(57)【要約】【課題】ＩＧＢＴの性能（動作特性）と点火ミス時での電磁エネルギーの消失も良好にできることを両立させた絶縁ゲート半導体装置を提供する。【解決手段】半導体基体１２に形成されたコレクタ層１３と、バッファ層１４と、ドリフト層１５と、ベース層１６と、ベース層内に選択的に形成されたエミッタ層１７と、コレクタ層に電気的に接続したコレクタ電極１８と、ベース層の一部分に接する絶縁膜を介して形成されたゲート電極２０とを備えた絶縁ゲート半導体装置１１において、半導体基体には、ドリフト層内に形成した第１導電型層２１と、第１導電型層２１に接合する第２導電型層２２と、第１導電型層に電気的に接続した電極２３から成るダイオードＤ４を備え、コレクタ電極１８と第１導電型に電気的に接続した電極２３とを短絡する配線２５を設けた。【選択図】図３
2011071418.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基体に形成された第１導電型のコレクタ層と、前記コレクタ層に接合された第２導電型のバッファ層と、前記バッファ層の前記コレクタ層とは反対側の面に接合された第２導電型のドリフト層と、前記ドリフト層内に選択的に複数形成された第１導電型のベース層と、前記ベース層内に選択的に形成された第２導電型のエミッタ層と、前記エミッタ層に電気的に接続されたエミッタ電極と、前記コレクタ層の前記バッファ層とは反対側の面に電気的に接続されたコレクタ電極と、前記ベース層の一部分に接する絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを備えた絶縁ゲート半導体装置において、
前記半導体基体には、前記ドリフト層内に形成された第１導電型層と、
前記第１導電型層に接合された第２導電型層と、
前記第１導電型層に電気的に接続された電極から成るダイオードを備え、
前記コレクタ電極と前記第１導電型層に電気的に接続された前記電極とを短絡する配線を設けたことを特徴とする絶縁ゲート半導体装置。
【請求項２】
前記ダイオードは、電源電圧より高い耐圧を持つことを特徴とする請求項１記載の絶縁ゲート半導体装置。
【請求項３】
前記第１導電型層に電気的に接続した電極とエミッタ電極またはゲート電極間には、前記バッファ層と等電位となる等電位リング（ＥＱＲ）電極を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の絶縁ゲート半導体装置。
【請求項４】
前記等電位リング電極は、アルミニウム配線およびポリシリコンで形成されることを特徴とする請求項３記載の絶縁ゲート半導体装置。
【請求項５】
前記第１導電型層に電気的に接続した前記電極と等電位リング電極の間は、保護膜により前記半導体基体の表面が覆われていることを特徴とする請求項３または４記載の絶縁ゲート半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁ゲート半導体装置に関し、特に、イグナイタ等に用いる絶縁ゲート半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
イグナイタ等の内燃機関用点火装置のように、スイッチング素子を用いてインダクタ負荷を駆動する半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。図４は、従来のイグナイタ回路の代表例を示す。
【０００３】
このイグナイタ回路１００は、イグニッションコイル１０１を有し、イグニッションコイル１０１の１次側の一方の端子Ｌ１１に接続されたスイッチング素子としてのＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）１０２とイグニッションコイル１０１の２次側の一方の端子Ｌ２１に接続されたスパークプラグ１０３を備えている。ＩＧＢＴ１０２のコレクタ端子Ｃ１とエミッタ端子Ｅ１間には、ダンパダイオードＤ１と接合ダイオードＤ２とが接続されている。また、コレクタ端子Ｃ１とゲート端子Ｇ１の間には、ツェナーダイオードＺＤ１が接続されている。さらに、エミッタ端子Ｅ１とゲート端子Ｇ１の間には、ツェナーダイオードＺＤ２が接続されている。ゲート端子Ｇ１には、抵抗素子Ｒ１を介してゲート駆動回路１０４が接続されている。コレクタ端子Ｃ１とスパークプラグ１０３の端子間にコンデンサ１０５を設けている。また、イグニッションコイル１０１の１次側の他方の端子Ｌ１２には、抵抗素子Ｒ２を介して電源１０６が接続されている。さらに、イグニッションコイル１０１の２次側の他方の端子Ｌ２２は、ダイオードＤ３を介して接地している。
【０００４】
ＩＧＢＴ１０２のゲート端子Ｇ１に、ゲート駆動回路１０４から点火信号が入力されると、１次電流が断続され、イグニッションコイル１０１の２次側に高圧電流を誘発し、スパークプラグ１０３は、この高圧電流を火花に変え、点火を行う。
【０００５】
上記ＩＧＢＴ１０２を用いたイグナイタ回路１００では、スパークプラグ１０３が点火ミスした場合、エミッタＥ１側の電位が高くなり、接合ダイオードＤ２が絶縁破壊すると共に、イグニッションコイル１０１、コンデンサ１０５に蓄積された電磁エネルギーをＩＧＢＴ１０２のエミッタＥ１−コレクタＣ１間のダンパダイオードＤ１に電流を流すことで、ＩＧＢＴ１０２の損傷を防いでいる。
【０００６】
また、電源１０６となるバッテリーを逆極性に接続した場合、ＩＧＢＴ１０２を構成するコレクタ領域とバッファ層との間に形成される接合ダイオードＤ２が逆バイアスされ、導線、イグニッションコイル１０１、ＩＧＢＴ１０２が破壊することを防止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−１９９７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図４で示した従来のイグナイタ回路１００での接合ダイオードＤ２に上記のような動作をさせる場合、次のような困難性がある。すなわち、その接合ダイオードＤ２は、ＩＧＢＴ１０２のコレクタ層を形成するために設けられたｐ型半導体基板とバッファ層を形成するために設けられたｎ型半導体のエピタキシャル層との接合によって形成されている。この場合、スパークプラグ１０３の点火ミスのときに生じる電磁エネルギーは、ｐ型半導体基板（コレクタ層）とｎ型半導体のエピタキシャル層（バッファ層）との接合で形成される接合ダイオードＤ２で消失する。そのため、この接合ダイオードＤ２のエネルギー耐量は、ｐ型半導体基板とｎ型半導体のエピタキシャル層との接合耐圧で決定される。一方、これらのｐ型半導体基板からなるコレクタ層とｎ型半導体のエピタキシャル層からなるバッファ層は、ＩＧＢＴの構成の一部であり、ＩＧＢＴ１０２の性能を決定するものである。従って、その接合ダイオードＤ２の特性を最適にするために、ｎ型半導体のエピタキシャル層の厚さやドープ量等を調整するとＩＧＢＴ１０２の性能にも影響を及ぼしてしまう。それゆえ、ＩＧＢＴ１０２の性能を変えることなく、この接合ダイオードＤ２の特性を最適にすることを行うことは困難である。すなわち、ＩＧＢＴ１０２の性能と点火ミス時での電磁エネルギーの消失を良好にできることを両立させることは困難である。
【０００９】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、ＩＧＢＴの性能（動作特性）と点火ミス時での電磁エネルギーの消失も良好にできることを両立させた絶縁ゲート半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る絶縁ゲート半導体装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
【００１１】
第１の絶縁ゲート半導体装置（請求項１に対応）は、半導体基体に形成された第１導電型のコレクタ層と、コレクタ層に接合された第２導電型のバッファ層と、バッファ層のコレクタ層とは反対側の面に接合された第２導電型のドリフト層と、ドリフト層内に選択的に複数形成された第１導電型のベース層と、ベース層内に選択的に形成された第２導電型のエミッタ層と、エミッタ層に電気的に接続されたエミッタ電極と、コレクタ層のバッファ層とは反対側の面に電気的に接続されたコレクタ電極と、ベース層の一部分に接する絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを備えた絶縁ゲート半導体装置において、半導体基体には、ドリフト層内に形成された第１導電型層と、第１導電型層に接合された第２導電型層と、第１導電型層に電気的に接続された電極から成るダイオードを備え、コレクタ電極と第１導電型層に電気的に接続された電極とを短絡する配線を設けたことを特徴とする。
【００１２】
第２の絶縁ゲート半導体装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、上記ダイオードは、電源電圧より高い耐圧を持つことを特徴とする。
【００１３】
第３の絶縁ゲート半導体装置（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、第１導電型層に電気的に接続した電極とエミッタ電極またはゲート電極間には、バッファ層と等電位となる等電位リング（ＥＱＲ）電極を備えていることを特徴とする。
【００１４】
第４の絶縁ゲート半導体装置（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは、等電位リング電極は、アルミニウム配線およびポリシリコンで形成されることを特徴とする。
【００１５】
第５の絶縁ゲート半導体装置（請求項５に対応）は、上記の構成において、好ましくは、第１導電型層に電気的に接続した電極と等電位リング電極の間は、保護膜により半導体基体の表面が覆われていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ＩＧＢＴの性能（動作特性）と点火ミス時での電磁エネルギーの消失も良好にできることを両立させた絶縁ゲート半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の本実施形態に係る絶縁ゲート半導体装置を用いたイグナイタの回路図である。
【図２】本発明の本実施形態に係る絶縁ゲート半導体装置の平面図である。
【図３】本発明の本実施形態に係る絶縁ゲート半導体装置の断面図である。
【図４】従来のイグナイタの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の本実施形態に係る絶縁ゲート半導体装置を用いたイグナイタの回路図である。図４の従来の回路と同一の構成要素には、同一の符号を付している。イグナイタ回路１０は、イグニッションコイル１０１を有し、イグニッションコイル１０１の１次側の一方の端子Ｌ１１に接続されたスイッチング素子としてのＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）１０２とイグニッションコイル１０１の２次側の一方の端子Ｌ２１に接続されたスパークプラグ１０３を備えている。ＩＧＢＴ１０２のコレクタ端子Ｃ１とエミッタ端子Ｅ１間には、ダンパダイオードＤ１と接合ダイオードＤ２とが接続されている。ダンパダイオードＤ１のアノード端子はＩＧＢＴ１０２のエミッタ端子に接続され、カソード端子は接合ダイオードＤ２のカソード端子に接続される。接合ダイオードＤ２のアノード端子はＩＧＢＴ１０２のコレクタ端子Ｃ１に接続される。また、コレクタ端子Ｃ１とゲート端子Ｇ１の間には、ツェナーダイオードＺＤ１が接続されている。さらに、エミッタ端子Ｅ１とゲート端子Ｇ１の間には、ツェナーダイオードＺＤ２が接続されている。ゲート端子Ｇ１には、抵抗素子Ｒ１を介してゲート駆動回路１０４が接続されている。コレクタ端子Ｃ１とスパークプラグ１０３の端子間にコンデンサ１０５を設けている。また、イグニッションコイル１０１の１次側の他方の端子Ｌ１２には、抵抗素子Ｒ２を介して電源１０６が接続されている。さらに、イグニッションコイル１０１の２次側の他方の端子Ｌ２２は、ダイオードＤ３を介して接地されている。
【００２０】
本発明の本実施形態に係る絶縁ゲート半導体装置を用いたイグナイタ回路１０では、コレクタ端子Ｃ１とエミッタ端子Ｅ１の間に新たに接合ダイオードＤ４を接合ダイオードＤ２と並列に設けている。接合ダイオードＤ４は、接合ダイオードＤ２と同一の整流方向を有し、接合ダイオードＤ２に並列に接続される。そして、絶縁ゲート半導体装置１１は、ＩＧＢＴ１０２とダンパダイオードＤ１と接合ダイオードＤ２と接合ダイオードＤ４によって形成されている。
【００２１】
図２と図３は、それぞれ、本発明の本実施形態に係る絶縁ゲート半導体装置の平面図（図２）と断面図（図３）である。絶縁ゲート半導体装置１１は、半導体基体１２に形成された第１導電型（例えば、ｐ型）のコレクタ層１３と、コレクタ層１３に接合した第２導電型（例えば、ｎ型）のバッファ層１４と、バッファ層１４のコレクタ層１３とは反対側の面に接合された第２導電型のドリフト層１５と、ドリフト層１５内に選択的に複数形成された第１導電型のベース層１６と、ベース層１６内に選択的に形成された第２導電型のエミッタ層１７と、コレクタ層１３のバッファ層１４とは反対側の面に電気的に接続されたコレクタ電極１８と、ベース層１６の一部分に接する絶縁膜１９を介して形成されたゲート電極２０とを備えている。
【００２２】
また、絶縁ゲート半導体装置１１は、エミッタ層１７に電気的に接続するエミッタ電極２４を備えている。さらに、ドリフト層１５内に形成された第１導電型層１６ｃと第２導電型のドリフト層１５によって、ダンパダイオードＤ１が形成されている。また、コレクタ層１３とバッファ層１４による接合によって接合ダイオードＤ２が形成されている。
【００２３】
この絶縁ゲート半導体装置１１は、半導体基体１２には、ドリフト層１５内に形成した第１導電型層２１と、第１導電型層２１に接合する第２導電型層２２とから成るダイオード（接合ダイオード）Ｄ４を備えている。また、この絶縁ゲート半導体装置１１では、コレクタ電極１８と第１導電型層２１に電気的に接続される電極２３とを短絡する配線（例えば、アルミニウムのワイヤ）２５を設けている。
【００２４】
この接合ダイオードＤ４は、電源１０６となるバッテリー電圧より高い耐圧を持つように、適切なドープ量と層の厚さで形成されている。また、電極２３とエミッタ電極２４またはゲート電極２０間には、バッファ層１４と等電位となる等電位リング（ＥＱＲ）電極２６，２７を備えている。そして、等電位リング電極２６，２７は、アルミニウム配線およびポリシリコンで形成され、これらの電極直下は、第２導電型（例えば、ｎ＋型）の層２６ａ，２７ａが設けられている。さらに、電極２３と等電位リング電極２６，２７の間は、保護膜２８，２９により半導体基体１２の表面が覆われている。
【００２５】
上記構成の絶縁ゲート半導体装置１１では、電源１０６としてのバッテリーが逆極性に接続された場合、電極２３の直下に形成された接合ダイオードＤ４と、コレクタ層１３とバッファ層１４により形成された接合ダイオードＤ２は、逆方向にバイアスされる。ダイオードＤ４の絶縁破壊電圧を電源１０６として用いるバッテリーの電圧より高くなるように、第１導電型層２１と第２導電型層２２のドープ量を適切に選択することで電流を抑制することができる。コレクタ層１３とバッファ層１４により形成される接合ダイオードＤ２は、ＩＧＢＴ１０２本体の性能を優先させる設計にすると自然と絶縁破壊電圧は、電源１０６として用いるバッテリー電圧以上になる。
【００２６】
また、図１に示したスパークプラグ１０３が点火ミスした場合、蓄積したイグニッションコイル１０１の電磁エネルギーによりエミッタ端子Ｅ１からコレクタ端子Ｃ１に強制的に電流が流れるタイミングがある。コレクタ層１３とバッファ層１４の接合により形成される接合ダイオードＤ２の耐圧より、電極２３の下に形成された接合ダイオードＤ４の耐圧を低く設定することによって、点火ミスによって蓄積された電磁エネルギーにより生じる電流を、電極２３と接合ダイオードＤ４を通すようにすることができる。それにより、ＩＧＢＴ１０２を、この電磁エネルギーから保護することができる。電極２３の下の接合ダイオードＤ４の耐圧を必要以上に高くしなければエネルギー耐量は高く設計できる。また、絶縁破壊電流が流れる場合は、電極２３と等電位リング電極２６，２７の間は、酸化膜等の保護膜２８，２９により半導体基体１２の表面が覆われ、保護されるため、信頼性の高い素子となる。
【００２７】
さらに、ＩＧＢＴのベース層１６とドリフト層１５に逆バイアスがかかったときに、ＩＧＢＴを形成する領域から伸びた空乏層は、等電位リング電極（ＥＱＲ）２６に接したｎ＋層で止められ、それ以上拡がらず、電極２３の下のＰ＋層２１まで達しない。それにより、ＩＧＢＴ１０２と接合ダイオードＤ４は、干渉し合うことなく、良好な、ＩＧＢＴ特性と、接合ダイオード特性を保つことができる。
【００２８】
以上のように、本実施形態では、エミッタ端子Ｅ１とコレクタ端子Ｃ１との間のダンパダイオードＤ１と整流方向が逆向きとなるように接合ダイオードＤ２と並列させて接合ダイオードＤ４を設けた。それにより、電源１０６に用いるバッテリーの電圧より接合ダイオードＤ４の耐圧を高くすると、バッテリーを逆極性に接続した場合、イグニッションコイル１０１、導線に電流が流れないため、回路内部の損傷を防ぐことができる。
【００２９】
また、スパークプラグ１０３が点火ミスした場合、接合ダイオードＤ４でイグニッションコイル１０１、コンデンサ１０５に蓄積された電磁エネルギーを消失することができる。接合ダイオードＤ４の耐圧を必要以上に高く設定しなければ、このイグナイタ回路１０のエネルギー耐量を高く設計することができる。さらに、図１に示したように接合ダイオードＤ４を設けたことにより、ＩＧＢＴ本体の性能と点火ミス時での電磁エネルギーの消失を良好にできることを両立させた絶縁ゲート半導体装置を提供することができる。
【００３０】
なお、本実施形態では、第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型とする例で説明したが、それに限らず、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型としても良い。
【００３１】
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明に係る絶縁ゲート半導体装置は、イグナイタ等の内燃機関用点火装置に用いられるスイッチング用の装置等に利用される。
【符号の説明】
【００３３】
１０        イグナイタ回路
１１        絶縁ゲート半導体装置
１２        半導体基体
１３        コレクタ層
１４        バッファ層
１５        ドリフト層
１６        ベース層
１７        エミッタ層
１８        コレクタ電極
１９        絶縁膜
２０        ゲート電極
２１        第１導電型層
２２        第２導電型層
２３        電極
２４        エミッタ電極
２５        配線
２６        等電位リング電極
２７        等電位リング電極
２８        保護膜
２９        保護膜
１００      イグナイタ回路
１０１      イグニッションコイル
１０２      ＩＧＢＴ
１０３      スパークプラグ
１０４      ゲート駆動回路
１０５      コンデンサ
１０６      電源
Ｃ１        コレクタ端子
Ｅ１        エミッタ端子
Ｇ１        ゲート端子
Ｒ１        抵抗素子
Ｒ２        抵抗素子
Ｄ１        ダンパダイオード
Ｄ２，Ｄ４          接合ダイオード
Ｄ３        ダイオード
ＺＤ１，ＺＤ２      ツェナーダイオード
【図１】
2011071418.tif 000003
【図２】
2011071418.tif 000004
【図３】
2011071418.tif 000005
【図４】
2011071418.tif 000006