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JP3074736B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP3074736B2
JP3074736B2 JP02408533A JP40853390A JP3074736B2 JP 3074736 B2 JP3074736 B2 JP 3074736B2 JP 02408533 A JP02408533 A JP 02408533A JP 40853390 A JP40853390 A JP 40853390A JP 3074736 B2 JP3074736 B2 JP 3074736B2
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JP
Japan
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layer
diode
transistor
backflow prevention
emitter
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寿夫 重兼
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D84/00—Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
    • H10D84/60—Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers characterised by the integration of at least one component covered by groups H10D10/00 or H10D18/00, e.g. integration of BJTs
    • H10D84/611—Combinations of BJTs and one or more of diodes, resistors or capacitors
    • H10D84/613—Combinations of vertical BJTs and one or more of diodes, resistors or capacitors
    • H10W90/00—
    • H10W72/5473—

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  • Bipolar Integrated Circuits (AREA)
  • Bipolar Transistors (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高速スイッチング電力
用半導体素子として用いられるパワートランジスタある
いは絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）
のようなトランジスタに別の機能を付設した半導体装置
に関する。
【０００２】
【従来の技術】パワートランジスタやＩＧＢＴのような
トランジスタを用いて回路を構成する場合、エミッタ・
コレクタ間をバイパスするダイオードを接続することは
よく知られている。例えば図２に示すモータ２１の速度
を順変換器２２とトランジスタインバータ２３を用いて
制御するような誘導性負荷回路において、図３に示すよ
うにトランジスタ１にフリーホイリングダイオード（Ｆ
ＷＤ）として高速ダイオード２が接続され、エミッタ１
１からコレクタ１２に至る電流の径路を形成している。
【０００３】一方、コレクタ側に発生する各種サージ電
圧からトランジスタ１を保護するためには、ＦＷＤは図
４の等価回路で示されるように、ツエナダイオードある
いはアバランシェダイオードのような定電圧ダイオード
３の機能を有することが求められる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】定電圧ダイオード３と
して用いられるツエナダイオードとしては、図５に示す
ような断面構造をもつリーチスルー型ツエナダイオード
が知られている。すなわち、Ｎ+ 層３２上に積層された
Ｎ- 層３１にＰ+ 層３３を形成し、Ｐ+ 層３３に酸化膜
３４の開口部で接触するアノード電極３５、Ｎ+ 層３２
に接触するカソード電極３６を備えたものである。この
ツエナダイオードのツエナ電圧はＮ- 層３１の比抵抗と
幅Ｗｉで決まる。しかし、このようなツエナダイオード
は、ｔrrが長いため、図３に示す高速ダイオード２とし
ては役立たない。ｔrrを短くするためにライフタイムキ
ラーを用いてＮ- 層３１のライフタイムを制御しようと
するとツエナ電圧が安定化しない。
【０００５】本発明の目的は、このような問題を解決
し、トランジスタに、高速でスイッチングできるエミッ
タ・コレクタ間バイパス機能とコレクタに加わる異常電
圧に対する保護機能の双方を付設した半導体装置を提供
することにある。
【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、本発明の半導体装置は、逆流防止ダイオードが逆
直列接続された定電圧ダイオードと高速ダイオードと
が、トランジスタのコレクタ・エミッタ間に、該トラン
ジスタのベース・エミッタ接合に対してそれぞれ逆並列
接続された半導体装置であって、前記トランジスタが半
導体素体の低不純物濃度の第一導電型の第一層、その第
一層の一面側の表面層内に選択的に形成された第二導電
型の第二層およびその第二層の表面層内に選択的に形成
された第一導電型の第三層および第一層の他面側の高不
純物濃度の第一導電型の第四層からなり、前記高速ダイ
オードが第一層の中のライフタイム制御された領域およ
びその領域上の一面側に形成された第二導電型の第五層
と他面側に形成された第四層からなり、前記定電圧ダイ
オードが第一層およびその一面側の表面層内に選択的に
形成された第二導電型の第六層からなり、前記逆流防止
ダイオードが第一層およびその他面側に接触するショッ
トキーバリア金属層よりなることが有効である。
【０００７】
【作用】トランジスタに逆並列接続されるＦＷＤの高速
ダイオードと定電圧ダイオードを別個に並列接続するこ
とにより、ＦＷＤの高速スイッチング特性と定電圧ダイ
オードの安定した定電圧特性を両立させることができ
る。そして定電圧ダイオードに逆直列接続される逆流防
止ダイオードは、定電圧ダイオードに逆電圧は印加され
るようにするが順電流が流れるのを防止する。さらに１
チップ化することで回路構成が簡素化できる。
【０００８】
【実施例】図１は本発明の実施例の等価回路を示し、図
３，図４と共通の部分には同一の符号が付されている。
この回路ではトランジスタ１のエミッタ１１とコレクタ
１２の間に高速ダイオード２と別に定電圧ダイオード３
が逆直列接続の逆流防止ダイオード４と共に逆並列接続
されている。図６はこの回路を実現したモジュールであ
る。図において５１はトランジスタ、５２は高速ダイオ
ードの個別チップであり、５３は定電圧ダイオードと逆
流防止ダイオードとの逆直列接続を一体化した部材であ
る。高速ダイオード５２と一体化部材５３の下部端子は
トランジスタ５１のコレクタの接続されるコレクタ電極
板５４に固着され、上部端子はトランジスタ５１のエミ
ッタと共に導線５５でエミッタ電極板５６に接続されて
いる。そしてコレクタ電極板５４とエミッタ電極板５６
は下面に冷却板５８が取付けられる絶縁板５７に固着さ
れている。
【０００９】図７，図８，図９は定電圧ダイオード３と
逆流防止ダイオード４の逆直列接続部材５３の実施例を
示す。図７においてはＮ層３１とＰ層３３からなるツエ
ナダイオードチップ５９とＮ層６１，Ｐ層６２からなる
ダイオードチップ６０がはんだ６３によって順方向が逆
向きになるようにろう付けされている。なお、ダイオー
ドチップ６０も逆回復時間の短いファストリカバリーダ
イオード（ＦＲＤ）として形成されることが望ましい。
【００１０】図８に示す実施例においては、図１の定電
圧ダイオード３と逆流防止ダイオード４が１チップに集
積されている。図（ａ）に示すように定電圧ダイオード
は、Ｎ- 層３１と選択拡散によるＰ+ 層３３との間のＰ
Ｎ接合によって形成され、逆流防止ダイオードはＮ- 層
３１とその上に接触するＣｒあるいはＡｌなどの金属層
３７とからなるショットキーバリアによって形成されて
いる。逆流防止ダイオード４の耐圧は定電圧ダイオード
３の順方向電圧降下分だけあればよいから、ショットキ
ーバリアダイオードの耐圧で十分である。このチップの
等価回路は図（ｂ）の通りで、Ｐ+ 層３３に酸化膜３４
の開口部で接触するアノード電極３５によって図１にお
けるトランジスタ１のエミッタ１１と、ショットキーバ
リア電極３７によってトランジスタ１のコレクタ１２と
接続される。
【００１１】図９に示す実施例では、図８と同様にＰＮ
接合を有する定電圧ダイオードとショットキー接合を有
する逆流防止ダイオードが１チップに複合されている
が、図（ａ）に示すようにＰ- 層３８を基材にしている
ため、順方向が逆になる。すなわち、等価回路は図
（ｂ）のようになり、Ｎ+ 層３２に接触するカソード電
極３６が図１におけるトランジスタ１のコレクタ１２
に、また半導体から金属に向かって順方向となるショッ
トキーバリアを形成する金属層３９がトランジスタ１の
エミッタ１１に接続される。なお、定電圧ダイオード３
のツエナ電圧が５００Ｖ以上を要するときは、この実施
例の構造は不適で、図８に示すようにＮ- 層３１を基材
にすることが望ましい。
【００１２】図１０に示す実施例においては、図１にお
けるトランジスタ１，高速ダイオード（ＦＲＤ）２，定
電圧ダイオード３および逆流防止ダイオード４を１チッ
プに集積したものである。図に示すように、Ｎ- シリコ
ン基板４０を用い、酸化膜マスクを用いた１回の選択拡
散によりＰ+ 層４１，Ｐ+ 層４２，Ｐ+ 層４３が形成さ
れている。Ｐ+ 層４１はトランジスタ１のベース層であ
り、その中に形成されるＮ+ 層４４をエミッタ層とし、
Ｎ- 層４０をコレクタとしてトランジスタ１が構成され
る。Ｐ+ 層はＦＲＤ２のアノード側層であり、それとＰ
Ｎ接合をつくるＮ- 層４０の部分には、例えば選択的塗
布拡散により金などのライフタイムキラー４５が導入さ
れ、キャリアの再結合を促進してダイオード２の高速化
が図られている。Ｐ+ 層４３の一部には不純物の再拡散
により深いＰ+ 層３３が形成されている。これによって
生ずるＰ+ 層３３とＮ- 層４０との間のＰＮ接合により
定電圧ダイオード３が形成され、Ｎ- 層４０とその下面
に接触する金属層３７により逆流防止ダイオード４とな
るショットキーダイオードが形成されるので、図８
（ａ）と同様の構成ができ上がる。この場合、Ｐ+ 層３
３はＰ+ 層４３と同一面積でもよい。金属層３７はＮ+
層４６を介してトランジスタ部１，高速ダイオード部２
のＮ- 層４０にも接触し、トランジスタ１のコレクタ電
極、高速ダイオードのカソード電極の役目を兼ねる。そ
のほかＰ＋ 層４１にはトランジスタ１のベース電極４
７、Ｎ+ 層４４にはエミッタ電極４８、Ｐ+ 層４２には
高速ダイオード２のアノード電極４９、Ｐ+ 層４３には
定電圧ダイオード３のアノード電極３５が接触し、電極
４８，４９，３５が相互に接続されることにより図１に
示す等価回路が構成される。この構造で、Ｐ+ 層３３と
ショットキーバリア電極３７の間のＮ- 層４０の幅Ｗｉ
は、例えば定電圧ダイオード３のツエナ電圧を４００Ｖ
にするときには３５μｍ程度にされる。一方、Ｐ+ 層４
１，Ｐ+ 層４２の下に残るＮ- 層４０の幅は６０μｍ程
度である。なお、図１０におけるトランジスタ１は通常
のバイポーラトランジスタであるが、エミッタ層４４の
表面部にＰ+ ソース層を形成し表面上にＭＯＳ構造を設
ければ、ＩＧＢＴとすることもできる。また、いずれの
場合も導電型を逆にすることが可能なことはもちろんで
ある。
【００１３】
【発明の効果】本発明によれば、トランジスタのバイパ
ス機能をもつＦＷＤに過電圧保護のための定電圧ダイオ
ードとしての機能を兼ねさせないで、定電圧ダイオード
を逆流防止ダイオードと直列に接続して別個にトランジ
スタに逆並列接続することにより、ＦＷＤの高速スイッ
チング性と定電圧ダイオードの安定した定電圧特性を容
易に両立させることができるようになった。そして、少
なくとも定電圧ダイオードと逆流防止ダイオードを一体
化することにより、特に逆流防止ダイオードをショット
キーダイオードとすることにより定電圧ダイオードと１
チップ化することによって回路構成が簡素化できた。さ
らに、トランジスタも含めて各素子を１チップに集積す
ることにより、簡素化の効果はより大きくなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の等価回路図
【図２】モータ速度制御回路図
【図３】図２の回路に用いる半導体装置の等価回路図
【図４】図２の回路に用いる別の半導体装置の等価回路
図
【図５】リーチスルー型ツエナダイオードの断面図
【図６】本発明の一実施例のモジュールの正面図
【図７】本発明の別の実施例に用いる逆直列接続ダイオ
ードの断面図
【図８】本発明の異なる実施例に用いる逆直列接続ダイ
オードの（ａ）断面図および（ｂ）等価回路図
【図９】本発明のさらに異なる実施例に用いる逆直列接
続ダイオードの（ａ）断面図および（ｂ）等価回路図
【図１０】図１の等価回路を１チップに構成する本発明
の他の実施例の半導体装置の断面図
【符号の説明】
１ トランジスタ ２ 高速ダイオード ３ 定電圧ダイオード ４ 逆流防止ダイオード ３１ Ｎ- 層 ３２ Ｎ+ 層 ３３ Ｐ+ 層 ３５ アノード電極 ３６ カソード電極 ３７ ショットキーバリア電極 ３８ Ｐ- 層 ３９ ショットキーバリア電極 ４０ Ｎ- シリコン基板 ４１ Ｐ+ ベース層 ４２ Ｐ+ 層 ４３ Ｐ+ 層 ４４ Ｎ+ エミッタ層 ４５ ライフタイムキラー ４７ ベース電極 ４８ エミッタ電極 ４９ アノード電極 ５１ トランジスタチップ ５２ 高速ダイオードチップ ５３ 逆直列接続ダイオード ５４ コレクタ電極板 ５６ エミッタ電極板 ５９ ツエナダイオードチップ ６０ ダイオードチップ
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 29/78 ６５７ Ｈ０１Ｌ 27/06 １０１Ｄ １０１Ｐ 29/872 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/33 - 21/331 H01L 29/68 - 29/737 H01L 21/336 H01L 29/78 H01L 21/8222 - 21/8228 H01L 21/8232 H01L 27/06 - 27/06 101 H01L 27/08 - 27/08 101 H01L 27/082

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】逆流防止ダイオードが逆直列接続された定
    電圧ダイオードと高速ダイオードとが、トランジスタの
    コレクタ・エミッタ間に、該トランジスタのベース・エ
    ミッタ接合に対してそれぞれ逆並列接続された半導体装
    置であって、前記トランジスタが半導体素体の低不純物
    濃度の第一導電型の第一層、その第一層の一面側の表面
    層内に選択的に形成された第二導電型の第二層およびそ
    の第二層の表面層内に選択的に形成された第一導電型の
    第三層および第一層の他面側の高不純物濃度の第一導電
    型の第四層からなり、前記高速ダイオードが第一層の中
    のライフタイム制御された領域およびその領域上の一面
    側に形成された第二導電型の第五層と他面側に形成され
    た第四層からなり、前記定電圧ダイオードが第一層およ
    びその一面側の表面層内に選択的に形成された第二導電
    型の第六層からなり、前記逆流防止ダイオードが第一層
    およびその他面側に接触するショットキーバリア金属層
    よりなることを特徴とする半導体装置。
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