JP2003158269A - Insulated gate bipolar transistor - Google Patents
Insulated gate bipolar transistorInfo
- Publication number
- JP2003158269A JP2003158269A JP2001354343A JP2001354343A JP2003158269A JP 2003158269 A JP2003158269 A JP 2003158269A JP 2001354343 A JP2001354343 A JP 2001354343A JP 2001354343 A JP2001354343 A JP 2001354343A JP 2003158269 A JP2003158269 A JP 2003158269A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- insulated gate
- type
- electrode
- region
- 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
Links
Landscapes
- Thyristors (AREA)
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、特に、各種電力容
量の電力変換器、電源、電力増幅器、アナログスイッチ
等の単体半導体デバイスとして、あるいは集積化して利
用するのに適した絶縁ゲートバイポーラトランジスタに
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an insulated gate bipolar transistor suitable for use as a single semiconductor device such as a power converter of various power capacities, a power supply, a power amplifier, and an analog switch, or in an integrated manner. .
【0002】[0002]
【従来の技術】従来の絶縁ゲートバイポーラトランジス
タにおいては、テイル電流低減、オン電圧低減のため、
次のようにチャネル領域とコレクタ領域の間に正孔等の
キャリアを強制的に引き抜く制御ゲートを有することを
特徴とする絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:
Insulated Gate Bipolar Transistor)であった。本出
願人は特願2001−248473で4端子構造の絶縁ゲートバイ
ポーラトランジスタの出願をしている。以下、簡単に図
面を用いて説明する。図6において、IGBT7は、コレクタ
領域の一部であるp+型半導体基板72aと、その裏面側に
スパッタ法で形成したAlのコレクタ電極71と、その表面
側にエピタキシャル形成したコレクタ領域の一部である
n-型伝導度変調層72bと、このn-型伝導度変調層72bに
B、AlまたはGaをイオン注入法により不純物添加したp
型チャネル領域73およびその表面側に形成したn+型エミ
ッタ領域74と、p型チャネル領域73上に形成したエミッ
タ電極75と、n+型エミッタ領域74 p型チャネル領域73お
よびn-型伝導度変調層72bの表面層にかけて形成したシ
リコン酸化膜76aと、そのシリコン酸化膜76a上に形成し
たポリシリコンゲート76bと、ポリシリコンゲート76b上
に形成したゲート電極76cと、n-型伝導度変調層72b上に
形成した制御電極77bと、制御電極77bおよび伝導度変調
層72bをオーミックコンタクトするためのn+層77aとを有
する。2. Description of the Related Art In a conventional insulated gate bipolar transistor, in order to reduce tail current and ON voltage,
An insulated gate bipolar transistor (IGBT: characterized by having a control gate forcibly extracting carriers such as holes between the channel region and the collector region as follows.
Insulated Gate Bipolar Transistor). The present applicant has applied for an insulated gate bipolar transistor having a four-terminal structure in Japanese Patent Application No. 2001-248473. Hereinafter, a brief description will be given with reference to the drawings. In FIG. 6, the IGBT 7 includes a p + type semiconductor substrate 72a which is a part of the collector region, an Al collector electrode 71 formed by a sputtering method on the back surface side thereof, and a part of the collector region epitaxially formed on the surface side thereof. Is
n - type conductivity modulation layer 72b and this n - type conductivity modulation layer 72b
P doped with B, Al or Ga by ion implantation
Type channel region 73 and n + type emitter region 74 formed on the surface side thereof, emitter electrode 75 formed on p type channel region 73, n + type emitter region 74 p type channel region 73 and n − type conductivity A silicon oxide film 76a formed over the surface layer of the modulation layer 72b, a polysilicon gate 76b formed on the silicon oxide film 76a, a gate electrode 76c formed on the polysilicon gate 76b, and an n - type conductivity modulation layer. It has a control electrode 77b formed on 72b, and an n + layer 77a for making ohmic contact with the control electrode 77b and the conductivity modulation layer 72b.
【0003】従って、本例のIGBT7は、制御電極77bに導
電接続された制御端子G1と、ゲート電極76cに導電接続
されたゲート端子G2と、コレクタ電極71に導電接続され
たコレクタ端子Cと、エミッタ電極75に導電接続された
エミッタ端子Eと、を有している4端子構造になる。こ
こで、IGBT7には、n+型エミッタ領域74、p型チャネル領
域73、およびn-型伝導度変調層72bで構成されたnチャネ
ル型電界効果トランジスタ(MOSFET:MetalOxide Semic
onductor Field Effect Transistor)と、n+型エミッタ
領域74、p型チャネル領域73、およびn-型伝導度変調層7
2bで構成されたnpn型バイポーラトランジスタ(BJT:Bi
polar Junction Transistor)と、p型チャネル領域73、
n-型伝導度変調層72b、およびコレクタ領域であるp+型
半導体基板72aで構成されたpnp型BJTと、が寄生的に形
成されており、このpnp型の寄生トランジスタのnベース
にあたるn-型伝導度変調層72bに、制御電極77bは導電接
続されている。さらに、制御電極77bは、n+型エミッタ
領域74、p型チャネル領域73、n-型伝導度変調層72bおよ
びコレクタ領域71によって構成されるnpnp構造の寄生サ
イリスタのゲート電極と見ることもできる。Therefore, the IGBT 7 of this example has a control terminal G1 conductively connected to the control electrode 77b, a gate terminal G2 conductively connected to the gate electrode 76c, and a collector terminal C conductively connected to the collector electrode 71. A four-terminal structure having an emitter terminal E conductively connected to the emitter electrode 75 is provided. Here, the IGBT 7 has an n channel type field effect transistor (MOSFET: Metal Oxide Semicide) composed of an n + type emitter region 74, ap type channel region 73, and an n − type conductivity modulation layer 72b.
on-ductor field effect transistor), n + -type emitter region 74, p-type channel region 73, and n − -type conductivity modulation layer 7
Npn type bipolar transistor (BJT: Bi
polar Junction Transistor) and p-type channel region 73,
An n − type conductivity modulation layer 72b and a pnp type BJT composed of ap + type semiconductor substrate 72a which is a collector region are parasitically formed, and n − which corresponds to the n base of this pnp type parasitic transistor. The control electrode 77b is electrically connected to the type conductivity modulation layer 72b. Further, the control electrode 77b can also be regarded as a gate electrode of an npnp structure parasitic thyristor constituted by the n + type emitter region 74, the p type channel region 73, the n − type conductivity modulation layer 72b and the collector region 71.
【0004】次に、IGBT7の等価回路を、図7を参照にし
て説明する。この図に示すように、p型チャネル領域73
をnチャネルとするnチャネルMOSFET81と、伝導度変調層
72bをnベースとするpnp型BJT83と、チャネル領域73をp
ベースとするnpn型BJT82と、を有する。ここで、抵抗84
は、n+型エミッタ領域74の直下におけるp型チャネル領
域73の短絡抵抗である。次に、IGBT7の動特性を、図8に
示すタイミングチャートを参照して説明する。ここで、
実線91はIGBT7のゲート端子G2 に印加したゲート駆動信
号VG2を、実線92はIGBT7の制御端子G1 に印加した制御
信号VG1を、実線93はIGBT7のエミッタ端子Eとコレクタ
端子Cとの間の電圧波形VCE を、実線94はIGBT7のエミッ
タ端子Eとコレクタ端子Cとの間の電流波形ICEを、それ
ぞれ示す。まず、IGBT7側において、エミッタ電極75、
ゲート電極76c、および制御電極77bを最低電位としての
アース状態とし、コレクタ電極71を正電位とする。この
状態では、IGBT7、MOSFET81および寄生BJT82(寄生サイ
リスタ)はオフ状態にあるので、エミッタ電極75コレク
タ電極71間の電流ICEは流れない。Next, an equivalent circuit of the IGBT 7 will be described with reference to FIG. As shown in this figure, the p-type channel region 73
N-channel MOSFET 81 with n-channel and conductivity modulation layer
Pnp type BJT83 with 72b as n base and channel region 73 with p
And an npn-type BJT82 as a base. Where resistance 84
Is the short-circuit resistance of the p-type channel region 73 immediately below the n + -type emitter region 74. Next, the dynamic characteristics of the IGBT 7 will be described with reference to the timing chart shown in FIG. here,
The solid line 91 represents the gate drive signal V G2 applied to the gate terminal G 2 of the IGBT 7, the solid line 92 represents the control signal V G1 applied to the control terminal G 1 of the IGBT 7, and the solid line 93 represents the emitter terminal E and collector terminal C of the IGBT 7. the voltage waveform V CE between the solid line 94 the current waveform I CE between the emitter terminal E and the collector terminal C of the IGBT 7, respectively. First, on the IGBT7 side, the emitter electrode 75,
The gate electrode 76c and the control electrode 77b are set to the ground state as the lowest potential, and the collector electrode 71 is set to the positive potential. In this state, the IGBT 7, the MOSFET 81, and the parasitic BJT 82 (parasitic thyristor) are in the OFF state, so that the current I CE between the emitter electrode 75 and the collector electrode 71 does not flow.
【0005】次に、時刻t91において、ゲート駆動信号V
G2のパルスをゲート端子G2に印加すると、IGBT7におい
て、ゲート電極76cが正電位となりシリコン酸化膜76aを
介して対峙するp型チャネル領域73の表面側に反転層が
形成され始め、この反転層を介して電子がn-型伝導度変
調層72bに注入され始めると共に、p+型半導体基板72aか
ら正孔がn-型伝導度変調層72b に注入され始める。この
結果、時刻t93よりコレクタ電極71エミッタ電極75間に
コレクタ電流ICEが流れ始め、t94において飽和する。タ
ーンオフする場合は、時刻t95において、ゲート駆動信
号VG2のパルスをアース状態にすると、IGBT7において、
ポリシリコンゲート76bが零電位となりシリコン酸化膜7
6aを介して対峙するp型チャネル領域73の表面側に形成
されていた反転層が消失し始め、この反転層を介してn-
型伝導度変調層72b に注入されていた電子と共に、p+型
半導体基板72aからn-型伝導度変調層72b に注入されて
いた正孔が、注入されなくなるため、コレクタ電流ICE
が減少し始める。このとき、ゲート領域部のMOSFET81が
オフ状態になり、BJT83のベースがフローティングにな
る。この結果、オフ時にはn-型伝導度変調層72bに蓄積
された少数キャリアである正孔の流出する経路が遮断さ
れるため、図8に示すようにテイル電流95が生じてしま
い、時刻t99に至るまで、正孔はn-型伝導度変調層72bに
残留するのでこの時点では初めてコレクタ電流が0にな
り、ターンオフ時間を増加させてしまう。Next, at time t 91 , the gate drive signal V
The application of a pulse of G2 to the gate terminal G 2, in IGBT 7, begins an inversion layer is formed on the surface side of the p-type channel region 73 where the gate electrode 76c is opposed through the silicon oxide film 76a becomes a positive potential, the inversion layer Electrons start to be injected into the n − -type conductivity modulation layer 72b through the, and holes are started to be injected into the n − -type conductivity modulation layer 72b from the p + -type semiconductor substrate 72a. As a result, the collector current I CE begins to flow between the collector electrode 71 and the emitter electrode 75 from time t 93 , and is saturated at t 94 . When turning off, when the pulse of the gate drive signal V G2 is set to the ground state at time t 95 , the IGBT 7
The polysilicon gate 76b becomes zero potential and the silicon oxide film 7
Inversion layer formed on the surface side of the p-type channel region 73 which faces through 6a starts to disappear, n via the inversion layer -
Since the holes injected from the p + type semiconductor substrate 72a to the n − type conductivity modulation layer 72b are not injected together with the electrons injected into the type conductivity modulation layer 72b, the collector current I CE
Begins to decrease. At this time, the MOSFET 81 in the gate region is turned off and the base of the BJT 83 becomes floating. As a result, at the time of off n - for outflow route of holes which are minority carriers accumulated in the mold conductivity modulation layer 72b is interrupted, would occur is the tail current 95, as shown in FIG. 8, the time t 99 Up to, the holes remain in the n − -type conductivity modulation layer 72b, so that the collector current becomes 0 for the first time at this point and the turn-off time is increased.
【0006】そこで、時刻t95 において、制御端子G1
に負電圧である制御信号VG1のパルスを印加して、制御
電極77bに負の電位を印加して、テイル電流95の原因に
なるn-型伝導度変調層72bに残留している正孔を強制的
に引き抜き始め、電流を減少させる。その結果、時刻t
98においてコレクタ・エミッタ間電流が0になり、時刻t
9 8において完全にターンオフ状態になる。この実施の形
態によれば、ターンオフ時に、n-型伝導度変調層72bに
蓄積されている正孔を制御端子G1により、強制的に引き
抜きテイル電流の発生を防止できる。この結果、ターン
オフ時間をMOSFETなみに低下でき、動作周波数を高速化
できる。Therefore, at time t 95 , the control terminal G 1
A pulse of the control signal V G1 that is a negative voltage is applied to the control electrode 77b to apply a negative potential to the holes remaining in the n − -type conductivity modulation layer 72b that causes the tail current 95. To start pulling out forcibly and reduce the current. As a result, time t
At 98 , the collector-emitter current becomes 0, and at time t
At 9 8 it is completely turned off. According to this embodiment, at the time of turn-off, the holes accumulated in the n − -type conductivity modulation layer 72b can be forcibly pulled out by the control terminal G 1 and the generation of a tail current can be prevented. As a result, the turn-off time can be reduced as much as MOSFET, and the operating frequency can be increased.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の絶縁ゲートバイポーラトランジスタでは、n-型伝導
度変調層72bに蓄積された正孔を、チャネル領域とコレ
クタ領域の間に配置された制御電極77bで強制的に引き
抜いた。この場合、大電流が流れるエミッタ電極75およ
びコレクタ電極71が、制御ゲート77bと直接導電接続し
ているために、制御電極77bに大電流が流れて、IGBT素
子の制御を不能または破壊する危険があり、必ずしも十
分にターンオフ特性を改善できるとは言えない。したが
って、本発明の目的は、IGBTの制御不能および破壊を防
ぎ、かつテイル電流95を減少させた良好なターンオフ特
性を有するIGBTを提供することを目的とする。However, in the above-mentioned conventional insulated gate bipolar transistor, the holes accumulated in the n − type conductivity modulation layer 72b are controlled by the control electrode 77b arranged between the channel region and the collector region. I forcibly pulled it out. In this case, since the emitter electrode 75 and the collector electrode 71, through which a large current flows, are directly conductively connected to the control gate 77b, there is a risk that a large current will flow to the control electrode 77b and disable or destroy the control of the IGBT element. However, it cannot be said that the turn-off characteristic can be sufficiently improved. Therefore, it is an object of the present invention to provide an IGBT having good turn-off characteristics in which the uncontrollability and destruction of the IGBT are prevented and the tail current 95 is reduced.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
伝導度変調作用を有するコレクタ領域、エミッタ領域、
このコレクタ領域とエミッタ領域との間に存在するチャ
ネル領域上に形成したゲート電極、およびゲート電極・
コレクタ領域間に設けた絶縁ゲート型制御電極を有する
ことを特徴とするものであり、伝導度変調効果で、ター
ンオフ時に伝導度変調層に蓄積された少数キャリアであ
る正孔を、ゲート電極・コレクタ電極間に設けた絶縁ゲ
ート型制御電極によりトンネル効果またはアバランシェ
効果を引き起こして強制的に引き抜いて、テイル電流を
減少させてターンオフ時間を小さくできる。したがっ
て、本発明は、絶縁ゲート型制御電極、ゲート電極、コ
レクタ電極、およびエミッタ電極を有した4端子IGBTに
なる。また請求項2記載の発明は、一対の主表面を有す
る半導体結晶の主表面にエミッタ領域、ゲート電極、お
よびチャネル領域、一方の主表面にコレクタ領域および
絶縁ゲート型制御電極、を設けたことを特徴とする請求
項1記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタである。
請求項2記載のIGBTによれば、テイル電流を減少させて
ターンオフ時間を小さくできる。[Means for Solving the Problems] The invention according to claim 1 is
A collector region having a conductivity modulation effect, an emitter region,
A gate electrode formed on the channel region existing between the collector region and the emitter region, and a gate electrode
The present invention is characterized by having an insulated gate type control electrode provided between the collector regions. Due to the conductivity modulation effect, holes, which are minority carriers accumulated in the conductivity modulation layer at turn-off, are transferred to the gate electrode / collector. The insulated gate type control electrode provided between the electrodes causes a tunnel effect or an avalanche effect to forcefully pull out the tail current, thereby reducing the tail current and shortening the turn-off time. Therefore, the present invention is a four-terminal IGBT having an insulated gate type control electrode, a gate electrode, a collector electrode, and an emitter electrode. The invention according to claim 2 provides an emitter region, a gate electrode, and a channel region on a main surface of a semiconductor crystal having a pair of main surfaces, and a collector region and an insulated gate control electrode on one main surface. The insulated gate bipolar transistor according to claim 1, characterized in that
According to the IGBT described in claim 2, the tail current can be reduced and the turn-off time can be shortened.
【0009】また請求項3記載の発明は、一対の主表面
を有する半導体結晶の主表面にエミッタ領域、ゲート電
極、絶縁ゲート型制御電極およびチャネル領域、一方の
主表面にコレクタ領域および絶縁ゲート型制御電極、を
設けたことを特徴とする請求項1記載の絶縁ゲートバイ
ポーラトランジスタである。請求項3記載のIGBTによれ
ば、テイル電流を減少さえてターンオフ時間を小さくで
きる。また請求項4記載の発明は、一対の主表面を有す
る半導体結晶の主表面にコレクタ領域、ゲート電極、エ
ミッタ領域およびチャネル領域、一方の主表面に絶縁ゲ
ート型制御電極、を設けたことを特徴とする請求項1記
載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタである。請求項
4記載のIGBTによれば、テイル電流を減少させてターン
オフ時間を小さくできる。According to the third aspect of the invention, an emitter region, a gate electrode, an insulated gate type control electrode and a channel region are formed on the main surface of a semiconductor crystal having a pair of main surfaces, and a collector region and an insulated gate type are formed on one main surface. 2. The insulated gate bipolar transistor according to claim 1, further comprising a control electrode. According to the IGBT described in claim 3, the turn-off time can be shortened by reducing the tail current. The invention according to claim 4 is characterized in that a collector region, a gate electrode, an emitter region and a channel region are provided on the main surface of a semiconductor crystal having a pair of main surfaces, and an insulated gate type control electrode is provided on one main surface. The insulated gate bipolar transistor according to claim 1. Claim
According to the IGBT described in 4, the tail current can be reduced and the turn-off time can be shortened.
【0010】また請求項5記載の発明は、前記ゲート電
極と前記チャネル領域をトレンチ構造とした請求項2か
ら4のいずれか1項に記載の絶縁ゲートバイポーラトラ
ンジスタである。すなわち半導体結晶の表面にコレクタ
領域、エミッタ領域、ゲート電極、絶縁ゲート型制御電
極およびチャネル領域を設けたことを特徴とする請求項
1記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタである。請
求項5記載の発明によれば、テイル電流を減少させてタ
ーンオフ時間を小さくできる。また請求項6記載の発明
は、半導体結晶にSiCを使用したことを特徴とする請求
項2から5のいずれか1項記載の絶縁ゲートバイポーラ
トランジスタである。請求項6記載の発明によれば、テ
イル電流を減少させてターンオフ時間を小さくできる。
また、SiCにより、損失を低減できる。また請求項7記載
の発明は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを集積化
したことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に
記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタである。請求
項7記載の発明によれば、テイル電流を減少させてター
ンオフ時間を小さくできる。また、集積することによ
り、大容量スイッチング素子として使用できる。The invention according to claim 5 is the insulated gate bipolar transistor according to any one of claims 2 to 4, wherein the gate electrode and the channel region have a trench structure. That is, a collector region, an emitter region, a gate electrode, an insulated gate type control electrode and a channel region are provided on the surface of the semiconductor crystal.
The insulated gate bipolar transistor described in 1. According to the invention of claim 5, the tail current can be reduced and the turn-off time can be shortened. The invention according to claim 6 is the insulated gate bipolar transistor according to any one of claims 2 to 5, characterized in that SiC is used for the semiconductor crystal. According to the invention described in claim 6, the turn-off time can be shortened by reducing the tail current.
Moreover, the loss can be reduced by using SiC. The invention according to claim 7 is the insulated gate bipolar transistor according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the insulated gate bipolar transistor is integrated. According to the invention of claim 7, the tail current can be reduced and the turn-off time can be shortened. Also, by integrating, it can be used as a large capacity switching element.
【0011】[0011]
【発明の実施の形態】本発明における第1の実施形態のI
GBTについて、図1、図2に基づいて説明する。図1におい
て、IGBT1は、コレクタ領域の一部であるp+型半導体基
板12aと、その裏面側にスパッタ法で形成したAlのコレ
クタ電極11と、その表面側にエピタキシャル形成したコ
レクタ領域の一部であるn-型伝導度変調層12bと、このn
-型伝導度変調層12bにB、AlまたはGaをイオン注入法に
より不純物添加したp型チャネル領域13およびその表面
側に形成したn+型エミッタ領域14と、p型チャネル領域1
3上に形成したエミッタ電極15と、n+型エミッタ領域14
p型チャネル領域13およびn-型伝導度変調層12bの表面層
にかけて形成したシリコン酸化膜16aと、そのシリコン
酸化膜16a上に形成したポリシリコンゲート16bと、ポリ
シリコンゲート16b上に形成したゲート電極16cと、n-型
伝導度変調層12b上に形成したシリコン酸化膜17a、その
上に形成したポリシリコンゲート17b、さらにその上に
形成した絶縁ゲート型制御電極17cと、を有する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION I of the first embodiment of the present invention
The GBT will be described based on FIGS. 1 and 2. In FIG. 1, the IGBT 1 includes a p + type semiconductor substrate 12a which is a part of the collector region, an Al collector electrode 11 formed by a sputtering method on the back surface side thereof, and a part of the collector region epitaxially formed on the front surface side thereof. And the n - type conductivity modulation layer 12b
A p-type channel region 13 in which B, Al or Ga is added to the − type conductivity modulation layer 12b by an ion implantation method, an n + type emitter region 14 formed on the surface side thereof, and a p-type channel region 1
3 and the emitter electrode 15 and the n + -type emitter region 14 formed on
A silicon oxide film 16a formed over the surface layers of the p-type channel region 13 and the n − -type conductivity modulation layer 12b, a polysilicon gate 16b formed on the silicon oxide film 16a, and a gate formed on the polysilicon gate 16b. It has an electrode 16c, a silicon oxide film 17a formed on the n − type conductivity modulation layer 12b, a polysilicon gate 17b formed on the silicon oxide film 17a, and an insulated gate control electrode 17c formed on the polysilicon gate 17b.
【0012】従って、本例のIGBT1は、絶縁ゲート型制
御電極17cに導電接続された制御端子G1と、ゲート電極1
6cに導電接続されたゲート端子G2と、コレクタ電極11に
導電接続されたコレクタ端子Cと、エミッタ電極15に導
電接続されたエミッタ端子Eと、を有している4端子構
造になる。ここで、IGBT1には、n+型エミッタ領域14、p
型チャネル領域13、およびn-型伝導度変調層12bで構成
されたnチャネル型MOSFETと、n+型エミッタ領域14、p型
チャネル領域13、およびn-型伝導度変調層12bで構成さ
れたnpn型BJTと、p型チャネル領域13、n-型伝導度変調
層12b、およびコレクタ領域であるp+型半導体基板12aで
構成されたpnp型BJTと、が寄生的に形成されており、こ
のpnp型の寄生トランジスタのnベースにあたるn-型伝導
度変調層12b上に絶縁ゲート型制御電極17cは形成されて
いる。さらに、絶縁ゲート型制御電極17cは、n+型エミ
ッタ領域15、p型チャネル領域14、n-型伝導度変調層13
およびコレクタ領域11によって構成されるnpnp構造の寄
生サイリスタのゲート電極と見ることもできる。Therefore, the IGBT 1 of this example includes a control terminal G1 conductively connected to the insulated gate type control electrode 17c and a gate electrode 1
The four-terminal structure has a gate terminal G2 conductively connected to 6c, a collector terminal C conductively connected to the collector electrode 11, and an emitter terminal E conductively connected to the emitter electrode 15. Here, the IGBT 1 has an n + type emitter region 14, p
An n-channel MOSFET composed of a n - type conductivity modulation layer 12b and an n - type conductivity modulation layer 12b, and an n + type emitter region 14, a p-type channel region 13 and an n - type conductivity modulation layer 12b The npn-type BJT and the p-type channel region 13, the n − -type conductivity modulation layer 12b, and the pnp-type BJT composed of the p + -type semiconductor substrate 12a that is the collector region are parasitically formed. The insulated gate control electrode 17c is formed on the n − type conductivity modulation layer 12b corresponding to the n base of the pnp type parasitic transistor. Further, the insulated gate control electrode 17c includes an n + type emitter region 15, ap type channel region 14, and an n − type conductivity modulation layer 13.
It can also be regarded as the gate electrode of the parasitic thyristor having the npnp structure constituted by the collector region 11.
【0013】次に、IGBT1の等価回路を、図2を参照にし
て説明する。この図に示すように、p型チャネル領域13
をnチャネルとするnチャネルMOSFET21と、伝導度変調層
12bをnベースとするpnp型BJT23と、チャネル領域13をp
ベースとするnpn型BJT22と、を有する。ここで、抵抗24
は、n+型エミッタ領域14の直下におけるp型チャネル領
域13の短絡抵抗である。この実施の形態によれば、G1に
印加する電圧に対してトンネル現象またはアバランシェ
現象が起こるようにドライ酸化によってシリコン酸化膜
17aを5nmから30nm程度の膜厚に制御して作製する
と、ターンオフ時にn-型伝導度変調層13に蓄積されてい
る正孔を制御端子G1により、トンネル効果またはアバラ
ンシェ効果によりシリコン酸化膜17aを介してn-型伝導
度変調層12bに残留している正孔を強制的に引き抜きテ
イル電流の発生を防止できる。Next, an equivalent circuit of the IGBT 1 will be described with reference to FIG. As shown in this figure, the p-type channel region 13
N-channel MOSFET 21 with n-channel and conductivity modulation layer
Pnp type BJT23 with 12b as n base and channel region 13 with p
And an npn-type BJT22 serving as a base. Where resistance 24
Is the short-circuit resistance of the p-type channel region 13 immediately below the n + -type emitter region 14. According to this embodiment, a silicon oxide film is formed by dry oxidation so that a tunnel phenomenon or an avalanche phenomenon occurs with respect to the voltage applied to G1.
When 17a is manufactured by controlling the film thickness to about 5 nm to 30 nm, the holes accumulated in the n − -type conductivity modulation layer 13 at the time of turn-off are controlled by the control terminal G1 to form the silicon oxide film 17a by the tunnel effect or the avalanche effect. Through this, holes remaining in the n − -type conductivity modulation layer 12b can be forcibly drawn out and the generation of tail current can be prevented.
【0014】従って、IGBT1の動特性は、従来例で示し
た図3とほぼ等しいタイミングチャートになる。また、G
1を電圧で制御できるので、IGBTの制御不能または破壊
を引き起こすことなく、また消費電力も少なくすること
も出来る。この結果、信頼性を向上させて、かつターン
オフ時間をMOSFETなみに低下でき、動作周波数を高速化
できる。本発明における第2の実施形態のIGBTは、図3に
示すように、一方の主表面に絶縁ゲート型制御電極を配
置する縦型IGBTである。この実施の形態によれば、伝導
度変調層に残留している正孔を、トンネル効果または、
アバランシェ効果を使用して、シリコン酸化膜を介して
強制的に引きぬくので、テイル電流の発生を防止でき
る。本発明における第3 の実施形態のIGBTは、図4に示
すように、主表面および一方の主表面に絶縁ゲート型制
御電極を配置する縦型IGBTである。この実施の形態によ
れば、伝導度変調層に残留している正孔を、トンネル効
果または、アバランシェ効果を使用して、シリコン酸化
膜を介して強制的に引きぬくので、テイル電流の発生を
防止できる。Therefore, the dynamic characteristic of the IGBT 1 becomes a timing chart almost equal to that of FIG. 3 shown in the conventional example. Also, G
Since 1 can be controlled by the voltage, it is possible to reduce the power consumption without causing the uncontrollability or destruction of the IGBT. As a result, the reliability can be improved, the turn-off time can be reduced as much as the MOSFET, and the operating frequency can be increased. The IGBT according to the second embodiment of the present invention is a vertical IGBT in which an insulated gate type control electrode is arranged on one main surface, as shown in FIG. According to this embodiment, holes remaining in the conductivity modulation layer are tunneled or
Since the avalanche effect is used to forcibly pull out through the silicon oxide film, the generation of tail current can be prevented. The IGBT according to the third embodiment of the present invention is a vertical IGBT in which an insulating gate type control electrode is arranged on the main surface and one main surface as shown in FIG. According to this embodiment, holes remaining in the conductivity modulation layer are forcibly pulled through the silicon oxide film by using the tunnel effect or the avalanche effect, so that the tail current is not generated. It can be prevented.
【0015】本発明における第4の実施形態のIGBTは、
図5に示すように、一方の主表面に絶縁ゲート型制御電
極を配置した横型IGBTである。この実施の形態によれ
ば、伝導度変調層に残留している正孔を、トンネル効果
または、アバランシェ効果を使用して、シリコン酸化膜
を介して強制的に引きぬくので、テイル電流の発生を防
止できる。本発明における第5の実施形態のIGBTは、図
1、図3〜5までの横型MOSFETをトレンチ構造MOSFETにお
きかえたIGBTである。また、本発明における第6の実施
形態のIGBTはSiCを半導体基板に使用した場合、第7の実
施形態のIGBTは第1の実施例から第6の実施例までの実施
例のIGBTを集積化した場合であり、いずれも第1の実施
形態と同様の効果を期待できる。The IGBT according to the fourth embodiment of the present invention is
As shown in FIG. 5, it is a lateral IGBT in which an insulated gate type control electrode is arranged on one main surface. According to this embodiment, holes remaining in the conductivity modulation layer are forcibly pulled through the silicon oxide film by using the tunnel effect or the avalanche effect, so that the tail current is not generated. It can be prevented. The IGBT of the fifth embodiment of the present invention is
1. This is an IGBT in which the lateral MOSFET shown in FIGS. 3 to 5 is replaced with a trench structure MOSFET. Further, in the case where the IGBT of the sixth embodiment of the present invention uses SiC for the semiconductor substrate, the IGBT of the seventh embodiment integrates the IGBTs of the examples from the first example to the sixth example. In all cases, the same effect as that of the first embodiment can be expected.
【0016】[0016]
【発明の効果】請求項1記載の発明によれば、伝導度変
調作用を有するコレクタ領域、エミッタ領域、このコレ
クタ領域とエミッタ領域との間に存在するチャネル領域
上に形成したゲート電極、およびゲート電極コレクタ領
域間に設けた絶縁ゲート型制御電極を有することを特徴
とするものであり、伝導度変調効果で、ターンオフ時に
伝導度変調層に蓄積された少数キャリアである正孔を、
ゲート電極・コレクタ電極間に設けた絶縁ゲート型制御
電極により強制的に引き抜き、テイル電流を減少させて
ターンオフ時間を小さくできる効果がある。この結果、
ターンオフ時間をMOSFETなみに低下でき、動作周波数を
高速化できる。これより、オン電圧、SOA、適用範囲を
損なわずに、かつIGBTの素子破壊を生じさせること無く
動作周波数を高速化できる。これらより、本発明のIGBT
をサーボ制御装置およびインバータ等の電力変換装置の
パワー半導体主回路に使用すると、高信頼性、高速動
作、高精度制御、スイッチング損失低減などの効果があ
る。請求項2、請求項3、請求項4、請求項5も、上記効果
と同様の効果がある。請求項6記載の発明によれば、SiC
により、損失を低減できる。請求項7記載の発明によれ
ば、IGBTを集積することにより、大容量スイッチング素
子として使用できる。According to the invention of claim 1, a collector region having a conductivity modulation action, an emitter region, a gate electrode formed on a channel region existing between the collector region and the emitter region, and a gate It is characterized by having an insulated gate type control electrode provided between the electrode collector regions, and due to the conductivity modulation effect, holes that are minority carriers accumulated in the conductivity modulation layer at the time of turn-off,
The insulated gate type control electrode provided between the gate electrode and the collector electrode is forcibly pulled out to reduce the tail current and shorten the turn-off time. As a result,
The turn-off time can be reduced as much as MOSFET and the operating frequency can be increased. As a result, the operating frequency can be increased without impairing the on-voltage, the SOA, the applicable range, and without causing the element breakdown of the IGBT. From these, the IGBT of the present invention
Is used for a power semiconductor main circuit of a power control device such as a servo control device and an inverter, it has effects such as high reliability, high speed operation, high precision control, and reduction of switching loss. Claims 2, 3, 4, and 5 have the same effect as the above effect. According to the invention of claim 6, SiC
Therefore, the loss can be reduced. According to the invention of claim 7, by integrating the IGBT, it can be used as a large capacity switching element.
【図1】本発明の第1の実施形態におけるIGBTの断面図で
ある。FIG. 1 is a sectional view of an IGBT according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第1の実施形態におけるIGBTの等価回路
である。FIG. 2 is an equivalent circuit of the IGBT according to the first embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第2の実施形態におけるIGBTの断面図で
ある。FIG. 3 is a sectional view of an IGBT according to a second embodiment of the present invention.
【図4】本発明の第3の実施形態におけるIGBTの断面図で
ある。FIG. 4 is a sectional view of an IGBT according to a third embodiment of the present invention.
【図5】本発明の第4の実施形態におけるIGBTの断面図で
ある。FIG. 5 is a sectional view of an IGBT according to a fourth embodiment of the present invention.
【図6】従来のIGBTの断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a conventional IGBT.
【図7】従来のIGBTの等価回路である。FIG. 7 is an equivalent circuit of a conventional IGBT.
【図8】従来のIGBTの動作状態を示すタイミングチャー
ト図である。FIG. 8 is a timing chart showing an operation state of a conventional IGBT.
11,31,41,51 コレクタ電極 12a,32a,42a,52a p+型半導体基板 12b,32b,42b,52b n-型伝導度変調層 13,33,43,53 p型チャネル領域 14,34,44,54 n+型エミッタ領域 15,35,45,55 エミッタ電極 16a,36a,46a,56a シリコン酸化膜 16b,36b,46b,56b ポリシリコンゲート 16c,36c,46c,56c ゲート電極 17,37,47,57 n+層 21 MOSFET 22 BJT 23 BJT 24 短絡抵抗 71 コレクタ電極 72a p+型半導体基板 72b n-型伝導度変調層 73 p型チャネル領域 74 n+型エミッタ領域 75 エミッタ電極 76a シリコン酸化膜 76b ポリシリコンゲート 76c ゲート電極 77a n+層 77b 制御電極 81 MOSFET 82 BJT 83 BJT 84 短絡抵抗 91 ゲート駆動信号 92 制御信号 93 コレクタ領域エミッタ領域間の電圧波形 94 コレクタ領域エミッタ領域間の電流波形 95 テイル電流11,31,41,51 Collector electrode 12a, 32a, 42a, 52a p + type semiconductor substrate 12b, 32b, 42b, 52b n - type conductivity modulation layer 13,33,43,53 p type channel region 14,34,44 , 54 n + type emitter region 15,35,45,55 Emitter electrode 16a, 36a, 46a, 56a Silicon oxide film 16b, 36b, 46b, 56b Polysilicon gate 16c, 36c, 46c, 56c Gate electrode 17,37,47 , 57 n + layer 21 MOSFET 22 BJT 23 BJT 24 short-circuit resistance 71 collector electrode 72a p + type semiconductor substrate 72b n − type conductivity modulation layer 73 p type channel region 74 n + type emitter region 75 emitter electrode 76a silicon oxide film 76b poly Silicon gate 76c Gate electrode 77a n + layer 77b Control electrode 81 MOSFET 82 BJT 83 BJT 84 Short circuit resistance 91 Gate drive signal 92 Control signal 93 Voltage waveform between collector region and emitter region 94 Current waveform between collector region and emitter region 95 Tail current
Claims (7)
エミッタ領域、前記コレクタ領域と前記エミッタ領域と
の間に存在するチャネル領域上に形成したゲート電極か
らなる絶縁ゲートバイポーラトランジスタにおいて、 前記ゲート電極・前記コレクタ領域間に設けた絶縁ゲー
ト型制御電極を有す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。1. A collector region having a conductivity modulation effect,
An insulated gate bipolar transistor comprising an emitter region and a gate electrode formed on a channel region existing between the collector region and the emitter region, having an insulated gate type control electrode provided between the gate electrode and the collector region An insulated gate bipolar transistor characterized in that.
面に前記エミッタ領域、前記ゲート電極、および前記チ
ャネル領域、一方の主表面に前記コレクタ領域および前
記絶縁ゲート型制御電極を設けたことを特徴とする請求
項1記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。2. The emitter region, the gate electrode, and the channel region are provided on a main surface of a semiconductor crystal having a pair of main surfaces, and the collector region and the insulated gate control electrode are provided on one main surface. The insulated gate bipolar transistor according to claim 1, characterized in that
面に前記エミッタ領域、前記ゲート電極、前記絶縁ゲー
ト型制御電極および前記チャネル領域、一方の主表面に
前記コレクタ領域および前記絶縁ゲート型制御電極を設
けたことを特徴とする請求項1記載の絶縁ゲートバイポ
ーラトランジスタ。3. The emitter region, the gate electrode, the insulated gate type control electrode and the channel region on the main surface of a semiconductor crystal having a pair of main surfaces, and the collector region and the insulated gate type control on one main surface. 2. The insulated gate bipolar transistor according to claim 1, wherein an electrode is provided.
面に前記コレクタ領域、前記ゲート電極、前記エミッタ
領域および前記チャネル領域、一方の主表面に前記絶縁
ゲート型制御電極を設けたことを特徴とする請求項1記
載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。4. The collector region, the gate electrode, the emitter region and the channel region are provided on a main surface of a semiconductor crystal having a pair of main surfaces, and the insulated gate control electrode is provided on one main surface. The insulated gate bipolar transistor according to claim 1.
レンチ構造とした請求項2から4のいずれか1項に記載
の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。5. The insulated gate bipolar transistor according to claim 2, wherein the gate electrode and the channel region have a trench structure.
する請求項2から5のいずれか1項記載の絶縁ゲートバ
イポーラトランジスタ。6. The insulated gate bipolar transistor according to claim 2, wherein SiC is used as a semiconductor crystal.
積化したことを特徴とする請求項1から6のいずれか1
項に記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。7. The integrated gate bipolar transistor according to claim 1, wherein the insulated gate bipolar transistor is integrated.
Insulated gate bipolar transistor according to paragraph.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001354343A JP2003158269A (en) | 2001-11-20 | 2001-11-20 | Insulated gate bipolar transistor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001354343A JP2003158269A (en) | 2001-11-20 | 2001-11-20 | Insulated gate bipolar transistor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003158269A true JP2003158269A (en) | 2003-05-30 |
Family
ID=19166218
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001354343A Pending JP2003158269A (en) | 2001-11-20 | 2001-11-20 | Insulated gate bipolar transistor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003158269A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102008050495A1 (en) | 2008-05-30 | 2009-12-17 | Mitsubishi Electric Corp. | Semiconductor device |
| JP2010147188A (en) * | 2008-12-17 | 2010-07-01 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device |
| US9595948B2 (en) | 2015-07-20 | 2017-03-14 | Denso Corporation | Semiconductor device having a double-gate switching element |
| US12159927B2 (en) | 2018-09-19 | 2024-12-03 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device having gate electrodes on front side and back side |
-
2001
- 2001-11-20 JP JP2001354343A patent/JP2003158269A/en active Pending
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102008050495A1 (en) | 2008-05-30 | 2009-12-17 | Mitsubishi Electric Corp. | Semiconductor device |
| DE102008050495B4 (en) * | 2008-05-30 | 2011-05-26 | Mitsubishi Electric Corp. | Semiconductor device |
| US8093660B2 (en) | 2008-05-30 | 2012-01-10 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor device |
| JP2010147188A (en) * | 2008-12-17 | 2010-07-01 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device |
| DE102009038776A1 (en) | 2008-12-17 | 2010-07-01 | Mitsubishi Electric Corp. | Semiconductor device having an internal isolation gate bipolar transistor |
| US7898029B2 (en) | 2008-12-17 | 2011-03-01 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor device internally having insulated gate bipolar transistor |
| KR101055988B1 (en) | 2008-12-17 | 2011-08-11 | 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 | Semiconductor device with insulated gate bipolar transistor |
| US8120107B2 (en) | 2008-12-17 | 2012-02-21 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor device internally having insulated gate bipolar transistor |
| DE102009038776B4 (en) * | 2008-12-17 | 2012-11-22 | Mitsubishi Electric Corp. | Semiconductor device having an internal isolation gate bipolar transistor |
| DE102009038776B9 (en) * | 2008-12-17 | 2012-12-27 | Mitsubishi Electric Corp. | Semiconductor device having an internal isolation gate bipolar transistor |
| US9595948B2 (en) | 2015-07-20 | 2017-03-14 | Denso Corporation | Semiconductor device having a double-gate switching element |
| US12159927B2 (en) | 2018-09-19 | 2024-12-03 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device having gate electrodes on front side and back side |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3243902B2 (en) | Semiconductor device | |
| JP3927111B2 (en) | Power semiconductor device | |
| US6303410B1 (en) | Methods of forming power semiconductor devices having T-shaped gate electrodes | |
| JP3163677B2 (en) | Semiconductor device having MISFET controlled thyristor | |
| JPH0312783B2 (en) | ||
| JPH06125078A (en) | Semiconductor device | |
| US5317171A (en) | MOS gated thyristor with remote turn-off electrode | |
| JPH0371773B2 (en) | ||
| JP3183055B2 (en) | Semiconductor bidirectional switch and driving method thereof | |
| US7095079B2 (en) | Injection enhanced gate transistor including second emitter in dummy region to prevent waveform vibration associated with negative gate capacitance | |
| US5455442A (en) | COMFET switch and method | |
| JP2703240B2 (en) | Conduction modulation type MOSFET | |
| JP2003158269A (en) | Insulated gate bipolar transistor | |
| JP3249891B2 (en) | Semiconductor device and method of using the same | |
| JP3206395B2 (en) | Semiconductor device | |
| TW202416537A (en) | Trench gate type igbt | |
| JP4407172B2 (en) | Horizontal insulated gate bipolar transistor | |
| JPH06163908A (en) | Double gate mos device | |
| JPH05235363A (en) | Conductivity modulating misfet, its control circuit and semiconductor device | |
| JPH04320377A (en) | Insulated gate bipolar transistor | |
| JPH07302898A (en) | MOS semiconductor device and control method thereof | |
| JPH06151827A (en) | Dual gate MOS thyristor | |
| JP2700026B2 (en) | Insulated gate bipolar conduction transistor | |
| KR0149779B1 (en) | Horizontal Morse-controlled thyristors with improved turn-off current capability | |
| TW202525052A (en) | Trench gate type igbt and driving method thereof |