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JP2009188290A - Power semiconductor device - Google Patents

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JP2009188290A
JP2009188290A JP2008028574A JP2008028574A JP2009188290A JP 2009188290 A JP2009188290 A JP 2009188290A JP 2008028574 A JP2008028574 A JP 2008028574A JP 2008028574 A JP2008028574 A JP 2008028574A JP 2009188290 A JP2009188290 A JP 2009188290A
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JP
Japan
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type
layer
dummy
base layer
type base
Prior art date
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Pending
Application number
JP2008028574A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Matsushita
憲一 松下
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.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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 Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2008028574A priority Critical patent/JP2009188290A/en
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Abstract

【課題】オン電圧が低い電力用半導体装置を提供する。
【解決手段】IEGTである電力用半導体装置において、コレクタ電極上にp型コレクタ層13、n型バッファー層14、n型ベース層15をこの順に設け、n型ベース層15上に、n型ベース層15の上面に平行な方向に沿ってメインセル21及びダミーセル22を交互に設ける。また、メインセル21とダミーセル22との間にトレンチゲート電極18を設ける。メインセル21においては、p型ベース層23を設け、その上層部分の一部にn型エミッタ層24を設ける。そして、ダミーセル22においては、トレンチゲート電極18が延びる方向に沿って、p型ダミー層26とn型ダミー層27とを交互に設ける。
【選択図】図1
A power semiconductor device with low on-voltage is provided.
In a power semiconductor device that is an IEGT, a p-type collector layer, an n-type buffer layer, and an n-type base layer are provided in this order on a collector electrode, and an n-type base is formed on the n-type base layer. Main cells 21 and dummy cells 22 are alternately provided along a direction parallel to the upper surface of the layer 15. A trench gate electrode 18 is provided between the main cell 21 and the dummy cell 22. In the main cell 21, a p-type base layer 23 is provided, and an n-type emitter layer 24 is provided in a part of the upper layer portion. In the dummy cell 22, p-type dummy layers 26 and n-type dummy layers 27 are alternately provided along the direction in which the trench gate electrode 18 extends.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、電力用半導体装置に関し、特に、絶縁ゲートバイポーラ型の電力用半導体装置に関する。   The present invention relates to a power semiconductor device, and more particularly to an insulated gate bipolar power semiconductor device.

従来より、電力用半導体装置として、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)が開発されている。IGBTにおいては、コレクタ電極上に、p型コレクタ層及びn型ベース層がこの順に積層され、その上に複数本のストライプ状のトレンチゲート電極が設けられている。そして、トレンチゲート電極間の領域にはp型ベース層が設けられており、このp型ベース層の上層部分の一部に、エミッタ電極に接続されたn型エミッタ層が設けられている。IGBTにおいては、トレンチゲート電極に正電位が印加されることにより、p型ベース層が導通し、n型エミッタ層から電子が導入されると共にp型コレクタ層から正孔が導入されて、コレクタ電極とエミッタ電極との間にバイポーラ電流が流れる。   Conventionally, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) have been developed as power semiconductor devices. In the IGBT, a p-type collector layer and an n-type base layer are stacked in this order on a collector electrode, and a plurality of stripe-shaped trench gate electrodes are provided thereon. A p-type base layer is provided in a region between the trench gate electrodes, and an n-type emitter layer connected to the emitter electrode is provided in a part of the upper layer portion of the p-type base layer. In the IGBT, when a positive potential is applied to the trench gate electrode, the p-type base layer becomes conductive, electrons are introduced from the n-type emitter layer, and holes are introduced from the p-type collector layer. A bipolar current flows between the emitter electrode and the emitter electrode.

しかしながら、このようなIGBTにおいては、耐圧を高くすると、オン電圧が増加するという問題点がある。そこで、IGBTのオン電圧を低減するために、n型エミッタ層を、トレンチゲート電極間の領域のうち一部の領域のみに形成する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。これにより、トレンチゲート電極間の領域のうちの一部の領域だけが電流を流すメインセルとして機能し、他の領域は導電に寄与しないダミーセルとなる。この結果、n型ベース層内の正孔が排出されにくくなり、相対的に電子の注入量が増加する。この効果を、電子注入促進(IE)効果という。この効果により、n型ベース層における上層部分、すなわちp型ベース層側の部分のキャリア濃度が向上し、オン抵抗が低下し、オン電圧が低くなる。このような構造の半導体装置を、IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor:注入促進型絶縁ゲートトランジスタ)という。   However, such an IGBT has a problem that the on-voltage increases when the breakdown voltage is increased. In order to reduce the on-voltage of the IGBT, a technique has been proposed in which the n-type emitter layer is formed only in a part of the region between the trench gate electrodes (see, for example, Patent Document 1). Thereby, only a part of the region between the trench gate electrodes functions as a main cell through which a current flows, and the other region becomes a dummy cell that does not contribute to conduction. As a result, the holes in the n-type base layer are not easily discharged, and the amount of injected electrons is relatively increased. This effect is called an electron injection promotion (IE) effect. This effect improves the carrier concentration in the upper layer portion of the n-type base layer, that is, the portion on the p-type base layer side, lowers the on-resistance, and lowers the on-voltage. The semiconductor device having such a structure is called IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor).

このIEGTにおいては、ある臨界点までは、ダミーセルの割合を増やし、メインセルの割合を減らすほど、電子注入促進効果が増大する。しかしながら、ダミーセルの割合を臨界点を超えて増加させると、かえってオン電圧が増加するという問題がある。   In this IEGT, up to a certain critical point, the effect of promoting electron injection increases as the ratio of dummy cells increases and the ratio of main cells decreases. However, when the ratio of dummy cells is increased beyond the critical point, there is a problem that the on-voltage increases.

特開2002−100770号公報JP 2002-100770 A

本発明の目的は、オン電圧が低い電力用半導体装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a power semiconductor device having a low on-voltage.

本発明の一態様によれば、コレクタ電極と、エミッタ電極と、前記コレクタ電極に接続されたp型コレクタ層と、前記p型コレクタ層上に設けられたn型ベース層と、前記n型ベース層上に前記n型ベース層の上面に平行な方向に沿って配列されたメインセル及びダミーセルと、前記メインセルと前記ダミーセルとの間に設けられたトレンチゲート電極と、を備え、前記メインセルは、p型ベース層と、前記p型ベース層の上層部分の一部に形成され、前記エミッタ電極に接続されたn型エミッタ層と、を有し、前記ダミーセルは、p型ダミー層と、n型ダミー層と、を有することを特徴とする電力用半導体装置が提供される。   According to one aspect of the present invention, a collector electrode, an emitter electrode, a p-type collector layer connected to the collector electrode, an n-type base layer provided on the p-type collector layer, and the n-type base A main cell and a dummy cell arranged on a layer along a direction parallel to an upper surface of the n-type base layer, and a trench gate electrode provided between the main cell and the dummy cell. Comprises a p-type base layer and an n-type emitter layer formed in a part of an upper layer portion of the p-type base layer and connected to the emitter electrode, and the dummy cell includes a p-type dummy layer, There is provided a power semiconductor device comprising an n-type dummy layer.

本発明によれば、オン電圧が低い電力用半導体装置を実現することができる。   According to the present invention, a power semiconductor device having a low on-voltage can be realized.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
先ず、本発明の第1の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る電力用半導体装置の半導体部分を例示する斜視図であり、
図2は、本実施形態に係る電力用半導体装置を例示する断面図であり、
図3は、本実施形態に係る電力用半導体装置を例示する上面図であり、
図4は、図3に示すA−A’線による断面図であり、
図5は、図3に示すB−B’線による断面図である。
本実施形態に係る電力用半導体装置は、IEGTである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, a first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a perspective view illustrating a semiconductor portion of the power semiconductor device according to this embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the power semiconductor device according to this embodiment.
FIG. 3 is a top view illustrating the power semiconductor device according to this embodiment.
4 is a cross-sectional view taken along line AA ′ shown in FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line BB ′ shown in FIG.
The power semiconductor device according to the present embodiment is IEGT.

図1〜図5に示すように、本実施形態に係る電力用半導体装置1においては、金属又は合金からなるコレクタ電極11が設けられており、コレクタ電極11上には、半導体部分12が設けられている。換言すれば、コレクタ電極11は、半導体部分12の下面上の全面に形成されている。半導体部分12は、半導体材料、例えば、シリコンにより形成されており、アクセプタ及びドナーがそれぞれ局所的に導入されることにより、以下に説明するように、導電型がp型のp型層と導電型がn型のn型層とが3次元的に配置されている。   As shown in FIGS. 1 to 5, in the power semiconductor device 1 according to the present embodiment, a collector electrode 11 made of a metal or an alloy is provided, and a semiconductor portion 12 is provided on the collector electrode 11. ing. In other words, the collector electrode 11 is formed on the entire lower surface of the semiconductor portion 12. The semiconductor portion 12 is made of a semiconductor material, for example, silicon, and acceptors and donors are locally introduced, so that a p-type layer having a p-type conductivity and a conductive type will be described below. The n-type n-type layer is three-dimensionally arranged.

半導体部分12の最下層部分、すなわち、コレクタ電極11に接する部分には、p型コレクタ層13が設けられている。これにより、p型コレクタ層13はコレクタ電極11に接続されている。半導体部分12におけるp型コレクタ層13上の部分には、n型バッファー層14が設けられており、その上には、n型ベース層15が設けられている。n型ベース層15のドナー濃度は、n型バッファー層14のドナー濃度よりも低い。   A p-type collector layer 13 is provided in the lowermost layer portion of the semiconductor portion 12, that is, the portion in contact with the collector electrode 11. Thereby, the p-type collector layer 13 is connected to the collector electrode 11. An n-type buffer layer 14 is provided on a portion of the semiconductor portion 12 on the p-type collector layer 13, and an n-type base layer 15 is provided thereon. The donor concentration of the n-type base layer 15 is lower than the donor concentration of the n-type buffer layer 14.

一方、半導体部分12の上層部分には、半導体部分12の上面側から複数本の溝状のトレンチ16が相互に平行に形成されている。トレンチ16の下端はn型ベース層15に到達している。トレンチ16間の領域の幅は一定ではなく、相対的に狭い領域と相対的に広い領域とが交互に配列されている。各トレンチ16の内面上には、例えばシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜17が形成されており、各トレンチ16の内部には、例えばポリシリコンからなるトレンチゲート電極18が埋設されている。これにより、トレンチゲート電極18は、ゲート絶縁膜17によって半導体部分12から絶縁されている。また、トレンチゲート電極18は、電力用半導体装置1の図示しない領域でゲート電極(図示せず)に接続されている。   On the other hand, in the upper layer portion of the semiconductor portion 12, a plurality of groove-like trenches 16 are formed in parallel to each other from the upper surface side of the semiconductor portion 12. The lower end of the trench 16 reaches the n-type base layer 15. The width of the region between the trenches 16 is not constant, and relatively narrow regions and relatively wide regions are alternately arranged. A gate insulating film 17 made of, for example, a silicon oxide film is formed on the inner surface of each trench 16, and a trench gate electrode 18 made of, for example, polysilicon is embedded in each trench 16. Thereby, the trench gate electrode 18 is insulated from the semiconductor portion 12 by the gate insulating film 17. The trench gate electrode 18 is connected to a gate electrode (not shown) in a region (not shown) of the power semiconductor device 1.

そして、半導体部分12におけるトレンチ16間の領域のうち、相対的に狭い領域はメインセル21となっており、相対的に広い領域はダミーセル22となっている。すなわち、メインセル21及びダミーセル22の形状はそれぞれストライプ状であり、n型ベース層15上においてn型ベース層15の上面に平行な方向に沿って交互に配列されており、トレンチゲート電極18はメインセル21とダミーセル22との間に設けられている。例えば、ダミーセル22の幅は、メインセル21の幅の2〜5倍程度である。   Of the regions between the trenches 16 in the semiconductor portion 12, the relatively narrow region is the main cell 21, and the relatively wide region is the dummy cell 22. That is, the shapes of the main cell 21 and the dummy cell 22 are each a stripe shape, and are alternately arranged on the n-type base layer 15 along a direction parallel to the upper surface of the n-type base layer 15. It is provided between the main cell 21 and the dummy cell 22. For example, the width of the dummy cell 22 is about 2 to 5 times the width of the main cell 21.

メインセル21においては、p型ベース層23が設けられている。p型ベース層23はn型ベース層15に接しており、本実施形態においては、p型ベース層23とn型ベース層15との界面はトレンチ16の下端と略同じ高さに位置している。また、p型ベース層23の上層部分には、トレンチ16が延びる方向に沿って複数のn型エミッタ層24が断続的に形成されている。すなわち、メインセル21の上面においては、トレンチ16が延びる方向に沿って、p型ベース層23とn型エミッタ層24とが交互に配列されている。そして、例えば、この配列方向におけるp型ベース層23の長さは、n型エミッタ層24の長さよりも長い。   In the main cell 21, a p-type base layer 23 is provided. The p-type base layer 23 is in contact with the n-type base layer 15, and in this embodiment, the interface between the p-type base layer 23 and the n-type base layer 15 is located at substantially the same height as the lower end of the trench 16. Yes. A plurality of n-type emitter layers 24 are intermittently formed in the upper layer portion of the p-type base layer 23 along the direction in which the trench 16 extends. That is, on the upper surface of the main cell 21, the p-type base layer 23 and the n-type emitter layer 24 are alternately arranged along the direction in which the trench 16 extends. For example, the length of the p-type base layer 23 in this arrangement direction is longer than the length of the n-type emitter layer 24.

一方、ダミーセル22においては、トレンチ16が延びる方向に沿って、p型ダミー層26とn型ダミー層27とが交互に配列されている。すなわち、p型ダミー層26及びn型ダミー層27はそれぞれ、ダミーセル22を幅方向に横断しており、ダミーセル22の両側に配置された2つのゲート絶縁膜17の双方に接している。また、p型ダミー層26とn型ダミー層27との界面はトレンチ16の下端と略同じ高さに位置している。p型ダミー層26とn型ダミー層27とは相互に接しており、且つ、いずれもn型ベース層15に接している。すなわち、n型ダミー層27は、n型ベース層15及びp型ダミー層26の双方に接している。   On the other hand, in the dummy cell 22, p-type dummy layers 26 and n-type dummy layers 27 are alternately arranged along the direction in which the trench 16 extends. That is, each of the p-type dummy layer 26 and the n-type dummy layer 27 crosses the dummy cell 22 in the width direction, and is in contact with both of the two gate insulating films 17 disposed on both sides of the dummy cell 22. Further, the interface between the p-type dummy layer 26 and the n-type dummy layer 27 is located at substantially the same height as the lower end of the trench 16. The p-type dummy layer 26 and the n-type dummy layer 27 are in contact with each other, and both are in contact with the n-type base layer 15. That is, the n-type dummy layer 27 is in contact with both the n-type base layer 15 and the p-type dummy layer 26.

そして、後述するように、メインセル21は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)として機能する。このため、メインセル21におけるp型ベース層23及びn型エミッタ層24の不純物濃度及び配列周期は、このMOSFETに要求される性能に応じて決定される。一方、ダミーセル22におけるp型ダミー層26及びn型ダミー層27の不純物濃度は、空乏層が十分に広がることができる濃度とされている。また、p型ダミー層26及びn型ダミー層27の長さは、これらの不純物濃度に応じて決定される。例えば、各p型ダミー層26に含まれるアクセプタ量と、各n型ダミー層27に含まれるドナー量とが、相互に等しくなるように決定される。   As will be described later, the main cell 21 functions as a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Therefore, the impurity concentration and arrangement period of the p-type base layer 23 and the n-type emitter layer 24 in the main cell 21 are determined according to the performance required for this MOSFET. On the other hand, the impurity concentration of the p-type dummy layer 26 and the n-type dummy layer 27 in the dummy cell 22 is set to such a concentration that the depletion layer can sufficiently spread. Further, the lengths of the p-type dummy layer 26 and the n-type dummy layer 27 are determined in accordance with these impurity concentrations. For example, the acceptor amount included in each p-type dummy layer 26 and the donor amount included in each n-type dummy layer 27 are determined to be equal to each other.

このように、メインセル21におけるp型ベース層23及びn型エミッタ層24の不純物濃度及び配列周期と、ダミーセル22におけるp型ダミー層26及びn型ダミー層27の不純物濃度及び配列周期とは、相互に異なる思想に基づいて決定されるため、一般的には、両者は一致しない。例えば、メインセル21におけるp型ベース層23及びn型エミッタ層24の不純物濃度は、ダミーセル22におけるp型ダミー層26及びn型ダミー層27の不純物濃度よりも高く、p型ベース層23及びn型エミッタ層24の配列周期は、p型ダミー層26及びn型ダミー層27の配列周期よりも短い。   Thus, the impurity concentration and arrangement period of the p-type base layer 23 and the n-type emitter layer 24 in the main cell 21 and the impurity concentration and arrangement period of the p-type dummy layer 26 and the n-type dummy layer 27 in the dummy cell 22 are: Since they are determined based on mutually different ideas, in general, the two do not match. For example, the impurity concentration of the p-type base layer 23 and the n-type emitter layer 24 in the main cell 21 is higher than the impurity concentration of the p-type dummy layer 26 and the n-type dummy layer 27 in the dummy cell 22. The arrangement period of the type emitter layer 24 is shorter than the arrangement period of the p-type dummy layer 26 and the n-type dummy layer 27.

なお、p型ダミー層26及びn型ダミー層27は、半導体部分12の上面における所定の領域にそれぞれアクセプタ及びドナーを注入することにより形成してもよいが、n型ベース層15を半導体部分12の上面まで形成しておき、その一部にアクセプタを注入することによりp型ダミー層26を形成し、アクセプタを注入しなかったp型ダミー層26間の領域をn型ダミー層27としてもよい。   The p-type dummy layer 26 and the n-type dummy layer 27 may be formed by implanting an acceptor and a donor into predetermined regions on the upper surface of the semiconductor portion 12, respectively. The p-type dummy layer 26 may be formed by implanting an acceptor into a part of the upper surface, and the region between the p-type dummy layers 26 where no acceptor is implanted may be used as the n-type dummy layer 27. .

また、半導体部分12上には、絶縁膜28が設けられており、絶縁膜28上にはエミッタ電極29が設けられている。絶縁膜28におけるメインセル21の直上域には、メインセル21が延びる方向に延びる溝状の開口部28aが形成されており、エミッタ電極29は、開口部28aを介してp型ベース層23及びn型エミッタ層24に接続されている。一方、p型ダミー層26及びn型ダミー層27は、絶縁膜28によってエミッタ電極29から絶縁されている。   In addition, an insulating film 28 is provided on the semiconductor portion 12, and an emitter electrode 29 is provided on the insulating film 28. In the insulating film 28, a groove-like opening 28a extending in the direction in which the main cell 21 extends is formed immediately above the main cell 21. The emitter electrode 29 is connected to the p-type base layer 23 and the via via the opening 28a. The n-type emitter layer 24 is connected. On the other hand, the p-type dummy layer 26 and the n-type dummy layer 27 are insulated from the emitter electrode 29 by the insulating film 28.

次に、上述の如く構成された本実施形態に係る電力用半導体装置1の動作について説明する。
図6は、本実施形態に係る電力用半導体装置の動作を例示する断面図である。
なお、図6においては、電子の流れeを矢印付きの実線で模式的に示し、正孔の流れhを矢印付きの破線で模式的に示している。
Next, the operation of the power semiconductor device 1 according to this embodiment configured as described above will be described.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the operation of the power semiconductor device according to this embodiment.
In FIG. 6, the electron flow e is schematically shown by a solid line with an arrow, and the hole flow h is schematically shown by a broken line with an arrow.

図6に示すように、エミッタ電極29に例えば接地電位を印加し、コレクタ電極11に接地電位よりも高い電位を印加した状態で、トレンチゲート電極18に接地電位よりも高い電位を印加すると、p型ベース層23におけるゲート絶縁膜17に接する領域に反転層(図示せず)が形成される。これにより、メインセル21に形成されたMOSFETがオン状態となり、n型エミッタ層24からこの反転層を介してn型ベース層15に電子が流れる。そして、これと共に、p型コレクタ層13からn型バッファー層14を介してn型ベース層15に正孔が流れる。この結果、コレクタ電極11とエミッタ電極29との間でバイポーラ電流が流れる。   As shown in FIG. 6, for example, when a ground potential is applied to the emitter electrode 29 and a potential higher than the ground potential is applied to the collector electrode 11, a potential higher than the ground potential is applied to the trench gate electrode 18. An inversion layer (not shown) is formed in a region of the mold base layer 23 in contact with the gate insulating film 17. As a result, the MOSFET formed in the main cell 21 is turned on, and electrons flow from the n-type emitter layer 24 to the n-type base layer 15 through the inversion layer. Along with this, holes flow from the p-type collector layer 13 to the n-type base layer 15 via the n-type buffer layer 14. As a result, a bipolar current flows between the collector electrode 11 and the emitter electrode 29.

このとき、エミッタ電極29はメインセル21のみに接続されており、ダミーセル22には接続されていないため、図6に破線hで示すように、n型ベース層15内の正孔は、ダミーセル22を介しては半導体部分12の外部に排出されず、メインセル21を介してのみ半導体部分12の外部に排出される。このように、電力用半導体装置1においては、導電に寄与するメインセル21が間引かれており、メインセル21間には導電に寄与しないダミーセル22が設けられているため、正孔に対する障壁が形成され、正孔のp型ベース層23への流れ込み量が少なくなっている。これにより、相対的にn型エミッタ層24を介した電子の注入量が多くなり、n型ベース層15におけるp型ベース層23側の部分のキャリア濃度が高くなる。この結果、オン抵抗が低くなり、オン電圧が低くなる。   At this time, since the emitter electrode 29 is connected only to the main cell 21 and not to the dummy cell 22, holes in the n-type base layer 15 are connected to the dummy cell 22 as shown by a broken line h in FIG. Is not discharged to the outside of the semiconductor portion 12 via the main body 21 but is discharged to the outside of the semiconductor portion 12 only via the main cell 21. As described above, in the power semiconductor device 1, the main cells 21 that contribute to conduction are thinned out, and the dummy cells 22 that do not contribute to conduction are provided between the main cells 21. Thus, the amount of holes flowing into the p-type base layer 23 is reduced. Thereby, the amount of electrons injected through the n-type emitter layer 24 is relatively increased, and the carrier concentration of the n-type base layer 15 on the p-type base layer 23 side is increased. As a result, the on-resistance is lowered and the on-voltage is lowered.

また、電力用半導体装置1においては、ダミーセル22にn型ダミー層27が設けられているため、n型エミッタ層24からp型ベース層23を介してn型ベース層15内に導入された電子が、n型ダミー層27内を伝導してダミーセル22の幅方向中央部に向けて広がる。このため、電力用半導体装置1においては、メインセル21及びダミーセル22の配列方向における電子の広がり抵抗が低い。これにより、n型ベース層15におけるダミーセル22の中央部の直下域に、電子が到達しにくいデッドスペースが形成されることがなく、n型ベース層15の全体を伝導領域として有効に利用することができる。この結果、オン抵抗が低くなる。   In the power semiconductor device 1, since the n-type dummy layer 27 is provided in the dummy cell 22, electrons introduced from the n-type emitter layer 24 into the n-type base layer 15 through the p-type base layer 23. However, it conducts in the n-type dummy layer 27 and spreads toward the center in the width direction of the dummy cell 22. For this reason, in the power semiconductor device 1, the spreading resistance of electrons in the arrangement direction of the main cell 21 and the dummy cell 22 is low. As a result, a dead space in which electrons do not easily reach is not formed immediately below the central portion of the dummy cell 22 in the n-type base layer 15, and the entire n-type base layer 15 is effectively used as a conductive region. Can do. As a result, the on-resistance is lowered.

一方、トレンチゲート電極18に接地電位が印加されると、p型ベース層23から反転層が消失して、メインセル21に形成されたMOSFETがオフ状態となる。これにより、コレクタ電極11とエミッタ電極29との間の電圧が上昇し、n型ダミー層27には、コレクタ電極11からp型コレクタ層13、n型バッファー層14及びn型ベース層15を介して正電位が伝わる。一方、p型ダミー層26は、ゲート絶縁膜17を介してトレンチゲート電極18とカップリングしているため、トレンチゲート電極18に印加された接地電位に対して、それほど大幅には電位が上昇しない。   On the other hand, when a ground potential is applied to the trench gate electrode 18, the inversion layer disappears from the p-type base layer 23, and the MOSFET formed in the main cell 21 is turned off. As a result, the voltage between the collector electrode 11 and the emitter electrode 29 rises, and the n-type dummy layer 27 passes from the collector electrode 11 through the p-type collector layer 13, the n-type buffer layer 14, and the n-type base layer 15. Positive potential is transmitted. On the other hand, since the p-type dummy layer 26 is coupled to the trench gate electrode 18 via the gate insulating film 17, the potential does not increase so much with respect to the ground potential applied to the trench gate electrode 18. .

この結果、n型ベース層15及びn型ダミー層27とp型ダミー層26との間の関係では、n型ベース層15及びn型ダミー層27に相対的に正の電位が印加され、p型ダミー層26に相対的に負の電位が印加される。これにより、n型ベース層15及びn型ダミー層27とp型ダミー層26とのpn接合面には逆バイアスが印加され、このpn接合面からn型ベース層15、n型ダミー層27及びp型ダミー層26の内部に向けて空乏層が広がる。この結果、電力用半導体装置1の耐圧が向上する。   As a result, in the relationship between the n-type base layer 15 and the n-type dummy layer 27 and the p-type dummy layer 26, a relatively positive potential is applied to the n-type base layer 15 and the n-type dummy layer 27, and p A relatively negative potential is applied to the mold dummy layer 26. As a result, a reverse bias is applied to the pn junction surface between the n-type base layer 15 and the n-type dummy layer 27 and the p-type dummy layer 26, and the n-type base layer 15, the n-type dummy layer 27, and A depletion layer extends toward the inside of the p-type dummy layer 26. As a result, the breakdown voltage of the power semiconductor device 1 is improved.

次に、本実施形態の効果について説明する。
上述の如く、本実施形態によれば、ダミーセル22内にn型ダミー層27が設けられているため、電子がn型ダミー層27内を伝導することができ、メインセル21及びダミーセル22の配列方向における電子の広がり抵抗が低く、オン抵抗が低い。
Next, the effect of this embodiment will be described.
As described above, according to the present embodiment, since the n-type dummy layer 27 is provided in the dummy cell 22, electrons can be conducted in the n-type dummy layer 27, and the arrangement of the main cell 21 and the dummy cell 22. The spreading resistance of electrons in the direction is low, and the on-resistance is low.

また、本実施形態においては、トレンチゲート電極18の形状がストライプ状であり、p型ダミー層26及びn型ダミー層27は、トレンチゲート電極18が延びる方向に沿って交互に配列されている。これにより、n型ダミー層27は、ダミーセル22を幅方向に横断しているため、電子をメインセル21及びダミーセル22の配列方向に伝導する効果が高い。また、メインセル21及びダミーセル22の配列方向と、p型ダミー層26及びn型ダミー層27の配列方向並びにn型エミッタ層24の配列方向とが相互に直交しているため、それぞれの配列周期について微細化が容易である。   In this embodiment, the shape of the trench gate electrode 18 is a stripe shape, and the p-type dummy layer 26 and the n-type dummy layer 27 are alternately arranged along the direction in which the trench gate electrode 18 extends. Thereby, since the n-type dummy layer 27 crosses the dummy cell 22 in the width direction, the effect of conducting electrons in the arrangement direction of the main cell 21 and the dummy cell 22 is high. Further, since the arrangement direction of the main cell 21 and the dummy cell 22, the arrangement direction of the p-type dummy layer 26 and the n-type dummy layer 27, and the arrangement direction of the n-type emitter layer 24 are orthogonal to each other, Is easy to refine.

更に、n型ダミー層27はn型ベース層15及びp型ダミー層26の双方に接しているため、上述の電子を伝導する効果が高い。   Furthermore, since the n-type dummy layer 27 is in contact with both the n-type base layer 15 and the p-type dummy layer 26, the above-described effect of conducting electrons is high.

このように、本実施形態によれば、ダミーセル22内にn型ダミー層27を設けることにより、オン電圧を低減させることができる。これにより、ダミーセルの割合を増やすことができ、電子注入促進効果をより一層増大させ、電子電流を更に増加させることが可能となる。この結果、オン電圧がより一層低減する。   Thus, according to the present embodiment, the on-voltage can be reduced by providing the n-type dummy layer 27 in the dummy cell 22. Thereby, the proportion of dummy cells can be increased, the electron injection promoting effect can be further increased, and the electron current can be further increased. As a result, the ON voltage is further reduced.

次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
図7は、本実施形態に係る電力用半導体装置を例示する断面図である。
図7に示すように、本実施形態に係る電力用半導体装置2は、前述の第1の実施形態に係る電力用半導体装置1(図1参照)と比較して、トレンチ16がより深く形成されており、トレンチゲート電極18がより低い位置まで延出されている。また、ダミーセル22のp型ダミー層26及びn型ダミー層27(図1参照)も、トレンチゲート電極18の下端の位置まで深く形成されている。一方、メインセル21におけるp型ベース層23の深さは、前述の第1の実施形態と同様である。従って、p型ダミー層26及びn型ダミー層27の下面並びにトレンチゲート電極18の下端は、n型ベース層15とp型ベース層23との界面よりも下方に位置しており、p型コレクタ層13側から見て、p型ベース層23はトレンチゲート電極18よりも引っ込んだ位置にある。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第1の実施形態と同様である。
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a power semiconductor device according to this embodiment.
As shown in FIG. 7, in the power semiconductor device 2 according to the present embodiment, the trench 16 is formed deeper than the power semiconductor device 1 (see FIG. 1) according to the first embodiment described above. The trench gate electrode 18 extends to a lower position. Further, the p-type dummy layer 26 and the n-type dummy layer 27 (see FIG. 1) of the dummy cell 22 are also formed deeply to the position of the lower end of the trench gate electrode 18. On the other hand, the depth of the p-type base layer 23 in the main cell 21 is the same as that in the first embodiment. Therefore, the lower surfaces of the p-type dummy layer 26 and the n-type dummy layer 27 and the lower end of the trench gate electrode 18 are located below the interface between the n-type base layer 15 and the p-type base layer 23, and the p-type collector When viewed from the layer 13 side, the p-type base layer 23 is in a position recessed from the trench gate electrode 18. Other configurations in the present embodiment are the same as those in the first embodiment.

本実施形態によれば、トレンチゲート電極18がp型ベース層23よりも下方まで延出されているため、n型ベース層15の一部は、トレンチゲート電極18間の領域に位置する。この部分は、p型ベース層23に流入する正孔が必ず通過する部分であるが、電界があまりかからず、正孔をp型ベース層23に向けて移動させる力が弱い。このため、正孔の移動に対して障壁が形成され、電子注入促進効果がより一層増大する。本実施形態における上記以外の動作及び効果は、前述の第1の実施形態と同様である。   According to the present embodiment, since the trench gate electrode 18 extends below the p-type base layer 23, a part of the n-type base layer 15 is located in a region between the trench gate electrodes 18. This part is a part through which holes flowing into the p-type base layer 23 always pass, but an electric field is not so much applied, and the force to move the holes toward the p-type base layer 23 is weak. For this reason, a barrier is formed against the movement of holes, and the effect of promoting electron injection is further increased. Operations and effects other than those described above in the present embodiment are the same as those in the first embodiment described above.

次に、本発明の第3の実施形態について説明する。
図8は、本実施形態に係る電力用半導体装置を例示する断面図である。
図8に示すように、本実施形態に係る電力用半導体装置3は、前述の第1の実施形態に係る電力用半導体装置1(図1参照)と比較して、n型ベース層15とp型ベース層23との間に、n型キャリアストップ層31が設けられている点が異なっている。すなわち、n型キャリアストップ層31は、p型コレクタ層13とp型ベース層23との間に設けられており、p型コレクタ層13側から見て、p型ベース層23を覆うように設けられている。n型キャリアストップ層31のドナー濃度は、n型ベース層15のドナー濃度よりも高い。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第1の実施形態と同様である。
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a power semiconductor device according to this embodiment.
As shown in FIG. 8, the power semiconductor device 3 according to the present embodiment includes an n-type base layer 15 and a p-type semiconductor device 1 as compared with the power semiconductor device 1 according to the first embodiment described above (see FIG. 1). The difference is that an n-type carrier stop layer 31 is provided between the base layer 23 and the base layer 23. That is, the n-type carrier stop layer 31 is provided between the p-type collector layer 13 and the p-type base layer 23 and is provided so as to cover the p-type base layer 23 when viewed from the p-type collector layer 13 side. It has been. The donor concentration of the n-type carrier stop layer 31 is higher than the donor concentration of the n-type base layer 15. Other configurations in the present embodiment are the same as those in the first embodiment.

本実施形態によれば、ドナー濃度がn型ベース層15のドナー濃度よりも高いn型キャリアストップ層31が、p型コレクタ層13とp型ベース層23との間に設けられているため、正孔がp型ベース層23内に流入する際の障壁が形成され、電子注入促進効果がより一層増大する。本実施形態における上記以外の動作及び効果は、前述の第1の実施形態と同様である。   According to the present embodiment, the n-type carrier stop layer 31 having a donor concentration higher than the donor concentration of the n-type base layer 15 is provided between the p-type collector layer 13 and the p-type base layer 23. A barrier when holes flow into the p-type base layer 23 is formed, and the electron injection promoting effect is further increased. Operations and effects other than those described above in the present embodiment are the same as those in the first embodiment described above.

次に、本発明の第4の実施形態について説明する。
図9は、本実施形態に係る電力用半導体装置を例示する断面図である。
図9に示すように、本実施形態に係る電力用半導体装置4は、前述の第3の実施形態に係る電力用半導体装置3(図8参照)と比較して、n型キャリアストップ層31がn型ベース層15上の全面に設けられている点が異なっている。すなわち、p型コレクタ層13側から見て、n型キャリアストップ層31は、メインセル21及びダミーセル22の双方を覆っている。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第3の実施形態と同様である。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a power semiconductor device according to this embodiment.
As shown in FIG. 9, the power semiconductor device 4 according to the present embodiment has an n-type carrier stop layer 31 as compared with the power semiconductor device 3 according to the third embodiment described above (see FIG. 8). The difference is that it is provided on the entire surface of the n-type base layer 15. That is, when viewed from the p-type collector layer 13 side, the n-type carrier stop layer 31 covers both the main cell 21 and the dummy cell 22. Other configurations in the present embodiment are the same as those in the third embodiment described above.

本実施形態によれば、n型キャリアストップ層31は、正孔の障壁として機能すると共に、電子をメインセル21及びダミーセル22の配列方向に伝導する経路としても機能する。これにより、電子注入促進効果をより一層向上させると共に、電子の広がり抵抗を低減させ、オン電圧をより一層低減させることができる。本実施形態における上記以外の動作及び効果は、前述の第3の実施形態と同様である。   According to the present embodiment, the n-type carrier stop layer 31 functions as a hole barrier and also functions as a path for conducting electrons in the arrangement direction of the main cell 21 and the dummy cell 22. As a result, the electron injection promoting effect can be further improved, the electron spreading resistance can be reduced, and the on-voltage can be further reduced. Operations and effects other than those described above in the present embodiment are the same as those in the third embodiment described above.

次に、本発明の第5の実施形態について説明する。
図10は、本実施形態に係る電力用半導体装置を例示する断面図である。
図10に示すように、本実施形態は、前述の第2の実施形態と第3の実施形態とを組み合わせた例である。すなわち、本実施形態に係る電力用半導体装置5においては、トレンチゲート電極18の下端がn型ベース層15とp型ベース層23との界面よりも下方に位置しており、また、n型ベース層15とp型ベース層23との間にn型キャリアストップ層31が設けられている。これにより、電子注入促進効果をより一層向上させることができる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a power semiconductor device according to this embodiment.
As shown in FIG. 10, the present embodiment is an example in which the second embodiment and the third embodiment described above are combined. That is, in the power semiconductor device 5 according to the present embodiment, the lower end of the trench gate electrode 18 is located below the interface between the n-type base layer 15 and the p-type base layer 23, and the n-type base An n-type carrier stop layer 31 is provided between the layer 15 and the p-type base layer 23. Thereby, the electron injection promoting effect can be further improved. Other configurations, operations, and effects of the present embodiment are the same as those of the first embodiment.

次に、本発明の第6の実施形態について説明する。
図11は、本実施形態に係る電力用半導体装置を例示する断面図である。
図11に示すように、本実施形態は、前述の第2の実施形態と第4の実施形態とを組み合わせた例である。すなわち、本実施形態に係る電力用半導体装置6においては、トレンチゲート電極18の下端がn型ベース層15とp型ベース層23との界面よりも下方に位置している。また、トレンチゲート電極18の下端を結ぶ仮想的な平面に沿って、n型キャリアストップ層31が設けられている。n型キャリアストップ層31は、トレンチゲート電極18間の領域であってp型ベース層23の直下の領域にも進入している。すなわち、p型コレクタ層13側から見て、n型キャリアストップ層31は、メインセル21及びダミーセル22の双方を覆っている。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第1の実施形態と同様である。
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a power semiconductor device according to this embodiment.
As shown in FIG. 11, the present embodiment is an example in which the second embodiment and the fourth embodiment described above are combined. That is, in the power semiconductor device 6 according to this embodiment, the lower end of the trench gate electrode 18 is located below the interface between the n-type base layer 15 and the p-type base layer 23. An n-type carrier stop layer 31 is provided along a virtual plane connecting the lower ends of the trench gate electrodes 18. The n-type carrier stop layer 31 also enters a region between the trench gate electrodes 18 and immediately below the p-type base layer 23. That is, when viewed from the p-type collector layer 13 side, the n-type carrier stop layer 31 covers both the main cell 21 and the dummy cell 22. Other configurations in the present embodiment are the same as those in the first embodiment.

これにより、本実施形態によれば、電子注入促進効果がより一層向上すると共に、n型キャリアストップ層31を介してメインセル21及びダミーセル22の配列方向に電子が移動しやすくなるため、n型ベース層15の全体を導電領域として有効に利用することができ、オン電圧が低下する。本実施形態における上記以外の動作及び効果は、前述の第1の実施形態と同様である。   Thereby, according to the present embodiment, the electron injection promoting effect is further improved, and electrons are easily moved in the arrangement direction of the main cell 21 and the dummy cell 22 via the n-type carrier stop layer 31. The entire base layer 15 can be effectively used as a conductive region, and the on-voltage is reduced. Operations and effects other than those described above in the present embodiment are the same as those in the first embodiment described above.

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。   While the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited to these embodiments. For example, those in which those skilled in the art appropriately added, deleted, and changed the design of the above-described embodiments are also included in the scope of the present invention as long as they have the gist of the present invention.

例えば、メインセル21におけるn型エミッタ層24の配設位置は前述の例に限定されず、エミッタ電極29に接続され、p型ベース層23及びトレンチゲート電極18と共にトランジスタを構成するような位置に設けられていればよく、例えば、p型ベース層23の上層部分における両側部、すなわち、ゲート絶縁膜17に接する領域にストライプ状に設けられていてもよい。また、ダミーセル22におけるp型ダミー層26とn型ダミー層27との位置関係も前述の例に限定されない。更に、メインセル21とダミーセル22との間だけでなく、メインセル21の内部又はダミーセル22の内部にもトレンチゲート電極が設けられていてもよい。更にまた、n型キャリアストップ層31の形成位置も前述の例に限定されず、p型コレクタ層13とp型ベース層23との間のいずれかの位置に設けられていればよい。   For example, the arrangement position of the n-type emitter layer 24 in the main cell 21 is not limited to the above-described example, and is connected to the emitter electrode 29 and is configured to constitute a transistor together with the p-type base layer 23 and the trench gate electrode 18. It may be provided, for example, may be provided in stripes on both sides of the upper layer portion of the p-type base layer 23, that is, in a region in contact with the gate insulating film 17. Further, the positional relationship between the p-type dummy layer 26 and the n-type dummy layer 27 in the dummy cell 22 is not limited to the above example. Furthermore, a trench gate electrode may be provided not only between the main cell 21 and the dummy cell 22 but also inside the main cell 21 or inside the dummy cell 22. Furthermore, the formation position of the n-type carrier stop layer 31 is not limited to the above-described example, and may be provided at any position between the p-type collector layer 13 and the p-type base layer 23.

本発明の第1の実施形態に係る電力用半導体装置の半導体部分を例示する斜視図である。1 is a perspective view illustrating a semiconductor portion of a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 第1の実施形態に係る電力用半導体装置を例示する断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating a power semiconductor device according to a first embodiment. 第1の実施形態に係る電力用半導体装置の半導体部分を例示する上面図である。1 is a top view illustrating a semiconductor portion of a power semiconductor device according to a first embodiment. 図3に示すA−A’線による断面図である。It is sectional drawing by the A-A 'line shown in FIG. 図3に示すB−B’線による断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line B-B ′ shown in FIG. 3. 第1の実施形態に係る電力用半導体装置の動作を例示する断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating the operation of the power semiconductor device according to the first embodiment. 本発明の第2の実施形態に係る電力用半導体装置を例示する断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a power semiconductor device according to a second embodiment of the invention. 本発明の第3の実施形態に係る電力用半導体装置を例示する断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a power semiconductor device according to a third embodiment of the invention. 本発明の第4の実施形態に係る電力用半導体装置を例示する断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a power semiconductor device according to a fourth embodiment of the invention. 本発明の第5の実施形態に係る電力用半導体装置を例示する断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a power semiconductor device according to a fifth embodiment of the invention. 本発明の第6の実施形態に係る電力用半導体装置を例示する断面図である。It is sectional drawing which illustrates the power semiconductor device which concerns on the 6th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、2、3、4、5、6 電力用半導体装置、11 コレクタ電極、12 半導体部分、13 p型コレクタ層、14 n型バッファー層、15 n型ベース層、16 トレンチ、17 ゲート絶縁膜、18 トレンチゲート電極、21 メインセル、22 ダミーセル、23 p型ベース層、24 n型エミッタ層、26 p型ダミー層、27 n型ダミー層、28 絶縁膜、28a 開口部、29 エミッタ電極、31 n型キャリアストップ層、e 電子の流れ、h 正孔の流れ 1, 2, 3, 4, 5, 6 Power semiconductor device, 11 collector electrode, 12 semiconductor portion, 13 p-type collector layer, 14 n-type buffer layer, 15 n-type base layer, 16 trench, 17 gate insulating film, 18 trench gate electrode, 21 main cell, 22 dummy cell, 23 p-type base layer, 24 n-type emitter layer, 26 p-type dummy layer, 27 n-type dummy layer, 28 insulating film, 28a opening, 29 emitter electrode, 31 n Type carrier stop layer, e electron flow, h hole flow

Claims (5)

コレクタ電極と、
エミッタ電極と、
前記コレクタ電極に接続されたp型コレクタ層と、
前記p型コレクタ層上に設けられたn型ベース層と、
前記n型ベース層上に前記n型ベース層の上面に平行な方向に沿って配列されたメインセル及びダミーセルと、
前記メインセルと前記ダミーセルとの間に設けられたトレンチゲート電極と、
を備え、
前記メインセルは、
p型ベース層と、
前記p型ベース層の上層部分の一部に形成され、前記エミッタ電極に接続されたn型エミッタ層と、
を有し、
前記ダミーセルは、
p型ダミー層と、
n型ダミー層と、
を有することを特徴とする電力用半導体装置。
A collector electrode;
An emitter electrode;
A p-type collector layer connected to the collector electrode;
An n-type base layer provided on the p-type collector layer;
A main cell and a dummy cell arranged on the n-type base layer along a direction parallel to an upper surface of the n-type base layer;
A trench gate electrode provided between the main cell and the dummy cell;
With
The main cell is
a p-type base layer;
An n-type emitter layer formed in a part of an upper layer portion of the p-type base layer and connected to the emitter electrode;
Have
The dummy cell is
a p-type dummy layer;
an n-type dummy layer;
A power semiconductor device comprising:
前記n型ダミー層は、前記n型ベース層及び前記p型ダミー層の双方に接していることを特徴とする請求項1記載の電力用半導体装置。   The power semiconductor device according to claim 1, wherein the n-type dummy layer is in contact with both the n-type base layer and the p-type dummy layer. 前記トレンチゲート電極の形状はストライプ状であり、
前記p型ダミー層及び前記n型ダミー層は、前記トレンチゲート電極が延びる方向に沿って交互に配列されていることを特徴とする請求項1または2に記載の電力用半導体装置。
The trench gate electrode has a stripe shape,
3. The power semiconductor device according to claim 1, wherein the p-type dummy layer and the n-type dummy layer are alternately arranged along a direction in which the trench gate electrode extends.
前記トレンチゲート電極の下端は、前記n型ベース層と前記p型ベース層との界面よりも下方に位置していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の電力用半導体装置。   The lower end of the trench gate electrode is located below the interface between the n-type base layer and the p-type base layer. Semiconductor device. 前記p型コレクタ層と前記p型ベース層との間に設けられ、ドナー濃度が前記n型ベース層のドナー濃度よりも高いn型キャリアストップ層をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の電力用半導体装置。   The n-type carrier stop layer further provided between the p-type collector layer and the p-type base layer and having a donor concentration higher than that of the n-type base layer. 5. The power semiconductor device according to claim 4.
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