(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体デバイスであって、該パワー半導体デバイスは、
第１および第２の面を有する第２導電性型半導体ダイの前記第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２の第１導電性型エミッタ／コレクタ領域と、
前記第２導電性型半導体ダイの前記第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２の第２導電性型ベースコンタクト領域と、
前記第２導電性型半導体ダイの前記第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２の絶縁フィールドプレート構造であって、前記第１および第２の絶縁フィールドプレート構造は導電性を有し、縦方向に延在し、横方向に前記第１および第２の第１導電性型エミッタ／コレクタ領域と隣接する、第１および第２の絶縁フィールドプレート構造と、を備え、
前記第１の第１導電性型エミッタ／コレクタ領域は側面および端部を有する細片状に形成され、両側面および両端部において前記第１の絶縁フィールドプレート構造によって横方向に取り囲まれ、前記第１の絶縁フィールドプレート構造に電気的に接続され、前記第２の第１導電性型エミッタ／コレクタ領域は側面および端部を有する細片状に形成され、両側面および両端部において前記第２の絶縁フィールドプレート構造によって横方向に取り囲まれ、前記第２の絶縁フィールドプレート構造に電気的に接続されている、
パワー半導体デバイス。
【請求項２】
前記第１導電性型がｎ型である、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項３】
前記第２導電性型半導体ダイがシリコンでできている、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項４】
前記第１および第２の絶縁フィールドプレート構造がトレンチフィールドプレートである、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項５】
前記第１および第２の絶縁フィールドプレート構造が酸化物充填トレンチ内のドープポリフィールドプレートを有する、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項６】
前記第１導電性型がｐ型である、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項７】
パワー半導体デバイスであって、該パワー半導体デバイスは、
第１および第２の面を有するｐ型半導体ダイと、
前記ｐ型半導体ダイの前記第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２のｎ型エミッタ／コレクタ領域と、
前記ｐ型半導体ダイの前記第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２のｐ型ベースコンタクト領域と、
前記ｐ型半導体ダイの前記第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２のトレンチフィールドプレート構造と、を備え、
前記第１のｎ型エミッタ／コレクタ領域は前記第１のトレンチフィールドプレート構造に電気的に接続され、前記第１のトレンチフィールドプレート構造によって完全に取り囲まれ、
前記第２のｎ型エミッタ／コレクタ領域は前記第２のトレンチフィールドプレート構造に電気的に接続され、前記第２のトレンチフィールドプレート構造によって完全に取り囲まれている、
パワー半導体デバイス。
【請求項８】
請求項７に記載のパワー半導体デバイスであって、該パワー半導体デバイスは、 
前記ｐ型半導体ダイの前記第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２のフィールドリミッティングリング構造をさらに備え、
前記第１のフィールドリミッティングリング構造は前記第１のｎ型エミッタ／コレクタ領域、前記第１のトレンチフィールドプレート構造、および前記第１のｐ型ベースコンタクト領域を取り囲み、
前記第２のフィールドリミッティングリング構造は前記第２のｎ型エミッタ／コレクタ領域、前記第２のトレンチフィールドプレート構造、および前記第２のｐ型ベースコンタクト領域を取り囲む、
パワー半導体デバイス。
【請求項９】
前記ｐ型半導体ダイがシリコンでできている、請求項７に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項１０】
前記第１および第２のトレンチフィールドプレート構造が酸化物充填トレンチ内のドープポリフィールドプレートを有する、請求項７に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項１１】
パワー半導体デバイスであって、該パワー半導体デバイスは、
第１および第２の面を有するｎ型半導体ダイと、
前記ｎ型半導体ダイの前記第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２のｐ型エミッタ／コレクタ領域と、
前記ｎ型半導体ダイの前記第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２のｎ型ベースコンタクト領域と、
前記ｎ型半導体ダイの前記第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２のトレンチフィールドプレート構造と、を備え、
前記第１のｐ型エミッタ／コレクタ領域は前記第１のトレンチフィールドプレート構造に電気的に接続され、前記第１のトレンチフィールドプレート構造によって完全に取り囲まれ、
前記第２のｐ型エミッタ／コレクタ領域は前記第２のトレンチフィールドプレート構造に電気的に接続され、前記第２のトレンチフィールドプレート構造によって完全に取り囲まれている、
パワー半導体デバイス。
【請求項１２】
請求項１１に記載のパワー半導体デバイスであって、該パワー半導体デバイスは、
前記ｎ型半導体ダイの前記第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２のフィールドリミッティングリング構造をさらに備え、
前記第１のフィールドリミッティングリング構造は前記第１のｐ型エミッタ／コレクタ領域、前記第１のトレンチフィールドプレート構造、および前記第１のｎ型ベースコンタクト領域を取り囲み、
前記第２のフィールドリミッティングリング構造は前記第２のｐ型エミッタ／コレクタ領域、前記第２のトレンチフィールドプレート構造、および前記第２のｎ型ベースコンタクト領域を取り囲む、
パワー半導体デバイス。
【請求項１３】
前記ｎ型半導体ダイがシリコンでできている、請求項１１に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項１４】
前記第１および第２のトレンチフィールドプレート構造が酸化物充填トレンチ内のドープポリフィールドプレートを有する、請求項１１に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項１５】
スイッチングの方法であって、該方法は、
オン状態において、ｐ型基板の対向面に位置する第１および第２のｐ型ベースコンタクト領域うちの一方へベース電流を駆動することであって、それによって、おなじく前記ｐ型基板の対向面に位置する第１および第２のｎ型エミッタ／コレクタ領域間で電流の通過が可能になり、前記第１および第２のｐ型ベースコンタクト領域および前記第１および第２のｎ型エミッタ／コレクタ領域は、前記ｐ型基板の両面上で、誘電体材料に横方向に取り囲まれた縦方向に延在する導電性フィールドプレートによって横方向に分離されている、ことと、
オフ状態において、絶縁フィールドプレートへの容量結合によってエミッタ−ベース接合近くの最大電界を低減させることと、を含む、
方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、ターンオン時に、前記第１および第２のｎ型エミッタ／コレクタ領域のうちのより高電位な一方を、前記対向面のうちの同じ一方のｐ型ベースコンタクト領域とともに短絡させ、それによってダイオード電圧降下をともない電流を導通させることをさらに含む、方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、前記ベース電流を駆動することは、前記第１および第２のｎ型エミッタ／コレクタ領域のうちのより高電位な一方により近い方のｐ型ベースコンタクト領域へベース電流を駆動するが、前記ｐ型ベースコンタクト領域のうちのもう一方にベース電流を流さない、方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の方法であって、オフ状態への移行において、前記対向面のうちの一方のｐ型ベースコンタクト領域を、同じ面のｎ型エミッタ／コレクタ領域に一時的に短絡させると同時に、前記対向面のうちのもう一方のｐ型ベースコンタクト領域を、同じ面のｎ型エミッタ／コレクタ領域に短絡させることと、その後少なくとも前記対向面のうちの一方のｐ型ベースコンタクト領域をフロートすることと、をさらに含む、方法。
【請求項１９】
スイッチングの方法であって、該方法は、
オン状態において、ｎ型基板の対向面に位置する第１および第２のｎ型ベースコンタクト領域うちの一方へベース電流を駆動することであって、それによって、おなじく前記ｎ型基板の対向面に位置する第１および第２のｐ型エミッタ／コレクタ領域間で電流の通過が可能になり、前記第１および第２のｎ型ベースコンタクト領域および前記第１および第２のｐ型エミッタ／コレクタ領域は、前記ｎ型基板の両面上で、誘電体材料に横方向に取り囲まれた縦方向に延在する導電性フィールドプレートによって横方向に分離されている、ことと、
オフ状態において、絶縁フィールドプレートへの容量結合によってエミッタ−ベース接合近くの最大電界を低減させることと、を含む、
方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法であって、ターンオン時に、前記第１および第２のｐ型エミッタ／コレクタ領域のうちのより低電位な一方を、前記対向面のうちの同じ一方のｎ型ベースコンタクト領域とともに短絡させ、それによってダイオード電圧降下をともなう電流導通を行うことをさらに含む、方法。
【請求項２１】
請求項１９に記載の方法であって、前記ベース電流を駆動することは、前記第１および第２のｐ型エミッタ／コレクタ領域のうちのより低電位な一方により近い方のｎ型ベースコンタクト領域へベース電流を駆動するが、前記ｎ型ベースコンタクト領域のうちのもう一方にベース電流を流さない、方法。
【請求項２２】
請求項１９に記載の方法であって、オフ状態への移行において、前記対向面のうちの一方のｎ型ベースコンタクト領域を、同じ面のｐ型エミッタ／コレクタ領域に一時的に短絡させると同時に、前記対向面のうちのもう一方のｎ型ベースコンタクト領域を、同じ面のｐ型エミッタ／コレクタ領域に短絡させることと、その後少なくとも前記対向面のうちの一方のｎ型ベースコンタクト領域をフロートすることと、をさらに含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［相互参照］
２０１４年１０月１３日に提出された米国出願第６２／０６３，０９０号の優先権を主張し、ここに参照により援用する。
【０００２】
米国では、（米国を指定国とする）同時係属中のＰＣＴ出願ＷＯ２０１４／２１００７２号の一部継続出願の優先権、および２０１３年６月２４日提出の米国仮出願第６１／８３８，５７８号の一部継続出願の優先権をも主張し、ここに参照により援用する。
［背景］
本願は、ダブルベース双方向バイポーラトランジスタ、より具体的には「Ｂ−ＴＲＡＮ」として知られる一般型のパワートランジスタに関する。
【０００３】
以下に記載する事項は開示された発明から得られる洞察を表してもよく、必ずしも先行技術であると認められるものではないことに留意されたい。
米国出願公開第２０１４−０３７５２８７号には、半導体ダイの両面上にエミッタ／コレクタを有し、同じく両面上にベースコンタクト領域を有する完全双方向バイポーラトランジスタが開示されている。実施形態の１つの群（例えばその出願の図１３Ａに表され、段落［００８３］に記載される）において、エミッタ／コレクタ領域は誘電体充填トレンチによってベースコンタクト領域から横方向に分離されている。これにより、オン状態における同じ面のキャリア再結合が減少する。
【０００４】
米国出願第２０１４−０３７５２８７号にはまた、デバイスのいくつかの驚くべき側面が記載されている。とりわけ、１）デバイスがオンされたとき、初めはダイオードとしてのみ作動することが好ましく、次にオン状態電圧降下を低減させるためにベース駆動が加えられ、２）ベース駆動は、どちらのエミッタ／コレクタ領域がコレクタとして働いても（デバイスの端子で現れる外部電圧によって定まる）、そのエミッタ／コレクタ領域に最も近いベースに加えられることが好ましく、３）２段階ターンオフシーケンスが用いられることが好ましく、４）オフ状態では、ベース−エミッタ電圧（両側）がそのベース−エミッタ接合を並列化した低電圧ダイオードによって制限される。
【０００５】
Ｗｏｏｄの出願ＷＯ２０１４／１２２４７２号にいくらか似た構造が示され、記載された。しかし、この出願は異なる構造を主な対象としている。また、Ｗｏｏｄの出願は米国出願第２０１４−０３７５２８７号に記載された作動方法を記載していない。また、Ｗｏｏｄの出願はエミッタ／コレクタ領域とベースコンタクト領域との間の横方向のトレンチ分離を記載しているようでもない。
【０００６】
本願は、本タイプの構造、その構造の作動方法、およびその構造を組み込んだシステムの改良を提供する。
ダブルベース双方向バイポーラトランジスタの２つの対向面上のフィールドプレート：デバイス、方法、およびシステム
本願は、数ある革新のうち、半導体ダイの両（対向）面上に存在するエミッタ／コレクタ領域の両方がトレンチ内のフィールドプレートに取り囲まれた、対称形双方向デュアルコンタクトベースバイポーラ接合トランジスタについて教示する。このフィールドプレートは、エミッタ／コレクタ領域を、隣接するベースコンタクト領域から分離する。ベースコンタクト領域はデバイスの両面に存在するため、この構造はどちらのベースコンタクト領域がコレクタ側にあってもそのブレークダウン電圧を改善し、もう一方の側のベースコンタクト領域の特性を低下させることがない。これにより、米国出願第２０１４−０３７５２８７号のようなデバイスのブレークダウン電圧の驚くべき改善がもたらされる。
【０００７】
本願は、数ある革新のうち、本タイプの構造の作動方法および本タイプの構造を組み込んだシステムについても教示する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
開示された発明について、添付の図面を参照して説明する。図面は重要な例示的実施形態を示し、本願明細書に参照により組み込まれる。
【図１】トレンチフィールドプレートを有する例示的Ｂ−ＴＲＡＮを概略的に示す。
【図２】Ｂ−ＴＲＡＮ型デバイスのための好ましい回路図を示す。
【図３】ここに参照により援用される、米国出願公開第２０１４−０３７５２８７号に記載されるような誘電体充填トレンチを有するＢ−ＴＲＡＮの１つの例示的実施形態を概略的に示す。
【図４】図４Ａは、図１のようなデバイスにおける、例示的なドーピングプロファイルを示す。図４Ｂは、図１のようなデバイスにおける、ブレークダウン時の電位分布を表す。
【図５】図５Ａは、図１のようなデバイスにおける、ブレークダウン時の電界を示す。図５Ｂは、図１のようなデバイスにおける、ブレークダウン時の衝突電離を示す。
【図６】図１のようなデバイスにおける、ブレークダウン時の電流密度の大きさの分布を示す。
【図７】電流ベクトルを示した、図１のようなデバイスの上部側の、ブレークダウン時の電流密度分布図である。
【図８】電流ベクトルを示した、図１のようなデバイスの下部側の、ブレークダウン時の図６のような電流密度分布図である。
【図９】図１のようなデバイスの１つの面の平面図であり、エミッタ／コレクタ領域が縦型フィールドプレートに横方向に取り囲まれる様子を表す。
【図１０】図１のようなデバイスの外縁部の部分断面図であり、ドーピングプロファイルを一般的に表す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［例示的実施形態の詳細な説明］
本願の多数の革新的教示を、現在の好ましい実施形態（例としてであり、制限されない）を具体的に参照して説明する。本願にはいくつかの発明が記載され、以下の説明はいずれも、概して請求項を制限するものであると理解されるべきではない。
【００１０】
米国出願公開第２０１４−０３７５２８７号に記載の完全双方向バイポーラダブルベーストランジスタの種類は、現在、一般的には「Ｂ−ＴＲＡＮ」と称される。その出願のいくつかの実施形態の中には、エミッタ／コレクタ領域が誘電体充填トレンチによってベースコンタクト領域から横方向に分離されているものがある。Ｂ−ＴＲＡＮは、図１の例示的実施例に示すように、三層四端子双方向バイポーラトランジスタである。Ｂ−ＴＲＡＮは対称形のデバイスであり、それは２つの「終端」端子１０２および１０４にかかる電圧の極性が、これら２端子のうちのどちらがエミッタとして機能するか（すなわち、順方向バイアス接合を有する）を決定し、これら端子のうちのどちらがコレクタとして機能するか（すなわち、逆方向バイアス接合を有する）を決定することを意味する。Ｂ−ＴＲＡＮは、一般的には、５−２０の範囲のゲインを有し、バイアス「オフ」のときにどちらの方向の高電圧にも耐えられる。さらに、バイポーラトランジスタとして、０．２ボルトもの低さであり得る最低オン電圧（ＶＣＥ−ＳＡＴ）を有し、それは接合ダイオードの電圧降下（シリコンで０．６ボルト）を大きく下回る。Ｂ−ＴＲＡＮは対称形であるため、双方向スイッチが必要などんな回路にも使用することができる。Ｂ−ＴＲＡＮの対称性を表すデバイス図を図２に表す。
【００１１】
Ｂ−ＴＲＡＮは、ｅベース（エミッタ側のベース）がエミッタに短絡され、ｃベース（コレクタ側のベース）が開放されているときに、「アクティブオフ状態」にある。ＮＰＮ  Ｂ−ＴＲＡＮのこの状態においては、コレクタがアノード（高電圧側）であり、エミッタがカソード（低電圧側）である。
【００１２】
Ｂ−ＴＲＡＮは両ベースが開放されているときにもオフであるが、この状態でＢ−ＴＲＡＮのゲインが比較的大きいために、ブレークダウン電圧は低い。他でも開示されているような、ノーマリオンスイッチと、各ベースと対応エミッタ／コレクタとの間に取り付けられたダイオードとの直列の組み合わせにより、この「パッシブオフ状態」において阻止電圧が大きく増加する。スイッチは正常動作中にオフされる。
【００１３】
図３は完全対称形双方向バイポーラトランジスタを示し、エミッタ／コレクタおよびベースコンタクト領域は誘電体充填トレンチによって分離されている。この構造は米国出願公開第２０１４−０３７５２８７号に記載されている。示されている例はｎｐｎデバイスであり、ｎ型エミッタ／コレクタ領域がｐ型半導体ダイの表面と裏面との両方に存在する。さらに、分離されたｐ型ベースコンタクト領域が表面と裏面との両方に設けられて、ｐ型半導体材料の大部分への接続を提供する。この構造では、半導体ダイの全厚をベースと見なすことが可能であるが、２つのベースコンタクト領域は電気的に異なり、別々に動作する。
【００１４】
Ｂ−ＴＲＡＮデバイスが改良、改善されるにつれ、本発明者たちはダブルベース双方向バイポーラトランジスタがいくつかの独特な課題を提示することに気付いた。課題の１つはコレクタ−ベース分離である。通常のバイポーラ接合トランジスタでは、エミッタとベースとの間の電圧差は決して大きくない。しかし、完全双方向バイポーラトランジスタには、独立したエミッタおよびコレクタではなく、２つのエミッタ／コレクタ端子が存在する。（外部印加電圧の極性のために）コレクタとして働くのがどちら側であっても、その側のエミッタ／コレクタ拡散の底部近くに高電界が生じる。
【００１５】
同じ物理的構造がエミッタまたはコレクタとして機能することができなければいけないという要件は、異なる場合に同じ接合に対して大きく異なる要求をする。例えば、図３のコレクタ／エミッタ端子１０２がコレクタとして働くとき、デバイスの最上部の逆バイアスＰ−Ｎ接合はデバイスを通る全電圧に耐えなければならない。シミュレーションは、驚くべきことに、ｎ型領域をｐ型領域から分離させるために絶縁体充填トレンチ１０６を使用した図３の構造により、絶縁体充填トレンチの底部下の電界強度が増加し、デバイスの耐電圧またはブレークダウン電圧が低下することを表した。
【００１６】
デバイス性能のこの低下を、図１に示すように、トレンチ１０６の側壁および底部に隣接する誘電体層１０８と、ｎ型接合に接続されたトレンチの中央部のフィールドプレート１１０との組み合わせにより減少させ、または無くしてもよい。
【００１７】
誘電体１０８の厚みは、トレンチ１０６の底部下の電界強度が、製造されているデバイスにとっての許容レベルにまで低減されるように選択されなければならない。しかしながら、シミュレーションは、二酸化ケイ素層では１２００ボルトのブレークダウン電圧を有するデバイスには０．２μｍの範囲の厚みで十分であることを示した。
【００１８】
図４Ａの例示的実施形態は、５μｍの深さのトレンチを有する図１のようなデバイスのドーピングプロファイルを表す。この例示的実施形態は１２２３Ｖのブレークダウン電圧および１１９５．２３Ｖの開放ｃベース電圧を有する。図４Ｂは、図４Ａでシミュレーションしたようなデバイスのブレークダウン時の電位の例示的な図である。
【００１９】
図５Ａの例示的実施形態では、図１のようなデバイスのブレークダウン時の電界がシミュレーションされる。同様に、図５Ｂでは、図４Ａでシミュレーションしたような例示的デバイスのブレークダウン時の衝突電離をシミュレーションする。
【００２０】
図６の例示的実施形態は、図１のようなデバイスのブレークダウン時の、コレクタとして働くエミッタ／コレクタ領域近くの電流密度分布図である。エミッタ近くの電流密度はおよそＩＥ＝１００Ａ／ｃｍ２である。ベース−コレクタ電圧はＶＢＣ＝０．７Ｖであり、コレクタ−エミッタ電圧はＶＣＥ＝０．１８４Ｖである。図７の例示的実施形態では、この電流密度分布は、図１のようなデバイスのコレクタ近くの電流方向を表すベクトルにより補完される。同様に、図８の例示的実施形態は、図１のようなデバイスのエミッタ近くの電流密度分布および電流方向を表す。
【００２１】
図９は図１のようなデバイスの１つの面の平面図であり、エミッタ／コレクタ領域が縦型フィールドプレートに横方向に取り囲まれる様子を表す。
図１０は図１のようなデバイスの外縁部の部分断面図であり、ドーピングプロファイルを概して示す。この例では、フィールドリミッティングリングが２つだけ示されているが、実際はフィールドリミッティングリングの数ははるかに多く、例えば１０個であることに留意されたい。
【００２２】
活性領域にはエミッタ領域が含まれ、各エミッタ領域は縦型フィールドプレートに取り囲まれている。各エミッタ領域の長い端縁に隣接してベースコンタクト領域が存在する。
活性領域の端縁からダイの端縁までに存在するのは以下の領域である。
【００２３】
−活性領域全体を取り囲むフィールドプレート。フィールドプレートは外側へ向けて延在して活性領域の端縁のＰ−領域を超えて、厚いフィールド酸化物領域を有する領域内に至る。
【００２４】
−低濃度ドープｐ型基板内に拡散された低濃度ドープｎ型領域で構成される、およそ１０個の一連のフィールドリミッティングリング（ＦＬＲ）。ＦＬＲは空乏領域を広げるためにフィールドプレートを有する。
【００２５】
−ダイの端縁に形成されたＰ＋領域と接触するアルミニウムリングで構成される、終端の外周の等電位リング。
この例では、（外縁部の）ｎ−と表されたドーピングは、エミッタ／コレクタ領域で使用されるものと同じリンドーピングであることが好ましい。エミッタ／コレクタ領域自体は、ｎ−外縁領域に存在しない、より浅いｎ＋コンタクトドーピングをも有する。これはＡｓ（ヒ素）であることが好ましい。
【００２６】
同様に、この例では、（外縁部の）ｐ−と表されたドーピングは、エミッタ／コレクタ領域で使用されるものと同じホウ素ドーピングであることが好ましい。この領域自体は、ｎ−外縁領域に存在しない、より浅いｐ＋コンタクトドーピングをも有する。
【００２７】
ｐ−−ドーピングは半導体ダイのバルクドーピングである。これは、例えば１２００Ｖ部では１８０−２５０ｏｈｍ・ｃｍ、６００Ｖ部では８０−１２０ｏｈｍ・ｃｍとすることができ、より高い定格電圧ではより高くすることができる。
［利点］
開示された革新は種々の実施形態において少なくとも以下の利点のうちの１つ以上を提供する。しかしながら、これらの利点のすべてが、開示された革新のすべてから生じるわけではなく、この利点リストは請求項にかかる種々の発明を制限するものではない。
【００２８】
・ブレークダウン電圧の上昇
・耐久性の向上
・ターンオフ中の性能向上
・デバイス性能の向上
いくつかの実施形態において、しかし必ずしもすべての実施形態においてではないが、エミッタ／コレクタ拡散を最も近いベースコンタクト拡散から分離させるために絶縁フィールドプレートを使用した、デュアルベース両面バイポーラパワートランジスタが提供される。これにより、ターンオフ性能およびブレークダウン電圧の驚くべき改善がもたらされる。
【００２９】
いくつかの実施形態において、しかし必ずしもすべての実施形態においてではないが、パワー半導体デバイスであって、該デバイスは、第１および第２の面を有する第２導電性型半導体ダイの第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２の第１導電性型エミッタ／コレクタ領域と、半導体ダイの第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２の第２導電性型ベースコンタクト領域と、半導体ダイの第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２の絶縁フィールドプレート構造であって、フィールドプレート構造は導電性を有し、縦方向に延在し、横方向にエミッタ／コレクタ領域と隣接する、第１および第２の絶縁フィールドプレート構造と、を備え、第１のエミッタ／コレクタ領域は一般的には側面および端部を有する細片状に形成され、両側面および両端部において第１の絶縁フィールドプレート構造によって横方向に取り囲まれ、第１の絶縁フィールドプレート構造に電気的に接続され、第２のエミッタ／コレクタ領域は一般的には側面および端部を有する細片状に形成され、両側面および両端部において第２の絶縁フィールドプレート構造によって横方向に取り囲まれ、第２の絶縁フィールドプレート構造に電気的に接続され、それによってブレークダウン電圧が印加電圧のどちらの極性下においても改善される、デバイスが提供される。
【００３０】
いくつかの実施形態において、しかし必ずしもすべての実施形態においてではないが、パワー半導体デバイスであって、該デバイスは、第１および第２の面を有するｐ型半導体ダイと、半導体ダイの第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２のｎ型エミッタ／コレクタ領域と、半導体ダイの第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２のｐ型ベースコンタクト領域と、半導体ダイの第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２のトレンチフィールドプレート構造と、を備え、第１のエミッタ／コレクタ領域は第１のトレンチフィールドプレート構造に電気的に接続され、第１のトレンチフィールドプレート構造によって完全に取り囲まれ、第２のエミッタ／コレクタ領域は第２のトレンチフィールドプレート構造に電気的に接続され、第２のトレンチフィールドプレート構造によって完全に取り囲まれ、それによってブレークダウン電圧が印加電圧のどちらの極性下においても改善される、デバイスが提供される。
【００３１】
いくつかの実施形態において、しかし必ずしもすべての実施形態においてではないが、パワー半導体デバイスであって、該デバイスは、第１および第２の面を有するｎ型半導体ダイと、半導体ダイの第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２のｐ型エミッタ／コレクタ領域と、半導体ダイの第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２のｎ型ベースコンタクト領域と、半導体ダイの第１および第２の面上にそれぞれ位置する、第１および第２のトレンチフィールドプレート構造と、を備え、第１のエミッタ／コレクタ領域は第１のトレンチフィールドプレート構造に電気的に接続され、第１のトレンチフィールドプレート構造によって完全に取り囲まれ、第２のエミッタ／コレクタ領域は第２のトレンチフィールドプレート構造に電気的に接続され、第２のトレンチフィールドプレート構造によって完全に取り囲まれ、それによってブレークダウン電圧が印加電圧のどちらの極性下においても改善される、デバイスが提供される。
【００３２】
いくつかの実施形態において、しかし必ずしもすべての実施形態においてではないが、スイッチングの方法であって、該方法は、オン状態において、ｐ型基板の対向面に位置する第１および第２のｐ型ベースコンタクト領域のうちの一方（しかし両方ではない）へベース電流を駆動することであって、それによって、おなじくｐ型基板の対向面に位置する第１および第２のｎ型エミッタ／コレクタ領域間で電流の通過が可能になり、ベースコンタクト領域およびエミッタ／コレクタ領域は、基板の両面上で、誘電体材料に横方向に取り囲まれた縦方向に延在する導電性フィールドプレートによって横方向に分離されている、ことと、オフ状態において、絶縁フィールドプレートへの容量結合によってエミッタ−ベース接合近くの最大電界を低減させることと、を含む、方法が提供される。
【００３３】
いくつかの実施形態において、しかし必ずしもすべての実施形態においてではないが、スイッチングの方法であって、該方法は、オン状態において、ｎ型基板の対向面に位置する第１および第２のｎ型ベースコンタクト領域うちの一方（しかし両方ではない）へベース電流を駆動することであって、それによって、おなじくｎ型基板の対向面に位置する第１および第２のｐ型エミッタ／コレクタ領域間で電流の通過が可能になり、ベースコンタクト領域およびエミッタ／コレクタ領域は、基板の両面上で、誘電体材料に横方向に取り囲まれた縦方向に延在する導電性フィールドプレートによって横方向に分離されている、ことと、オフ状態において、絶縁フィールドプレートへの容量結合によってエミッタ−ベース接合近くの最大電界を低減させることと、を含む、方法が提供される。
【００３４】
いくつかの実施形態において、しかし必ずしもすべての実施形態においてではないが、ｐ型半導体ダイの第１および第２の面の両方の上にｎ型エミッタ／コレクタ領域およびｐ型ベースコンタクト領域の両方を有するパワーバイポーラ半導体デバイスのスイッチングの方法であって、該方法は、オン状態において、ベースコンタクト領域うちの一方へベース電流を駆動することと、オフ状態への移行において、第１の面のベースコンタクト領域を、第１の面のエミッタ／コレクタ領域に一時的に短絡させると同時に、第２の面のベースコンタクト領域を、第２の面のエミッタ／コレクタ領域に短絡させることと、その後の少なくとも第１の面のベースコンタクト領域をフロートすることと、を含み、第１の面のベースコンタクト領域は第２の面のベースコンタクト領域に接続されておらず、トレンチフィールドプレートは各エミッタ／コレクタ領域を、対応するベースコンタクト領域から分離し、それによって、両極性の電流が対向面上のエミッタ／コレクタ領域間を制御可能にスイッチングされる、方法が提供される。
【００３５】
いくつかの実施形態において、しかし必ずしもすべての実施形態においてではないが、スイッチング回路であって、スイッチング回路は、ｐ型モノリシック半導体ダイの両対向面上にｎ型エミッタ／コレクタ領域およびｐ型ベースコンタクト領域の両方を有するダブルベース双方向ｎｐｎ半導体デバイスと、対向面上の第１および第２ベースコンタクト領域に別々に接続された制御回路と、ノーマリオンスイッチがオンのときに低電圧ダイオードのアノードがｐ型ベースコンタクト領域に接続され、低電圧ダイオードのカソードがｎ型エミッタ／コレクタ領域に接続されるように接続された低電圧ダイオードとノーマリオンスイッチとの直列の組み合わせをそれぞれが有する異なる第１および第２のクランプ回路と、各エミッタ／コレクタ領域を隣接するベースコンタクト領域から分離する、トレンチ内の絶縁フィールドプレート構造と、を有し、低電圧ダイオードは、エミッタ／コレクタ領域と半導体ダイとの間のｐ−ｎ接合のダイオード降下より小さい順電圧でオンし、それによって、ノーマリオンスイッチがオンのときに、エミッタ／コレクタ領域と半導体ダイとの間のｐ−ｎ接合が順方向にバイアスされ得ない、スイッチング回路が提供される。
【００３６】
いくつかの実施形態において、しかし必ずしもすべての実施形態においてではないが、ｐ型半導体ダイの第１および第２の面の両方の上にｎ型エミッタ／コレクタ領域およびｐ型ベースコンタクト領域の両方を有するパワー半導体デバイスのスイッチングの方法であって、該方法は、オン状態において、エミッタ／コレクタ領域のうちのより高電位な一方により近い方のベースコンタクト領域へベース電流を流すが、ベースコンタクト領域のうちのもう一方にベース電流を流さないことを含み、第１の面のベースコンタクト領域は、半導体ダイ自体を介するのを除いて第２の面のベースコンタクト領域と電気的に接続されておらず、第１の面のエミッタ／コレクタ領域は第２の面のエミッタ／コレクタ領域と電気的に接続されておらず、トレンチフィールドプレートは各エミッタ／コレクタ領域を、各ベースコンタクト領域から分離し、それによって、オン状態での低電圧降下および確実なターンオフを実現する双方向スイッチングが、提供される。
【００３７】
いくつかの実施形態において、しかし必ずしもすべての実施形態においてではないが、ｐ型半導体ダイの第１および第２の面の両方の上にｎ型エミッタ／コレクタ領域およびｐ型ベースコンタクト領域の両方を有するパワー半導体デバイスのスイッチングの方法であって、該方法は、ターンオン時に、エミッタ／コレクタ領域のうちのより高電位な一方を、面のうちの同じ一方のベースコンタクト領域とともに短絡させ、それによってダイオード電圧降下をともなう電流導通を行うことと、その後ベースコンタクト領域のうちの少なくとも一方にベース電流を流して、バイポーラトランジスタとしてダイオード電圧降下未満で導通を開始することと、を含み、第１の面のベースコンタクト領域は、半導体ダイ自体を介するのを除いて第２の面のベースコンタクト領域と電気的に接続されておらず、トレンチフィールドプレートは各エミッタ／コレクタ領域を、対応するベースコンタクト領域から分離し、それによって、オン状態での低電圧降下および確実なターンオフを実現する双方向スイッチングが、提供される。
［変更例および変形例］
当業者であればわかるように、本願に記載の革新的概念は広大な応用範囲にわたって変更および変形することが可能であり、したがって、特許された主題の範囲は、示された特定の例示的教示のどれにも制限されるものではない。添付の請求項の主旨および広い範囲内に入るすべての選択肢、変更例、および変形例を含むことを意図している。
【００３８】
上記例では半導体ダイはシリコンであるが、代わりにその他の半導体材料を使用することもできる。
フィールドプレートはドープポリシリコンでできていることが好ましいが、アルミニウムやタングステンなどのその他の導電性材料も使用することができる。
【００３９】
フィールドプレート周りの絶縁は、オフ状態にコレクタ側で見られる大きな電圧降下に耐えられるほど厚いことが好ましい。さらに、フィールドプレート周りの絶縁は、必要に応じてより頑丈にすることができる。
【００４０】
フィールドプレート周りの絶縁は、（シリコン）ダイにエッチングされたトレンチの側壁上に成長した二酸化ケイ素の薄い層によって提供されることが好ましい。しかしながら、代わりにこの絶縁層は多数の異なる材料を含むことも可能である。
【００４１】
変形例および実行例を表すのに役立つ、追加の一般的背景を以下の刊行物に見ることができる。ここに、米国特許第９，０２９，９０９号、米国特許第９，０３５，３５０号、米国特許第９，０５４，７０６号、米国特許第９，０５４，７０７号、および米国特許第９，０５９，７１０号のすべてを参照により援用する。
【００４２】
変形例および実行例、ならびに以下に請求する発明と相乗的に実施することができるいくつかの特徴を表すのに役立つ、追加の一般的背景を以下の米国特許出願に見るであろう。これらの出願のすべては、本願と少なくともいくらかの共通の所有者、同時係属性、および発明者を有し、それらのすべて、およびそれらの中に直接的または間接的に包含されるあらゆる題材が、ここに参照により援用される。米国特許出願公開第２０１５−０２１４０５５Ａ１、米国特許出願公開第２０１５−０２１４２９９Ａ１、米国特許出願公開第２０１５−０２７０７７１Ａ１、米国特許出願公開第２０１５−０２７０８３７Ａ１、米国特許出願公開第２０１５−０２８０６１３Ａ１、ＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／４３９６２号、ＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／６９６１１号、ＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／１１８２７号、１４／７５５，０６５号、１４／７９１，９７７号、１４／７９２，２６２号、および上記あらゆる出願のすべての優先出願が、残らずここに参照により援用される。
【００４３】
本願のどの記載も、特定の要素、工程、または機能が特許請求の範囲に含まれなければならない必須の要素であることを意味していると理解されるべきでない。特許された主題の範囲は、許可された請求項によってのみ定義される。さらに、これらの請求項はどれも、「ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ」という語そのものに分詞が続かない限り、米国特許法第１１２条の第６段落を行使することを意図しない。
【００４４】
出願時の請求項は可能な限り包括的であることを意図したものであり、主題は意図しては、放棄、無償譲渡、または取り下げされない。
【図１】
0006559232.tif 000002
【図２】
0006559232.tif 000003
【図３】
0006559232.tif 000004
【図４】
0006559232.tif 000005
【図５】
0006559232.tif 000006
【図６】
0006559232.tif 000007
【図７】
0006559232.tif 000008
【図８】
0006559232.tif 000009
【図９】
0006559232.tif 000010
【図１０】
0006559232.tif 000011