JP6048003B2 - Ｉｇｂｔとダイオードが同一半導体基板に形成されている半導体装置 - Google Patents

Description

本明細書では、ＩＧＢＴとして機能する半導体構造とダイオードとして機能する半導体構造が、同一半導体基板に作りこまれている半導体装置を開示する。

インバータ回路をＩＧＢＴで実現する技術が普及している。ＩＧＢＴでインバータ回路を構成する場合、ＩＧＢＴと並列にフリーホイールダイオードを接続する必要がある。
特許文献１に、ＩＧＢＴとして機能する半導体構造とダイオードとして機能する半導体構造を同一半導体基板に作りこんだ半導体装置（本明細書では逆導通ＩＧＢＴという）が開示されている。

図４は、６個の逆導通ＩＧＢＴを用いて構成した３相インバータ回路を示している。図５は、６個のＩＧＢＴのゲートに印加する６種類のゲート電圧の時間変化を示している。図５の時刻ｔ１では、ｕ相上段のＩＧＢＴとｖ相上段のＩＧＢＴとｗ相下段のＩＧＢＴが導通しており、図４の実線に示すように電流が流れている。
図５の時刻ｔ２は、ｕ相上段のＩＧＢＴがオフした直後のタイミングを示しており、ｖ相上段のＩＧＢＴとｗ相下段のＩＧＢＴとｕ相下段のＩＧＢＴをオンさせるゲート電圧が印加されている。
ｕ相上段のＩＧＢＴがオフした直後の時刻ｔ２では、インダクタンス成分を備えている負荷に流れている電流が流れ続け、図４の二重矢印に示す電流（いわゆる還流）が流れ続ける。ＩＧＢＴと並列に接続されているダイオードがフリーホイールダイオードとして機能する。

例えば図５の時刻ｔ２では、図４の二重矢印に示すようにｗ相下段の逆導通ＩＧＢＴとｕ相下段の逆導通ＩＧＢＴに還流が流れる。そのとき、通常のインバータ装置であれば、還流が流れるｗ相下段のＩＧＢＴとｕ相下段のＩＧＢＴに、ＩＧＢＴをオンさせるゲート電圧が印加される。

図３は、従来の逆導通ＩＧＢＴの断面図を示している。図３は、ダイオードに還流電流が流れる場合のキャリアの移動を示している。ダイオードに還流電流が流れる場合、逆導通ＩＧＢＴ３０の表面電極４２の電位が裏面電極５４の電位よりも高く、電子がカソード領域５２から表面電極４２に向けて流れる。図３の黒丸が電子を示している。

ＩＧＢＴとして機能する半導体構造とダイオードとして機能する半導体構造が同一半導体基板に作りこまれている（本明細書でいう逆導通ＩＧＢＴ）場合、ゲート電極にゲートオン電圧が印加されている状態でダイオードの順方向に電流が流れる場合には、ダイオードの抵抗値が高いという問題が生じる。すなわち、図３に示すように、カソード領域５２から表面電極４２に向かう電子は、ゲート電極３６に沿って形成された電子の高濃度領域４４ａを流れ、エミッタ領域３２から表面電極４２に排出される。そのために、ボディ領域４４からドリフト領域４６に正孔が注入されない。ゲート電極３６にゲートオン電圧が印加されていると、伝導度変調現象が生じず、ユニポーラ現象しか生じない。そのために図６に示すダイオードの順方向電圧と順方向電流の関係を示す図において、グラフ６２に示す特性しか得られない。ダイオードが低抵抗となって大電流が流れるグラフ６４に示す特性が得られない。逆導通ＩＧＢＴの場合、ゲート電極にゲートオン電圧が印加されている状態で還流が流れる場合には、フリーホイールダイオードの抵抗が十分に下がらないという問題が生じる。

そこで特許文献１の技術では、フリーホイールダイオードに還流電流が流れている間はゲート電極３６に印加する電圧をゼロとし、電子がボディ領域４４に注入され、それと同時に正孔がボディ領域４４からドリフト領域４６に注入され、ドリフト領域４６で伝導度変調現象を発生させ、図６のグラフ６４に示す特性を得る技術が採用されている。

特許文献１の技術では、図７に示すように、フリーホイールダイオード７４と並列に接続されている電流検出用ダイオード７６と、電流検出装置７８を付加している。電流検出用ダイオード７６には、フリーホイールダイオード７４を流れる電流に比例する電流が流れる。電流検出装置７８は、フリーホイールダイオード７４に順方向電流が流れている間はロー電圧を出力し、ダイオード７４に順方向電流が流れなくなくなるとハイ電圧を出力する。特許文献１の技術では、アンド回路８０を利用する。アンド回路８０は、ゲート電圧と電流検出装置７８の出力電圧を入力し、両者がともにハイ電圧である間はハイ電圧を出力する。アンド回路８０の出力電圧がＩＧＢＴ７２のゲート電極に印加される。

図７の改良が付加されていれば、フリーホイールダイオード７４に順方向電流が流れている間は電流検出装置７８がロー電圧を出力し、アンド回路８０がロー電圧を出力する。フリーホイールダイオード７４に還流電流が流れている間は、ＩＧＢＴ７２のゲート電極に印加する電圧をゼロとする。この状態に調整すれば、電子がボディ領域４４に注入されるのと同時に正孔がボディ領域４４からドリフト領域４６に注入され、ドリフト領域４６で伝導度変調現象が発生し、図６のグラフ６４に示す特性が得られる。フリーホイールダイオード７４に還流電流が流れなくなると、電流検出装置７８がハイ電圧を出力し、アンド回路８０がゲート電圧を伝達する。ＩＧＢＴの７２の導通状態がゲート電圧で制御されるようになる。図５の破線５８で示す一時的なオフ状態は、フリーホイールダイオード７４に還流電流が流れている間、アンド回路８０がロー電圧を出力することを示している。

特開２００９−２６８０５４号公報

従来の技術は、フリーホイールダイオード７４の特性を改善するために、電流検出用ダイオード７６と電流検出装置７８とアンド回路８０を必要とする。
本明細書では、フリーホイールダイオード７４の特性を改善するために、電流検出用ダイオード７６と電流検出装置７８とアンド回路８０を必要としない技術を開示する。

本明細書では、ＩＧＢＴとして機能する半導体構造とダイオードとして機能する半導体構造が、同一半導体基板に作りこまれている半導体装置を開示する。本明細書で開示する半導体装置は、エミッタ領域に導通するエミッタ電極と、ボディコンタクト領域に導通するコンタクト電極に分離し、両者を絶縁しておく。この半導体装置は、エミッタ電極とコンタクト電極を整流素子を介して接続して使用する。整流素子は、エミッタ電極からコンタクト電極に向かう向きが順方向となる向きに挿入する。

上記の逆導通ＩＧＢＴの場合、ダイオードに還流電流が流れてフリーホイールダイオードとして機能する場合、ゲート電極にオン電圧が印加されていても、整流素子の整流作用によって、電子がエミッタ領域に注入されることがなく、ボディ領域に注入される。この結果、ボディ領域からドリフト領域に正孔が注入され、ドリフト領域で伝導度変調現象が生じる。ダイオードに還流電流が流れてフリーホイールダイオードとして機能する際の抵抗が十分に低下する。還流電流が減少すると、ＩＧＢＴがオンしているのでＩＧＢＴに順方向の電流が流れる。インバータ装置が負荷に交流を印加する作用は確保される。

上記の半導体装置は、半導体基板外でエミッタ電極とコンタクト電極を整流素子を介して接続してもよい。あるいは、その整流素子を半導体基板内に作りこんでおいてもよい。

本明細書に開示されている技術によると、ＩＧＢＴとして機能する半導体構造とダイオードとして機能する半導体構造が同一半導体基板に作りこまれている逆導通ＩＧＢＴにおいて、ゲート電圧をオフしなくても、ダイオードに還流電流が流れてフリーホイールダイオードとして機能する際には伝導度変調現象が生じて抵抗が十分に低下する。従来の技術によると必要とされる、ダイオードに還流電流が流れる間はゲート電圧をオフする回路を省略することができる。

実施例の逆導通ＩＧＢＴの断面図において、ダイオードに電流が流れる場合のキャリアの移動を模式的に示す。 実施例の逆導通ＩＧＢＴの断面図において、ＩＧＢＴに電流が流れる場合のキャリアの移動を模式的に示す。 従来の逆導通ＩＧＢＴの断面図において、ゲート電極にオン電圧が印加された状態でダイオードに電流が流れる場合のキャリアの移動を模式的に示す。 逆導通ＩＧＢＴで構成したインバータの回路を示す。 インバータを構成する逆導通ＩＧＢＴのゲート電極に印加するゲート電圧の時間変化を示す。 ダイオードの電圧・電流特性を示す 従来の逆導通ＩＧＢＴのダイオードがフリーホイールダイオードとして機能するときの特性を改善するための回路構成を示す。

下記に示す実施例の主要な特徴を列記する。
（特徴１）ダイオード領域にも、ＩＧＢＴ領域と同様なパターンで、ゲート電極が形成されている。
（特徴２）ダイオード領域にも、ＩＧＢＴ領域と同様なパターンで、ゲート電極とエミッタ領域とボディコンタクト領域が形成されている。すなわち、エミッタ電極が形成されている面の側では、ダイオード領域とＩＧＢＴ領域を区別しないで、半導体構造が形成されている。ただし、ダイオード領域では、エミッタ領域がエミッタとしては機能せず、ボディコンタクト領域がアノードとして機能する。
（特徴３）ダイオード領域のゲート電極とＩＧＢＴ領域のゲート電極に共通のゲート電圧を印加する。

図１は、実施例の逆導通ＩＧＢＴの断面図を示し、負荷に起電力が発生し、裏面電極５４に負電位が印加され、表面側配線８に正電位が印加された状態を示している。ゲート電極３６にはゲートオン電圧が印加されている。

半導体基板の裏面側に、裏面電極５４が形成されている。ＩＧＢＴ領域の裏面電極５４はコレクタ電極として機能し、ダイオード領域の裏面電極５４はカソード電極として機能する。ＩＧＢＴ領域では、半導体基板の裏面に臨む範囲にＰ^＋型のコレクタ領域５０が形成されている。ダイオード領域では、半導体基板の裏面に臨む範囲にＮ^＋型のカソード領域５２が形成されている。Ｐ^＋型のコレクタ領域５０が形成されている範囲がＩＧＢＴ領域であり、Ｎ^＋型のカソード領域５２が形成されている範囲がダイオード領域である。裏面電極５４とコレクタ領域５０はオーミック接触し、裏面電極５４とカソード領域５２もオーミック接触する。
コレクタ領域５０とカソード領域５２の上方にＮ型のバッファ領域４８が形成されており、その上方にＮ⁻型のドリフト領域４６が形成されており、その上方にＰ⁻型のボディ領域４４が形成されている。
半導体基板の表面からトレンチが形成されている。トレンチの内面は絶縁膜３４で覆われており、その内側にゲート電極３６が埋め込まれている。ゲート電極３６は、半導体基板の表面からボディ領域４４を貫通してドリフト領域４６に達している。ゲート電極３６は紙面垂直方向に伸びている。ゲート電極３６は、紙面左右方向に複数本が形成されており、左右方向で隣接するゲート電極３６同士の間には間隔が確保されている。
半導体基板の表面に臨むとともに絶縁膜３４を介してゲート電極３６に対向する範囲にＮ^＋型のエミッタ領域３２が形成されている。左右方向において隣接するエミッタ領域３２同士の間には間隔が確保されている。その間隔内にあって半導体基板の表面に臨む範囲に、Ｐ^＋型のボディコンタクト領域３８が形成されている。ドリフト領域４６よりも表面側の半導体構造は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域で異ならない。

図１の逆導通ＩＧＢＴでは、エミッタ領域３２に接するエミッタ電極２と、ボディコンタクト領域３８に接するコンタクト電極６が別に用意されており、両者間が絶縁されている。なお、エミッタ電極２とゲート電極３６も絶縁されている。ゲート電極３６は、図示しない断面で、ゲート電圧を伝達する配線に接続されている。
半導体基板の表面に複数個のエミッタ電極２が形成されており、それら同士は配線４で接続されている。同様に、半導体基板の表面に複数個のコンタクト電極６が形成されており、それら同士は配線８で接続されている。配線８と裏面電極５４の間に負荷を接続して用いる。配線4と配線６は、半導体基板の表面に固定してもよいし、半導体基板とは別の配線を利用してもよい。
配線４と配線８は配線１０で接続され、配線１０に整流素子１２が挿入されている。本実施例では、整流素子１２にショットキーダイオードを利用している。ショットキーダイオードのアノードをエミッタ電極２側に接続し、カソードをコンタクト電極６側に接続している。すなわち、エミッタ電極２からコンタクト電極６に向かう方向がショットキーダイオードの順方向とされている。
図１の実施例では、半導体基板とは別に用意されている整流素子１２を利用して配線４と配線８を接続している。整流素子１２を半導体基板内に形成してもよい。

図１は、図５の時刻ｔ２におけるｕ相下段のＩＧＢＴにおけるキャリアの移動を模式的に示している。時刻ｔ２の直前では、時刻ｔ１に示すように、図４のｕ相上段のＩＧＢＴとｖ相上段のＩＧＢＴとｗ相下段のＩＧＢＴが導通しており、図４の実線に示す電流が流れていた。時刻ｔ２では、負荷に起電力が発生しており、図４の二重矢印に示す還流が流れる。すなわち、ｕ相下段の逆導通ＩＧＢＴのダイオードがフリーホイールダイオードとなって還流を流している。還流が収まり次第に、ｕ相下段のＩＧＢＴに電流を流して負荷を駆動する必要がある。そこで、時刻ｔ２では、ｕ相下段のＩＧＢＴのゲートにオン電圧を印加している。時刻ｔ２では、図４に示すように、ゲートにオン電圧が印加されているｕ相下段の逆導通ＩＧＢＴのダイオードに還流が流れる。

ＩＧＢＴのゲートにオン電圧が印加されている逆導通ＩＧＢＴのダイオードに還流が流れる場合、従来の技術では、図３を参照して説明したように、電子がエミッタ領域３２に注入されてしまい、ボディ領域４４からドリフト領域４６に正孔が注入されない。この結果、伝導度変調現象が生じず、ダイオードの特性は図６のグラフ６２に示すものとなり、ダイオードの抵抗が高い。フリーホイールダイオードに必要な低抵抗とならない。そこで図７の付加的回路が必要であった。

図１に示す実施例の逆導通ＩＧＢＴの場合、ＩＧＢＴのゲート電極３６にオン電圧が印加されている状態のダイオードに還流が流れる際は、整流素子１２が挿入されていることから、参照番号１４で示す×印で示すように、電子がエミッタ領域３２に注入されることがない。代わりに、電子はドリフト領域４６からボディ領域４４を経てボディコンタクト領域３８に注入される。その結果、正孔が、Ｐ^＋型のボディコンタクト領域３８からボディ領域４４を経てドリフト領域４６に注入される。ドリフト領域４６では、電子と正孔がともに存在する状態が得られ、伝導度変調現象が発生する。この結果、ダイオードの特性は、図６のグラフ６４に示すものとなり、低抵抗となる。フリーホイールダイオードに必要な低抵抗が得られる。従来技術では必要とされた図７の付加的回路を用いないでも、フリーホイールダイオードに必要な低抵抗が得られる。
エミッタ電極２とコンタクト電極６に分離し、両者間に整流素子１２を挿入するだけで、逆導通ＩＧＢＴのダイオード特性を改善することができる。

図２は、負荷に発生した起電圧が減少し、裏面電極５４に電源回路の正電位が印加され、表面側配線８に負電位が印加された状態を示している。その場合、ダイオード領域には逆電圧が印加されるので、電流は流れない。代わってＩＧＢＴに電流が流れる。ＩＧＢＴのゲート電圧がオンであることから、絶縁膜３４を介してゲート電極３６に対向する範囲４４ａのボディ領域４４に反転層が形成され、電子がエミッタ領域３２から反転層を通過してドリフト領域４６に注入される。この結果、Ｐ^＋コレクタ領域５０からドリフト領域４６に正孔が注入される。ドリフト領域４６で伝導度変調現象が発生し、Ｎ^＋型のエミッタ領域３２とＰ^＋型のコレクタ領域５０間の抵抗が低下する。エミッタ電極２とコンタクト電極６に分離し、両者間に整流素子１２を挿入しても、ＩＧＢＴとして作動することには影響をしない。

上記実施例では、順方向電圧降下の低いショットキーダイオードを整流素子に利用したが、代わりにｐｎダイオード、ｐｉｎダイオードなどのダイオードを利用することもできる。整流素子の種類は限定されず、整流作用を有する素子であれば用いることができる。
図１では、ショットキーダイオードが半導体基板の外側に図示されているが、半導体基板内にショットキーダイオードを作りこんでもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。
また、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するものであり、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。

１：実施例の逆導通ＩＧＢＴ
２：エミッタ電極
４：エミッタ電極同士を接続する配線
６：コンタクト電極
８：コンタクト電極同士を接続する配線
１０：エミッタ電極とコンタクト電極を接続する配線
１２：整流子（ショットキーダイオード）
３２：エミッタ領域
３４：絶縁膜
３６：ゲート電極
３８：ボディコンタクト領域
４４：ボディ領域
４６：ドリフト領域
４８：バッファ領域
５０：コレクタ領域
５２：カソード領域
５４：裏面電極

Claims (3)

1. ＩＧＢＴとして機能する半導体構造とダイオードとして機能する半導体構造が同一半導体基板に作りこまれている半導体装置であり、
   ｐ型のコレクタ領域と、
   ｎ型のカソード領域と、
   前記コレクタ領域及び前記カソード領域の表面側に配置されているｎ型のドリフト領域と、
   前記ドリフト領域の表面側に配置されているｐ型のボディ領域と、
   前記ボディ領域の表面側に配置されているｎ型のエミッタ領域と、
   前記ボディ領域の表面側に配置されており、ｐ型不純物濃度が前記ボディ領域よりも高いｐ型のボディコンタクト領域と、
   前記半導体基板の表面から前記エミッタ領域と前記ボディ領域とを貫通して前記ドリフト領域に達している複数のトレンチと、
   前記トレンチの内面を覆っているゲート絶縁膜と、
   前記トレンチ内に配置されているゲート電極と、
   前記エミッタ領域の表面に接しているエミッタ電極と、
   前記ボディコンタクト領域の表面に接しており、前記エミッタ電極から分離されているコンタクト電極と、
   前記コレクタ領域及び前記カソード領域の裏面に接している裏面電極と、
   電源回路の電圧が印加される端子と、
   前記エミッタ電極から前記端子に向かう方向を順方向とする整流素子であって、前記エミッタ電極と前記端子を接続する前記整流素子と、
   前記端子と前記コンタクト電極を接続する配線と、を備えている
   半導体装置。
2. 前記コレクタ領域及び前記カソード領域の表面側に配置されており、ｎ型不純物濃度が前記ドリフト領域よりも高いｎ型のバッファ領域をさらに有し、
   前記ドリフト領域が前記バッファ領域の表面側に配置されている、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記整流素子として機能する半導体構造が同一半導体基板に作りこまれていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。

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