JPH10189956A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＩＧＢＴのＲＢＳＯＡを拡大する。 【解決手段】ｎバッファ層と高抵抗ｎ^- 層との間にｎ層
より不純物濃度が低くかつｎ^- 層よりも不純物濃度が高
い第２のｎ^- 層を設ける。 【効果】第２のｎ^- 層の残留キャリアにより電流変化率
が小さくなり、はね上がり電圧が抑制されるため、ＲＢ
ＳＯＡが拡大する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は絶縁ゲートバイポー
ラトランジスタの逆バイアス安全動作領域拡大に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（In
sulated Gate bipolar Transistor 以下ＩＧＢＴと称
す）は、電圧駆動型素子であるため、電流駆動型のバイ
ポーラトランジスタやＧＴＯより駆動電力が小さく、こ
のため駆動回路を簡単にでき、またMOSFETに比べオン電
圧が小さく損失が少ないため、電源やインバータ等の分
野に急速に広まっている。図に断面構造を示す。ｐ⁺ 層
の上にｎ層が形成されている。ｎ層の上には、ｎ^- 層が
形成されている。ｎ^- 層中には選択的にｐ層が形成され
ている。ｐ層内部には選択的にｎ⁺ 層が形成されてい
る。ｎ⁺ 層，ｐ層，ｎ^- 層表面にはゲート絶縁膜及びゲ
ート電極が設けられており、絶縁ゲートトランジスタを
形成している。ｐ層，ｎ⁺ 層はエミッタ電極により短絡
されている。またｐ⁺ 層にはコレクタ電極が接触してい
る。ＩＧＢＴは次のように動作する。エミッタ電極を接
地し、コレクタ電極に正の電圧を加えた状態で、ゲート
電極に所定以上の正の電圧を加える。するとゲート電極
下のｐ層が反転し、チャネルができ、ｎ⁺ 層よりｎ^- 層
に電子が流れ出す。この電子によりｐ⁺ 層／ｎ^- 層のｐ
ｎ接合が順バイアスされホールがｎ^- 層中に注入され
る。このため高抵抗のｎ^- 層が伝導度変調され抵抗が下
がる。このため少数キャリアであるホールの注入がない
MOSFETより低オン電圧となる。

【０００３】ＩＧＢＴのターンオフはチャネルが消滅
し、電流が急激に減少する領域とｎ^-層に蓄積したキャ
リアが再結合により消滅するまでの領域の２つに分けら
れる。このように、キャリアが再結合し、消滅するまで
電流が流れ続けるためターンオフする時間はMOSFETより
長くなり、ターンオフ損失が大きい。ｎ層は注入するキ
ャリアを制御するとともにｎ^- 層よりライフタイムが短
いためキャリアがここで消滅しターンオフを短くする。

【０００４】一方、ｐ⁺ 層より注入されたホールは表面
近傍では電子が多数存在していて抵抗が低いチャネル近
傍のｎ⁺ 層下のｐ層を通ってエミッタ電極に達する。こ
のため、電流が大きくなるとｐ層とｎ⁺ 層間に電圧差が
生じる。この電圧差がｐｎ接合の拡散電位（２５℃で
０.７Ｖ ）を越えるとｎ⁺ 層より絶縁ゲートを通らず電
子の注入が始まりｎ⁺／ｐ／ｎ^-／ｎ⁺／ｐ⁺で構成される
寄生サイリスタが動作する。すると、ＩＧＢＴはゲート
で電流を制御できなくなり破壊してしまう。これをラッ
チアップと呼ぶ。一般的にＩＧＢＴはラッチアップが起
こらない範囲で使用される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ＩＧＢＴには、誘導負
荷で、ある値以上の電流をある電圧以上で遮断できると
いう特性が要求される。これを、逆バイアス安全動作領
域（Reverse BiasedSafty Operation Area、以下ＲＢＳ
ＯＡと略す）と呼ぶ。大電流を遮断するとキャリアが多
数存在するため空乏層が延びにくく電界が強まる。電界
がある値（シリコンで１.７ＭＶ／cm ）になるとアバラ
ンシェが起き多数のキャリアが発生する。アバランシェ
が起きるとアバランシェ電流が流れる。アバランシェが
起きている状態では、電圧が加わった状態で電流が流れ
るため大きな損失が発生する。この損失のため、素子の
温度が上昇する。素子の温度が高くなると拡散電位が低
下し、最後にはラッチアップを起こしてＩＧＢＴは破壊
してしまう。特に電圧が高くなるほど電界は強くなりア
バランシェが起きやすくなるため、ＲＢＳＯＡは電圧が
高いほど低下する。ＲＢＳＯＡを広くするためにはｎ^-
層の不純物濃度を下げ空乏層を延びやすくし電界を緩和
すればよい。ところが、ｎ^- 層の不純物濃度を下げる
と、ターンオフ時に空乏層がｎ層に達する。ｎ層はキャ
リアの注入を抑制する目的で設けられており、不純物濃
度は１平方センチメートル当たり１０の１６乗以上であ
る。このため、ｎ層のライフタイムはｎ^- 層よりも１桁
以上短く、空乏層がｎ層に達するとキャリアは再結合し
て急速に消滅する。このため、大きな電流変化が生じ、
この電流変化と配線の寄生インダクタンスにより高いは
ね上がり電圧が生じる。この跳ね上がり電圧が素子耐圧
を越えると素子は破壊してしまう。これを防ぐためには
ｎ^- 層の厚さを厚くし空乏層がｎ層に達しないようにす
ればよいが、これはオン電圧の上昇を招く。このように
従来の技術ではＲＢＳＯＡを広くしようとするとターン
オフ時のはね上がり電圧が大きくなる、あるいはオン電
圧が上昇するという問題があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は前記問題を解決
するため、ｎ層と第１のｎ^- 層の間にｎ層より不純物濃
度が低くかつ第１のｎ^- 層より不純物濃度が高い第２の
ｎ^- 層を設けたものである。

【０００７】第１のｎ^- 層は不純物濃度が低いため空乏
層がのびやすく、電界が緩和されＲＢＳＯＡが拡大す
る。一方、第１及び第２のｎ^- 層の不純物濃度及び厚さ
が電源電圧がエミッタ，コレクタ間に加わっても空乏層
がｎ層に達せず、また第２のｎ^- 層はｎ層に比べ比抵抗
が高くライフタイムが長いためキャリアが急激に消滅す
ることがなく電流変化率が小さいため、はね上がり電圧
が小さい。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は本発明第１の実施例の断面
図である。ｐ⁺ 基板１上にはｎ層２が形成されている。
ｎ層２上にはｎ層２より不純物濃度が低いｎ^- 層３が形
成されている。ｎ^- 層３上にはｎ^- 層３より不純物濃度
が低いｎ^- 層４が形成されている。

【０００９】ｎ^- 層４中には表面より複数個のｐ層５が
形成されている。ｐ層５中にはｎ⁺ 層６が形成されてい
る。ｎ^- 層３及び４の比抵抗と厚さは、エミッタ，コレ
クタ間に電源電圧が加わったときに空乏層がｎ層に達し
ないように選ばれている。ｐ⁺基板１にはコレクタ電極
１０がオーミック接触している。またｐ層５とｎ⁺ 層６
にはエミッタ電極１１がオーミック接触している。ｐ層
５、ｎ⁺ 層６及びｐ層５に挟まれたｎ^- 層４上には絶縁
膜１２が形成されている。さらに、絶縁膜１２上にはゲ
ート電極１３が形成されている。

【００１０】ターンオフ時には、まず空乏層は不純物濃
度が低いｎ^- 層４を延びるため電界が緩和されＲＢＳＯ
Ａが拡大する。一方、空乏層はｎ^- 層３までで止まり、
ｎ層２には達しない。ｎ^- 層３はｎ層２に比べ不純物濃
度が低くライフタイムが長いためキャリアが急激に消滅
することがなく電流変化率が小さいため、はね上がり電
圧が小さい。

【００１１】この時のｎ^- 層３及び４の不純物濃度と厚
さの関係を示す。

【００１２】ｎ^- 層３及び４の厚さをＬ３，Ｌ４、不純
物濃度をＮ３，Ｎ４、電源電圧をＶｉｎ、シリコンの誘
電率をεＳｉ、電子の電荷量をｑとする。

【００１３】ｎ^- 層４はすべて空乏化していた方が電界
が弱くなるので、電源電圧が加わった状態ではｎ^- 層４
はすべて空乏化しているすなわち Ｌ４＜√（２×εＳｉ×Ｖｉｎ／（ｑ×Ｎ３)) …（１） と選ぶのが望ましい。

【００１４】ｎ^- 層３及び４に加わる電圧をＶ３，Ｖ４
とすると Ｖ３＋Ｖ４＝Ｖｉｎ …（２） ｎ^- 層４はすべて空乏化しているので Ｌ４＝√（２×εＳｉ×Ｖ４／（ｑ×Ｎ４）） …（３） 空乏層がｎ層２に達しないようにＬ３，Ｌ４，Ｎ３及び
Ｎ４は選ばれているからｎ^- 層３，４を延びる空乏層の
長さをＬ３′，Ｌ４′とすると Ｌ３＋Ｌ４＞Ｌ３′＋Ｌ４′ …（４） Ｌ３′＝√（２×εＳｉ×Ｖ３／（ｑ×Ｎ３）） …（５） （２）,（３）,（４）,（５）式より Ｌ３＞√(２×εＳｉ×Ｖｉｎ／(ｑ×Ｎ３)−Ｌ４×Ｌ４×Ｎ４／Ｎ３） …（６） なお、電源電圧は通常カタログの最大定格電圧の１／２
程度で使われるので最大定格電圧をＶｎとすると、
（１)，(６）式は Ｌ４＜√（εＳｉ×Ｖｎ／（ｑ×Ｎ３）） …（７） Ｌ３＞√（εＳｉ×Ｖｎ／（ｑ×Ｎ３）−Ｌ４×Ｌ４×Ｎ４／Ｎ３） …（８） と表せる。

【００１５】図２は、不純物濃度とライフタイムの関係
を示す。ライフタイムは１平方センチメートルあたりの
不純物濃度が１０の１５乗以下では、ほぼ一定である
が、それ以上の不純物濃度ではライフタイムは低下す
る。ｎ^- 層３，４のライフタイムはほぼ等しいことが望
ましいので、ｎ^- 層３，４の不純物濃度は１平方センチ
メートルあたり１０の１５乗以下が望ましい。

【００１６】本実施例の第１の製法はｐ⁺ 基板上にｎ層
２をエピタキシャル成長し、その上にｎ^- 層３をエピタ
キシャル成長し、さらにその上にｎ^- 層４をエピタキシ
ャル成長するものである。この時、ｎ^- 層３，４は同じ
エピタキシャル成長装置を使い添加する不純物の流量を
変えることで形成すると、容易に形成でき望ましい。図
３は、本実施例を第２の製法で製作した場合を示す。本
製法では、プロトン，ヘリウムあるいはネオンなどの粒
子をｐ層５近傍に注入し、粒子注入領域７を形成する。
注入された領域は欠陥ができこの欠陥が再結合中心とな
って、ｎ^- 層中のキャリアが再結合するため、注入され
た領域ではｎ^- 層の不純物濃度が低下する。この製法に
よりｎ^- 層４中に粒子を注入し、部分的に不純物濃度を
低下させる。

【００１７】図４は、本発明第２の実施例である。１の
実施例ではｎ^- 層は不純物濃度の違う２つの層に分かれ
ていたが、本実施例ではｎ^- 層３より不純物濃度が低
く、かつｎ^- 層４より不純物濃度が高いｎ^- 層７がｎ^-
層３と４の間に設けられている。これにより、ターンオ
フ直後ではｎ^- 層の不純物濃度は低いため、空乏層が延
びやすく電界が緩和されるため、ＲＢＳＯＡは広くな
る、一方、ｎ層側に行くに従って不純物濃度が高くなっ
ている。このため、空乏層がｎ層２に達せず、キャリア
が急激に消滅することがなく電流変化率が小さいため、
はね上がり電圧が小さい。また、不純物濃度の変化が第
１の実施例より緩やかなため空乏層の延びが緩やかにな
りより電流変化率が小さくなる。なお、本実施例ではｎ
^- 層が３つに分かれていたがさらに複数に分かれている
とより大きな効果が得られる。

【００１８】図５は、本発明の第３の実施例である。第
１の実施例ではｎ^- 層は不純物濃度の違う２つの層に分
かれていたが、本実施例ではｐ層５からｎ層２に向かっ
て不純物濃度が高くなっている。これにより、ターンオ
フ直後ではｎ^- 層の不純物濃度は低いため、空乏層が延
びやすく電界が緩和されるため、ＲＢＳＯＡは広くな
る、一方、ｎ層側に行くに従って不純物濃度が高くなっ
ている。このため、空乏層がｎ層２に達せず、キャリア
が急激に消滅することがなく電流変化率が小さいため、
はね上がり電圧が小さい。また、不純物濃度の変化が第
１の実施例より緩やかなため空乏層の延びが緩やかにな
りより電流変化率が小さくなる。

【００１９】図６は、本発明のＩＧＢＴを使って構成し
たモータ駆動用インバータ回路の例を示す。IGBT200 に
は逆並列にダイオード２０１が接続されており、ＩＧＢ
Ｔが２個直列に接続され１相が形成されている。ＩＧＢ
Ｔが接続された中点より出力がでており、モータ２０６
と接続されている。上アーム側のIGBT200a，ｂ，ｃ，ｄ
のコレクタは共通であり、整流回路の高電位側と接続さ
れている。また、下アーム側のIGBT200d，ｅ，ｆのエミ
ッタは共通であり、整流回路のアース側と接続されてい
る。整流回路２０３は、交流２０２を直流に変換する。
IGBT200 は、この直流を受電し、再度交流に変換してモ
ータを駆動する。上下の駆動回路２０４，２０５は、Ｉ
ＧＢＴのゲートに駆動信号を伝え、所定の周期でＩＧＢ
Ｔをオン，オフさせる。

【００２０】図７に図６のインバータ回路でのIGBT200
のターンオフ時の電流波形を、模式的にしめす。ｎ^- 層
の不純物濃度が高い従来例では、電源電圧Ｖccを上げて
いくと、ｎ^- 層の不純物濃度が高いため、跳ね上がり電
圧が定格電圧に達する前にアバランシェを起こす。これ
により、アバランシェ電流が流れ、コレクタ電流が減少
する時間は長くなる。このため、ターンオフ損失が大き
くなり、温度上昇が高くなる。また、温度が上がってラ
ッチアップしやすくなるためＲＢＳＯＡが小さくなる。
一方、ｎ^- 層の不純物濃度が低い従来例では、電源電圧
Ｖccを上げていくと、空乏層がｎ層に達しキャリアが急
激に減少するため、電流変化率が大きくなり、大きなは
ね上がり電圧が生じるとともに配線により電圧振動が発
生していた。この電圧振動により駆動回路が誤動作する
という問題が発生した。本実施例では、ｐ層近傍のｎ^-
層４の不純物濃度が低いため、アバランシェを起こす電
圧が高く、また空乏層がｎ層２に達することがないので
電流の急激な変化がなく跳ね上がり電圧は小さく電圧振
動が発生することもない。

【００２１】図７に定格６００ＶのＩＧＢＴのコレクタ
−エミッタ間電圧のピーク電圧VCE（peak）とターンオ
フ下降時間の関係を示す。なお、ターンオフ下降時間と
はコレクタ電流が９０％から１０％に減少するまでの時
間で定義される。不純物濃度の高い従来例では、ＶＣＥ
（peak）がある値より大きくなるとアバランシェが起き
アバランシェ電流が流れ始める。このため、電流が流れ
ている時間は長くなり、ターンオフ下降時間は増加す
る。一方、不純物濃度の低い従来例では、はね上がり電
圧がある値より大きくなると空乏層がｎ層に達しキャリ
アが急激に減少する。このため、電流はそこで急激に０
になり、空乏層がｎ層に達しないときよりターンオフ下
降時間は減少する。すなわち、電流の２回微分ｄｉ²／
ｄｔ²が負となり、大きな電流変化を起こす。一方、本
発明は、ＶＣＥ（peak）が定格電圧までアバランシェを
起こさず、また空乏層がｎ層に達しないためターンオフ
下降時間はほぼ一定である。このため、定格電圧までタ
ーンオフ損失が増加することもなく、また電圧振動によ
る誤動作を起こすこともなく使用できる。

【００２２】なお、本実施例では、ｎ型ＩＧＢＴのみに
ついて述べたが各半導体層の導電型が反対であるｐ型Ｉ
ＧＢＴについても同様の効果が得られることは明らかで
ある。

【００２３】

【発明の効果】本発明によればＩＧＢＴのＲＢＳＯＡを
拡大できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の断面図。

【図２】不純物濃度とライフタイムの関係。

【図３】第１の実施例の製造方法。

【図４】第２の実施例の断面図。

【図５】本発明第３の実施例の不純物分布。

【図６】本発明を使ったインバータ回路。

【図７】ターンオフ波形。

【図８】コレクタ，エミッタ間のピーク電圧とターンオ
フ下降時間の関係。

【図９】従来例。

【符号の説明】

１…ｐ⁺ 層、２…ｎ層、３…ｎ^- 層、４…ｎ^- 層、５…
ｐ層、６…ｎ⁺ 層、７…粒子注入領域、８…ｎ^- 層、１
０…コレクタ電極、１１…エミッタ電極、１２…ゲート
絶縁膜、１３…ゲート電極、２００…ＩＧＢＴ、２０１
…ダイオード、２０２…交流電源、２０３…整流回路、
２０４…上アーム駆動回路、２０５…下アーム駆動回
路、２０６…モータ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１導電型の第１の半導体層と、 前記、第１の半導体層上に形成された第２導電型の第２
   の半導体層と、 前記、第２の半導体層上に形成され、第２の半導体層よ
   り不純物濃度が低い第２導電型の第３の半導体層と、 前記、第３の半導体層上に形成され、第２の半導体層よ
   り不純物濃度が低くかつ前記第３の半導体層より不純物
   濃度が低い第２導電型の第４の半導体層と、 前記、第４の半導体層内に複数個形成された第１導電型
   の第５の半導体層と、 前記、第５の半導体層内に形成された第２導電型の第６
   の半導体層と、 前記、第１の半導体層とオーミック接触する第１の主電
   極と、 前記、第５の半導体層と前記第６の半導体層にオーミッ
   ク接触する第２の主電極と、 前記、第４，５及び６に半導体層上に形成された絶縁膜
   と前記絶縁膜上に形成された制御電極を有する半導体装
   置において前記第３の半導体層と第４の半導体層のライ
   フタイムがほぼ等しいことを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】請求項第１の半導体装置において前記第３
   及び４の半導体層の不純物濃度及び厚さが、電源電圧が
   第１及び第２の主電極間に加わったとき空乏層が第２の
   半導体層に達しないように選ばれていることを特徴とす
   る半導体装置。
3. 【請求項３】特許請求項第１項または２項の半導体装置
   において、 前記第３及び４の半導体層の不純物濃度は１平方センチ
   メートル当たり１０の１５乗以下であることを特徴とす
   る半導体装置。
4. 【請求項４】第１導電型の第１の半導体層と、 前記、第１の半導体層上に形成された第２導電型の第２
   の半導体層と、 前記、第２の半導体層上に形成され、第２の半導体層よ
   り不純物濃度が低い第２導電型の第３の半導体層と、 前記、第３の半導体層内に複数個形成された第１導電型
   の第４の半導体層と、 前記、第４の半導体層内に形成された第２導電型の第５
   の半導体層と、 前記、第１の半導体層とオーミック接触する第１の主電
   極と、 前記、第４の半導体層と前記第５の半導体層にオーミッ
   ク接触する第２の主電極と前記、第３，４及び５の半導
   体層上に形成された絶縁膜と、 前記絶縁膜上に形成された制御電極を有する半導体装置
   において、 前記第３の半導体層の不純物濃度が第４の半導体層から
   第２の半導体層に向かって高くなっていることを特徴と
   する半導体装置。
5. 【請求項５】特許請求項第４項の半導体装置において、 前記第３及び４の半導体層の不純物濃度は１平方センチ
   メートル当たり１０の１５乗以下であることを特徴とす
   る半導体装置。