JPH053205A - Insulated-gate bipolar transistor - Google Patents

Insulated-gate bipolar transistor

Info

Publication number
JPH053205A
JPH053205A JP27584391A JP27584391A JPH053205A JP H053205 A JPH053205 A JP H053205A JP 27584391 A JP27584391 A JP 27584391A JP 27584391 A JP27584391 A JP 27584391A JP H053205 A JPH053205 A JP H053205A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
region
collector
layer
conductivity type
bipolar transistor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP27584391A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasuyuki Hoshi
保幸 星
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Priority to JP27584391A priority Critical patent/JPH053205A/en
Publication of JPH053205A publication Critical patent/JPH053205A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

PURPOSE:To decrease power loss in the on-state of a high-speed device by providing one collector-shorting member for a plurality of cells to eliminate the negative resistance region in the on-state I-V curve. CONSTITUTION:A collector-shorting region 10 of a first conductivity type is provided for a plurality of cells. The region 10, formed into a single columnar member rather than divided to be distributed on a collector layer, penetrates through the collector layer 9 and in contact with a collector electrode 11. As a result, the electron current injected from an n<+> emitter region 3 to a channel region 4 by the voltage applied between the gate and emitter flows into a common buffer 8 through the channels of the cells. The current is concentrated in the n<+> collector-shorting region 10 by the built-in field between the n-type collector-shorting region 10 and p<+> collector layer. Therefore, the distance the electron current passes by the p<+> region 9 brings about a voltage drop, thereby assisting the injection of holes from the p<+> region to promote conductivity modulation.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はバイポーラトランジスタ
の表面部にMOS構造を有し、電圧駆動のスイッチング
素子として用いられる絶縁ゲート型バイポーラトランジ
スタ (以下IGBTと記す) に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as IGBT) having a MOS structure on the surface of a bipolar transistor and used as a voltage-driven switching element.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年スイッチング素子として伝導度変調
を利用したMOSFET、いわゆるIGBTが注目され
ている。IGBTはMOSFET同様に入力インピーダ
ンスが高く、またバイポーラトランジスタと同様にオン
抵抗が低くできる。IGBTのスイッチング速度を高め
るために、コレクタショート構造を採用することも行わ
れている。図3はnバッファ領域とコレクタショート構
造を有するIGBTの基本構造を示す。この構造におい
ては、n- 基板1の表面層内にpベース領域2、さらに
その表面層内にn+ エミッタ領域3とがそれぞれ選択的
に形成されている。pベース領域2のn- 基板1とn+
エミッタ領域3ではさまれた表面部分はチャネル領域4
となる部分で、その上にゲート酸化膜5を介して、ゲー
ト電極6が形成され、ゲート端子Gに接続されている。
+ エミッタ領域3の一部にはpベース領域2と共通に
エミッタ電極7が接触し、エミッタ端子Eに接続されて
いる。エミッタ電極7はゲート電極6と絶縁膜50で絶縁
されている。
2. Description of the Related Art In recent years, attention has been paid to a MOSFET, a so-called IGBT, which uses conductivity modulation as a switching element. The IGBT has a high input impedance like the MOSFET, and can have a low on-resistance like the bipolar transistor. In order to increase the switching speed of the IGBT, a collector short structure has been adopted. FIG. 3 shows a basic structure of an IGBT having an n buffer region and a collector short structure. In this structure, p base region 2 is selectively formed in the surface layer of n substrate 1, and n + emitter region 3 is selectively formed in the surface layer. n substrate 1 and n + of p base region 2
The surface region sandwiched by the emitter region 3 is the channel region 4
A gate electrode 6 is formed on the above portion via the gate oxide film 5 and is connected to the gate terminal G.
An emitter electrode 7 is in contact with part of the n + emitter region 3 in common with the p base region 2 and is connected to the emitter terminal E. The emitter electrode 7 is insulated from the gate electrode 6 by the insulating film 50.

【0003】n- 基板1の他側には高不純物濃度の熱拡
散法によるnバッファ層8が設けられ、さらにn+ バッ
ファ層8の下面の一部にコレクタ層としてp+ コレクタ
領域9がやはり熱拡散法で形成されているが、全面では
なく、一部はバッファ層より高不純物濃度のn+ コレク
タショート領域10に代えられている。そしてp+ コレク
タ領域9とn+ コレクタショート領域10には共通にコレ
クタ端子Cに接続されるコレクタ電極11が接触し、コレ
クタショート型構造となっている。このようなコレクタ
ショート型IGBTでは、エミッタ電極7を接地し、ゲ
ート電極6に電圧を印加することにより、n+ エミッタ
領域3からチャネル領域4を通ってn-基板1に電子電
流が注入され、n+ バッファ層8を通過する。この電子
電流の一部はn+ バッファ層8の下面のp/n接合近傍
を流れることで電位降下をもたらし、それによってp+
コレクタ領域9からn+ バッファ層8およびn- 基板1
への正孔の注入がおこり、その結果n+ バッファ層8お
よびn- 基板1において伝導度変調がおこる。n+ バッ
ファ層8およびn- 基板1に注入された正孔電流は、p
ベース領域2のn+ エミッタ領域3直下を通りエミッタ
電極7へ抜ける。エミッタ電極7はpベース領域2とn
+ エミッタ領域3を短絡しているので、p+コレクタ領
域9、n+ バッファ層8およびn- 基板1、pベース領
域2、n+ エミッタ領域3からなるpnpn構造のサイ
リスタ動作を阻止し、ゲート・エミッタ間電位をゼロに
することで素子をターンオフすることができる。
An n buffer layer 8 is formed on the other side of the n substrate 1 by a high impurity concentration thermal diffusion method, and a p + collector region 9 is also formed as a collector layer on a part of the lower surface of the n + buffer layer 8. Although it is formed by the thermal diffusion method, a part of it is replaced with the n + collector short region 10 having a higher impurity concentration than the buffer layer, instead of the entire surface. The p + collector region 9 and the n + collector short region 10 are commonly contacted by the collector electrode 11 connected to the collector terminal C to form a collector short type structure. In such a collector-short type IGBT, the emitter electrode 7 is grounded and a voltage is applied to the gate electrode 6 to inject an electron current from the n + emitter region 3 through the channel region 4 into the n substrate 1, It passes through the n + buffer layer 8. A part of this electron current flows near the p / n junction on the lower surface of the n + buffer layer 8 to cause a potential drop, whereby p +
From collector region 9 to n + buffer layer 8 and n substrate 1
Holes are injected into the n + buffer layer 8 and the n substrate 1, resulting in conductivity modulation. The hole current injected into the n + buffer layer 8 and the n substrate 1 is p
It passes through just below the n + emitter region 3 of the base region 2 and exits to the emitter electrode 7. The emitter electrode 7 has p base region 2 and n
Since the + emitter region 3 is short-circuited, the thyristor operation of the pnpn structure composed of the p + collector region 9, the n + buffer layer 8 and the n substrate 1, the p base region 2, and the n + emitter region 3 is blocked, and the gate is -The element can be turned off by setting the potential between the emitters to zero.

【0004】n+ コレクタショート領域10は、図4に示
すようにコレクタ電極11の接触する表面12からn+ バッ
ファ領域8に達する円柱形で、面内に均一に分散してい
る。あるいは条状のn+ コレクタショート領域がコレク
タ層中に縞状に分散して設けられる。このような基本構
造をもつセルの多数個で一つの単位IGBT素子部を形
成しており、ゲート電極6は共通のゲート配線に引き出
される。そして1枚の半導体ウエハにそのような単位素
子部の複数が形成される。
As shown in FIG. 4, the n + collector short region 10 has a cylindrical shape extending from the contacting surface 12 of the collector electrode 11 to the n + buffer region 8 and is uniformly dispersed in the plane. Alternatively, strip-shaped n + collector short regions are provided in the collector layer in stripes. A large number of cells having such a basic structure form one unit IGBT element portion, and the gate electrode 6 is led out to a common gate wiring. Then, a plurality of such unit element portions are formed on one semiconductor wafer.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】このようなnバッファ
付コレクタショート型IGBTでは、前述のように素子
オン時、n+ エミッタ領域3からチャネル領域4を通過
し、n- 基板1に電子電流が注入され、注入された電子
は高不純物濃度のnバッファ層8を通過するが、n+
レクタショート領域10とp+ コレクタ領域9のビルトイ
ン電界でさらに電子電流はn+ コレクタショート領域10
へ加速される。従ってpコレクタ領域9を通過する電子
電流が減少するために、ビルトイン電界の確保が遅くな
る。また素子オン時には、n+ エミッタ領域3、n-
板1、n+ バッファ層8、n+ コレクタショート領域10
が同一導電型で電気的に接続されているため、MOSF
ETが形成されていることにより、図5の線51に示すよ
うに素子の電流・電圧特性にMOSFETの特性である
負性抵抗が発生する。さらに、p+ コレクタ領域10から
正孔の注入が開始されても、n+ バッファ層8により再
結合する割合が大きいために、n+ バッファ層8および
- 基板1での伝導度変調の割合が小さくなり、飽和電
圧が増加する。このことはオン時の電力損失につなが
り、特に高周波で駆動する場合に大きな問題となる。
In such a collector-short type IGBT with an n-buffer, as described above, when the element is on, an electron current passes from the n + emitter region 3 through the channel region 4 to the n substrate 1. is injected, the injected electrons are passed through the n buffer layer 8 having a high impurity concentration, further the electron current in built-in field of the n + collector-short region 10 and p + collector region 9 is n + collector-short region 10
Be accelerated to. Therefore, the electron current passing through the p collector region 9 is reduced, so that the built-in electric field is not secured slowly. When the device is turned on, the n + emitter region 3, the n substrate 1, the n + buffer layer 8, the n + collector short region 10
Are electrically connected with the same conductivity type,
Due to the formation of ET, a negative resistance, which is a characteristic of MOSFET, is generated in the current-voltage characteristic of the element as shown by the line 51 in FIG. Further, even if the injection of holes from the p + collector region 10 is started, the rate of recombination by the n + buffer layer 8 is large, and therefore the rate of conductivity modulation in the n + buffer layer 8 and the n substrate 1. Becomes smaller and the saturation voltage increases. This leads to power loss at the time of turning on, which is a serious problem particularly when driving at a high frequency.

【0006】本発明の目的は、上記欠点を除去し、オン
時の負性抵抗成分を消滅させ、飽和電圧を低減させるこ
とで、オン時の電力損失の小さいIGBTを提供するこ
とにある。
An object of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks, eliminate the negative resistance component at the time of ON, and reduce the saturation voltage, thereby providing an IGBT with a small power loss at the time of ON.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、第一導電型の第一層の一側の表面層内
に選択的に第二導電型のベース領域が形成され、そのベ
ース領域の表面層内に選択的に第一層の露出部をはさん
で第一導電型のエミッタ領域が形成され、第一層の他側
に第一導電型で高不純物濃度のバッファ層を介して第二
導電型のコレクタ層が形成され、ベース領域の第一層の
露出部とエミッタ領域にはさまれた部分をチャネル領域
として、その表面上にゲート絶縁膜を介して設けられる
ゲート電極、エミッタ領域およびベース領域に共通に接
触するエミッタ電極ならびにコレクタ層に接触するコレ
クタ電極を備えたセル構造の複数個を一つの半導体素子
内に有するIGBTにおいて、コレクタ電極に接触し、
コレクタ層を貫通してバッファ層に達する第一導電型の
領域が複数のセル構造について1個設けられたものとす
る。そしてその場合、コレクタ電極が第二導電型の層と
オーム接触をし、第一導電型の領域とショットキー接触
をする金属からなることも有効である。また、コレクタ
層を貫通する第一導電型の領域が断面積0.02mm2 以上の
柱状であること、さらにはそれが円柱状であることが効
果的である。さらに、これらのIGBTのバッファ層お
よびコレクタ層の不純物濃度が厚み方向にほぼ均一であ
ることが有効であり、それは各層が第一層を基板として
のエピタキシャル成長によって形成された層であること
により実現できる。
In order to achieve the above object, the present invention provides a second conductivity type base region selectively formed in a surface layer on one side of a first conductivity type first layer. And an emitter region of the first conductivity type is selectively formed in the surface layer of the base region by sandwiching the exposed portion of the first layer, and the first conductivity type and the high impurity concentration region are formed on the other side of the first layer. The collector layer of the second conductivity type is formed via the buffer layer, and the portion sandwiched between the exposed portion of the first layer of the base region and the emitter region is used as the channel region, and is provided on the surface thereof via the gate insulating film. An IGBT having a plurality of cell structures each having a gate electrode, an emitter electrode commonly contacting an emitter region and a base region, and a collector electrode contacting a collector layer in one semiconductor device,
It is assumed that one region of the first conductivity type that penetrates the collector layer and reaches the buffer layer is provided for each of the plurality of cell structures. In that case, it is also effective that the collector electrode is made of a metal which makes ohmic contact with the layer of the second conductivity type and has Schottky contact with the region of the first conductivity type. Further, it is effective that the first conductivity type region penetrating the collector layer has a columnar shape with a cross-sectional area of 0.02 mm 2 or more, and further that it has a columnar shape. Further, it is effective that the impurity concentration of the buffer layer and collector layer of these IGBTs is substantially uniform in the thickness direction, which can be realized by each layer being formed by epitaxial growth using the first layer as a substrate. .

【0008】[0008]

【作用】コレクタ電極とバッファ層とを短絡する第一導
電型のコレクタショート領域が各セルの第二導電型のコ
レクタ層に分散して設けられず、複数のセルについて1
個集中して設けられる結果、素子オン時に表面層のチャ
ネルを通じて注入されるキャリアによる電流がすべて第
二導電型のコレクタ層とコレクタ層を貫通する第一導電
型のコレクタショート領域の間のビルトイン電界により
加速され、コレクタショート領域に集中する。その際、
この電流がコレクタ層近傍を通過する距離が長くなると
共に、電流密度が増加するため、第一導電型のバッファ
層と第二導電型のコレクタ領域の界面での電位降下をも
たらし、これによってコレクタ領域から第一導電型の第
一層への逆極性のキャリアの注入がおこり、その結果第
一層の伝導度変調がおこる。コレクタ領域の面積が従来
のコレクタショート型IGBTにおけるより大きいた
め、伝導度変調の正帰還が起こりやすく、オン時の電流
・電圧特性の負性抵抗が消滅する。この場合、コレクタ
電極とバッファ層とを短絡する第一導電型の貫通領域の
直上にあるセルからは電流はその領域に直線的に到達す
るため、第二導電型のコレクタ領域に沿って流れること
がないので上記の電位差の形成に役立たないが、コレク
タ電極が第一導電型貫通領域とショットキー接触をすれ
ば、キャリアがそのバリアによって阻止されて貫通領域
に蓄積される結果、第二導電型のコレクタ領域との間に
ビルトイン電位降下をひきおこしやすくなり、コレクタ
領域からの第一導電型貫通領域直上のセルへの逆キャリ
アの注入が加速される。さらに、コレクタ層とバッファ
層の厚み方向の不純物濃度勾配をなくすことにより、両
層の界面で不純物濃度が、急激に変化し、コレクタ層か
ら第一層へのキャリアのはき出しが促進され、拡散電流
が多くなってオン電圧が低下する。
The collector short region of the first conductivity type for short-circuiting the collector electrode and the buffer layer is not provided dispersedly in the collector layer of the second conductivity type of each cell.
As a result, the currents due to the carriers injected through the channel of the surface layer when the device is turned on are all built-in electric field between the collector layer of the second conductivity type and the collector short region of the first conductivity type that penetrates the collector layer. It is accelerated by and concentrates on the collector short area. that time,
Since the distance that this current passes near the collector layer becomes longer and the current density increases, a potential drop occurs at the interface between the buffer layer of the first conductivity type and the collector region of the second conductivity type. Causes injection of carriers of opposite polarity into the first-conductivity-type first layer, resulting in conductivity modulation of the first layer. Since the area of the collector region is larger than that of the conventional collector short type IGBT, the positive feedback of the conductivity modulation is likely to occur, and the negative resistance of the current-voltage characteristic at the time of turning on disappears. In this case, since the current reaches the region linearly from the cell immediately above the through region of the first conductivity type that short-circuits the collector electrode and the buffer layer, the current should flow along the collector region of the second conductivity type. However, if the collector electrode makes a Schottky contact with the first conductivity type through region, carriers are blocked by the barrier and accumulated in the through region, resulting in the second conductivity type. A built-in potential drop is likely to occur between the collector region and the collector region, and the injection of reverse carriers from the collector region into the cell immediately above the first conductivity type through region is accelerated. Furthermore, by eliminating the impurity concentration gradient in the thickness direction of the collector layer and the buffer layer, the impurity concentration at the interface between the two layers changes abruptly, facilitating carrier ejection from the collector layer to the first layer, and increasing the diffusion current. Increase and the on-voltage decreases.

【0009】[0009]

【実施例】図1, 図2は本発明の一実施例のIGBTの
単一セルを示す断面図、およびその半導体素体の下面を
上にした斜視図で、図3, 図4と共通の部分には同一の
符号が付されている。このIGBTでは、厚さ220μm
のn- 基板1の表面層内にpベース領域2が幅40μmの
- 基板1の露出部をはさんで形成され、ベース領域の
表面層内にn+ エミッタ領域3が形成されている。さら
に幅5μmのチャネル領域4の上にはゲート酸化膜5を
介してゲート電極6が形成されている。以上の構造は図
3, 図4と同一である。一方、基板1の下面には7〜8
μmの厚さのn+ バッファ層8が設けられ、その下面に
2〜3μmの厚さのp+ コレクタ層9が形成されている
ことも図3, 図4と同様であるが、n+ コレクタショー
ト領域10が多数設けられておらず、図に示すようなセル
の集合体である単位IGBT素子部に1個あるいは複数
個形成されている。n+ コレクタショート領域10はn+
バッファ層8より高不純物濃度でp+ コレクタ層9を貫
通する円柱状に形成されるが、その直径は200 μmで0.
0314mm2 の断面積を有する。このIGBTのゲート・エ
ミッタ間の電圧印加によりn+ エミッタ領域3からチャ
ネル領域4に注入された電子電流はn+ バッファ層8へ
通過する。各セルのチャネル領域から共通のバッファ層
8へ入った電子電流は、n+ コレクタショート領域10と
+ コレクタ層9との間のビルトイン電界により、n+
コレクタショート領域10に集中する。このように電子電
流が各チップからn+ コレクタショート領域10に集中す
るため、電子電流は図3, 図4に示す構造と違い、p+
領域9の脇を通過する距離が長くなると共にその電流密
度が増加するために電位降下をもたらし、p+ 領域から
の正孔の注入を促して伝導度変調が発生する。さらにp
+ 領域9の面積が大きいために伝導度変調の正帰還が起
こり易く、図5の線52に示すように、この素子I−V特
性では負性抵抗が消滅し、飽和電圧の低下が図られ、オ
ン時の損失が低減する。なお、コレクタショート領域10
の断面積が小さいと、電子電流が流れ込みにくくなるの
で0.02mm2 以上であることが望ましい。
1 and 2 are a cross-sectional view showing a single cell of an IGBT according to an embodiment of the present invention and a perspective view of the semiconductor element body with its lower surface facing upward, which are common to FIGS. 3 and 4. The parts have the same reference numerals. This IGBT has a thickness of 220 μm
Of n - p base region 2 are n width 40μm on the surface layer of the substrate 1 - it is formed across the exposed portion of the substrate 1, n + emitter region 3 is formed in the surface layer of the base region. Further, a gate electrode 6 is formed on the channel region 4 having a width of 5 μm via a gate oxide film 5. The above structure is the same as in FIGS. On the other hand, the bottom surface of the substrate 1 has 7 to 8
thick n + buffer layer 8 is provided in [mu] m, FIG. 3 also p + collector layer 9 of a thickness of 2~3μm on its lower surface is formed is similar to FIG. 4, n + collector A large number of short-circuit regions 10 are not provided, but one or a plurality of short-circuit regions 10 are formed in a unit IGBT element portion which is an aggregate of cells as shown in the figure. n + collector short region 10 is n +
It has a higher impurity concentration than the buffer layer 8 and is formed in a columnar shape that penetrates the p + collector layer 9, but its diameter is 200 μm and is 0.1 μm.
It has a cross-sectional area of 0314 mm 2 . By applying a voltage between the gate and emitter of the IGBT, the electron current injected from the n + emitter region 3 into the channel region 4 passes to the n + buffer layer 8. Electron current entering from the channel region into a common buffer layer 8 of each cell, the built-in electric field between the n + collector-short region 10 and the p + collector layer 9, n +
Focus on collector short area 10. Thus, since the electron current is concentrated to the n + collector-short region 10 from each chip, the difference electron current 3, the structure shown in FIG. 4, p +
As the distance passing through the side of the region 9 becomes longer and the current density thereof increases, a potential drop is caused, and injection of holes from the p + region is promoted to cause conductivity modulation. Furthermore p
Since the area of the + region 9 is large, positive feedback of conductivity modulation is likely to occur, and as shown by the line 52 in FIG. 5, in the element IV characteristic, the negative resistance disappears and the saturation voltage is reduced. , The loss at the time of on is reduced. In addition, collector short area 10
If the cross-sectional area of is small, it becomes difficult for the electron current to flow in, so 0.02 mm 2 or more is desirable.

【0010】図6は本発明の別の実施例のIGBTの単
一セルの断面を示し、n+ バッファ層8が円柱状にp+
コレクタ層9中に延び、その表面に薄いn+ コレクタシ
ョート領域10が形成されてコレクタ電極11に接触してい
る。
FIG. 6 shows a cross section of a single cell of an IGBT according to another embodiment of the present invention, in which the n + buffer layer 8 has a cylindrical p + shape.
A thin n + collector short region 10 is formed on the surface of the collector layer 9 and extends in contact with the collector electrode 11.

【0011】図7に示すさらに別の実施例は、図6と同
様の構造を有するが、p+ コレクタ層9およびn+ コレ
クタショート領域10に接触するコレクタ電極14はn+
域10との間にショットキー・バリアを形成している。こ
のようにn形Siに対してショットキーバリアを形成する
コレクタ電極13の材料としては、n型Siの電子親和力の
エネルギーより大きい仕事関数をもつ金属が選ばれる。
この実施例ではMoを用いた。このIGBTのゲート電極
6とエミッタ電極7間に電圧を印加した場合、n+ コレ
クタショート領域10直上のセルからの電子電流は直線的
にそのn+ 領域10へ到達するため、p+ コレクタ領域9
の近傍を流れず、p+ コレクタ領域9とn+ バッファ領
域8との接合での電位降下の増大には寄与しない。しか
し、コレクタ電極13とn+ 領域10との間にショットキー
バリアが存在することで、n+ 領域10に集中した電流は
蓄積される結果、n+ コレクタショート領域10とp+
レクタ領域9によるビルトイン電位降下をおこしやすく
なり、p+ 領域からの正孔の注入が加速され、注入量が
増加する。そして、さらに電子の濃度が高くなればバリ
アを越えてコレクタ電極13に電子が流入する。この結
果、図8に示すように、図7の実施例のIGBTの電流
・電圧特性82では図6の実施例の電流・電圧特性81に比
してさらにオン電圧が低下した。
A further embodiment shown in FIG. 7 has a structure similar to that of FIG. 6, but the collector electrode 14 in contact with the p + collector layer 9 and the n + collector short region 10 is between the n + region 10. A Schottky barrier is formed on. As described above, a metal having a work function larger than the electron affinity energy of n-type Si is selected as the material of the collector electrode 13 that forms the Schottky barrier for n-type Si.
Mo was used in this example. When a voltage is applied between the gate electrode 6 and the emitter electrode 7 of this IGBT, the electron current from the cell immediately above the n + collector short region 10 linearly reaches the n + region 10, so that the p + collector region 9
Does not flow in the vicinity of, and does not contribute to an increase in the potential drop at the junction between the p + collector region 9 and the n + buffer region 8. However, due to the existence of the Schottky barrier between the collector electrode 13 and the n + region 10, the current concentrated in the n + region 10 is accumulated, resulting in the n + collector short region 10 and the p + collector region 9 being formed. The built-in potential is likely to drop, the injection of holes from the p + region is accelerated, and the injection amount increases. Then, when the electron concentration further increases, the electrons flow into the collector electrode 13 over the barrier. As a result, as shown in FIG. 8, in the current / voltage characteristic 82 of the IGBT of the embodiment of FIG. 7, the on-voltage is further reduced as compared with the current / voltage characteristic 81 of the embodiment of FIG.

【0012】以上の実施例におけるp+ コレクタ層9は
- 基板の表面から不純物を熱拡散することにより形成
した場合、コレクタ層9の不純物濃度はn+ バッファ層
8に近くなるに従い低下する勾配を有する。さらにn+
バッファ層8を熱拡散で形成されるため、その層内にも
不純物濃度勾配が生ずる。これらの濃度勾配によって作
られた電界は飽和電圧を高める方向にあり、n+ バッフ
ァ層8とp+コレクタ層9との界面でのp+ コレクタ層
9の正孔濃度が減少することは、拡散電流を低下させる
ことになる。本発明の別の実施例では、n- 基板1の上
にn+ 層を10μm以上の厚さにエピタキシャル成長によ
り形成し、コレクタショート領域の形成される円柱状の
部分のみを残して表面層を5μm以上除去して5μm以
上の厚さのバッファ層8を形成したのち、その除去した
部分にエピタキシャル成長でp+コレクタ層9を形成す
る。そのコレクタ層9の中に露出しているn+ バッファ
層8の表面層には不純物拡散によりn+ コレクタショー
ト領域10を形成する。このようにして、n+ バッファ層
8およびp+ コレクタ層9の厚み方向の不純物濃度勾配
をなくし、界面でのp+ コレクタ層9の正孔濃度を表面
濃度と一定に調整することでオン電圧を低下させること
ができる。すなわち、図9に示すようにバッファ層8お
よびコレクタ層9を熱拡散法で形成した実施例のIGB
Tの電流・電圧特性91に比して、エピタキシャル法で形
成した実施例のIGBTの電流・電圧特性92ではオン電
圧がより低下した。
When the p + collector layer 9 in the above embodiment is formed by thermally diffusing impurities from the surface of the n substrate, the impurity concentration of the collector layer 9 decreases as it gets closer to the n + buffer layer 8. Have. Further n +
Since the buffer layer 8 is formed by thermal diffusion, an impurity concentration gradient also occurs in that layer. The electric field created by these concentration gradients tends to increase the saturation voltage, and the decrease in the hole concentration of the p + collector layer 9 at the interface between the n + buffer layer 8 and the p + collector layer 9 means that the diffusion It will reduce the current. In another embodiment of the present invention, an n + layer is epitaxially grown to a thickness of 10 μm or more on an n substrate 1, and a surface layer of 5 μm is formed except for a columnar portion where a collector short region is formed. After the removal, the buffer layer 8 having a thickness of 5 μm or more is formed, and then the p + collector layer 9 is formed by epitaxial growth on the removed portion. An n + collector short region 10 is formed in the surface layer of the n + buffer layer 8 exposed in the collector layer 9 by impurity diffusion. In this way, the impurity concentration gradient in the thickness direction of the n + buffer layer 8 and the p + collector layer 9 is eliminated, and the hole concentration of the p + collector layer 9 at the interface is adjusted to be constant with the surface concentration. Can be reduced. That is, as shown in FIG. 9, the IGB of the embodiment in which the buffer layer 8 and the collector layer 9 are formed by the thermal diffusion method.
Compared with the current / voltage characteristic 91 of T, the on-voltage was lower in the current / voltage characteristic 92 of the IGBT of the example formed by the epitaxial method.

【0013】以上nチャネルIGBTの実施例について
説明したが、各部の導電型を入れ換えたpチャネルIG
BTにおいて実施しても上記と同様の特性が得られるこ
とは明らかである。
Although the embodiments of the n-channel IGBT have been described above, the p-channel IG in which the conductivity types of the respective parts are exchanged is described.
It is clear that the same characteristics as described above can be obtained by carrying out in BT.

【0014】[0014]

【発明の効果】本発明によれば、コレクタショートのた
めの短絡部を分散して設けないで、複数のセルに対して
1個設け、各セルの表面のチャネルを通じて注入される
キャリアがバッファ層を介してその短絡部に集中して流
れるようにすることにより、伝導度変調が促進されるの
でオン時のI−V特性の負性抵抗成分がなくなり、高速
スイッチング速度の素子のオン時の電力損失を低減する
ことができた。さらに、短絡部との間にショットキーバ
リアを形成する金属をコレクタ電極の材料として用いる
ことにより、短絡部に集中したキャリアを蓄積させ、あ
るいはバッファ層とコレクタ層の不純物濃度を厚み方向
にほぼ均一にしてコレクタ層からのキャリアの注入を促
すことにより、伝導度変調促進の効果をより強めること
ができた。
According to the present invention, one short circuit portion for collector short circuit is not provided in a distributed manner, but one is provided for a plurality of cells, and carriers injected through the channel on the surface of each cell are buffer layers. Since the conductivity modulation is promoted by allowing the current to flow concentratedly through the short circuit via the rectifier, the negative resistance component of the IV characteristic at the time of ON is eliminated, and the power at the time of ON of the element having a high switching speed is eliminated. The loss could be reduced. Further, by using a metal forming a Schottky barrier between the short-circuited portion and the short-circuited portion as a material for the collector electrode, carriers concentrated in the short-circuited portion are accumulated, or the impurity concentration of the buffer layer and the collector layer is substantially uniform in the thickness direction. By promoting the injection of carriers from the collector layer, the effect of promoting conductivity modulation could be further enhanced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例のIGBTの単一セルの断面
FIG. 1 is a sectional view of a single cell of an IGBT according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1に示したIGBTの半導体素体の下面を上
にしての斜視図
FIG. 2 is a perspective view of the semiconductor element body of the IGBT shown in FIG.

【図3】従来のコレクタショート型IGBTの単一セル
の断面図
FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional collector short-type IGBT single cell.

【図4】図2に示したIGBTの半導体素体の下面を上
にしての斜視図
FIG. 4 is a perspective view with the lower surface of the semiconductor element body of the IGBT shown in FIG. 2 facing up.

【図5】従来例および図1に示した本発明の実施例のI
GBTの電流・電圧線図
FIG. 5: I of the conventional example and the embodiment of the present invention shown in FIG.
GBT current / voltage diagram

【図6】本発明の別の実施例のIGBTの単一セルの断
面図
FIG. 6 is a sectional view of an IGBT single cell according to another embodiment of the present invention.

【図7】本発明の他の実施例のIGBTの単一セルの断
面図
FIG. 7 is a sectional view of an IGBT single cell according to another embodiment of the present invention.

【図8】図6, 図7に示した本発明の実施例のIGBT
の電流・電圧線図
FIG. 8 is an IGBT according to the embodiment of the present invention shown in FIGS. 6 and 7.
Current / voltage diagram

【図9】本発明のさらに異なる実施例のIGBTの単一
セルの断面図
FIG. 9 is a sectional view of a single cell of an IGBT according to yet another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 n- 基板 2 pベース領域 3 n+ エミッタ領域 4 チャネル領域 5 ゲート酸化膜 6 ゲート電極 7 エミッタ電極 8 n+ バッファ層 9 p+ コレクタ層 10 n+ コレクタショート領域 11 コレクタ電極 13 ショットキーコレクタ電極1 n - Substrate 2 p Base region 3 n + Emitter region 4 Channel region 5 Gate oxide film 6 Gate electrode 7 Emitter electrode 8 n + Buffer layer 9 p + Collector layer 10 n + Collector short region 11 Collector electrode 13 Schottky collector electrode

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第一導電型の第一層の一側の表面層内に選
択的に第二導電型のベース領域が形成され、そのベース
領域の表面層内に選択的に第一層の露出部をはさんで第
一導電型のエミッタ領域が形成され、第一層の他側に第
一導電型で高不純物濃度のバッファ層を介して第二導電
型のコレクタ層が形成され、ベース領域の第一層の露出
部とエミッタ領域にはさまれた部分をチャネル領域とし
て、その表面上にゲート絶縁膜を介して設けられるゲー
ト電極、エミッタ領域およびベース領域に共通に接触す
るエミッタ電極ならびにコレクタ層に接触するコレクタ
電極を備えたセル構造の複数個を一つの半導体素子内に
有するものにおいて、コレクタ電極に接触し、コレクタ
層を貫通してバッファ層に達する第一導電型の領域が複
数のセル構造について1個設けられたことを特徴とする
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。
1. A base region of a second conductivity type is selectively formed in a surface layer on one side of a first layer of the first conductivity type, and a base layer of the first layer is selectively formed in a surface layer of the base region. A first-conductivity-type emitter region is formed across the exposed portion, and a second-conductivity-type collector layer is formed on the other side of the first layer with a first-conductivity-type buffer layer having a high impurity concentration, and a base. A region sandwiched between the exposed portion of the first layer of the region and the emitter region is used as a channel region, and a gate electrode provided on the surface thereof via a gate insulating film, an emitter electrode commonly contacting the emitter region and the base region, and In one semiconductor device having a plurality of cell structures each having a collector electrode in contact with the collector layer, a plurality of first conductivity type regions contacting the collector electrode and penetrating the collector layer to reach the buffer layer are provided. Cell structure Insulated gate bipolar transistor, characterized in that provided one Te.
【請求項2】コレクタ電極が第二導電型の層とオーム接
触をし、第一導電型の領域とショットキー接触をする金
属よりなる請求項1記載の絶縁ゲート型バイポーラトラ
ンジスタ。
2. The insulated gate bipolar transistor according to claim 1, wherein the collector electrode is made of a metal which makes ohmic contact with the layer of the second conductivity type and has Schottky contact with the region of the first conductivity type.
【請求項3】コレクタ層を貫通する第一導電型の領域が
断面積0.02mm以上の柱状である請求項1あるいは2記載
の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。
3. The insulated gate bipolar transistor according to claim 1, wherein the first conductivity type region penetrating the collector layer is a column having a cross-sectional area of 0.02 mm or more.
【請求項4】コレクタ層を貫通する第一導電型の領域が
円柱状である請求項3記載の絶縁ゲート型バイポーラト
ランジスタ。
4. The insulated gate bipolar transistor according to claim 3, wherein the first conductivity type region penetrating the collector layer is cylindrical.
【請求項5】バッファ層およびコレクタ層の不純物濃度
が厚み方向にほぼ均一でる請求項1ないし4のいずれか
に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。
5. The insulated gate bipolar transistor according to claim 1, wherein the impurity concentrations of the buffer layer and the collector layer are substantially uniform in the thickness direction.
【請求項6】バッファ層およびコレクタ層が第一層を基
板としてのエピタキシャル成長により形成された層であ
る請求項5記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジス
タ。
6. The insulated gate bipolar transistor according to claim 5, wherein the buffer layer and the collector layer are layers formed by epitaxial growth using the first layer as a substrate.
JP27584391A 1991-01-25 1991-10-24 Insulated-gate bipolar transistor Pending JPH053205A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP27584391A JPH053205A (en) 1991-01-25 1991-10-24 Insulated-gate bipolar transistor

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP3-7332 1991-01-25
JP733291 1991-01-25
JP3-87116 1991-04-19
JP8711691 1991-04-19
JP27584391A JPH053205A (en) 1991-01-25 1991-10-24 Insulated-gate bipolar transistor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH053205A true JPH053205A (en) 1993-01-08

Family

ID=27277565

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP27584391A Pending JPH053205A (en) 1991-01-25 1991-10-24 Insulated-gate bipolar transistor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH053205A (en)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005109526A (en) * 2001-07-26 2005-04-21 Denso Corp Semiconductor device
WO2007108456A1 (en) * 2006-03-22 2007-09-27 Denso Corporation Semiconductor device having igbt cells and diode cells, and its designing method
JP2007266549A (en) * 2006-03-30 2007-10-11 Shindengen Electric Mfg Co Ltd Igbt, and manufacturing method of igbt
JP2008042073A (en) * 2006-08-09 2008-02-21 Sanken Electric Co Ltd Semiconductor device
JP2008218812A (en) * 2007-03-06 2008-09-18 Toyota Central R&D Labs Inc Igbt
JP2012069579A (en) * 2010-09-21 2012-04-05 Toshiba Corp Insulated gate type bipolar transistor of reverse conducting type
CN102637733A (en) * 2012-04-24 2012-08-15 北京大学深圳研究生院 Super junction insulated-gate bipolar transistor
KR101315871B1 (en) * 2005-10-05 2013-10-08 산켄덴키 가부시키가이샤 Semiconductor device
US9054152B2 (en) 2013-07-18 2015-06-09 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device
JP2015144220A (en) * 2013-12-27 2015-08-06 良孝 菅原 High performance semiconductor device and operation method thereof
US20230147486A1 (en) * 2020-10-19 2023-05-11 MW RF Semiconductors, LLC Integrated freewheeling diode and extraction device

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005109526A (en) * 2001-07-26 2005-04-21 Denso Corp Semiconductor device
KR101315871B1 (en) * 2005-10-05 2013-10-08 산켄덴키 가부시키가이샤 Semiconductor device
JP2007288158A (en) * 2006-03-22 2007-11-01 Denso Corp Semiconductor device and design method therefor
US7692214B2 (en) 2006-03-22 2010-04-06 Denso Corporation Semiconductor device having IGBT cell and diode cell and method for designing the same
WO2007108456A1 (en) * 2006-03-22 2007-09-27 Denso Corporation Semiconductor device having igbt cells and diode cells, and its designing method
JP2007266549A (en) * 2006-03-30 2007-10-11 Shindengen Electric Mfg Co Ltd Igbt, and manufacturing method of igbt
JP2008042073A (en) * 2006-08-09 2008-02-21 Sanken Electric Co Ltd Semiconductor device
JP2008218812A (en) * 2007-03-06 2008-09-18 Toyota Central R&D Labs Inc Igbt
JP2012069579A (en) * 2010-09-21 2012-04-05 Toshiba Corp Insulated gate type bipolar transistor of reverse conducting type
CN102637733A (en) * 2012-04-24 2012-08-15 北京大学深圳研究生院 Super junction insulated-gate bipolar transistor
US9054152B2 (en) 2013-07-18 2015-06-09 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device
JP2015144220A (en) * 2013-12-27 2015-08-06 良孝 菅原 High performance semiconductor device and operation method thereof
US20230147486A1 (en) * 2020-10-19 2023-05-11 MW RF Semiconductors, LLC Integrated freewheeling diode and extraction device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4967243A (en) Power transistor structure with high speed integral antiparallel Schottky diode
JP3163820B2 (en) Semiconductor device
JPH053205A (en) Insulated-gate bipolar transistor
US5079607A (en) Mos type semiconductor device
JPH07169868A (en) Circuit pattern having at least one bipolar power device
JP2946750B2 (en) Semiconductor device
JPH0620141B2 (en) Conduction modulation type MOSFET
JPH0612823B2 (en) Bidirectional power high speed MOSFET device
JP2004103980A (en) Semiconductor device
US9209287B2 (en) Power semiconductor device
JP2660001B2 (en) Conduction modulation type MOSFET
KR100266388B1 (en) Semiconductor device and method of manufacturing thereof
JPS639386B2 (en)
JP2856257B2 (en) P-channel insulated gate bipolar transistor
JPH05206469A (en) Insulated gate bipolar transistor
JP4467717B2 (en) Main electrode short-circuit type semiconductor device
JP3271396B2 (en) Insulated gate bipolar transistor
JP3755231B2 (en) Insulated gate bipolar transistor
JP2817147B2 (en) Field effect transistor
JP2777990B2 (en) Self-extinguishing thyristor
JP4052463B2 (en) High voltage Schottky diode
JPH0758783B2 (en) Conduction modulation type MOSFET
JPH04320377A (en) Insulated gate bipolar transistor
JP3289880B2 (en) MOS control thyristor
JPH0661479A (en) Mos control thyristor in planar structure