JPH04322470A - 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は大電力のスイッチング用
に適する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下ＩＧ
ＢＴという）に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のようにＩＧＢＴは、いわば絶縁ゲ
ートによってバイポーラトランジスタの動作を制御する
もので、バイポーラトランジスタよりも入力インピーダ
ンスが高く，電界効果トランジスタよりもオン抵抗が低
い特長があり、大電力のスイッチングに有利な個別素子
として広く認められて種々の用途に採用されるに至って
いる。よく知られていることであるが、以下その代表的
な従来構造を図４を参照して簡単に説明する。

【０００３】図４はＩＧＢＴのゲートを中心にしたその
１構造単位を示すもので、実際には図示の構造を一次元
ないし二次元的に反復した複合構造とされる。ＩＧＢＴ
用のチップないしウエハである半導体基体１０は、その
ドレイン領域１用の例えばｐ形の基板１の上に薄いｎ形
の高不純物濃度領域２と厚いｎ形の伝導度変調領域４と
エピタキシャル成長法等により順次に積み重ねて構成さ
れる。

【０００４】この半導体基体１０の伝導度変調領域４側
の表面上にゲート酸化膜等のごく薄い絶縁膜２１を介し
て多結晶シリコン等のゲート２０を窓を備えるパターン
で配設し、各窓内にゲート２０をマスクとしてｐ形のチ
ャネル形成層３０を周縁がゲート２０の下にもぐり込む
よう拡散し、さらにこのチャネル形成層３０内にゲート
２０をマスクの一部として高不純物濃度のｎ形のソース
層４０を周縁がゲート２０の下に若干もぐり込むよう拡
散する。なお、チャネル形成層３０の中央部には高濃度
部３１を拡散して置くのがふつうである。

【０００５】次に、ゲート２０を燐シリケートガラス等
の絶縁膜５１により覆った上で、半導体基体１０の表面
側には絶縁膜５１の窓内でチャネル形成層３０とソース
層４０に導電接触する電極膜５２を，裏面側にはドレイ
ン領域１に導電接触する電極膜５３をそれぞれアルミ等
の金属で付け、図示のように電極膜５２からソース端子
Ｓ，電極膜５３からドレイン端子Ｄをそれぞれ導出し、
かつゲート２０用のゲート端子Ｇをその図示の断面以外
の個所から導出する。

【０００６】図４の構造をもつＩＧＢＴはドレイン端子
Ｄの方に正の回路電圧を与えた状態で使用され、オフ時
にはチャネル形成層３０と伝導度変調領域４の間のｐｎ
接合から主に後者内に延びる空乏層により回路電圧が負
担される。ソース端子Ｓより正な制御電圧をゲート端子
Ｇに与えると、ゲート２０の下側のｐ形のチャネル形成
層３０の表面にｎチャネルＣｎが導通して電子がソース
層４０から伝導度変調領域４に注入され、この注入キャ
リアに基づく伝導度変調作用によりｎ形の伝導度変調領
域４の導電率が急速に上昇するので、これをｎ形のベー
ス，　チャネル形成層３０をｐ形のエミッタ，　ドレイ
ン領域１をｐ形のコレクタとする縦形の　ｎｐｎトラン
ジスタがオンしてドレイン端子Ｄとソース端子Ｓの間が
低いオン電圧で導通する。ゲート端子Ｇに与える電圧を
なくすと、伝導度変調領域４へのキャリア注入がなくな
るので上述の　ｐｎｐトランジスタがベース電流を断た
れてオフし、従ってＩＧＢＴは元のオフ状態に戻る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のＩＧＢＴはゲー
ト２０に与える電圧でオンオフ制御できるのでバイポー
ラトランジスタに比べて入力インピーダンスが非常に高
く、かつ導通時のオン電圧がバイポーラトランジスタ並
みの数Ｖ以下なので電界効果トランジスタに比べて格段
に低い特長があるが、オフ動作に比較的時間が掛かる傾
向があって、とくに高耐圧化しようとするとターンオフ
時間が一層長くなり、かつオン電圧も増加しやすい問題
がある。

【０００８】すなわち、ＩＧＢＴの高耐圧化にはオフ時
に空乏層が延びる伝導度変調領域４の厚みを増す必要が
あるが、オフ動作時にその中に空乏層が広がり切るのに
時間が掛かってターンオフ時間が長くなり、かつオン状
態でもオン電圧が増加する。また、オフ動作時のキャリ
アの再結合を促進する金等の原子や電子線照射による結
晶欠陥を導入する手段が従来から知られているが、かか
るライフタイムキラーはオン状態でも伝導度変調領域４
内のキャリアを再結合させて伝導度変調作用を弱めるの
で、その導電率を低下させてオン電圧を増加させやすい
。

【０００９】本発明の目的は、かかる問題点を解消して
スイッチング速度やオン電圧を悪化させることなくＩＧ
ＢＴを高耐圧化することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明では、一方の導電
形のドレイン領域の上に他方の導電形の高不純物濃度領
域と低不純物濃度領域と伝導度変調領域を順次積み重ね
た半導体基体を用い、従来と同様にゲートを伝導度変調
領域の表面上に絶縁膜を介して配設し、一方の導電形の
チャネル形成層と他方の導電形のソース層を伝導度変調
領域の表面からそれぞれ端部をゲートの下にもぐり込ま
せて拡散し、ドレイン領域からドレイン端子，チャネル
形成層とソース層からソース端子，ゲートからゲート端
子をそれぞれ導出してなるＩＧＢＴにより上述の目的を
達成する。

【００１１】なお、上記の低不純物濃度領域の不純物濃
度は伝導度変調領域の不純物濃度の半分以下，望ましく
は１０分の１以下に低めるのがよく、この低不純物濃度
領域の厚みはそれと伝導度変調領域の厚みの和の２０〜
５０％，　望ましくは２５〜３５％に設定するのがよく
、さらにその最低の厚みは５μｍとするのがよい。

【００１２】

【作用】本発明では半導体領域の不純物濃度を低めると
内部電界強度を高め得る性質を利用して、伝導度変調領
域の一部を前項の構成中にいう低不純物濃度領域で置き
換えることにより、従来の伝導度変調領域と同じ厚みで
ＩＧＢＴの耐圧を高めるとともに、高耐圧化のため伝導
度変調電流の厚みを増す場合よりオン電圧を減少させる
。また、ＩＧＢＴのオフ動作時にはチャネル形成層と伝
導度変調領域との間のｐｎ接合面から空乏層が広がるが
、低不純物濃度領域内で空乏層が延びやすく高不純物濃
度領域でその延びが止まる性質を利用して、空乏層を伝
導度変調領域から低不純物濃度領域を経由して高不純物
濃度領域まで急速に延ばし、空乏層が広がる時間，つま
りオフ動作中のＩＧＢＴに電流が流れる時間を短縮して
ターンオフ時間ないしはターンオフ損失を減少させる。

【００１３】

【実施例】以下、図を参照して本発明の実施例を説明す
る。図１は本発明によるＩＧＢＴの実施例を示す図４に
対応するその単位構造の断面図であり、同じ部分には同
じ符号が付けられている。図２はそのターンオフ損失，
図３はその耐圧をそれぞれ従来例と比較して示す線図で
ある。

【００１４】図１の実施例によるＩＧＢＴ用の半導体基
体１０は、そのドレイン領域１となる１０１９原子／ｃ
ｍ３　程度の不純物濃度のｐ形の基板の上に、エピタキ
シャル成長法によって１０１８原子／ｃｍ３　程度の不
純物濃度のｎ形の高不純物濃度領域２を５μｍの厚みで
，２ｘ１０１３原子／ｃｍ３　の不純物濃度のｎ形の低
不純物濃度領域３を２０μｍの厚みで，２ｘ１０１４原
子／ｃｍ３　の不純物濃度のｎ形の伝導度変調領域４を
５０μｍの厚みで順次に積み重ねて構成される。なお、
この低不純物濃度領域３と伝導度変調領域４の厚みは　
６００Ｖ級の使用回路電圧に対応するものである。

【００１５】以降は従来と同じであって、この半導体基
体１０の伝導度変調領域４側の表面にゲート酸化膜等の
絶縁膜２１を０．１　μｍ程度の膜厚で付け、その上に
　０．５μｍ程度の厚みの多結晶シリコン等のゲート２
０を窓を備えるパターンで配設し、各窓内にゲート２０
をマスクとして２ｘ１０１７原子／ｃｍ３　程度の不純
物濃度のｐ形のチャネル形成層３０を周縁がゲート２０
の下にもぐり込むよう例えば５μｍの深さに拡散し、さ
らにこのチャネル形成層３０内にゲート２０をマスクの
一部として１０２０原子／ｃｍ３以上の高不純物濃度の
ｎ形のソース層４０を周縁がゲート２０の下に少しもぐ
り込むよう　０．５μｍないしはそれ以下の深さに拡散
する。なお、この実施例においてもチャネル形成層３０
の中央部には高濃度部３１を１０１９原子／ｃｍ３　以
上の不純物濃度で拡散して置くのがよい。

【００１６】さらにゲート２０の上を絶縁膜５１で覆い
かつ半導体基体の１０の表面側に電極膜５２を裏面側に
電極膜５３をそれぞれ配設し、ソース端子Ｓとドレイン
端子Ｄとゲート端子Ｇを導出するのも従来と同じである
。

【００１７】このように構成された本発明によるＩＧＢ
Ｔは、従来と同様にふつうドレイン端子Ｄの方に正側の
回路電圧を与えた状態で使用され、そのオフ時にはチャ
ネル形成層３０と伝導度変調領域４との間のｐｎ接合面
から空乏層が高不純物濃度領域２に至るまで伝導度変調
領域４および低不純物濃度領域３内に広がるが、両領域
の不純物濃度が１桁異なるので低不純物濃度領域３の１
μｍの単位厚みごとの電圧負担が伝導度変調領域４より
もかなり高くなり、例えばこの実施例のように前者の厚
みを後者と合わせた厚みの３０％程度に選定することに
よりＩＧＢＴの耐圧を向上させることができる。

【００１８】本発明によるＩＧＢＴでもそのオンオフの
スイッチング動作はもちろんゲート端子Ｇに与える電圧
により制御される。そのオン状態では低不純物濃度領域
３を通して電流が流れるので、これによりオン電圧が若
干でも上昇する傾向にはあるが、低不純物濃度領域３の
厚みが伝導度変調領域４と合わせた厚みの半分以下の場
合のオン電圧の上昇は僅かであり、この実施例のように
３０％程度の場合は後述のようにその影響はほとんど出
ない。

【００１９】一方、本発明のＩＧＢＴのオフ動作にはこ
の低不純物濃度領域３によりターンオフが促進される。 ＩＧＢＴがオンからオフに変わる過渡状態では、負荷電
流が遮断されドレイン端子Ｄとソース端子Ｓの間がほぼ
電源電圧にクランプされた後にもＩＧＢＴの内部で空乏
層が広がっている限り電流が流れ続け、よく知られてい
るようにこれがＩＧＢＴのオフ時のスイッチング動作が
長引く主な原因であるが、広がりつつある空乏層の先端
が伝導度変調領域４から低不純物濃度領域３に達すると
、その中では非常に延びやすいので短時間内に高不純物
濃度領域２まで達してその広がり動作を終える。これか
らわかるように、低不純物濃度領域３は空乏層の広がり
を促進してＩＧＢＴのターンオフ時間を短縮する効果を
有する。なお、この低不純物濃度領域３といえども伝導
度変調領域４内の空乏層の広がりまではもちろん促進し
ないから、本発明においても伝導度変調領域４用にライ
フタイムキラーを半導体基体１０に導入して置くのが望
ましい。

【００２０】図２はかかる低不純物濃度領域３のターン
オフ時間の短縮効果をスイッチング損失により示す線図
であり、図の縦軸がＩＧＢＴのｍＪ単位のスイッチング
損失Ｅで、横軸にはそのオン電圧Ｖｆがとられている。 図中のＡで示した小円が本発明の図１の実施例による２
０μｍの厚みの低不純物濃度領域３と５０μｍの厚みの
伝導度変調領域４を備えるＩＧＢＴであり、そのオン電
圧が２Ｖの試料はライフタイムキラーなしのもので、３
Ｖと４Ｖの試料は電子線照射によりライフタイムキラー
をそれぞれ適宜な濃度で導入して作成したものである。

【００２１】また、黒円により示した比較試料Ｂは低不
純物濃度領域３がなく７０μｍの厚みの２ｘ１０１４原
子／ｃｍ３　の不純物濃度の伝導度変調領域４を備える
従来のＩＧＢＴを同様にライフタイムキラーなしとあり
の条件で作成したものである。さらに、方形により示し
た比較試料Ｃは比較試料Ｂと同構造であるが、伝導度変
調領域４の不純物濃度を図１の実施例の低不純物濃度領
域３と同じ２ｘ１０１３原子／ｃｍ３　としたものであ
る。なお、図のスイッチング損失Ｅとオン電圧ＶｆはＩ
ＧＢＴの電流密度が　１００Ａ／ｃｍ２　の場合の値で
ある。

【００２２】図のように、伝導度変調領域４の厚みの３
０％程度を低不純物濃度領域３で置き換えた試料Ａのス
イッチング損失Ｅは置き換えをしない従来のＩＧＢＴの
試料Ｂとほとんど同じであるが、伝導度変調領域４を低
不純物濃度領域３で置き換えてしまった試料Ｃのスイッ
チング損失Ｅの増加はかなり顕著で、これから本発明の
ように伝導度変調領域４の一部のみを低不純物濃度領域
３により置き換えるのが有利なことがわかる。

【００２３】図３は上述の試料Ａ〜Ｃのオン電圧が３Ｖ
程度のもの各３個について耐圧Ｖｂを比較した線図であ
る。本発明によるＩＧＢＴの試料Ａの耐圧Ｖｂは　８０
０〜９００　Ｖで伝導度変調領域４の不純物濃度Ｎが２
ｘ１０１３原子／ｃｍ３　の従来構造のＩＧＢＴの試料
Ｃにほぼ近く、伝導度変調領域４の不純物濃度が２ｘ１
０１４原子／ｃｍ３　の従来のＩＧＢＴの試料Ｂよりも
　３００Ｖ程度向上している。

【００２４】以上の図２および図３からもわかるように
、従来のＩＧＢＴでは耐圧を高めるため伝導度変調領域
４の不純物濃度を低めるとスイッチング損失Ｅないしは
オン電圧Ｖｆが増加するいわゆるトレードオフ関係があ
り、伝導度変調領域４の厚みを増加させた場合も同様で
あるが、本発明ではこのトレードオフの問題を解消して
ＩＧＢＴのスイッチング損失Ｅないしオン電圧Ｖｆを増
加させることなく耐圧Ｖｆを高めることができる。

【００２５】なお、かかる効果を得る上では低不純物濃
度領域３の不純物濃度を伝導度変調領域４の半分以下に
するのが有利で、さらに図１の実施例のように約１桁異
ならせるのが望ましい。また、ＩＧＢＴの耐圧を高める
上では低不純物濃度領域３の厚みの伝導度変調領域４と
合わせた厚みに対する比率を高く選定するのか有利であ
るが、あまり高くし過ぎると図２からわかるようにスイ
ッチング損失が増し、オン電圧の点でも不利になるので
、低不純物濃度領域３の不純物濃度によっても異なるが
２０〜５０％とするのがよく、ふつうは２５〜３５％の
範囲に選定するのが最適である。また、ＩＧＢＴに持た
せるべき耐圧値によって異なるが、低不純物濃度領域３
の厚みはあまり薄すぎると効果がないので、その最低の
厚みは５μｍ程度とするのがよい。このように、本発明
は上述の実施例に限定されることなくその要旨内で種々
の態様で実施をすることができる。

【００２６】

【発明の効果】以上のとおり本発明では、従来のＩＧＢ
Ｔの伝導度変調領域の一部を低不純物濃度領域で置き換
えることにより、次の効果を得ることができる。

【００２７】（ａ）　低不純物濃度領域内の電界強度を
伝導度変調領域内より高めることにより従来の伝導度変
調領域と同じ厚みで耐圧を高めることができる。

【００２８】（ｂ）　空乏層の広がりを低不純物濃度領
域により促進して高不純物濃度領域まで急速に延ばすこ
とによりターンオフ時間や損失を減少させることができ
る。

【００２９】（ｃ）　伝導度変調領域の不純物濃度や厚
みとスイッチング損失やオン電圧の間の従来のトレード
オフ問題を解決して、スイッチング速度やオン電圧を悪
化させることなくＩＧＢＴを高耐圧化することができる
。

【００３０】本発明のこれらの効果は数百Ｖ以上の耐圧
値を要する場合に有利に発揮され、本発明の実施により
ＩＧＢＴの高耐圧化をさらに進めてその適用範囲および
用途の拡大に貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＩＧＢＴの一実施例を示すその単
位構造の断面図である。

【図２】図１の実施例によるＩＧＢＴのスイッチング損
失を従来技術と比較する対オン電圧特性線図である。

【図３】図１の実施例によるＩＧＢＴの耐圧値を従来技
術と比較する線図である。

【図４】従来技術によるＩＧＢＴの単位構造の断面図で
ある。

【符号の説明】

１　　　　　　ドレイン領域ないしは半導体基板２　　
　　　　高不純物濃度領域 ３　　　　　　低不純物濃度領域 ４　　　　　　伝導度変調領域 １０　　　　　　半導体基体 ２０　　　　　　ゲート ２１　　　　　　絶縁膜ないしはゲート酸化膜３０　　
　　　　チャネル形成層 ４０　　　　　　ソース層 Ｄ　　　　　　ドレイン端子 Ｅ　　　　　　ＩＧＢＴのスイッチング損失Ｇ　　　　
　　ゲート端子 Ｓ　　　　　　ソース端子 Ｖｂ　　　　　　ＩＧＢＴの耐圧 Ｖｆ　　　　　　ＩＧＢＴのオン電圧

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一方の導電形のドレイン領域と、他方の導
   電形の高不純物濃度領域と、他方の導電形の低不純物濃
   度領域と、他方の導電形の伝導度変調領域とが順次積み
   重ねられた半導体基体と、その伝導度変調領域側の表面
   上に絶縁膜を介して配設されたゲートと、伝導度変調領
   域の表面から端部をゲート下にもぐり込ませて拡散され
   た一方の導電形のチャネル形成層と、チャネル形成層内
   に端部をゲート下にもぐり込ませて高不純物濃度で拡散
   された他方の導電形のソース層とを備え、ドレイン領域
   からドレイン端子を，チャネル形成層およびソース層か
   らソース端子を，ゲートからゲート端子をそれぞれ導出
   してなる絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。
2. 【請求項２】請求項１に記載のトランジスタにおいて、
   低不純物濃度領域の不純物濃度が伝導度変調領域の不純
   物濃度の半分以下に低められることを特徴とする絶縁ゲ
   ートバイポーラトランジスタ。
3. 【請求項３】請求項１に記載のトランジスタにおいて、
   低不純物濃度領域の厚みがそれと伝導度変調領域の厚み
   の和の２０〜５０％の間に設定されることを特徴とする
   絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。
4. 【請求項４】請求項３に記載のトランジスタにおいて、
   低不純物濃度領域の厚みがそれと伝導度変調領域の厚み
   の和の２５〜３５％の間に設定されることを特徴とする
   絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。
5. 【請求項５】請求項１に記載のトランジスタにおいて、
   低不純物濃度領域の厚みが最低でも５μｍ以上に設定さ
   れることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラトランジス
   タ。