(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＧＢＴとダイオードとを集積した半導体装置において、
該ＩＧＢＴが、
第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層に隣接する第２導電型の第２半導体層と、
前記第２半導体層に隣接し、前記第２半導体層よりも不純物濃度が低い前記第２導電型の第３半導体層と、
前記第３半導体層内に位置する前記第１導電型の第４半導体層と、
前記第４半導体層内に位置する前記第２導電型の第５半導体層と、
前記第３，第４及び第５半導体層の各表面上に位置する絶縁膜と、
前記絶縁膜の表面上に位置する第１電極と、
前記第１半導体層に電気的に接続される第２電極と、
前記第４及び第５半導体層に電気的に接続される第３電極と、
を備え、
前記第３半導体層はライフタイムキラーの局所的ドーピングで形成した局所ライフタイム制御領域を有し、前記局所ライフタイム制御領域のライフタイムが前記第２半導体層のライフタイムよりも短く、
前記第２の半導体層の不純物濃度が２×１０15cm-3以上８×１０16cm-3以下であり、前記ダイオードがＩＧＢＴに逆並列接続されている半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、前記局所ライフタイム制御領域の形成手段がヘリウム照射である半導体装置。
【請求項３】
請求項２において、前記ヘリウムの照射量が５×１０10cm-2以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１において、前記局所ライフタイム制御領域の形成手段がプロトン照射である半導体装置。
【請求項５】
請求項４において、前記プロトンの照射量が５×１０11cm-2以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
直流を３相交流に変換する電力変換装置において、
該電力変換装置が、ＩＧＢＴとダイオードとを逆並列に接続した上アーム半導体装置と、ＩＧＢＴとダイオードとを逆並列に接続した下アーム半導体装置と、ＩＧＢＴ駆動回路とを備え、前記上アーム半導体装置と下アーム半導体装置とを直列に接続して１相を成し、該上アーム半導体装置と下アーム半導体装置との接続点から交流を出力し、
前記ＩＧＢＴとダイオードとを逆並列に接続した半導体装置が、請求項１に記載の半導体装置である電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor)はMOSFETとバイポーラトランジスタを複合した素子であり、MOSFETの低駆動電力とバイポーラトランジスタの高出力性を兼ね備えている。このため、汎用インバータ，無停電電源装置（ＵＰＳ）等のインバータ装置の低騒音化，小型化，高効率化を実現できることから急速に普及してきている。
【０００２】
図１にパンチスルー型と呼ばれるＩＧＢＴの断面構造を示す。ｐ+ 層１上にｎ層２が形成され、その上に高抵抗のｎ- 層３が形成されている。ｎ- 層３中にはｐ層４が形成され、ｐ層４中にはｎ+ 層５が形成されている。ｎ+ 層５，ｐ層４，ｎ- 層３表面にはゲート酸化膜１２が形成され、ゲート酸化膜１２上にはゲート電極１３が形成されている。ｎ+ 層５とｐ層４にはエミッタ電極１１がオーミック接触している。ｐ+ 層１にはコレクタ電極１０がオーミック接触している。このＩＧＢＴは以下のように動作する。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ｎ+ 層５，ｐ層４，ゲート酸化膜１２，ゲート電極１３で構成されるＭＯＳ領域のしきい値電圧より高い正の電圧を加えると、ゲート電極下のｐ層が反転し、チャネルができる。するとｎ+ 層５から電子がｎ- 層３，ｎ層２に流れ、ｐ+ 層１に達する。この電子によりｐ+ １／ｎ層２で構成されるｐｎ接合が順バイアスされ、ｐ+ 層１よりホールがｎ層２に流れる。ホールはｎ層２，ｎ- 層３，ｐ層４を通ってエミッタ電極１１に達する。このように、高抵抗のｎ- 層３が多数のホールと電子で満たされた状態となるため、抵抗が下がり多くの電流を流すことができる。このようにＩＧＢＴはｐｎ接合が順バイアスされるまで、電流がほとんど流れず順バイアスが起きる約１Ｖ程度から急激に電流が流れる。
【０００３】
ｎ層２を持たないＩＧＢＴは定格耐圧でもｐ+ 層１に空乏層が達しないように作られているため、ノンパンチスルー型と呼ばれる。これと区別するため、ｎ層を持つＩＧＢＴはパンチスルー型と呼ばれる。このｎ層はｐ+ 層１から注入されるホールを制限するとともに、空乏層がｐ+ 層に達し耐圧が低下するのを防止している。
【０００４】
ＩＧＢＴをオフするためには、ゲート電圧を０または負にする。すると、チャネルが消滅し、電子電流が流れなくなる。この時、ｎ- 層３及びｎ層２中に蓄積していたホールと電子は再結合により消滅し、このホールと電子が消滅するまで電流が流れつづける。この電子とホールが消滅するまでの時間をライフタイムτという。ＩＧＢＴのｎ- 層３はそのままでは非常にライフタイムが長いため、放射線や重金属をドープして再結合中心を作りライフタイムを短くしている。このライフタイムを短くする手段として電子線や重金属によるドーピングが使われてきた。この方法ではｎ- ３層全てのライフタイムが低下していた。ところで、ターンオフ時には空乏層が広がり蓄積されていたホールと電子は空乏層の広がりとともに掃き出され、再結合により消滅するのはｎ層２近傍の領域のみである。
【０００５】
近年プロトンやＨｅ等の軽元素をサイクロトロン加速器により数μｍ〜数100μｍ程度の位置に照射する局所ライフタイム制御技術が商用化されている。この方法では任意の位置の領域のみのライフタイムを短くできるため、必要以外の領域のライフタイムは短くならずｎ- 層領域の抵抗が下がるため、さらに出力電流を向上できる。
【０００６】
関連する具体的な従来技術としては、特開昭64−19771号公報及び特開平9−  121052号公報に記載のものがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者の検討によれば、局所ライフタイム制御を使った場合でオンしづらくなり、図２のように電流が流れ出すまでの電圧が高くなったり、電流が多くなると電圧が下がる負性抵抗現象が見られたりするという問題がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者の検討によれば、上記問題の要因は、局所ライフタイム制御を使った場合、ライフタイムの極端に短い領域ができるため、従来のｎ層ではｐ+ 層からｎ- 層へのキャリアの注入効率が過度に低下するためである。さらに、本発明者の知見によれば、ＩＧＢＴのターンオフ特性は局所ライフタイム制御領域のライフタイムに依存するので、注入効率を高めてｐ+ 層から注入されるキャリアを増加させてもターンオフスイッチング特性への影響は小さい。本発明は、上記の問題，本発明者の検討，本発明者の知見を考慮してなされたものである。
【０００９】
本発明による半導体装置は、第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層に隣接する第２導電型の第２半導体層と、第２半導体層に隣接し、第２半導体層よりも不純物濃度が低い第２導電型の第３半導体層と、を備える。ｐ型またはｎ型であり、かつ互いに反対の導電型である。第１半導体層，第２半導体層，第３半導体層は、それぞれ、例えばｐ+ 層，ｎ層，ｎ- 層に対応する。さらに、本発明による半導体装置は、第３半導体層内に位置する第１導電型の第４半導体層と、第４半導体層内に位置する前記第２導電型の第５半導体層とを備える。第４半導体層及び第５半導体層は、それぞれ例えばｐ層及びｎ+ が対応する。なお、ｎ- ，ｎ，ｎ+ は、半導体層がｎ型であることを示し、かつこの順番に不純物濃度が高くなる。ｐ型半導体に関する表記ｐ- ，ｐ，ｐ+ についても同様である。第３，第４及び第５半導体層の各表面上には、絶縁膜が位置し、かつ縁膜の表面上には第１電極が位置する。絶縁膜及び第１電極は、それぞれ例えばゲート酸化膜及びゲート電極が対応し、半導体装置のスイッチングを制御するための絶縁ゲート電極を形成する。第１半導体層には第２電極が電気的に接続され、第４及び第５半導体層には第３電極が電気的に接続される。第２電極及び第３電極は、それぞれ例えばコレクタ電極及びエミッタ電極が対応する。
【００１０】
本発明による半導体装置は、上記の構成において、前述の知見に基づく次のような構成を有する。すなわち、本半導体装置においては、第３半導体層が局所ライフタイム制御領域を有し、かつ局所ライフタイム制御領域のキャリアライフタイムが第２半導体層のキャリアライフタイムよりも短い（以下キャリアライフタイムを単にライフタイムと記す）。このため、半導体装置のターンオフ特性は局所ライフタイム制御領域によって調整できる。また、第２半導体層による第１半導体層から第３半導体層へのキャリアの注入効率の低下を抑えることができる。従って、ターンオフ特性を損なうことなく、オン電圧の増加または負性抵抗の発生が防止される。なお、局所ライフタイム制御領域とは、第３半導体層内において部分的に形成される他の領域よりもライフタイムが短い領域であり、プロトン照射，ヘリウム照射，重金属のようなライフタイムキラーの局所的ドーピングなどによって形成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図３に本発明の一実施例であるＩＧＢＴの断面構造を示す。ｐ+ 層１上にこの層とｐｎ接合を示すｎ層２が形成され、その上にｎ層２よりも不純物濃度が低く高抵抗のｎ- 層３が形成されている。ｎ- 層３中にはｐ層４が形成され、ｐ層４中にはｎ+ 層５が形成されている。ｎ+ 層５，ｐ層４，ｎ- 層３表面にはゲート酸化膜１２が形成され、ゲート酸化膜１２上にはゲート電極１３が形成されている。ｎ+ 層５とｐ層４にはエミッタ電極１１がオーミック接触している。ｐ+ 層１にはコレクタ電極１０がオーミック接触している。
【００１２】
ｎ層２上にはｎ- 層３中に局所ライフタイム制御によりライムタイムが低下している局所ライフタイム制御領域２０が形成されている。局所ライフタイム制御領域２０は、ｎ- 層３内において、ｐ層４とｎ- 層３との間のｐｎ接合よりもｎ層２とｎ- 層３の接合部に近い位置に形成される。すなわち、局所ライフタイム制御領域２０は、ｎ- 層３の中央部よりもｎ層２の側に位置する。局所ライフタイム制御領域２０とｎ層２との間には、ｎ- 層３の局所ライフタイム制御が施されない一部が介在する。従って、局所ライフタイム制御領域２０とｎ層２との間には、局所ライフタイム制御領域２０及びｎ層２のライフタイムよりもライフタイムが長い領域がある。従って、ｎ層２のライフタイムは、局所ライフタイム領域に影響されない。ところで、局所ライフタイム制御領域２０のライムタイムの分布は、局所ライフタイム制御領域におけるｎ- 層３の厚さ方向の抵抗率の分布によって知ることができる。抵抗率が大きいほど、ライフタイムは短くなる。抵抗率のピーク値となるｎ- 層３の位置を中心として、抵抗率がピーク値からその１／２までの値をとるｎ- 層中の領域、すなわちいわゆる半値幅内の領域が局所ライフタイム制御領域２０である。
【００１３】
ｎ層２のライフタイムは、局所ライフタイム制御によりライムタイムが低下している局所ライフタイム制御領域２０より長くなっている。これによりｐ+ 層１からのキャリアの注入効率の低下が抑えられ、負性抵抗の発生が防止される。本実施例においては、ｎ層２はエピタキシャル成長によって形成されるので、ｎ層２内において不純物濃度はほぼ一様である。従って、ｎ層２内において、ライフタイムはほぼ一様である。また、ｎ層２のライフタイムと比較するための局所ライフタイム領域２０のライフタイムは、当領域内で最も短いライフタイムすなわち上述したような抵抗率のピーク値またはその付近におけるライフタイムに相当する。なお、ｎ層２が不純物濃度分布を有するときは、不純物濃度が最大となる個所またはその付近のライタイムすなわちｎ層２内における最小またはそれに近いライフタイムをもって、ライフタイム制御領域のライフタイムと比較される。ｎ層２は低濃度の方がライフタイムが長くなるが、あまり低すぎると電圧ブロッキング時に、ｐ層４とｎ- 層３との間のｐｎ接合からｎ- 層３に広がる空乏層がｎ層２中にもひろがりパンチスルーしてしまう。すなわち空乏層がｐ+ 層１に到達してしまう。空乏層がパンチスルーしないようにするには、ｎ- 層３の不純物濃度＜＜ｎ層２の不純物濃度とすればよい。耐圧６００Ｖ以上のＩＧＢＴではｎ- 層３の不純物濃度は２×１０14cm-3以上である。ｎ- 層３とｎ層２の濃度差は１０倍以上必要なので、ｎ層２の濃度は２×１０15cm-3以上必要である。
【００１４】
図４にシリコンの不純物濃度とライフタイムの関係を示す。ＩＧＢＴでは、ターンオフを０.５μｓ 以下にするために、局所ライフタイム制御された領域２０のライフタイムを０.５μｓ 以下にすることが望ましい。このとき、ｎ層２のライフタイムを局所ライフタイム制御領域のライフタイムより長くするためには、図４よりｎ層２の不純物濃度を８×１０16cm-3以下とするのが望ましい。
【００１５】
ところで、局所ライフタイム制御の手段として一般的に使われているのはヘリウム及びプロトンである。図５にヘリウム照射量とライムタイムの関係を示す。ライフタイムを０.５μｓ 以下にするためにはヘリウムを５×１０10cm-2以上照射する必要がある。図６にプロトン照射量とライフタイムの関係を示す。ライフタイムを０.５μｓ 以下にするためにはプロトンを５×１０11cm-2以上照射する必要がある。
【００１６】
本発明による半導体装置は、上記実施例のＩＧＢＴに限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施例においてはｎ層２の濃度によってｎ層のライフタイムが設定されるが、ｎ層２のライフタイムと局所ライフタイム制御領域２０のライフタイムの大小関係が保たれる範囲で、ｎ層２にライフタイム制御を施しても良い。なお、上記のｎ層２の不純物濃度は、耐圧６００Ｖ以上の半導体装置のみならず、各種の耐圧の半導体装置にも適用できる。また、各半導体層の導電型を反対の導電型とした半導体装置も、同様の作用・効果を有する。さらに、本発明は、ＩＧＢＴのみならず、ＩＧＢＴと同様の素子構造を有する絶縁ゲート型サイリスタや、ＩＧＢＴとダイオードや保護素子などの他の半導体素子とを集積化した半導体装置にも適用できる。
【００１７】
図７に本発明によるＩＧＢＴを使って構成したモータ駆動用インバータ装置の例を示す。ＩＧＢＴ２００には逆並列にダイオード２０１が接続されており、ＩＧＢＴが２個直列に接続され１相が形成されている。ＩＧＢＴ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，IGBT200b，IGBT200c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，IGBT200e，IGBT200f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、スイッチング動作して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、ＩＧＢＴのゲートに駆動信号を伝え、所定の周期でＩＧＢＴをオン，オフさせる。
【００１８】
従来のＩＧＢＴを使った場合に比べて、低温でのオン電圧が低下するため損失が減りインバータ効率が向上する。
【００１９】
なお、本発明による半導体装置は、インバータ装置のみならず、コンバータや各種スイッチング電源などのように半導体装置のスイッチングによって電力変換を行う各種の電力変換装置に適用できる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、局所ライフタイム制御が施されたＩＧＢＴにおける注入効率を局所ライフタイム制御で決めることができるため負性抵抗を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例。
【図２】従来の出力特性。
【図３】本発明の実施例であるＩＧＢＴ。
【図４】不純物濃度とライフタイムの関係。
【図５】ヘリウム照射量とライフタイムの関係。
【図６】プロトン照射量とライフタイムの関係。
【図７】本発明によるＩＧＢＴを使用したインバータ装置。
【符号の説明】
１…ｐ+ 層、２…ｎ層、３…ｎ- 層、４…ｐ層、５…ｎ+ 層、１０…コレクタ電極、１１…エミッタ電極、１２…ゲート酸化膜、１３…ゲート電極、２０…局所ライフタイム制御領域、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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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