JP6360191B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は半導体スイッチング素子を用いた電力変換に関し,特に短絡耐量の向上に関する。 The present invention relates to power conversion using a semiconductor switching element, and more particularly to improvement of short-circuit tolerance.
パワーエレクトロニクス機器の省エネルギー化のため、炭化ケイ素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)などのワイドギャップ半導体材料を用いた低損失パワー半導体スイッチング素子が研究されている。SiCやGaNは絶縁破壊電界強度がシリコン(Si)より10倍程度高いため、同じ耐圧のスイッチング素子の場合、ドリフト層の膜厚をSiの10分の1にすることができる。このようにドリフト層を薄くすることにより、ドリフト層抵抗が大幅に下げられるため、素子全体のオン抵抗を下げることができる。 In order to save energy in power electronics devices, low-loss power semiconductor switching devices using wide gap semiconductor materials such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) have been studied. Since SiC and GaN have a breakdown electric field strength about 10 times higher than that of silicon (Si), the thickness of the drift layer can be reduced to 1/10 of Si in the case of switching elements having the same breakdown voltage. By thinning the drift layer in this manner, the drift layer resistance can be greatly reduced, so that the on-resistance of the entire element can be reduced.
パワー半導体スイッチング素子はインバータなどの電力変換装置に用いられる。電力変換装置では誤動作や接続ミスなどにより負荷短絡が発生する可能性があるが、通常は制御システムが負荷電流を監視し、負荷短絡が発生した場合には回路を遮断するなどして装置を保護する。しかし、制御システムが負荷短絡を検出して保護回路を動作させるまでには数マイクロ秒程度の時間が必要となるため、この間半導体スイッチング素子は高電圧かつ大電流のストレスに曝される。 Power semiconductor switching elements are used in power conversion devices such as inverters. In power converters, there is a possibility that a load short circuit may occur due to a malfunction or connection error, but normally the control system monitors the load current, and when the load short circuit occurs, the circuit is shut off to protect the device. To do. However, since it takes about several microseconds for the control system to detect the load short circuit and operate the protection circuit, the semiconductor switching element is exposed to high voltage and large current stress during this time.
負荷短絡耐量は、負荷短絡時に保護回路が動作するまでの時間において、高電圧かつ大電流のストレスに耐えられる期間を示す指標であり、一般的には負荷短絡時にオン状態が10マイクロ秒続いても素子が壊れないことが求められる。 The load short-circuit tolerance is an index indicating a period during which a high-voltage and large-current stress can be sustained during the time until the protection circuit operates when the load is short-circuited. In general, the on-state continues for 10 microseconds when the load is short-circuited. However, the element is required not to be broken.
負荷短絡時に素子が破壊する原因は、負荷短絡時に発生する多大な電力損失により素子の温度が急激に上昇することである。Siを用いたスイッチング素子の場合、Siのバンドギャップが1.1eV程度であるため、200℃以上の温度ではSiが真性状態となり整流性を失って熱暴走を起こし、素子が破壊する。 The cause of the destruction of the element when the load is short-circuited is that the temperature of the element rapidly rises due to a large power loss that occurs when the load is short-circuited. In the case of a switching element using Si, since the band gap of Si is about 1.1 eV, at a temperature of 200 ° C. or higher, Si becomes an intrinsic state, loses rectification, causes thermal runaway, and destroys the element.
SiCやGaNを用いた半導体スイッチング素子の場合、ドリフト層の膜厚をSiの10分の1にすることができるが、それにより素子の熱容量が減少するため、負荷短絡時にはSiの10倍の発熱が生じ、Siを用いた素子に比べ格段に温度が上昇する。SiCやGaNなどのワイドギャップ半導体の場合、真性キャリア密度が低く、理論的には1000℃の高温でも真性状態にはならない。しかしそのような高温では、電極や絶縁膜など、素子を構成する要素のうち半導体以外の部分の信頼性が著しく悪化するため、Siを用いた素子とは異なる放熱設計や損失制御を行う必要がある。 In the case of a semiconductor switching element using SiC or GaN, the thickness of the drift layer can be reduced to one-tenth of that of Si, but this reduces the heat capacity of the element, so that heat generation is 10 times that of Si when the load is short-circuited. As a result, the temperature rises markedly as compared with an element using Si. In the case of wide gap semiconductors such as SiC and GaN, the intrinsic carrier density is low and theoretically does not become intrinsic even at a high temperature of 1000 ° C. However, at such high temperatures, the reliability of the elements other than the semiconductor, such as electrodes and insulating films, deteriorates remarkably, so it is necessary to perform heat dissipation design and loss control different from those using Si elements. is there.
特許文献1では、ワイドギャップ半導体を用いた半導体スイッチング素子において、負荷短絡耐量を高めた構造が開示されている。特許文献1に開示の技術では、素子表面にアルミニウムもしくはアルミニウム合金でできた厚さ50μm以上の電極を接触させて放熱効果を高めるとともに、電流検出用トランジスタを主半導体スイッチング素子と並列に接続して負荷短絡を検出し、負荷短絡時には主半導体スイッチング素子のゲート電圧を制限するように動作させている。
特許文献2では、ウエル領域の間隔を制限することで、短絡耐量を向上させる技術が開示されている。
上述のように、半導体スイッチング素子を用いてインバータ等の電力変換装置を動作させる場合、負荷短絡時に生じる発熱により素子が壊れる可能性がある。特にSiCなどのワイドギャップ半導体では負荷短絡時の温度上昇幅が大きくなるため、半導体スイッチング素子の破壊を防ぐため、素子の短絡耐量を確保する必要がある。半導体スイッチング素子単体で飽和電流を減少させて負荷短絡時の損失を抑制する場合に、チャネル長を長くするなどの方法では、飽和電流とオン抵抗がトレードオフの関係にあり、飽和電流を減少させるとオン抵抗が増大する。半導体スイッチング素子の低損失化のため、オン抵抗を増大させずに飽和電流を減少させることが課題である。 As described above, when a power conversion device such as an inverter is operated using a semiconductor switching element, the element may be broken due to heat generated when the load is short-circuited. In particular, wide gap semiconductors such as SiC have a large temperature rise when a load is short-circuited. Therefore, it is necessary to ensure the short-circuit tolerance of the element in order to prevent the semiconductor switching element from being destroyed. When reducing the saturation current with a single semiconductor switching element to suppress loss during load short-circuiting, methods such as increasing the channel length have a trade-off relationship between saturation current and on-resistance, reducing saturation current. And the on-resistance increases. In order to reduce the loss of the semiconductor switching element, it is a problem to reduce the saturation current without increasing the on-resistance.
特許文献1に開示の技術では、50μm以上という非常に厚い電極の形成が含まれており、また、負荷短絡時の電流制限のために部品点数を増やしているため、コストや信頼性の面で不利となる。
The technique disclosed in
特許文献2に開示の技術では、通常動作時もウエル領域からドリフト層に空乏層が伸び、チャネルからドリフト層を流れる電流の経路は、相対するウエル領域から伸びた空乏層により制限されるため、通常動作時のオン抵抗が増大する。さらに、素子の耐圧を確保するために、ドリフト層の不純物濃度を下げれば、ドリフト層への空乏層の伸びが大きくなるため、高耐圧化に不利である。
In the technique disclosed in
以上の課題を鑑み、本発明の目的は、オン抵抗を増大させずに飽和電流を減少させ、低損失かつ大きな短絡耐量を持つことが可能な半導体装置、パワーモジュールおよび電力変換装置を提供することである。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor device, a power module, and a power conversion device that can reduce saturation current without increasing on-resistance, and have low loss and a large short-circuit tolerance. It is.
本発明では、ボディ領域と絶縁膜がドリフト領域をはさんで対向している狭窄領域を有することで、上述の課題を解決する。 In the present invention, the above-described problem is solved by having a constricted region in which the body region and the insulating film face each other across the drift region.
本発明によれば、オン抵抗を増大させずに飽和電流を減少させ、低損失かつ大きな短絡耐量を持つことが可能な半導体スイッチング素子が提供される。したがってこの素子を用いた電力変換装置の負荷短絡時の素子破壊を抑制することが可能となり、低損失かつ信頼性の高いパワーモジュールおよび電力変換装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, there is provided a semiconductor switching element capable of reducing a saturation current without increasing an on-resistance, and having a low loss and a large short-circuit tolerance. Therefore, it is possible to suppress element destruction at the time of load short-circuiting of a power conversion device using this element, and it is possible to provide a power module and a power conversion device with low loss and high reliability.
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。図2は本発明の実施例の半導体装置であるnチャネル絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)チップの上面図である。半導体チップの周辺領域には、チップの端部を周回するようにターミネーション領域101が設けられており、その内側のほとんどの領域はアクティブ領域102およびゲートパッド領域103となっている。アクティブ領域102内はトランジスタの単位アクティブセル104が敷き詰められている。なお、単位アクティブセル104はアクティブ領域102全体に敷き詰められているが、図2では図面を見やすくするために中央部のみに表示した。図3は、単位アクティブセル104を説明するための拡大上面図である。図4は、単位アクティブセル104を説明するための、図3のA−A’断面に対応する図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 2 is a top view of an n-channel insulated gate bipolar transistor (IGBT) chip which is a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. A
図4に示したように本実施例の半導体装置には、SiC基板の第1主面側のSiC基板内に、窒素やリンなどを含むn−型ドリフト領域4が形成されており、その下部、すなわちSiC基板の第2主面側には窒素やリンなどを含むn型バッファ領域3が形成されている。ここで、「−」および「+」は、導電型がn型またはp型の相対的な不純物濃度を表記した符号であり、例えばn型の場合、「n−」、「n」、「n+」、「n++」の順にn型不純物の不純物濃度が高くなる。なお、バッファ領域3は必ずしも必要なものではないが、耐圧の向上と導通損失の抑制のために設けられている。バッファ領域3の下部にはアルミニウムやボロンなどを含むp+型コレクタ領域2が形成されており、その下部にはコレクタ電極1が備えられている。As shown in FIG. 4, in the semiconductor device of this example, an n −
ドリフト領域4内部には、アルミニウムやボロンなどを含むp型ボディ領域5が形成されており、ボディ領域5内部には、窒素やリンなどを含むn+型エミッタ領域6、およびアルミニウムやボロンなどを含むp+型エミッタ領域7が形成されている。n+型エミッタ領域6の一部と、ボディ領域5と、ドリフト領域4とを被覆するようにゲート絶縁膜8が形成されており、ゲート絶縁膜8を被覆するようにゲート電極9が備えられている。n+型エミッタ領域6の残りの一部とp+型エミッタ領域7とを被覆するようにエミッタ電極10が形成されており、ゲート電極9とエミッタ電極10を絶縁するために層間絶縁膜11が形成されている。A p-
ドリフト領域4内部の隣り合うボディ領域5が相対する中間の領域にトレンチ構造12が形成されており、ボディ領域5とゲート絶縁膜8がドリフト領域4を挟んで対向している狭窄領域13が設けられている。ここで、トレンチ構造12の側壁および底面は、ゲート絶縁膜8とドリフト層4の境界である。すなわち、トレンチ構造12の側壁は、ゲート絶縁膜8を有している。素子構造を上面から見た場合、図3に示すように、トレンチ構造12の長手方向に沿って、ドリフト層4、ボディ領域5、およびエミッタ領域6が存在する。したがって、トレンチ構造12の短手方向に、トレンチ構造12と間隔を空けてボディ領域5が存在する。また、図3に示すように、トレンチ構造12の長手方向の終端部14はボディ領域5と接していることが望ましい。これにより、トレンチ構造12の長手方向の終端部14でゲート絶縁膜8とボディ領域5が接し、長手方向の終端部14で電流が流れることを防ぐことができ、後述する飽和電流の抑制の効果を向上させることができる。また本実施例では、ボディ領域5が、トレンチ構造12の長手方向の終端部14に接する箇所まで連続して形成されているが、ボディ領域5の終端部14近傍の不純物濃度をボディ領域5の他の部分の不純物濃度よりもさらに高くすることで、より飽和電流の抑制の効果を向上させることもできる。
A
コレクタ電極1は、例えばアルミニウム、チタン、ニッケル、または金などの金属を用いて、スパッタや金属蒸着法などの方法により形成することができる。コレクタ領域2、バッファ領域3、およびドリフト領域4は、例えば、n型またはp型のバルク基板上にコレクタ領域2、バッファ領域3、ドリフト領域4の順番でエピタキシャル成長した後にバルク基板を研削する、あるいは、n型またはp型のバルク基板上にドリフト領域4、バッファ領域3、コレクタ領域2の順番でエピタキシャル成長した後にバルク基板を研削することで形成することができる。
The
コレクタ領域2の不純物濃度は、例えば1×1018cm−3以上である。バッファ領域3の不純物濃度は、例えばコレクタ領域2の不純物濃度より低い値である。ドリフト領域4の不純物濃度は、例えば5×1015cm−3未満である。ボディ領域5は例えば不純物注入またはエピタキシャル成長などでドリフト領域中に形成することができる。エミッタ領域6は、例えば不純物を1×1019cm−3以上などの高濃度になるよう注入するなどして形成した領域である。トレンチ構造12は例えばドライエッチングなどにより形成することができる。ゲート絶縁膜8は、トレンチ構造12の形成のためのドライエッチング後に、例えばウェット酸化、ドライ酸化あるいはシリコン酸化膜(SiO2膜)のCVD(Chemical Vapor Deposition)によって形成することができる。
The impurity concentration of the
ゲート電極9は、ゲート絶縁膜8の形成後、その直上にポリシリコンのCVDまたはアモルファスシリコンのCVD後,熱処理でポリシリコンに変性させるなどして形成された電極領域である。層間絶縁膜11は、シリコン酸化膜(SiO2膜)のCVDなどによって形成することができ、エミッタ電極10は、アルミニウム、チタン、またはニッケルなどの金属を用いて、スパッタや金属蒸着法などにより形成することができる。The
図5に狭窄領域13付近の断面拡大図を示す。本実施例では、狭窄領域13における、ボディ領域5と対向するゲート絶縁膜8の長さLを、狭窄領域13中のボディ領域5とゲート絶縁膜8の間隔Wよりも長くする。本実施例では、ボディ領域5と対向するゲート絶縁膜の長さLは、トレンチ構造12の深さに対応する。ゲート絶縁膜の長さLは例えば0.65μmであり、間隔Wは例えば0.5μmである。
FIG. 5 shows an enlarged cross-sectional view near the
負荷短絡時は素子のコレクタとエミッタの間に電源電圧が印加されるが、通常その時に流れる電流はチャネル部の飽和電流特性により決定される。本実施例では、エミッタ領域6からチャネルを通ってドリフト領域4に流れた電流の経路を、狭窄領域13により制限することで、負荷短絡時に素子に流れる電流を抑制することができる。チャネルからドリフト領域4に流れる電流の経路は、ドリフト領域4内をおよそ45°の角度で広がるため、長さLを間隔Wよりも長くすることにより、ドリフト領域4に流れる電流の経路を制限することができる。さらに本実施例では、上述のように、トレンチ構造12の長手方向の終端部14でトレンチ構造12とボディ領域5が接しており、狭窄領域13以外の電流経路を狭めることができ、飽和電流の抑制の効果をさらに向上させることができる。
When the load is short-circuited, a power supply voltage is applied between the collector and emitter of the element, and the current flowing at that time is usually determined by the saturation current characteristic of the channel portion. In the present embodiment, the current flowing from the
次に、通常動作時について考えると、狭窄領域13においてボディ領域5からドリフト領域4中に向けて空乏層が伸びるため、狭窄領域13を流れる電流が抑制される。一方、ゲート電極に電圧が印加されている場合、ドリフト領域4中のゲート絶縁膜8と接している領域に電子濃度の高い蓄積層が形成されるため、エミッタ領域6からチャネルを通ってドリフト領域4に流れる電流は、チャネルを流れた後、蓄積層を通ってドリフト領域4に流れる。蓄積層は電子濃度が高いため、電流はほとんど抑制されることなく狭窄領域13中を流れ、オン抵抗の増大を防ぐことができる。
Next, considering the normal operation, since a depletion layer extends from the
本実施例のIGBTをモデル化した計算機実験の結果を図6および図7に示す。図6は間隔Wと飽和電流密度の関係を示している。本計算機実験では、長さLを0.65μmとし、ゲート電圧を15V、コレクタ電圧を耐圧の2分の1とした場合の飽和電流密度を計算している。図6に示されるように、間隔Wがミクロンオーダーと大きい領域では、間隔Wが減少しても飽和電流密度は僅かにしか減少しない。それに対し、間隔Wが1μm未満になると間隔Wの減少に応じて飽和電流密度が減少し、さらに間隔Wが0.65μm近傍になると飽和電流密度が急激に減少している。このように、狭窄領域の幅である間隔Wを1μm未満とする、すなわち間隔Wをサブミクロン以下にすることで、飽和電流密度を減少させる効果が得られる。また、長さLを間隔Wよりも長くすることで、負荷短絡時に素子に流れる電流を十分に抑制することができる。図7はコレクタ‐エミッタ間電圧とコレクタ電流密度の関係を示している。長さLを0.65μmとし、間隔Wが1.0μmの場合を一点鎖線で、間隔Wが0.5μmの場合を破線で、図1に比較例として示した狭窄領域がないIGBT構造の場合を実線で、それぞれ計算結果を示しているが、例えばコレクタ電流密度100A/cm2のときのオン電圧はいずれも3.6Vである。The results of a computer experiment modeling the IGBT of this example are shown in FIGS. FIG. 6 shows the relationship between the interval W and the saturation current density. In this computer experiment, the saturation current density is calculated when the length L is 0.65 μm, the gate voltage is 15 V, and the collector voltage is half the withstand voltage. As shown in FIG. 6, in a region where the interval W is as large as a micron order, the saturation current density decreases only slightly even if the interval W decreases. On the other hand, when the interval W is less than 1 μm, the saturation current density decreases as the interval W decreases, and when the interval W is near 0.65 μm, the saturation current density decreases rapidly. Thus, the effect of reducing the saturation current density can be obtained by setting the interval W, which is the width of the constriction region, to less than 1 μm, that is, by setting the interval W to a submicron or less. Further, by making the length L longer than the interval W, it is possible to sufficiently suppress the current flowing through the element when the load is short-circuited. FIG. 7 shows the relationship between the collector-emitter voltage and the collector current density. When the length L is 0.65 μm and the interval W is 1.0 μm is indicated by a one-dot chain line, the interval W is 0.5 μm is indicated by a broken line, and the IGBT structure without the constriction region shown in FIG. The solid lines indicate the calculation results. For example, the ON voltage at a collector current density of 100 A / cm 2 is 3.6 V.
以上のように、本実施例の半導体装置は、ボディ領域と絶縁膜がドリフト領域を挟んで対向している狭窄領域を有することで、飽和電流を十分減少させるとともに、オン電圧の増大を抑制することが可能となる。なお、本発明は素子表面の絶縁ゲート構造に関する発明であるため、IGBTに限らず、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)などの絶縁ゲート構造を有する半導体スイッチング素子に適用可能である。MOSFETに適用した場合には、本実施例のp+型コレクタ領域2が無い構成になる。また、本発明はn型チャネル構造に限らず、p型チャネル構造に適用可能である。半導体装置の用いる半導体材料には、本実施例のSiC以外に、例えばSiやGaNなどが適用可能である。As described above, the semiconductor device of this embodiment has a constricted region in which the body region and the insulating film are opposed to each other with the drift region interposed therebetween, thereby sufficiently reducing the saturation current and suppressing an increase in on-voltage. It becomes possible. Since the present invention relates to an insulated gate structure on the element surface, the present invention is not limited to an IGBT, and can be applied to a semiconductor switching element having an insulated gate structure such as a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). When applied to the MOSFET, the p + -
本発明の第2の実施例に係るnチャネルIGBTの断面構造を図8に示す。また、図9に、本実施例の狭窄領域13付近の拡大図を示す。本実施例は、第1の実施例に対して、図9に示すように、狭窄領域13のゲート絶縁膜の長さLを、狭窄領域13のボディ領域の長さ、すなわちボディ領域5の深さDよりも短くしたものである。その他については第1の実施例と同様であるため、説明を省略する。
FIG. 8 shows a cross-sectional structure of an n-channel IGBT according to the second embodiment of the present invention. FIG. 9 shows an enlarged view of the vicinity of the
本実施例のように、ゲート絶縁膜8の端部をボディ領域5で挟まれた領域内に存在させることで、オフ動作時にゲート絶縁膜8に生じる電界を緩和させ、ゲート絶縁膜8の信頼性を向上させることが可能となる。
As in this embodiment, the end portion of the
本発明の第3の実施例に係るnチャネルIGBTの断面構造を図10に示す。第3の実施例ではSiC基板に窒素やリンなどを含むn−型ドリフト領域4が形成されており、その下部には窒素やリンなどを含むn型バッファ領域3が形成されている。バッファ領域の下部にはアルミニウムやボロンなどを含むp+型コレクタ領域2が形成されており、その下部にはコレクタ電極1が備えられている。ドリフト領域4内部にはアルミニウムやボロンなどを含むp型ボディ領域5が形成されており、ボディ領域5内部には、窒素やリンなどを含むn+型エミッタ領域6、およびアルミニウムやボロンなどを含むp+型エミッタ領域7が形成されている。ドリフト領域4内部のボディ領域5が相対する領域にトレンチ構造12を形成することにより、ボディ領域5とゲート絶縁膜8がドリフト領域4をはさんで対向している狭窄領域13が備えられている。そして、エミッタ領域6の一部と、ボディ領域5、およびドリフト領域4を被覆するようにゲート絶縁膜8が形成されている。ゲート絶縁膜8を被覆するように第1ゲート電極9aが備えられ、狭窄領域13のゲート絶縁膜8を被覆するように第2ゲート電極9bが備えられている。第1ゲート電極9aおよび第2ゲート電極9bは、例えば、第1の実施例と同様にポリシリコンなどを成膜し、それをドライエッチングでパターニングするなどして形成することができる。FIG. 10 shows a cross-sectional structure of an n-channel IGBT according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment, an n −
さらに、エミッタ領域6の残りの一部とp+型エミッタ領域7とを被覆するようにエミッタ電極10が形成されており、第1ゲート電極9a、第2ゲート電極9b、およびエミッタ電極10を互いに絶縁するために、層間絶縁膜11が形成されている。Further, an
本実施例のようにゲート電極を2つに分離し、一方のゲート電極で反転層の制御を行い、他方のゲート電極で蓄積層の制御を行うことで、ゲート容量を小さくして、反転層のスイッチング速度を向上させることが可能となる。 As in this embodiment, the gate electrode is separated into two, the inversion layer is controlled by one gate electrode, and the storage layer is controlled by the other gate electrode, so that the gate capacitance is reduced and the inversion layer is controlled. It is possible to improve the switching speed.
本実施例のゲート電極の構造は、MOSFETなどの絶縁ゲート構造を有する他の半導体スイッチング素子にも適用可能であり、また、n型チャネル構造に限らず、p型チャネル構造に適用可能である。半導体材料は本実施例で例示したSiC以外に、例えばSiやGaNなどに適用可能である。 The structure of the gate electrode of this embodiment can be applied to other semiconductor switching elements having an insulated gate structure such as a MOSFET, and can be applied not only to an n-type channel structure but also to a p-type channel structure. The semiconductor material can be applied to, for example, Si or GaN other than the SiC exemplified in this embodiment.
本実施例は、第3の実施例の半導体装置に対して、図11に示すように、蓄積層の制御を行う第2ゲート電極9bに常時ゲート電圧111を印加し、第1ゲート電極9aにゲート駆動回路110の出力を接続して素子のスイッチングを行う電力変換装置である。
In this embodiment, as shown in FIG. 11, the
本実施例の電力変換装置では、第2ゲート電極9bを用いて蓄積層をデバイス動作中に常に生じさせ、第1ゲート電極9aを用いて反転層の生成と消滅を繰り返させることで素子をスイッチングさせることにより、ゲート容量の増大を抑制し、スイッチング速度を向上させることが可能となる。
In the power conversion device of this embodiment, the storage layer is always generated during the device operation using the
本実施例の電力変換装置は、図12に示すように、第1ゲート電極9aと第2ゲート電極9bが抵抗112およびインダクタ113を介して接続されており、第1ゲート電極9aにはゲート駆動回路110の出力が接続されている。
In the power conversion apparatus of this embodiment, as shown in FIG. 12, a
本実施例の電力変換装置では、パワーモジュールには1つにまとめたゲート端子を設け、該ゲート端子にゲート駆動回路110の出力を接続する。これにより、第1ゲート電極9aには、ゲート駆動回路110からのゲート制御信号が入力される。さらに、該ゲート端子に抵抗112およびインダクタ113を介して第2ゲート電極9bが接続されており、抵抗112とインダクタ113により遅延させたゲート制御信号が第2ゲート電極9bに入力される。初期状態で第2ゲート電極9bにゲート電圧が印加されるように設定し、素子動作時は抵抗112とインダクタ113による遅延よりも速くゲート制御信号をスイッチングさせることで、第2ゲート電極9bを常にオンの状態に保つことが可能となる。したがって、パワーモジュールの1つのゲート端子を用いて、第1ゲート電極9aおよび第2ゲート電極9bに異なる制御信号を入力することができ、ゲート容量の増大を抑制し、スイッチング速度を向上させることが可能となる。
In the power converter of this embodiment, the power module is provided with a single gate terminal, and the output of the
また、抵抗112とインダクタ113は半導体スイッチング素子を用いたパワーモジュールの中に組み込むことができるため、外部に設けるゲート駆動回路110の簡素化が可能となる。したがって、電力変換装置の低コスト化が可能となる。
In addition, since the
第6の実施例は、本発明の第1から第5の実施例による半導体スイッチング素子、パワーモジュール、または電力変換装置を適用した三相モータシステムである。 The sixth embodiment is a three-phase motor system to which the semiconductor switching element, power module, or power converter according to the first to fifth embodiments of the present invention is applied.
図13に、本実施例の三相モータシステムの回路構成を示す。本実施例の三相モータシステムでは、インバータで直流電源の電気エネルギーを交流電流に変換し、三相モータ208の回転数を可変速制御する。U端子205、V端子206、およびW端子207の各相において、それぞれ上アーム部201aと下アーム部201bが直列に接続されており、その直列接続回路が3つ並列に接続されている。各アーム部201は、例えばIGBTなどの半導体スイッチング素子202とフリーホイールダイオード203で構成されている。
FIG. 13 shows a circuit configuration of the three-phase motor system of the present embodiment. In the three-phase motor system of the present embodiment converts the alternating current electric energy of the DC power supply by the inverter and variable speed controls the rotational speed of the three-phase motor 20 8. In each phase of the
図13の上アーム部201aおよび下アーム部201bに、本発明の第1乃至第5の実施例の半導体スイッチング素子、パワーモジュール、または電力変換装置を適用することにより、例えばノイズによる誤動作や接続ミスなどの要因により負荷短絡が発生した場合、負荷短絡時に発生する素子の発熱を抑制することが可能となる。したがって、負荷短絡時に保護回路が動作するまでの間、熱による素子の破壊を防ぐことができ、電力変換装置の信頼性を向上させることが可能となる。
By applying the semiconductor switching elements, power modules, or power converters of the first to fifth embodiments of the present invention to the
本発明の短絡耐量を増大させた半導体スイッチング素子を適用した電力変換装置は、例えば鉄道車両に適用することができる。鉄道車両に適用される三相モータシステムの一例のブロック図を図14に示す。架線301には例えば25kVまたは15kVの高圧交流が流れており、鉄道車両にはパンタグラフ302を介して電力が供給される。鉄道車両に供給された高圧交流は、絶縁型の主変圧器303により、例えば3.3kVの交流に降圧され、次にコンバータ305により3.3kVの直流に順変換される。その後、この直流はキャパシタ306を介してインバータ307によって交流に変換され、三相モータ208に所望の三相交流が出力されて、三相モータ208が駆動する。
The power conversion device to which the semiconductor switching element with increased short-circuit tolerance of the present invention is applied can be applied to, for example, a railway vehicle. FIG. 14 shows a block diagram of an example of a three-phase motor system applied to a railway vehicle. For example, a high voltage alternating current of 25 kV or 15 kV flows through the
鉄道車両の三相モータシステムを構成するコンバータ305またはインバータ307に、第1乃至第5の実施例の半導体スイッチング素子、パワーモジュール、または電力変換装置を適用することで、低消費電力で信頼性の高い鉄道車両を提供することが可能となる。
By applying the semiconductor switching element, power module, or power converter of the first to fifth embodiments to the
1:コレクタ電極、2:p+型コレクタ領域、3:n型バッファ領域、4:n−型ドリフト領域、5:p型ボディ領域、6:n+型エミッタ領域、7:p+型エミッタ領域、8:ゲート絶縁膜、9:ゲート電極、10:エミッタ電極、11:層間絶縁膜、12:トレンチ構造、13:狭窄領域、14:トレンチ構造の長手方向の終端部。1: collector electrode, 2: p + type collector region, 3: n type buffer region, 4: n − type drift region, 5: p type body region, 6: n + type emitter region, 7: p + type emitter region 8: Gate insulating film, 9: Gate electrode, 10: Emitter electrode, 11: Interlayer insulating film, 12: Trench structure, 13: Narrow region, 14: Termination portion in the longitudinal direction of the trench structure.
Claims (9)
前記半導体装置は、
第1主面および第2主面を有する半導体基板と、
前記半導体基板内の前記第1主面側に設けられているドリフト領域と、
前記第2主面側に設けられている第1電極と、
前記ドリフト領域内に設けられているボディ領域と、
前記ドリフト領域内に前記ボディ領域と間隔を空けて設けられ、絶縁膜の側壁を有するトレンチと、
前記ドリフト領域と前記ボディ領域に、前記絶縁膜を挟んで対向する第1ゲート電極と、
前記トレンチの内部に設けられ、前記第1ゲート電極と絶縁されている第2ゲート電極と、
前記ボディ領域内に全体が含まれる半導体領域と、
前記第1ゲート電極及び前記第2ゲート電極と絶縁され、前記半導体領域の一部に接続されている第2電極と、を有し、
前記間隔が1μm未満であり、且つ前記トレンチの深さよりも短く、
前記トレンチの長手方向の端部が前記ボディ領域に接し、
前記ボディ領域の前記端部近傍の不純物濃度は、前記ボディ領域の他の部分の不純物濃度より高く、
前記第1ゲート電極が、ゲート駆動回路の出力に接続する端子と直接接続され、
前記第2ゲート電極が、前記端子と同一の端子に抵抗及びインダクタを介して接続され、
初期状態において、前記第2ゲート電極に電圧が印可され、
前記電力変換装置の動作時において、前記ゲート駆動回路からの前記第1ゲート電極及び前記第2ゲート電極への制御信号が、前記抵抗及び前記インダクタによる前記制御信号の遅延よりも速くスイッチングされることを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device having a semiconductor device,
The semiconductor device includes:
A semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface;
A drift region provided on the first main surface side in the semiconductor substrate;
A first electrode provided on the second main surface side;
A body region provided in the drift region;
A trench provided in the drift region and spaced apart from the body region, and having a sidewall of an insulating film;
The body region and the drift region, a first gate electrode facing each other across the insulating film,
A second gate electrode provided inside the trench and insulated from the first gate electrode;
A semiconductor region entirely contained within the body region;
The insulated from the first gate electrode and the second gate electrode, and a second electrode connected to a part of the semiconductor region,
The spacing is less than 1 μm and shorter than the depth of the trench;
The longitudinal end of the trench is in contact with the body region;
The impurity concentration in the vicinity of the end portion of the body region is higher than the impurity concentration in other portions of the body region,
The first gate electrode is directly connected to a terminal connected to the output of the gate driving circuit;
The second gate electrode is connected to the same terminal as the terminal via a resistor and an inductor;
In an initial state, a voltage is applied to the second gate electrode,
During the operation of the power converter, the control signal from the gate drive circuit to the first gate electrode and the second gate electrode is switched faster than the delay of the control signal by the resistor and the inductor. The power converter characterized by this.
前記ボディ領域の深さが前記トレンチの深さよりも大きいことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The power converter according to claim 1, wherein a depth of the body region is larger than a depth of the trench.
前記半導体装置は、
前記第2主面側に設けられており、前記ドリフト領域とは異なる導電型を有するコレクタ領域を有し、
前記コレクタ領域は前記第1電極に接続されていることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The semiconductor device includes:
A collector region provided on the second main surface side and having a conductivity type different from that of the drift region;
The power converter according to claim 1, wherein the collector region is connected to the first electrode.
前記半導体基板は炭化ケイ素を含むことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The power conversion device, wherein the semiconductor substrate contains silicon carbide.
前記半導体装置は、
第1主面および第2主面を有する半導体基板と、
前記半導体基板内の前記第1主面側に設けられている第1導電型を有する第1半導体領域と、
前記第2主面側に設けられている第1電極と、
前記第1半導体領域内に設けられている前記第1導電型とは異なる第2導電型を有する第2半導体領域と、
前記第1半導体領域内に設けられ、絶縁膜の側壁を有するトレンチと、
前記第1半導体領域と前記第2半導体領域に、前記絶縁膜を挟んで対向する第1ゲート電極と、
前記トレンチの内部に設けられ、前記第1ゲート電極と絶縁されている第2ゲート電極と、
前記第2半導体領域内に全体が含まれ、前記第1導電型を有する第5半導体領域と、
前記第1ゲート電極及び前記第2ゲート電極と絶縁され、前記第5半導体領域の一部に接続されている第2電極と、を有し、
前記トレンチの短手方向には、前記トレンチと間隔を空けて前記第2半導体領域が存在し、
前記トレンチの長手方向の端部が前記第2導電型を有する第3半導体領域に接し、
前記第3半導体領域の前記端部近傍の不純物濃度は、前記第3半導体領域の他の部分の不純物濃度より高く、
前記第1ゲート電極が、ゲート駆動回路の出力に接続する端子と直接接続され、
前記第2ゲート電極が、前記端子と同一の端子に抵抗及びインダクタを介して接続され、
初期状態において、前記第2ゲート電極に電圧が印可され、
前記電力変換装置の動作時において、前記ゲート駆動回路からの前記第1ゲート電極及び前記第2ゲート電極への制御信号が、前記抵抗及び前記インダクタによる前記制御信号の遅延よりも速くスイッチングされることを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device having a semiconductor device,
The semiconductor device includes:
A semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface;
A first semiconductor region having a first conductivity type provided on the first main surface side in the semiconductor substrate;
A first electrode provided on the second main surface side;
A second semiconductor region having a second conductivity type different from the first conductivity type provided in the first semiconductor region;
A trench provided in the first semiconductor region and having a sidewall of an insulating film;
The said first semiconductor region second semiconductor region, a first gate electrode facing each other across the insulating film,
A second gate electrode provided inside the trench and insulated from the first gate electrode;
A fifth semiconductor region which is entirely contained in the second semiconductor region and has the first conductivity type;
A second electrode insulated from the first gate electrode and the second gate electrode and connected to a part of the fifth semiconductor region,
In the short direction of the trench, there is the second semiconductor region spaced apart from the trench,
An end of the trench in a longitudinal direction is in contact with a third semiconductor region having the second conductivity type;
The impurity concentration in the vicinity of the end of the third semiconductor region is higher than the impurity concentration in other portions of the third semiconductor region,
The first gate electrode is directly connected to a terminal connected to the output of the gate driving circuit;
The second gate electrode is connected to the same terminal as the terminal via a resistor and an inductor;
In an initial state, a voltage is applied to the second gate electrode,
During the operation of the power converter, the control signal from the gate drive circuit to the first gate electrode and the second gate electrode is switched faster than the delay of the control signal by the resistor and the inductor. The power converter characterized by this.
前記第2半導体領域と前記第3半導体領域とが連続していることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device, wherein the second semiconductor region and the third semiconductor region are continuous.
前記半導体装置は、 The semiconductor device includes:
前記第2主面側に設けられている前記第2導電型を有する第4半導体領域を有し、 A fourth semiconductor region having the second conductivity type provided on the second main surface side;
前記第4半導体領域は前記第1電極に接続されていることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device, wherein the fourth semiconductor region is connected to the first electrode.
前記半導体基板は炭化ケイ素を含むことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device, wherein the semiconductor substrate contains silicon carbide.
前記半導体装置は、 The semiconductor device includes:
第1主面および第2主面を有する半導体基板と、 A semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface;
前記半導体基板内の前記第1主面側に設けられているドリフト領域と、 A drift region provided on the first main surface side in the semiconductor substrate;
前記第2主面側に設けられている第1電極と、 A first electrode provided on the second main surface side;
前記ドリフト領域内に設けられているボディ領域と、 A body region provided in the drift region;
前記ボディ領域および前記ドリフト領域上に設けられており、トレンチを有するゲート絶縁膜と、 A gate insulating film provided on the body region and the drift region, and having a trench;
前記ドリフト領域と前記ボディ領域に、前記ゲート絶縁膜を挟んで対向する第1ゲート電極と、 A first gate electrode facing the drift region and the body region with the gate insulating film interposed therebetween;
前記トレンチの内部に設けられ、前記第1ゲート電極と絶縁されている第2ゲート電極と、 A second gate electrode provided inside the trench and insulated from the first gate electrode;
前記ボディ領域内に全体が含まれる半導体領域と、 A semiconductor region entirely contained within the body region;
前記第1ゲート電極及び前記第2ゲート電極と絶縁され、前記半導体領域の一部に接続されている第2電極と、を有し、 A second electrode insulated from the first gate electrode and the second gate electrode and connected to a part of the semiconductor region,
前記ボディ領域と前記トレンチの側壁とが、1μm未満の間隔で対向し、 The body region and the sidewall of the trench face each other with an interval of less than 1 μm,
前記ゲート絶縁膜の長手方向の端部が前記ボディ領域に接し、 The longitudinal end of the gate insulating film is in contact with the body region,
前記ボディ領域の前記端部近傍の不純物濃度は、前記ボディ領域の他の部分の不純物濃度より高く、 The impurity concentration in the vicinity of the end portion of the body region is higher than the impurity concentration in other portions of the body region,
前記第1ゲート電極が、ゲート駆動回路の出力に接続する端子と直接接続され、 The first gate electrode is directly connected to a terminal connected to the output of the gate driving circuit;
前記第2ゲート電極が、前記端子と同一の端子に抵抗及びインダクタを介して接続され、 The second gate electrode is connected to the same terminal as the terminal via a resistor and an inductor;
初期状態において、前記第2ゲート電極に電圧が印可され、 In an initial state, a voltage is applied to the second gate electrode,
前記電力変換装置の動作時において、前記ゲート駆動回路からの前記第1ゲート電極及び前記第2ゲート電極への制御信号が、前記抵抗及び前記インダクタによる前記制御信号の遅延よりも速くスイッチングされることを特徴とする電力変換装置。 During the operation of the power converter, the control signal from the gate drive circuit to the first gate electrode and the second gate electrode is switched faster than the delay of the control signal by the resistor and the inductor. The power converter characterized by this.
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