JPH0387068A - ゲートターンオフパワー半導体素子 - Google Patents

ゲートターンオフパワー半導体素子

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JPH0387068A
JPH0387068A JP2190358A JP19035890A JPH0387068A JP H0387068 A JPH0387068 A JP H0387068A JP 2190358 A JP2190358 A JP 2190358A JP 19035890 A JP19035890 A JP 19035890A JP H0387068 A JPH0387068 A JP H0387068A
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zone
doped
emitter
base layer
layer
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Friedhelm Bauer
フリートヘルム　バウエル
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ABB AB
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はパワーエレクトロニクスの分野、特に（ａ）　
　アノードとカソード間の半導体基板において、互いに
隣あって配置され、且つ並列に接続された複数のユニッ
トセルと、 （ロ）ユニットセルの各々において、カソード電極に接
続されたエミッターゾーン、第１のベース層、全てのユ
ニットセルに共通の第２のベース層及びアノード電極に
接続された工逅ツター層とから戒る一連の交互にドープ
された層を有するサイリスタ構造と、 （ｃ）　　各々のエミッターゾーンに対して、サイリス
タ構造と共にＭＯＳ制御サイリスタＭＣＴを形成する電
界効果制御短絡回路、 とから成るゲートターンオフパワー半導体素子に関する
。
（先行技術） このような素子は、例えばＶ、ＡＪ、Ｔｅｍｐｌｅ著、
ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉ
ｃｅｓ、　Ｖｏｌ、　ｔ！Ｄ−３３゜ｐｐ、１６０９−
１６１８　（１９８６）によって公知である。
（本発明の背景） 数年間、ＭＯＳ制御素子の開発はパワーエレクトロニク
ス分野において、ますます促進されてきている。この傾
向はＤＭＯＳ構造を有するユニポーラパワーＭＯ３ＦＥ
Ｔ　（第１図）によって開始された。
これらのＭＯＳ制御素子の主な利点はゲート電極におい
て、高い入力インピーダンスに基づいていることである
。それは非常に低い電力消費で素子を駆動することを可
能にしている。
しかしながら、０ＭＯＳＦＥＴは重要な欠点を有してい
る。これらの素子の伝導はユニポーラ特性のため、最大
電流の強さを制限する高い順抵抗を犠牲にして、高い破
壊電圧が得られている。
この問題を解決するために、低電力ＭＯ９駆動の利点と
低抵抗のバイポーラ電流伝送の利点とを組み合わせたＭ
ＯＳ制御バイポーラ構造が提案されている。
これらの構造の１つはＩＧＢＹ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　
ＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とし
ての先行技術により知られている。
他の構造は始めに述べたＶ」、に、Ｔｅ＋５ｐｌｅによ
る記事に記載されており、所謂ＭＯＳ制御サイリスタＭ
ＣＴ（ＭＯＳ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｔｈｙｒｉｓｔ
ｏｒ）である。複数の隣合って配置されている並列接続
されたユニットセルからなるこのようなＭＣＴは集積Ｍ
Ｏ３ＦＨＴ　（第２図）によるカソード側のエミッター
ゾーンを短絡することによってターンオフされる。
近年知られているバイポーラＭＣＴは上述の理由のため
殆どの分野においてユニポーラＤＭＯ３ＦＥＴより優れ
ているけれども、それらはまだ次の欠点を有している。
従来のあらゆるＤＭＯＳＦＢは通常の動作（アノードＡ
に正の電圧が加えられる）中に逆方向に分極されている
寄生ダイオード構造（第１図に示されている）を有して
いる。
誘導性の負荷の場合、実際のスイッチはスイッチング過
程の間インダクタンスに蓄えられたエネルギーに対して
保護されなければならない、と言うことは一般に知られ
ている。従来技術において、これは回路内の所謂逆平行
フリー・ホイーリング・ダイオードによって保証されて
いる。勿論、これらの付加的な素子は、例えば複雑で、
高価なコンバータを形成する。
上述の構造上固有の逆ダイオードは技術的に大きな誘導
性の逆電流を充分に扱うことができる範囲まで改良され
たパワー？ｌ０ＳＦＥＴの新しい出現は、近年利用でき
るようになった。従って、これらの新しいＭＯＳＦＥＴ
では個々の保護ダイオードは大部分省くことができる。
しかしながら、公知のＭＣＴにおいてはそうはならない
。
（本発明の概要） 従って、本発明の目的は集積逆ダイオードを有する新規
なＭＣＴを提供し、非常に簡単な回路を得ることができ
るものである。
初めに述べたタイプの素子において、この目的は、 （ｄ）　　第２のベース層はユニットセル間の半導体基
板のカソード側の表面に達し、そして第２のベース層と
反対にドープされ、且つ第２のベース層に達しているコ
レクターゾーンが配列され、且つカソード電極に接続さ
れており、 （ｅ）　　エミッターゾーンはアノード電極に接続され
、且つ第２のベース層とコレクターゾーンと共に、ダイ
オード構造を構成する反対にドープされたゾーンによっ
てコレクターゾーンの反対側で遮られている、 ことによって達成される。
従って、本発明の要旨は付加的なドープされたゾーンを
挿入することによって、ユニットセル間に所望の逆ダイ
オード構造を作ることである。
本発明の第１の図示された実施例によれば、分離したア
ノード短絡回路ゾーンがエミッター層を阻止している逆
にドープされたゾーンとして用いられる。
本発明の第２の図示された実施例によれば、エミッター
層と第２のベース層間に設けられている連続したストッ
プ層の一部がエミッター層を阻止する逆にドープされた
ゾーンとして用いられる。
更に、図示された実施例は請求項２以下に見出される。
（実施例） 図面を参照して、幾つかの図面を通して同−或いは対応
する部分には同一の参照番号が示しであるが、第１図は
、例えば米国特許第４．４６６．１７６号によって公知
であるＤＭＯＳＦＥＴのユニットセルを示している。
半導体基板ｌに一連の種々のドープされた層、即ちｐゝ
　ドープされたコンタクトゾーン７、ｎ−ドープされた
ベース層８及びｎｌ　ドープされたエミッター層９が対
応するカソード電極２とアノード電極１０を有するカソ
ードにとアノードＡ間に配置されている。
コンタクトゾーン７の側はｎ＋　ドープされたソースゾ
ーン５、ｐドープされたチャネルゾーン６及びゲート電
極４から戒るＭＯ３制御構造を有している。ゲート電極
４はカソード電極２と半導体基板１からゲート絶縁３に
よって分離されて、チャネルゾーン６の上に配置されて
いる。
第１図の回路記号によって示されているように、コンタ
クトゾーン７、ベースゾーン８及びエミッター層９は実
際のＤＭＯＳＦＥＴと反差列に接続されているダイオー
ド構造１１を形威し、且つ誘導性負荷のスイッチングの
間、素子に所望の特性を与える。
従来のＭＣＴのユニットセルが第２図に示されているが
、従来のＭＣＴはこのようなダイオード構造を有してい
ない。代わりに、エミッターゾーン１４、第１のベース
層１５、第２のベース層１６及びエミッター層１７（第
２図の素子におけるドーピングの順序は、例えばｎ　＋
　、ｐ　、　ｎ　−、ｐ　＋である。）から戒る４層の
交互にドープされたサイリスタ構造を有している。
省略したダイオード構造は次の方法でＭＣＴに集積され
ることができる。
逆極性のパルスによって同じゲート電極４を通って第２
図による素子をターンオンすることができるので、ＭＯ
３構造間のカソード側の半導体基板の表面にまで第２の
ベース層１７を引き上げ、そしてそこにＩＧＢＴセルを
配置すること（第３図）がヨーロッパ特許出＠（出願番
号、８９１０５３３３．２）に提案されている。
この配列において、各々のＩＧＢＴセルはカソード電極
２に直接接続され、ソースゾーン１８（ここはｎｌ　ド
ープされている。）、チャネルゾーン１９（ここはｐド
ープされている。）及びゲート電極４からなるＭＯＳ構
造を与えているコレクターゾーン（ここはｐ゛　ドープ
されている。）を有している。更に、各々のＩＧＢＴセ
ルは第２のベース層１６とエミッター７１１７を有して
いる。
第３図と第１図間の比較によって判るように、ＤＭＯＳ
ＦＥＴ構造のかなりの部分がこのようなＩＧＢＴセルに
よってＭＣＴに既に集積化されている。所望の集積逆並
列ダイオード構造１１を得るために、第１の好ましい実
施例（第４図）にしたがって、従来のアノード短絡回路
がアノード側に付加的に用意されている。
これらの各々のアノード短絡回路はエミッター層１７と
反対に（ｎ”に）ドープされ、コレクターゾーン２０の
反対側に配列され、そしてエミッタ−Ｊｉ１７を遮断し
、且つ第２のベース層１６をアノード電極１０に接続す
る分離したアノード短絡回路ゾーン２１から実質的に戒
っている。それらは素子のダイナミック特性をかなり改
善する。
カソード側ＩＧＢＴターンオンセルと反対側のアノード
短絡回路から戒る第４図の素子の部分構造は正に第１図
のＤＭＯＳＦＥＴに対応し、従って、また第４図の回路
記号によって示される逆並列ダイオード構造を有してい
る。
適当な幾何学的設計に従って、この新規なＭＣＴは誘導
性の逆電流を扱うことができ、また（外部のフリーホイ
ーリングダイオードを省くことによって）従来ＤＭＯＳ
ＦＥＴの場合にのみ可能であった回路の単純化を導くこ
とができる。
第５図は本発明の第２の好ましい実施例を示している。
アノード短絡回路は、エミッターＪｉｆ１７と第２のベ
ース層１６の間に配列されている全域のストップ！２２
はコレクターゾーン２０の反対側にあるエミッター層１
７を通して破壊し、第２のベース層１６をアノード電極
１０に接続する、と言うように設計される。従って、エ
ミッー層１７は島の形でストップ層２２に埋め込まれた
ゾーンを形成する。ｃ−ｃ’及びＢ−Ｂ’線に沿って引
かれた位置座標Ｘに関して、加えられた添加物濃度の分
布が第６ａ、ｂ図に示されている。
本発明による集積された逆ダイオードを有するＭＣＴの
他の実施例が第７図に示されている。第３〜５図に示さ
れたＩＧＢＴに代えて、コレクターゾーン２０自身のみ
がここでは（付加的な？ｔ（ｉｓ槽構造用いることなく
）用いられている。集積ダイオード構造がこの場合更に
はっきりする。
この素子は正のゲート信号によって、ターンオンされる
。ｎチャネルがｐドープされた第１のベースＮ１５の表
面に形成されるので、電子はこのチャネルを通って工柔
ツタ−ゾーン１４から第２のベース層１６に、そしてそ
こからアノード側のエミッター層１７に流れる。
第７図の例において、単一のアノード短絡回路ゾーン２
■がダイオード構造１１（第４図による）を得るために
用いられる。しかしながら、連続ストップ層をＩＧＢＴ
セルを有するＭＣＴのために第５図に示されたと同様に
アノード側に用いることもできる。
また、図面に示された添加物の代わりに対応する反対の
添加物（ｎの代わりにｐ、ｎ”の代わりにｐ９等）を用
いることが考えられる。
上記の教示に基づいて、本発明の明らかに、種々の変形
及び変更が可能である。従って、請求項の範囲内で、本
発明はここで詳細に述べられた以外の別な方法で実行さ
れ得るものであることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
第１図は固有の逆ダイオード構造を有する従来技術によ
るＤＭＯＳＰＥＴのユニットセルを示す。 第２図は従来のＭＣＴのユニットセルを示す。 第３図は先願によるターンオン用の付加的なＩＧＢＴ構
造を有するＭＣＴのユニットセルを示す。 第４図は第３図と比較してアノード側に変更された、本
発明の第１の実施例による逆ダイオードを有するＭＣＴ
構造を示す。 第５図は第３図と比較してアノード側に変更された、本
発明の第２の実施例による逆ダイオードを有するＭＣＴ
構造を示す。 第６ａ図及び第６ｂ図は第５図の素子におけるＢ−Ｂ’
及びｃ−ｃ’線に沿った添加物濃度の変化を示す。 第７図はＩＧＢＴのない本発明によるＭＣＴの他の実施
例を示す。 ｌ・・・・・半導体基板、 ２・・・・・カソード電極、 ３・・・・・ゲート絶縁、 ４・・・・・ゲート電極、 ５．１２．１８・・・ソースゾーン、 ６．１３．１９・・・チャネルゾーン、７・・・・・コ
ンタクトゾーン、 ８．１５．１６・・・ベース層、 ９．１７・・　・エミッター層、 １０・・・・・アノード電極、 １１・・・・・ダイオード構造、 １４・・・・・エミッターゾーン、 ２０・・・・・コレクターゾーン、 ２１・・・・・アノード短絡回路ゾーン、２２・・・・
・ストップ層、 Ａ・　・　・　・　・アノード、 Ｇ・　・　・　・　・ゲート、 Ｋ・・・・・カソード、 Ｘ・・・・・位置座標、 ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、２ Ｆ！０．７

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）（ａ）アノード（Ａ）とカソード（Ｋ）間の半導
    体基板（１）において、互いに隣合って配置され、且つ
    並列に接続された複数のユニットセルと、（ｂ）ユニッ
    トセルの各々において、カソード電極（２）に接続され
    たエミッターゾーン（１４）、第１のベース層（１５）
    、全てのユニットセルに共通の第２のベース層（１６）
    及びアノード電極（１０）に接続されたエミッター層（
    １７）とから成る一連の交互にドープされた層を有する
    サイリスタ構造と、 （ｃ）各々のエミッターゾーン（１４）に対して、サイ
    リスタ構造と共にＭＯＳ制御サイリスタＭＣＴを形成す
    る電界効果制御短絡回路（４、１２、１３）とから成る
    半導体素子において、 （ｄ）第２のベース層（１６）はユニットセル間の半導
    体基板のカソード側表面に達し、そして第２のベース層
    （１６）と反対にドープされ、且つ第２のベース層（１
    ６）に達しているコレクターゾーン（２０）が配列され
    、且つカソード電極（２）に接続されており、 （ｅ）エミッターゾーン（１７）はアノード電極（１０
    ）に接続され、且つ第２のベース層（１６）とコレクタ
    ーゾーン（２０）と共に、ダイオード構造（１１）を構
    成する反対にドープされたゾーンによって、コレクター
    ゾーンの反対側で遮られていることを特徴とするゲート
    ターンオフパワー半導体素子。
  2. （２）エミッター層（１７）を遮っている反対にドープ
    されたゾーンは分離したアノード短絡回路ゾーンである
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
  3. （３）エミッター層（１７）を遮っている反対にドープ
    されたゾーンはエミッター層（１７）と第２のベース層
    （１６）間に配置された連続ストップ層（２２）の一部
    であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
  4. （４）コレクターゾーン（２０）はＭＯＳ制御構造（４
    、１８、１９）を備え、かつ素子をターンオンするため
    に用いられているＩＧＢＴセルを形成していることを特
    徴とする請求項１に記載の半導体素子。
  5. （５）エミッターゾーン（１４）はｎ＾＋ドープされ、
    第１のベース層（１５）はｐドープされ、第２のベース
    層（１６）はｎ＾−ドープされ、エミッター層（１７）
    はｐ＾＋ドープされ、コレクターゾーン（２０）はｐ＾
    ＋ドープされそしてエミッター層（１７）を遮っている
    ゾーンはｎ＾＋ドープされていることを特徴とする請求
    項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体素子。
JP2190358A 1989-07-19 1990-07-18 ゲートターンオフパワー半導体素子 Pending JPH0387068A (ja)

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