域とダイオード素子領域が混在している半導体素子に関する。
本発明の半導体素子は、半導体基板の中間深さをＩＧＢＴ素子領域からダイオード素子領域に亘って伸びている第１導電型のドリフト層を備えている。このドリフト層は、ダイオード素子領域ではカソード層とアノード層の中間に位置している不純物低濃度層であって、ダイオードの耐圧を向上させる層を形成する。
本発明の半導体素子は、ＩＧＢＴ素子領域のドリフト層の裏面に接している第２導電型のＩＧＢＴ裏面層と、ダイオード素子領域のドリフト層の裏面に接している第１導電型のダイオード裏面層を備えている。例えば、第１導電型がｎ型のとき、第２導電型はｐ型となる。この場合、ＩＧＢＴ裏面層は、通常のＩＧＢＴにおけるコレクタ層に相当し、ダイオード裏面層は、通常のダイオードにおけるカソード層に相当する。

本発明の半導体素子は、ドリフト層の表面に接しているとともにＩＧＢＴ素子領域からダイオード素子領域に亘って伸びている第２導電型の表面層を備えている。ＩＧＢＴ素子領域内の表面層は、通常のＩＧＢＴにおけるボディ層に相当する。
本発明の半導体素子は、表面層の表面の少なくとも一部に形成されており、ＩＧＢＴ素子領域とダイオード素子領域の両者に形成されている第１導電型の高濃度領域を備えている。ＩＧＢＴ素子領域内の第１導電型の高濃度領域は、通常のＩＧＢＴにおけるエミッタ領域に相当する。
本発明の半導体素子は、半導体基板の表面から表面層を貫通してドリフト層に達しているとともにＩＧＢＴ素子領域からダイオード素子領域に亘って繰返して形成されているトレンチゲート電極群を備えている。トレンチゲート電極の外壁を覆うゲート絶縁膜は、第１導電型の高濃度領域に接している。
本発明の半導体素子は、表面層の中間深さに形成されており、ＩＧＢＴ素子領域とダイオード素子領域の両者に亘って形成されているとともに、隣接するトレンチゲート電極間に亘って形成されており、表面と裏面とがいずれも前記表面層と接している第１導電型のフローティング層を備えている。フローティング層は、トレンチゲート電極の外壁を覆うゲート絶縁膜に接しているととともに表面層の一部によってドリフト層から隔てられている。

本発明の半導体素子によると、ＩＧＢＴ素子領域のオフ時に、少なくともダイオード素子領域のトレンチゲート電極群に、ＩＧＢＴ素子領域のオン時とは逆の極性の電圧を印加することによって、フローティング層内のゲート絶縁膜近傍でフローティング層を反転させて、表面層と同じ導電型にすることができる。表面層とフローティング層を同じ導電型にすることによって、ゲート絶縁膜近傍では、表面層とフローティング層の間に形成されている方向の異なる二つのダイオードの影響が解消される。その結果、ダイオード素子領域の表面層とドリフト層の間で形成されるダイオードの順方向に電流を流すことができる。逆導通ＩＧＢＴの表面層内にフローティング層が形成されているダイオードを、ダイオードに求められているように作動させることができる。
また、本発明の半導体素子によると、ｎ型のフローティング層の上面側だけでなく下面側にもｐ型の表面層が存在しているため、電界強度が過度に集中することがない。フローティング層のｎ型不純物濃度を上げても、フローティング層と表面層の間で電界強度が高くなることがない。そのため、表面電極と裏面電極の間の耐圧が低下することがない。本発明の半導体素子によると、耐圧を低下させることなくオン電圧を低減することができる。

本発明の半導体装置は、上記の半導体素子を備えている他に、ＩＧＢＴ素子領域のトレンチゲート電極群とダイオード素子領域のトレンチゲート電極群の両者に電気的に接続されている配線を備えている。
本発明の半導体装置はさらに、その配線に接続されており、かつＩＧＢＴ素子領域のトレンチゲート電極群とダイオード素子領域のトレンチゲート電極群の両者に、第１極性と第２極性の間で経時的に反転する電圧を印加するゲート電圧印加回路を備えている。印加される電圧は０ボルトを挟んで正極性と負極性の間で反転される。

本発明の半導体装置では、ゲート電圧印加回路によって、ＩＧＢＴ素子領域のトレンチゲート電極群とダイオード素子領域のトレンチゲート電極群の各々に、同極性の電圧が同時に印加される。ＩＧＢＴ素子領域のトレンチゲート電極群とダイオード素子領域のトレンチゲート電極群の各々に第１極性の電圧が印加されると、ＩＧＢＴ素子領域がオン状態に切換えられる。ＩＧＢＴ素子領域がオンされているときにダイオード素子領域に第１極性の電圧が印加されていても問題はない。

ＩＧＢＴ素子領域のトレンチゲート電極群とダイオード素子領域のトレンチゲート電極群の各々に第２極性の電圧が印加されると、ＩＧＢＴ素子領域がオフ状態に切換えられる。ダイオード素子領域のトレンチゲート電極群に第２極性の電圧が印加されることによって、ＩＧＢＴ素子領域がオフされているときでもダイオード素子領域に電流が流れる。ＩＧＢＴ素子領域がオフされているときにＩＧＢＴ素子領域に第２極性の電圧が印加されていても問題はない。本発明の半導体装置を用いることによって、逆導通ＩＧＢＴであって、耐圧を低下させることなくオン電圧を低減することができる半導体素子を駆動することができる。

本発明の半導体素子および半導体装置を駆動する方法では、ＩＧＢＴ素子領域をオン状態に切換える際に、少なくともＩＧＢＴ素子領域のトレンチゲート電極群に第１極性の電圧を印加する。このとき、ダイオード素子領域のトレンチゲート電極群にも第１極性の電圧を印加してもよいし、ダイオード素子領域のトレンチゲート電極群には０ボルトの電圧を印加してもよい。また、ダイオード素子領域のトレンチゲート電極群に印加する電圧は、ＩＧＢＴ素子領域をオン状態に切換えるのと同時に印加しなくてもよい。ＩＧＢＴ素子領域がオフされるまでに印加すればよい。

本発明の半導体素子および半導体装置を駆動する方法では、ＩＧＢＴ素子領域をオフ状態に切換える際に、少なくともダイオード素子領域のトレンチゲート電極群に第２極性の電圧を印加する。このとき、ＩＧＢＴ素子領域のトレンチゲート電極群にも第２極性の電圧を印加してもよいし、ＩＧＢＴ素子領域のトレンチゲート電極群には０ボルトの電圧を印加してもよい。ここで第１極性が正極性である場合、第２極性は、０ボルトでなく、負極性のことをいう。

本発明の駆動方法によると、ＩＧＢＴ素子領域のオフ時に、少なくともダイオード素子領域のトレンチゲート電極群に、ＩＧＢＴ素子領域のオン時とは逆の極性の電圧を印加することによって、ダイオード素子領域の表面層とドリフト層の間で形成されるダイオードの順方向に電流を流すことができる。逆導通ＩＧＢＴの表面層内にフローティング層が形成されているダイオードを、ダイオードに求められているように作動させることができる。本発明の半導体素子および半導体装置を駆動することができ、特性を向上させることができる。

本発明によると、ＩＧＢＴのターンオフ時にダイオードにフリーホイール電流が流れる逆導通ＩＧＢＴであって、耐圧を低下させることなくオン電圧を低減することができる半導体素子を提供することができる。また、そのような逆導通ＩＧＢＴを制御する回路を備えている半導体装置を提供することができる。また、そのような半導体素子および半導体装置を駆動することができる。

下記に説明する実施例の好ましい特徴を列記する。
（第１特徴）逆導通ＩＧＢＴを備えている複数個の半導体装置を組み合わせる。

（第１実施例）
図１に、本発明の第１実施例である逆導通ＩＧＢＴ１００の断面図の一部を示す。逆導通ＩＧＢＴ１００では、同一の半導体基板８にＩＧＢＴ素子領域２４とダイオード素子領域２６が混在している。図１は、ＩＧＢＴ素子領域２４とダイオード素子領域２６の境界近傍の断面図を示す。逆導通ＩＧＢＴ１００は、半導体基板８の中間深さをＩＧＢＴ素子領域２４からダイオード素子領域２６に亘って伸びているｎ⁻型のドリフト層２を備えている。逆導通ＩＧＢＴ１００は、ＩＧＢＴ素子領域２４のドリフト層２の裏面に接しているｐ^＋型のＩＧＢＴ裏面層２２と、ダイオード素子領域２６のドリフト層２の裏面に接しているｎ^＋型のダイオード裏面層１８を備えている。逆導通ＩＧＢＴ１００は、ドリフト層２の表面に接しているとともにＩＧＢＴ素子領域２４からダイオード素子領域２６に亘って伸びているｐ⁻型の表面層４を備えている。

逆導通ＩＧＢＴ１００は、表面層４の表面の少なくとも一部に形成されているｎ^＋型のｎ型高濃度領域１０ａ、１０ｂと、表面層４の表面に形成されているとともに左右をｎ型高濃度領域１０ａ、１０ｂに挟まれて形成されているｐ^＋型のｐ型高濃度領域１２を備えている。ｎ型高濃度領域１０ａ、１０ｂとｐ型高濃度領域１２の各々は、通常のＩＧＢＴにおけるエミッタ領域とボディコンタクト領域に相当する。逆導通ＩＧＢＴ１００は、半導体基板８の表面から表面層４を貫通してドリフト層２に達しているとともにＩＧＢＴ素子領域２４からダイオード素子領域２６に亘って繰返して形成されているトレンチゲート電極群６ａ、６ｂを備えている。

逆導通ＩＧＢＴ１００は、ｎ型高濃度領域１０ａ、１０ｂに接しているとともにトレンチゲート電極群６ａ、６ｂから絶縁されている表面電極１４と、ＩＧＢＴ裏面層２２とダイオード裏面層１８の裏面に連続して形成されている裏面電極２０を備えている。
逆導通ＩＧＢＴ１００は、表面層４の中間深さに形成されているとともに隣接するトレンチゲート電極６ａ、６ｂ間に亘って形成されているｎ^＋型のフローティング層１６を備えている。フローティング層１６は、トレンチゲート電極群６ａ、６ｂの外壁を覆うゲート絶縁膜９ａ、９ｂに接しているととともに表面層４の一部を介してドリフト層２から隔てられている。

次に、逆導通ＩＧＢＴ１００を駆動する方法を示す。
ＩＧＢＴ素子領域２４をオン状態に切換える際には、ＩＧＢＴ素子領域２４のトレンチゲート電極群６ａに正極性の電圧を印加する。このとき、ダイオード素子領域２６のトレンチゲート電極群６ｂにも正極性の電圧を印加してもよいし、ダイオード素子領域２６のトレンチゲート電極群６ｂには０ボルトの電圧を印加してもよい。また、ダイオード素子領域２６のトレンチゲート電極群６ｂに印加する電圧は、ＩＧＢＴ素子領域２４をオン状態に切換えるのと同時に印加しなくてもよい。ＩＧＢＴ素子領域２４のトレンチゲート電極群６ａに正極性の電圧が印加されると、ゲート絶縁膜９ａ近傍の表面層４がｎ型に反転し、ＩＧＢＴ素子領域２４では、裏面電極２２から表面電極１４に向かって電流が流れる。

ＩＧＢＴ素子領域２４をオフ状態に切換える際には、ダイオード素子領域２６のトレンチゲート電極群６ｂに負極性の電圧を印加する。このとき、ＩＧＢＴ素子領域２４のトレンチゲート電極群６ａにも負極性の電圧を印加してもよいし、ＩＧＢＴ素子領域２４のトレンチゲート電極群６ａには０ボルトの電圧を印加してもよい。ダイオード素子領域２６のトレンチゲート電極群６ｂに負極性の電圧が印加されると、ゲート絶縁膜９ｂ近傍のフローティング層１６がｐ型に反転する。その結果、表面層４とフローティング層１６の間で形成されている方向の異なる二つのダイオードの影響が解消され、表面層４からドリフト層２に向かうダイオードが駆動される。ダイオード素子領域２６では、表面電極１４から裏面電極２０に向かって電流が流れる。

逆導通ＩＧＢＴ１００では、フローティング層１６の上面１６ａ側だけでなく下面１６ｂ側にもｐ型の表面層４が存在しているため、フローティング層１６と表面層４の間で電界強度が高くなることがない。そのため、表面電極１４と裏面電極２０の間の耐圧が低下することがない。逆導通ＩＧＢＴ１００によると、耐圧を低下させることなくオン電圧を低減することができる。

（第２実施例）
図２に、第２実施例である半導体装置２００の断面図を示す。半導体装置２００は、第１実施例の逆導通ＩＧＢＴ１００と、ＩＧＢＴ素子領域２４のトレンチゲート電極群６ａとダイオード素子領域２６のトレンチゲート電極群６ｂに電気的に接続されている配線２８を備えている。半導体装置２００は、配線２８に接続されており、かつＩＧＢＴ素子領域２４のトレンチゲート電極群６ａとダイオード素子領域２６のトレンチゲート電極群６ｂの両者に、正極性と負極性の間で経時的に反転する電圧を印加するゲート電圧印加回路３０を備えている。

半導体装置２００では、ゲート電圧印加回路３０によって、ＩＧＢＴ素子領域２４のトレンチゲート電極群６ａとダイオード素子領域２６のトレンチゲート電極群６ｂの各々に、同極性の電圧が同時に印加される。ＩＧＢＴ素子領域２４のトレンチゲート電極群６ａとダイオード素子領域２６のトレンチゲート電極群６ｂの各々に正極性の電圧が印加されると、ゲート絶縁膜９ａ、９ｂ近傍の表面層４が反転し、ＩＧＢＴ素子領域２４がオン状態に切換えられる。ＩＧＢＴ素子領域２４のトレンチゲート電極群６ａとダイオード素子領域２６のトレンチゲート電極群６ｂの各々に負極性の電圧が印加されると、ＩＧＢＴ素子領域２４がオフ状態に切換えられる。ゲート絶縁膜９ａ、９ｂ近傍のフローティング層１６が反転し、ダイオード素子領域２６に電流が流れる。その結果、逆導通ＩＧＢＴであって、耐圧を低下させることなくオン電圧を低減することができる逆導通ＩＧＢＴ１００を駆動することができる。

（第３実施例）
図３（ａ）、（ｂ）に第３実施例であるインバータ回路３００の回路図を示す。インバータ回路３００は第２実施例の半導体装置２００を複数個備えている。インバータ回路３００は、モータ３６を制御することによって直流電源３２から交流電源を生成してモータ３６を駆動する。参照符号２００ａ〜２００ｄは第２実施例の半導体装置２００と同じ構造の半導体装置である。参照符号３４はコンデンサを示す。図３（ａ）は、半導体装置２００ａと半導体装置２００ｄのＩＧＢＴ素子領域がオンされており、半導体装置２００ｂと半導体装置２００ｃのＩＧＢＴ素子領域がオフされている状態を示す。この場合、モータ３６に矢印方向の電流Iが給電される。図３（ｂ）は、半導体装置２００ａがオンされており、半導体装置２００ｂと半導体装置２００ｃと半導体装置２００ｄのＩＧＢＴ素子領域がオフされている状態を示す。この場合、モータ３６に矢印方向の電流IIが給電される。なお、図３（ａ）、（ｂ）では半導体装置２００ａ〜２００ｄに形成されているゲート電圧印加回路３０は図示していない。

インバータ回路３００では、４個の半導体装置２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄの各々が、直流電源３２とモータ３６に対して直列に接続されている。
図３（ａ）の状態から図３（ｂ）の状態に切換えた時に、モータ３６に流れる電流が急激にゼロになると、モータ３６のインダクタンス成分によって高電圧が発生し、その高電圧が半導体装置２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄに作用して素子が破壊される可能性がある。図３（ａ）の状態から図３（ｂ）の状態に切換えた時に、半導体装置２００ｂのダイオード素子領域２６ｂのトレンチゲート電極群に負極性の電圧を印加することによって、ダイオード素子領域２６ｂにフリーホイール電流を流すことができる。その結果、図３（ｂ）の矢印に示すようにモータ３６に電流IIが流れ続け、半導体装置２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄに高電圧が作用することを防止することができる。さらに、半導体装置２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄの各々は、半導体素子内にフローティング層１６が形成されていることによってオン電圧が低減されるため、従来のインバータ回路に比べてスイッチングの高速化を実現することができる。

図４に、図３（ａ）、（ｂ）に示す状態が経時的に繰返される場合のタイミングチャートを示す。図のｘ方向は時間軸を示す。図３（ａ）で示す状態をＴ１とする。図３（ｂ）で示す状態をＴ２とする。参照符号Ｖａは、半導体装置２００ａのゲート電圧の経時変化を示す。参照符号Ｖｂは、半導体装置２００ｂのゲート電圧の経時変化を示す。参照符号Ｖｃは、半導体装置２００ｃのゲート電圧の経時変化を示す。参照符号Ｖｄは、半導体装置２００ｄのゲート電圧の経時変化を示す。参照符号Ｉｄは、半導体装置２００ｄのＩＧＢＴ素子領域２４ｄに流れるコレクタ電流の経時変化を示す。参照符号Ｉｂは、半導体装置２００ｂのダイオード素子領域２６ｂに流れるアノード電流の経時変化を示す。参照符号Ｉｅは、モータ３６に流れるモータ電流の経時変化を示す。

半導体装置２００ａと半導体装置２００ｄに正極性の電圧を印加すると、半導体装置２００ａのＩＧＢＴ素子領域２６ａと半導体装置２００ｄのＩＧＢＴ素子領域２４ｄがオンされ、コレクタ電流Ｉｄが緩やかに上昇する。Ｉｄの上昇に伴ってモータ電流が緩やかに上昇する（１回目のＴ１）。
半導体装置２００ｄをオフ状態に切換えると、半導体装置２００ｂと半導体装置２００ｂに還元電流が流れる。半導体装置２００ｂには負極性の電圧Ｖｂが印加されているため、半導体装置２００ｂのダイオード素子領域２６ｂに電流Ｉｂが流れる。そのため、モータ電流Ｉｅはゼロにはならず、流れ続ける（１回目のＴ２）。

半導体装置２００ｄに再び正極性の電圧Ｖｄを印加すると、半導体装置２００ｄのＩＧＢＴ素子領域２４ｄがオンされる。ダイオード素子領域２６ｂに流れていた電流がＩＧＢＴ素子領域２４ｄに流れるため、ＩＧＢＴ素子領域２６ｄに流れる電流Ｉｄの立ち上がりが早い。電流Ｉｄが流れることによって、モータ電流Ｉｅはさらに上昇する（２回目のＴ１）。
半導体装置２００ｄを再びオフ状態に切換えると、再びダイオード素子領域２６ｂに電流Ｉｂが流れる。そのため、モータ電流Ｉｅはゼロにはならず、流れ続ける（２回目のＴ２）。半導体装置２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄの各々は、半導体素子内にフローティング層１６が形成されていることによってオン電圧が低減されるため、従来のインバータ回路に比べてスイッチングの高速化を実現することができる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

第１実施例である逆導通ＩＧＢＴ１００の断面図を示す。第２実施例である半導体装置２００の断面図を示す。（ａ）、（ｂ）は、第３実施例であるインバータ回路３００の回路図を示す。インバータ回路３００の駆動時のタイミングチャートを示す従来の逆導通ＩＧＢＴ４００の断面図を示す。

符号の説明

２、５２：ドリフト層
４、５４：表面層
６ａ、６ｂ、５６ａ、５６ｂ：トレンチゲート電極
８．５８：半導体基板
９ａ、９ｂ、５９ａ、５９ｂ：ゲート絶縁膜
１０ａ、１０ｂ、６０ａ、６０ｂ：ｎ型高濃度領域（エミッタ領域）
１２、６２：ｐ型高濃度領域（ボディコンタクト領域）
１４、６４：表面電極（エミッタ電極）
１６：フローティング層
１６ａ：フローティング層１６の上面
１６ｂ：フローティング層１６の下面
１８、６８：ダイオード裏面層（カソード層）
２０、７０：裏面電極（コレクタ電極）
２２、７２：ＩＧＢＴ裏面層（コレクタ層）
２４、７４：ＩＧＢＴ素子領域
２６、７６：ダイオード素子領域
２８：配線
３０：ゲート印加回路
３２：直流電源
３４：コンデンサ
３６：モータ
６６：第２ドリフト層
１００、４００：逆導通ＩＧＢＴ
２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ：半導体装置
３００：インバータ回路

Claims

同一の半導体基板にＩＧＢＴ素子領域とダイオード素子領域が混在している半導体素子であり、
前記半導体基板の中間深さを前記ＩＧＢＴ素子領域から前記ダイオード素子領域に亘って伸びている第１導電型のドリフト層と、
前記ＩＧＢＴ素子領域の前記ドリフト層の裏面に接している第２導電型のＩＧＢＴ裏面層と、
前記ダイオード素子領域の前記ドリフト層の裏面に接している第１導電型のダイオード裏面層と、
前記ドリフト層の表面に接しているとともに前記ＩＧＢＴ素子領域から前記ダイオード素子領域に亘って伸びている第２導電型の表面層と、
前記半導体基板の表面から前記表面層を貫通して前記ドリフト層に達しているとともに前記ＩＧＢＴ素子領域から前記ダイオード素子領域に亘って繰返して形成されているトレンチゲート電極群と、
前記表面層の表面の少なくとも一部に形成されており、前記トレンチゲート電極の外壁を覆うゲート絶縁膜に接しており、前記ＩＧＢＴ素子領域と前記ダイオード素子領域の両者に形成されている第１導電型の高濃度領域と、
前記表面層の中間深さに形成されており、前記ＩＧＢＴ素子領域と前記ダイオード素子領域の両者に亘って形成されているとともに、隣接するトレンチゲート電極間に亘って形成されており、表面と裏面とがいずれも前記表面層と接している第１導電型のフローティング層を備えていることを特徴とする半導体素子。
請求項１の半導体素子と、
前記ＩＧＢＴ素子領域のトレンチゲート電極群と前記ダイオード素子領域のトレンチゲート電極群の両者に電気的に接続されている配線と、
その配線に接続されており、前記ＩＧＢＴ素子領域のトレンチゲート電極群と前記ダイオード素子領域のトレンチゲート電極群の両者に、第１極性と第２極性の間で経時的に反転する電圧を印加するゲート電圧印加回路を備えていることを特徴とする半導体装置。
請求項１の半導体素子又は請求項２の半導体装置を駆動する方法であり、
前記ＩＧＢＴ素子領域をオン状態に切換える際には、少なくとも前記ＩＧＢＴ素子領域のトレンチゲート電極群に第１極性の電圧を印加し、
前記ＩＧＢＴ素子領域をオフ状態に切換える際には、少なくとも前記ダイオード素子領域のトレンチゲート電極群に第２極性の電圧を印加することを特徴とする駆動方法。