JPH06350076A - 半導体装置およびその駆動方法 - Google Patents

半導体装置およびその駆動方法

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JPH06350076A JP5141799A JP14179993A JPH06350076A JP H06350076 A JPH06350076 A JP H06350076A JP 5141799 A JP5141799 A JP 5141799A JP 14179993 A JP14179993 A JP 14179993A JP H06350076 A JPH06350076 A JP H06350076A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、ターンオン/ターンオフが可能な電
力用素子において、オン電圧が低いままで高速なターン
オフができるようにすることを最も主要な特徴とする。 【構成】たとえば、P1 層11上にN1 層12を積層
し、このN1 層12の表面にP2 層13およびP3 層1
4を形成するとともに、このP3 層14の表面にN2 層
15を形成する。また、P2 層13およびN2 層15の
上にはE電極16を、P3 層14間のN1 層12上には
G1 電極18を、P2 層13,P3 層14間のN1 層1
2上にはG2 電極20を、P1 層11下にはC電極21
をそれぞれ設ける。そして、G1 電極18およびG2 電
極20のバイアスのタイミングを制御することで、サイ
リスタとしての動作モードとIGBTとしての動作モー
ドとを切り換えることができる構成となっている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、ゲート制御によりタ
ーンオフが可能な半導体装置およびその駆動方法に関す
るもので、特に電力用素子として使用されるものであ
る。
【0002】
【従来の技術】近年、ゲート制御によりターンオン/タ
ーンオフが可能な電力用素子として、たとえばIGBT
((Insulated Gate Bipolar
Transistor),1990 IEEE.PES
C(Proceeding of Power Ele
ctronics Specialists Conf
erence)、June10〜15,1990;P.
9〜P.16))、またはBRT((Base Res
istance Controlled Thyris
tor),1991 IEEE.ISPSD(Proc
eedingsof the 3rd Interna
tional Symposium on Power
Semiconductor Devices an
d ICs)、April22〜24,1991;P.
138〜P.141))が利用されている。
【0003】しかしながら、上記した従来のIGBTに
おいては、高速なターンオン/ターンオフが可能である
が、高電流領域でのオン電圧が高くなるという欠点があ
った。また、BRTの場合には、高電流領域でのオン電
圧はさほど高くないが、ターンオフ時間が長く、ターン
オフ能力も低いという欠点があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
においては、IGBTの場合、高速なターンオン/ター
ンオフが可能であるが、高電流領域でのオン電圧が高
く、BRTの場合、高電流領域でのオン電圧は低いが、
ターンオフ時間が長く、ターンオフ能力も低いなどの問
題があった。
【0005】そこで、この発明は、高電流領域でのオン
電圧が低く、かつ制御可能なターンオフ電流が大きくて
高速なターンオフが可能な半導体装置およびその駆動方
法を提供することを目的としている。
【0006】
【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、この発明の半導体装置にあっては、第1導電型の
第1の半導体領域と、この第1の半導体領域の一方面に
形成された第2導電型の第2の半導体領域と、この第2
の半導体領域の表面に形成されたそれぞれ複数の第1導
電型の第3,第4の半導体領域と、この第4の半導体領
域の表面に形成された第2導電型の第5の半導体領域
と、この第5の半導体領域および前記第3の半導体領域
上にそれぞれ設けられ、電気的に接続された第1の電極
と、互いに隣接する2つの、前記第4の半導体領域の相
互間にゲート絶縁膜を介して設けられた第2の電極と、
前記第3の半導体領域とこれに隣接する前記第2の半導
体領域との間にゲート絶縁膜を介して設けられた第3の
電極と、前記第1の半導体領域の他方面に設けられた第
4の電極とから構成されている。
【0007】また、この発明の半導体装置の駆動方法に
あっては、第1導電型の第1の半導体領域と、この第1
の半導体領域の一方面に形成された第2導電型の第2の
半導体領域と、この第2の半導体領域の表面に形成され
たそれぞれ複数の第1導電型の第3,第4の半導体領域
と、この第4の半導体領域の表面に形成された第2導電
型の第5の半導体領域と、この第5の半導体領域および
前記第3の半導体領域上にそれぞれ設けられ、電気的に
接続された第1の電極と、互いに隣接する2つの、前記
第4の半導体領域の相互間にゲート絶縁膜を介して設け
られた第2の電極と、前記第3の半導体領域とこれに隣
接する前記第2の半導体領域との間にゲート絶縁膜を介
して設けられた第3の電極と、前記第1の半導体領域の
他方面に設けられた第4の電極とを具備してなり、前記
第2の電極に電圧を印加して、前記第4の半導体領域の
表面に第2導電型のチャネル層を形成せしめるように駆
動するとともに、この第4の半導体領域の表面に第2導
電型のチャネル層を形成せしめた状態で、所定の期間、
前記第3の電極に電圧を印加して、前記第2の半導体領
域の表面に第1導電型のチャネル層を形成せしめるよう
に駆動するようになっている。
【0008】
【作用】この発明は、上記した手段により、サイリスタ
とIGBTの2つのモードで動作できるようになるた
め、高電流領域でのオン電圧が低いままでターンオフ能
力を向上することが可能となるものである。
【0009】
【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照して説明する。図1,図2は、本発明にかかる電力用
素子の概略構成を示すものである。すなわち、この電力
用素子は、たとえばP1 層(第1導電型の第1の半導体
領域)11、このP1 層11の上に設けられたN1 層
(第2導電型の第2の半導体領域)12、このN1 層1
2の表面に形成された複数のP2 層(第1導電型の第3
の半導体領域)13およびP3 層(第1導電型の第4の
半導体領域)14、このP3 層14の表面にそれぞれ形
成されたN2 層(第2導電型の第5の半導体領域)15
からなっている。
【0010】この場合、上記P2 層13およびP3 層1
4は、P2 層13の相互間に2つのP3 層14がそれぞ
れ配設され、これらP2 層13およびP3 層14は部分
的に接続された構成となっている。
【0011】そして、上記P2 層13の上面および前記
P3 層14の表面に設けられたN2層15の上面にはそ
れぞれエミッタ(E)をなす第1の電極としてのE電極
16が、またこれらE電極16の相互間で、かつ前記N
1 層12,P3 層14,N2層15の表面部分にはそれ
ぞれゲート絶縁膜である酸化膜17を介して第1のゲー
ト(G)電極をなす第2の電極としてのG1 電極18
が、また上記E電極16の相互間で、かつ前記N1 層1
2,P2 層13,P3 層14,N2 層15の表面部分に
はそれぞれゲート絶縁膜である酸化膜19を介して第2
のゲート(G)電極をなす第3の電極としてのG2 電極
20が、さらに前記P1 層11の下面側にはコレクタ
(C)をなす第4の電極としてC電極21が設けられた
構成とされている。
【0012】上記E電極16のそれぞれは、たとえばア
ルミニウム(Al)のような金属により形成され、これ
らは部分的に接続されて端子Eから電圧が印加されるよ
うになっている。
【0013】上記G1 電極18のそれぞれは、たとえば
ポリシリコンにより形成され、端子G1 を介してバイア
スされるようになっている。上記G2 電極20のそれぞ
れは、たとえばポリシリコンにより形成され、端子G2
を介してバイアスされるようになっている。
【0014】上記C電極21は、たとえばAlのような
金属により形成され、端子Cから電圧が印加されるよう
になっている。上記P1 層11は、たとえばシリコン
(Si)にボロン(B)などのP型不純物が添加され
て、その濃度が約1×1019/cm3 とされている。
【0015】上記N1 層12は、たとえばSiにリン
(P)などのN型不純物が添加されて、その比抵抗値が
約100Ωcmとされている。上記P2 層13は、たと
えばSiにBなどのP型不純物が添加されて、その濃度
が約1×1017〜1×1019/cm3 とされている。
【0016】上記P3 層14は、たとえばSiにBなど
のP型不純物が添加されて、その濃度が約1×1017
1×1019/cm3 とされている。上記N2 層15は、
たとえばSiにヒ素(As)などのN型不純物が添加さ
れて、その濃度が約1×1020/cm3 とされている。
【0017】なお、本実施例の場合、P1 層11,N1
層12,P2 層13,P3 層14,N2 層15、および
各電極16,18,20,21を一構成単位とし、この
単位が図のように繰り返し配置されたパターン構成とな
っている。
【0018】図3は、上記した電力用素子の等価回路を
示すものである。すなわち、端子Eには、MOSトラン
ジスタTR1 ,TR2 のソースS(または、ドレイン
D)、NPNトランジスタTr1 のエミッタ(E)、お
よび抵抗Rの一端がそれぞれ接続され、端子Cには、P
NPトランジスタTr2 のコレクタ(C)が接続されて
いる。
【0019】上記MOSトランジスタTR1 のゲートG
は端子G1 に接続され、ドレインD(または、ソース
S)は上記NPNトランジスタTr1 のコレクタ
(C)、および上記PNPトランジスタTr2 のベース
(B)にそれぞれ接続されている。
【0020】上記MOSトランジスタTR2 のゲートG
は端子G2 に接続され、ドレインD(または、ソース
S)は上記抵抗Rの他端、上記NPNトランジスタTr
1 のベース(B)、および上記PNPトランジスタTr
2 のエミッタ(E)にそれぞれ接続されている。
【0021】この場合、前記の図2に示した、N1 層1
2と、このN1 層12を囲むP3 層14、およびG1 電
極18により、上記のMOSトランジスタTR1 が構成
されている。
【0022】同様に、N1 層12、P3 層14、N2 層
15、およびG2 電極20により、上記のMOSトラン
ジスタTR2 が構成されている。同様に、N1 層12、
P3 層14、N2 層15により、上記のNPNトランジ
スタTr1 が構成されている。
【0023】同様に、P1 層11、N1 層12、P2 層
13またはP3 層14により、上記のPNPトランジス
タTr2 が構成されている。次に、上記した構成におけ
る動作を、図4に示す波形図を用いて説明する。
【0024】たとえば、時間t1 のタイミングにおい
て、端子G1 を介してG1 電極18がバイアスされたと
する。すると、P3 層14の表面にN型反転チャネル層
(第2導電型のチャネル層)が形成される。
【0025】この場合、端子E,C間への電圧の印加に
ともなう電子(eln)は、E電極16より、N2 層1
5、P3 層14上のN型反転チャネル層、N1 層12、
P1層11を経て、C電極21へと流れる。
【0026】また、正孔(hole)は、電子とは反対
の経路でC電極21よりE電極16へと流れる。これに
より、E−C間の電位差VCEは急激に減少し、逆に素子
電流Icは増加する。
【0027】こうして、正孔が、P1 層11、N1 層1
2、P3 層14、N2 層15と流れることにより、電子
は、N2 層15、P3 層14、N1 層12、P1 層11
と流れるようになって、素子はラッチアップ(ターンオ
ン)する。
【0028】すなわち、G1 電極18のみをバイアスし
た場合には、サイリスタとして動作させることが可能
(サイリスタモード)となり、オン電圧を低くできる。
なお、オン状態になった後(時間t1 〜)においては、
G1 電極18へのバイアスは特に必要としない。
【0029】一方、P3 層14の表面にN型反転チャネ
ル層が形成されるようにG1 電極18をバイアスした状
態において、端子G2 を介してG2 電極20がバイアス
されたとする。
【0030】すると、P2 層13およびP3 層14間の
N1 層12の表面にP型反転チャネル層(第1導電型の
チャネル層)が形成される。このG1 電極18へのバイ
アスがオフされるまでの所定の期間(時間t2 〜t3 の
タイミング)においては、正孔は、C電極21より、P
1 層11、N1 層12、P3 層14、N1 層12上のP
型反転チャネル層、P2 層13を経て、E電極16へと
流れる。
【0031】また、電子は、E電極16より、N2 層1
5、P3 層14上のN型反転チャネル層、N1 層12、
P1 層11を経て、C電極21へと流れる。すなわち、
G1 電極18およびG2 電極20を同時にバイアスした
場合には、通常のIGBTとして動作させることが可能
(IGBTモード)となる。
【0032】このため、G1 電極18へのバイアスをオ
フすることにより、時間t3 〜のタイミングにおいて
は、IGBTのターンオフモードとすることができ、よ
って制御可能なターンオフ電流が大きく、高速なターン
オフが可能となる。
【0033】次に、この発明の他の実施例について説明
する。図5は、前記した図2の構成において、P1 層1
1およびN1 層12を部分的にC電極21と接続するよ
うにした場合を示すものである。
【0034】この場合、キャリアの排出効果のため、タ
ーンオフスイッチングスピードが速くなる。図6は、前
記した図2の構成において、P1 層11およびN1 層1
2の相互間に、上記N1 層12よりも高濃度なN1 +
30を設けるようにした場合を示すものである。
【0035】この場合、設計上、全体を薄く構成するこ
とができ、トレードオフが良好となるなどの利点がある
反面、コスト的に不利になるという欠点がある。なお、
このN1 + 層30を、図5に示した如く、部分的にC電
極21と接続するようにしても良い。
【0036】図7は、前記した図2の構成において、G
1 電極18およびG2 電極20を、P2 層13とP3 層
14およびN2 層15との間もしくはP3 層14および
N2層15の相互間で、それぞれP3 層14およびN
2 層15に沿う縦方向に配置した、いわゆるトレンチ構
造に構成した場合を示すものである。
【0037】この場合、面積効率を出すことができ、高
集積化に有効である。上記したように、サイリスタとI
GBTの2つのモードで動作できるようにしている。
【0038】すなわち、2つのゲート電極を形成し、こ
れらゲート電極にかけるバイアスのタイミングを変える
ようにしている。これにより、オン電圧の低いサイリス
タとしての動作モードと、ターンオフ可能な電流が大き
くて高速なターンオフが可能な通常のIGBTとしての
動作モードとを切り換えられるようになるため、高電流
領域でのオン電圧が低いままでターンオフ能力を向上す
ることが可能となる。したがって、高電流領域でのオン
電圧が低く、かつ制御可能なターンオフ電流が大きくて
高速なターンオフが可能な電力用素子を実現できるもの
である。
【0039】なお、上記実施例においては、1素子とし
ての説明のみしか行っていないが、これに限らず、たと
えば基板上に複数の素子を構成して、より大電力を扱う
ことができるようにすることも容易に可能である。その
他、この発明の要旨を変えない範囲において、種々変形
実施可能なことは勿論である。
【0040】
【発明の効果】以上、詳述したようにこの発明によれ
ば、高電流領域でのオン電圧が低く、かつ制御可能なタ
ーンオフ電流が大きくて高速なターンオフが可能な半導
体装置およびその駆動方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例にかかる電力用素子の構成
の要部を示す平面図。
【図2】同じく、電力用素子の構成の要部を示す断面
図。
【図3】同じく、電力用素子の等価回路を示す図。
【図4】同じく、動作を説明するために示すタイミング
チャート。
【図5】この発明の他の実施例にかかり、N1 層を部分
的にC電極と接続するようにした場合を例に示す電力用
素子の要部の断面図。
【図6】同じく、P1 層およびN1 層の相互間に、N1
層よりも高濃度なN1 + 層を設けるようにした場合を例
に示す電力用素子の要部の断面図。
【図7】同じく、G1 電極およびG2 電極をトレンチ構
造とした場合を例に示す電力用素子の要部の断面図。
【符号の説明】
11…P1 層(第1導電型の第1の半導体領域)、12
…N1 層(第2導電型の第2の半導体領域)、13…P
2 層(第1導電型の第3の半導体領域)、14…P3 層
(第1導電型の第4の半導体領域)、15…N2 層(第
2導電型の第5の半導体領域)、16…E電極(第1の
電極)、17…酸化膜(ゲート絶縁膜)、18…G1 電
極(第2の電極)、19…酸化膜(ゲート絶縁膜)、2
0…G2電極(第3の電極)、21…C電極(第4の電
極)、30…N1 + 層(第2導電型の第6の半導体領
域)。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1導電型の第1の半導体領域と、 この第1の半導体領域の一方面に形成された第2導電型
    の第2の半導体領域と、 この第2の半導体領域の表面に形成されたそれぞれ複数
    の第1導電型の第3,第4の半導体領域と、 この第4の半導体領域の表面に形成された第2導電型の
    第5の半導体領域と、 この第5の半導体領域および前記第3の半導体領域上に
    それぞれ設けられ、電気的に接続された第1の電極と、 互いに隣接する2つの、前記第4の半導体領域の相互間
    にゲート絶縁膜を介して設けられた第2の電極と、 前記第3の半導体領域とこれに隣接する前記第2の半導
    体領域との間にゲート絶縁膜を介して設けられた第3の
    電極と、 前記第1の半導体領域の他方面に設けられた第4の電極
    とを具備したことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記第2および第3の電極は、それぞれ
    前記第4または第2の半導体領域の表面上に設けられる
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記第3の半導体領域は、前記第4の半
    導体領域よりも不純物濃度が高いことを特徴とする請求
    項1に記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 前記第3,第4の半導体領域は、部分的
    に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の半
    導体装置。
  5. 【請求項5】 前記第2の半導体領域は、部分的に前記
    第4の電極と接続されていることを特徴とする請求項1
    に記載の半導体装置。
  6. 【請求項6】 前記第1,第2の半導体領域の相互間
    に、前記第2の半導体領域よりも高濃度な第2導電型の
    第6の半導体領域を有することを特徴とする請求項1に
    記載の半導体装置。
  7. 【請求項7】 前記第6の半導体領域は、部分的に前記
    第4の電極と接続されていることを特徴とする請求項6
    に記載の半導体装置。
  8. 【請求項8】 前記第2および第3の電極は、それぞれ
    前記第4および第5の半導体領域に設けられたトレンチ
    内に形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導
    体装置。
  9. 【請求項9】 第1導電型の第1の半導体領域と、 この第1の半導体領域の一方面に形成された第2導電型
    の第2の半導体領域と、 この第2の半導体領域の表面に形成されたそれぞれ複数
    の第1導電型の第3,第4の半導体領域と、 この第4の半導体領域の表面に形成された第2導電型の
    第5の半導体領域と、 この第5の半導体領域および前記第3の半導体領域上に
    それぞれ設けられ、電気的に接続された第1の電極と、 互いに隣接する2つの、前記第4の半導体領域の相互間
    にゲート絶縁膜を介して設けられた第2の電極と、 前記第3の半導体領域とこれに隣接する前記第2の半導
    体領域との間にゲート絶縁膜を介して設けられた第3の
    電極と、 前記第1の半導体領域の他方面に設けられた第4の電極
    とを具備してなり、 前記第2の電極に電圧を印加して、前記第4の半導体領
    域の表面に第2導電型のチャネル層を形成せしめるよう
    に駆動するとともに、 この第4の半導体領域の表面に第2導電型のチャネル層
    を形成せしめた状態で、所定の期間、前記第3の電極に
    電圧を印加して、前記第2の半導体領域の表面に第1導
    電型のチャネル層を形成せしめるように駆動することを
    特徴とする半導体装置の駆動方法。
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