JP5017850B2 - 電力用半導体装置およびそれを用いた電力変換装置 - Google Patents
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Description
Claims (14)
- 一対の主表面を有する半導体基体と、
前記半導体基体の一方の主表面に隣接し、前記半導体基体内に位置する第1導電形の第1の半導体領域と、
前記第1の半導体領域と隣接し、第1の半導体領域のキャリア濃度より低いキャリア濃度を有する第2導電形の第2の半導体領域と、
前記半導体基体の他方の主表面から前記第2の半導体領域内に伸びる、異なる第1及び第2の間隔で配置された複数個のMOS形トレンチゲートと、
該MOS形トレンチゲート間にあって、前記第2の半導体領域のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第1導電形の第3の半導体領域と、
隣り合う間隔が狭いMOS形トレンチゲート間にあって、前記第3の半導体領域内に位置するとともに前記MOS形トレンチゲートに接し、前記第3の半導体領域のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第2導電形の第4の半導体領域と、
隣り合う間隔が広いMOS形トレンチゲート間にあって、前記第3の半導体領域内に位置するとともに前記MOS形トレンチゲートに接し、第3の半導体領域のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第2導電形の第5の半導体領域と、
隣り合う間隔が狭いMOS形トレンチゲート間において前記第3の半導体領域と第4の半導体領域に接触する第1の電極と、
前記第1の半導体領域に接触する第2の電極とを有し、
前記第4の半導体領域を含む隣り合うトレンチゲート間の幅Xと、前記第5の半導体領域を含む隣り合うトレンチゲート間の幅Yの比Y/Xが2以上であり、
前記MOS形トレンチゲートと前記第1の電極の間に電圧が加わるとIGBTとして導通状態となり、前記導通状態において、前記隣り合う間隔が広い前記MOS形トレンチゲート間で前記第5の半導体領域から前記第3の半導体領域を通って前記第2の半導体領域に流れる漏れ電流を、前記第1の半導体領域と前記第2の半導体領域と前記隣り合う間隔が広い前記MOS形トレンチゲート間にある前記第3の半導体領域及び第5の半導体領域からなるサイリスタの保持電流以下とすることによって、前記サイリスタがラッチアップしないことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記第2の半導体領域が、第1の半導体領域と隣接するかわりに、
前記第1の半導体領域と前記第2の半導体領域の間にあって、前記第1の半導体領域のキャリア濃度より低く前記第2の半導体領域のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第2導電形の第6の半導体領域を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項2に記載の半導体装置において、
前記第1の半導体領域のキャリア濃度の最大値が、前記第6の半導体領域のキャリア濃度の最大値の10倍乃至100倍であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項2に記載の半導体装置において、
前記第2の半導体領域が第6の半導体領域と隣接するかわりに、
前記第2の半導体領域と前記第6の半導体領域の間にあって、前記第2の半導体領域のキャリア濃度より高く前記第6の半導体領域のキャリア濃度より低いキャリア濃度を有する第2導電形の第7の半導体領域を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記隣り合う間隔が狭いMOS形トレンチゲート間にあって、前記第2の半導体領域と前記第3の半導体領域の間に位置するとともに前記MOS形トレンチゲートに接し、前記第2の半導体領域のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第2導電形の第8の半導体領域を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記隣り合う間隔が広いMOS形トレンチゲート間にあって、前記第3の半導体領域が、直接あるいは抵抗を介して前記第1の電極と接触することを特徴とする半導体装置。 - 一対の主表面を有する半導体基体と、
前記半導体基体の一方の主表面に隣接し前記半導体基体内に位置する第1導電形の第1の半導体領域と、
前記第1の半導体領域と隣接し第1の半導体領域のキャリア濃度より低いキャリア濃度を有する第2導電形の第2の半導体領域と、
前記半導体基体の他方の主表面から前記第2の半導体領域内に伸びる、異なる第1及び第2の間隔を有する複数個のMOS形トレンチゲートと、
該MOS形トレンチゲート間にあって、前記第2の半導体領域のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第1導電形の第3の半導体領域と、
隣り合う間隔が狭いMOS形トレンチゲート間にあって、前記第3の半導体領域内に位置するとともに前記MOS形トレンチゲートに接し、前記第3の半導体領域のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第2導電形の第4の半導体領域と、
隣り合う間隔が広いMOS形トレンチゲート間にあって、前記第3の半導体領域内に位置するとともに前記MOS形トレンチゲートに接し、前記第3の半導体領域のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第2導電形の第5の半導体領域と、
隣り合う間隔が広いMOS形トレンチゲート間にあって、前記第3の半導体領域と前記第5の半導体領域内の間に位置し、前記第3の半導体領域のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第1導電形の第6の半導体領域と、
隣り合う間隔が狭いMOS形トレンチゲート間において、前記第3の半導体領域と第4の半導体領域に接触する第1の電極と、前記第1の半導体領域に接触する第2の電極とを有し、
前記第4の半導体領域を含む隣り合うトレンチゲート間の幅Xと、前記第5の半導体領域を含む隣り合うトレンチゲート間の幅Yの比Y/Xが2以上であり、
前記MOS形トレンチゲートと前記第1の電極の間に電圧が加わるとIGBTとして導通状態となり、前記導通状態において、前記隣り合う間隔が広い前記MOS形トレンチゲート間で前記第5の半導体領域から前記第3の半導体領域を通って前記第2の半導体領域に流れる漏れ電流を、前記第1の半導体領域と前記第2の半導体領域と前記隣り合う間隔が広い前記MOS形トレンチゲート間にある前記第3の半導体領域及び第5の半導体領域からなるサイリスタの保持電流以下とすることによって、前記サイリスタがラッチアップしないことを特徴とする半導体装置。 - 請求項7に記載の半導体装置において、
前記第2の半導体領域が第1の半導体領域と隣接するかわりに、
前記第1の半導体領域と前記第2の半導体領域の間にあって、前記第1の半導体領域のキャリア濃度より低く前記第2の半導体領域のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第2導電形の第7の半導体領域を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項8に記載の半導体装置において、
前記第1の半導体領域のキャリア濃度の最大値が、前記第7の半導体領域のキャリア濃度の最大値の10倍乃至100倍であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項8に記載の半導体装置において、
前記第2の半導体領域が第7の半導体領域と隣接するかわりに、
前記第2の半導体領域と前記第7の半導体領域の間にあって、前記第2の半導体領域のキャリア濃度より高く前記第7の半導体領域のキャリア濃度より低いキャリア濃度を有する第2導電形の第8の半導体領域を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項7に記載の半導体装置において、
隣り合う間隔が狭いMOS形トレンチゲート間にあって、前記第2の半導体領域と前記第3の半導体領域内に間に位置するとともに前記MOS形トレンチゲートに接し、第2の半導体領域のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第2導電形の第9の半導体領域を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項7に記載の半導体装置において、
隣り合う間隔が広いMOS形トレンチゲート間にあって、前記第3の半導体領域は、直接あるいは抵抗を介して第1の電極と接触することを特徴とする半導体装置。 - 一対の直流端子と、交流の相数と同数の交流端子と、一対の直流端子間に接続されそれぞれスイッチング素子と逆極性のダイオードの並列回路を2個直列接続した構成からなり、並列回路の相互接続点が異なる交流端子に接続された交流の相数と同数の電力変換単位とを具備した電力変換装置において、
前記スイッチング素子が、
一対の主表面を有する半導体基体と、
前記半導体基体の一方の主表面に隣接し、前記半導体基体内に位置する第1導電形の第1の半導体領域と、
前記第1の半導体領域と隣接し、第1の半導体領域のキャリア濃度より低いキャリア濃度を有する第2導電形の第2の半導体領域と、
前記半導体基体の他方の主表面から前記第2の半導体領域内に伸びる、異なる第1及び第2の間隔で配置された複数個のMOS形トレンチゲートと、
該MOS形トレンチゲート間にあって、前記第2の半導体領域のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第1導電形の第3の半導体領域と、
隣り合う間隔が狭いMOS形トレンチゲート間にあって、前記第3の半導体領域内に位置するとともに前記MOS形トレンチゲートに接し、前記第3の半導体領域のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第2導電形の第4の半導体領域と、
隣り合う間隔が広いMOS形トレンチゲート間にあって、前記第3の半導体領域内に位置するとともに前記MOS形トレンチゲートに接し、第3の半導体領域のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第2導電形の第5の半導体領域と、
隣り合う間隔が狭いMOS形トレンチゲート間において前記第3の半導体領域と第4の半導体領域に接触する第1の電極と、
前記第1の半導体領域に接触する第2の電極とを有し、
前記第4の半導体領域を含む隣り合うトレンチゲート間の幅Xと、前記第5の半導体領域を含む隣り合うトレンチゲート間の幅Yの比Y/Xが2以上であり、
前記MOS形トレンチゲートと前記第1の電極の間に電圧が加わるとIGBTとして導
通状態となり、前記導通状態において、前記隣り合う間隔が広い前記MOS形トレンチゲート間で前記第5の半導体領域から前記第3の半導体領域を通って前記第2の半導体領域に流れる漏れ電流を、前記第1の半導体領域と前記第2の半導体領域と前記隣り合う間隔が広い前記MOS形トレンチゲート間にある前記第3の半導体領域及び第5の半導体領域からなるサイリスタの保持電流以下とすることによって、前記サイリスタがラッチアップしないことを特徴とする電力変換装置。 - 一対の直流端子と、交流の相数と同数の交流端子と、一対の直流端子間に接続されそれぞれスイッチング素子と逆極性のダイオードの並列回路を2個直列接続した構成からなり、並列回路の相互接続点が異なる交流端子に接続された交流の相数と同数の電力変換単位とを具備した電力変換装置において、
前記スイッチング素子が、
一対の主表面を有する半導体基体と、
前記半導体基体の一方の主表面に隣接し前記半導体基体内に位置する第1導電形の第1の半導体領域と、
前記第1の半導体領域と隣接し第1の半導体領域のキャリア濃度より低いキャリア濃度を有する第2導電形の第2の半導体領域と、
前記他方の主表面から前記第2の半導体領域内に伸びる、異なる第1及び第2の間隔を有する複数個のMOS形トレンチゲートと、
該MOS形トレンチゲート間にあって、前記第2の半導体領域のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第1導電形の第3の半導体領域と、
隣り合う間隔が狭いMOS形トレンチゲート間にあって、前記第3の半導体領域内に位置するとともに前記MOS形トレンチゲートに接し第3の半導体領域のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第2導電形の第4の半導体領域と、
隣り合う間隔が広いMOS形トレンチゲート間にあって、前記第3の半導体領域内に位置するとともに前記MOS形トレンチゲートに接し第3の半導体領域のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第2導電形の第5の半導体領域と、
隣り合う間隔が広いMOS形トレンチゲート間にあって、前記第3の半導体領域と前記第5の半導体領域内の間に位置し第3の半導体領域のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第1導電形の第6の半導体領域と、
隣り合う間隔が狭いMOS形トレンチゲート間において前記第3の半導体領域と第4の半導体領域に接触する第1の電極と、前記第1の半導体領域に接触する第2の電極とを有し、
前記第4の半導体領域を含む隣り合うトレンチゲート間の幅Xと、前記第5の半導体領域を含む隣り合うトレンチゲート間の幅Yの比Y/Xが2以上であり、
前記MOS形トレンチゲートと前記第1の電極の間に電圧が加わるとIGBTとして導通状態となり、前記導通状態において、前記隣り合う間隔が広い前記MOS形トレンチゲート間で前記第5の半導体領域から前記第3の半導体領域を通って前記第2の半導体領域に流れる漏れ電流を、前記第1の半導体領域と前記第2の半導体領域と前記隣り合う間隔が広い前記MOS形トレンチゲート間にある前記第3の半導体領域及び第5の半導体領域からなるサイリスタの保持電流以下とすることによって、前記サイリスタがラッチアップしないことを特徴とする電力変換装置。
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