JP5758365B2 - 電力用半導体素子 - Google Patents
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Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1(a)及び図1(b)は、第1の実施形態に係る電力用半導体素子の構成を例示する模式図である。
図2は、第1の実施形態に係る電力用半導体素子の構成を例示する模式的平面図である。
図1(a)は、MOSFET110(電力用半導体素子)の構成を例示する模式的断面図であり、図2のA1−A2線断面を表す。図1(b)は、MOSFET110における不純物の濃度プロファイルを表すグラフ図である。
図1(a)に表したように、MOSFET110は、ドレイン電極11(第1電極)と、ソース電極12(第2電極)と、センス電極13(第3電極)と、ゲート電極14(第4電極)と、センス用ゲート電極15(第5電極)と、n+ドレイン層21(第1半導体層)と、ドリフト層22(第2半導体層)と、ゲート絶縁膜31と、センス用ゲート絶縁膜32と、を備える。MOSFET110は、プレナーゲート型構造である。MOSFET110では、センス電極13により、ドレイン−ソース間に流れる電流を検知することができる。
ここで、n+ドレイン層21とドリフト層22との積層方向をZ軸方向とする。Z軸方向に対して垂直な1つの方向をX軸方向とする。Z軸方向及びX軸方向に対して垂直な方向をY軸方向とする。この例では、第1方向はX軸方向である。第1方向は、Z軸方向に対して垂直な任意の方向でよい。
ゲート電極16は、ソース電極12とドリフト層22との間に設けられる。ゲート電極16は、nピラー層53の上、pベース層54の上、及び、nソース層55の上に配置される。ゲート電極16は、ゲート電極14と電気的に接続される。
図1(b)は、ドリフト層22の複数のnピラー層(41、43、45、51、53)及び複数のpピラー層(42、44、46、52)のそれぞれにおける不純物の濃度を表す。MOSFET110においては、複数のnピラー層NPにおける不純物の濃度は、Z軸方向に沿って実質的に一定であり、同様に、複数のpピラー層PPにおける不純物の濃度は、Z軸方向に沿って実質的に一定である。
MOSFET110を動作させる場合には、例えば、ドレイン電極11にプラスの電圧を印加し、ソース電極12を接地し、ゲート電極14及びゲート電極16にプラスの電圧を印加する。これにより、ドレイン電極11とソース電極12との間に電流が流れる。ドレイン電極11、ソース電極12、ゲート電極14及びゲート電極16に電圧を印加すると、pベース層49のうちのゲート絶縁膜31に近接する領域、及び、pベース層54のうちのゲート絶縁膜31及びゲート絶縁膜33に近接する領域に、反転チャネルが形成される。電流は、例えば、ドレイン電極11から、n+ドレイン層21、nピラー層41、nピラー層53、反転チャネル、nソース層50、nソース層55、及び、nソース層56を経由して、ソース電極12に流れる。
センス電極13を含むMOSFETおいて、センス比は、例えば、ドレイン電極11とソース電極12との間の抵抗と、ドレイン電極11とセンス電極13との間の抵抗と、の抵抗比によって決まる。抵抗比は、例えば、ソース電極12の面積とセンス電極13の面積との面積比によって決まる。さらに、メインセル部4の電流経路とセンス部5の電流経路で電流の広がり方が異なると、抵抗の温度係数が異なり、センス比に温度依存性が発生してしまう。これにより、電流の検出感度が低くなってしまう。
図3(a)及び図3(b)は、第1の実施形態に係る変形例の電力用半導体素子の構成を例示する模式図である。
図3(a)は、MOSFET111の構成を例示する模式的断面図である。図3(b)は、MOSFET111における不純物の濃度プロファイルを表すグラフ図である。
図3(a)に表したように、MOSFET111のドリフト層22は、nピラー層60と、pピラー層61と、nピラー層62と、pピラー層63と、をさらに含む。
次に、第2の実施形態について説明する。
図4(a)及び図4(b)、並びに、図5(a)及び図5(b)は、第2の実施形態に係る電力用半導体素子の構成を例示する模式図である。
図4(a)は、本実施形態に係るMOSFET120の構成を例示する模式的断面図であり、図5(a)のB1−B2線断面を表す。図4(b)は、MOSFET120における不純物の濃度プロファイルを表すグラフ図である。図5(a)は、本実施形態に係るMOSFET120の構成を例示する模式的平面図である。図5(b)は、MOSFET120における不純物の濃度プロファイルを表すグラフ図である。
図5(b)は、ドリフト層22の不純物の濃度を表す。
図5(b)に表したように、ドリフト層22においては、第3部分22cにおけるnピラー層41、pピラー層42、nピラー層43、pピラー層44、nピラー層45及びpピラー層46の不純物の濃度が、第1部分22aにおけるnピラー層41、pピラー層42、nピラー層43、pピラー層44、nピラー層45及びpピラー層46の不純物の濃度よりも低く、第2部分22bにおけるnピラー層41、pピラー層42、nピラー層43、pピラー層44、nピラー層45及びpピラー層46の不純物の濃度よりも低い。ドリフト層22においては、第3部分22cにおけるnピラー層71、pピラー層72、nピラー層73、pピラー層74、nピラー層75及びpピラー層76の不純物の濃度が、第1部分22aにおけるnピラー層71、pピラー層72、nピラー層73、pピラー層74、nピラー層75及びpピラー層76の不純物の濃度よりも低く、第2部分22bにおけるnピラー層71、pピラー層72、nピラー層73、pピラー層74、nピラー層75及びpピラー層76の不純物の濃度よりも低い。また、ドリフト層22においては、第3部分22cにおけるnピラー層51が、第1部分22aにおけるnピラー層51の不純物の濃度よりも低く、第2部分22bにおけるnピラー層51の不純物の濃度よりも低い。
MOSFET120では、ドリフト層22の複数のnピラー層と複数のpピラー層とが、それぞれY軸方向に延び、ストライプ状に配置される。ドリフト層22において、電流は、主にnピラー層を流れる。このため、MOSFET120では、メインセル部4とセンス部5との間のX軸方向の電流の広がりをより適切に抑えることができる。MOSFET120においても、安定したセンス比の電力用半導体素子を提供することができる。
次に、第3の実施形態について説明する。
図6は、第3の実施形態に係る電力用半導体素子の構成を例示する模式的平面図である。
図6に表したように、MOSFET130においては、ゲート電極14が、X軸方向に延びる複数の第1線状部81と、Y軸方向に延びる複数の第2線状部82と、を含むメッシュ状である。この例においては、4つの第2線状部82a〜82dが設けられる。第2線状部82aは、例えば、nピラー層53の上に設けられる。第2線状部82bは、例えば、nピラー層41の上に設けられる。第2線状部82cは、例えば、nピラー層71の上に設けられる。第2線状部82dは、例えば、nピラー層79の上に設けられる。
センス電極13で電流を検知する場合、センス抵抗での電圧降下の分だけ、センス電極13とセンス用ゲート電極15との間の電圧が低下する。すなわち、センス用ゲート電極15に印加されるゲート電圧が、ゲート電極14に印加されるゲート電圧よりも低くなる。ゲート電極14のゲート電圧とセンス用ゲート電極15のゲート電圧との違いは、チャネル抵抗の違いとなる。ゲート電圧を印加している静的な状態では、電流の流れる経路全体の抵抗に対するチャネル抵抗の占める割合が小さい。このため、ゲート電圧を印加している静的な状態では、ゲート電圧の違いは、センス比にあまり影響を与えない。
図7は、第3の実施形態に係る変形例の電力用半導体素子の構成を例示する模式図である。
図7に表したように、MOSFET131においては、ゲート電極14及びゲート電極16が、Y軸方向に延びる線状である。MOSFET131には、ゲート電極85及びゲート電極86が設けられる。ゲート電極85は、Y軸方向に延びる線状であり、例えば、nピラー層71の上に設けられる。ゲート電極86は、Y軸方向に延びる線状であり、例えば、nピラー層79の上に設けられる。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (10)
- 第1電極と、
前記第1電極の上に設けられ、前記第1電極と電気的に接続された第1半導体層と、
前記第1半導体層の上に設けられた第2半導体層と、
前記第2半導体層に設けられ、前記第1半導体層と前記第2半導体層との積層方向に対して垂直な第1方向に並べられた第1導電形の複数の第1ピラー層と、
前記第2半導体層の上に設けられた第2導電形の第3半導体層と、
前記第2半導体層の上に設けられ、前記第3半導体層とは離間している第2導電形の第4半導体層と、
前記第3半導体層の上に設けられた第1導電形の第5半導体層と、
前記第4半導体層の上に設けられた第1導電形の第6半導体層と、
前記第3半導体層及び前記第5半導体層と電気的に接続された第2電極と、
前記第2電極と離間し、前記第4半導体層及び前記第6半導体層と電気的に接続された第3電極と、
前記第3半導体層、前記第5半導体層、及び前記第3半導体層に隣接する前記第1ピラー層の上に、絶縁膜を介して設けられた第4電極と、
前記第4半導体層、前記第6半導体層、及び前記第4半導体層に隣接する前記第1ピラー層の上に、絶縁膜を介して設けられた第5電極と、
を備え、
前記第1電極と前記第4電極との間の領域がメインセル部であり、
前記第1電極と前記第5電極との間の領域がセンス部であり、
前記メインセル部に位置する前記第1ピラー層と、前記センス部に位置する前記第1ピラー層と、の間に位置する前記第1ピラー層の不純物の濃度は、前記メインセル部に位置する前記第1ピラー層の不純物の濃度、及び、前記センス部に位置する前記第1ピラー層の不純物の濃度よりも低い電力用半導体素子。 - 前記複数の第1ピラー層のそれぞれの間に設けられた第2導電形の複数の第2ピラー層をさらに備え、
前記メインセル部に位置する前記第1ピラー層と、前記センス部に位置する前記第1ピラー層と、の間に位置する前記第2ピラー層の不純物の濃度は、前記メインセル部に位置する前記第1ピラー層と、前記センス部に位置する前記第1ピラー層と、の前記間以外に位置する前記第2ピラー層の不純物の濃度よりも低い請求項1記載の電力用半導体素子。 - 前記第3半導体層の前記第1方向の幅の中心は、前記第5半導体層と前記第6半導体層との間に設けられる請求項1または2に記載の電力用半導体素子。
- 前記第3半導体層は、前記積層方向を軸として前記第4半導体層を囲み、
前記第2電極は、前記積層方向を軸として前記第3電極を囲む請求項1〜3のいずれか1つに記載の電力用半導体素子。 - 前記複数の第1ピラー層は、前記積層方向及び前記第1方向に対して垂直な第2方向に延びる請求項1〜3のいずれか1つに記載の電力用半導体素子。
- 前記第3電極の前記第2方向に沿う長さは、前記第3電極の前記第1方向に沿う長さよりも長い請求項5記載の電力用半導体素子。
- 前記第2半導体層は、前記第1電極と前記第3電極との間の第1部分と、前記第1電極と前記第2電極との間の第2部分と、前記第2方向において前記第1部分と前記第2部分との間の第3部分とを含み、
前記第3部分における前記複数の第1ピラー層の不純物の濃度は、前記第1部分における前記複数の第1ピラー層の不純物の濃度及び前記第2部分における前記複数の第1ピラー層の不純物の濃度よりも低い請求項5または6に記載の電力用半導体素子。 - 前記第4電極の面積は、前記第5電極の面積よりも大きく、
前記第4電極の寄生容量は、前記第5電極の寄生容量よりも大きい請求項1〜7のいずれか1つに記載の電力用半導体素子。 - 前記第4電極は、メッシュ状であり、
前記第5電極は、線状である請求項8記載の電力用半導体素子。 - 前記第4電極及び前記第5電極は、前記積層方向及び前記第1方向に対して垂直な第2方向に延び、
前記第4電極の前記第1方向に沿う長さは、前記第5電極の前記第1方向に沿う長さよりも長い請求項8記載の電力用半導体素子。
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