(57)【要約】【課題】  逆導通ＩＧＢＴがターンオンするときに発生するスナップバック現象を抑える技術を提供すること。【解決手段】  逆導通ＩＧＢＴ１の半導体層１０は、ｎ+型のカソード領域１３とコレクタ電極２２の間に設けられているｐ型の整流領域１２を有する。整流領域１２は、カソード領域１３に接触しており、コレクタ電極２２に電気的に接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
逆導通ＩＧＢＴであって、
ＩＧＢＴ構造とダイオード構造が作り込まれている半導体層と、
前記半導体層の一方の主面の少なくとも一部に設けられているコレクタ電極と、を備えており、
前記半導体層は、
第１導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域と前記コレクタ電極の間の少なくとも一部に設けられており、前記コレクタ電極に電気的に接続する第２導電型のコレクタ領域と、
前記ドリフト領域と前記コレクタ電極の間の少なくとも他の一部に設けられている第１導電型のカソード領域と、
前記カソード領域と前記コレクタ電極の間に設けられており、前記カソード領域に接しており、前記コレクタ電極に電気的に接続する第２導電型の整流領域と、を有する逆導通ＩＧＢＴ。
【請求項２】
前記整流領域は、前記ダイオード構造が動作するときに、前記カソード領域とのｐｎ接合に印加される逆バイアスによって空乏化するように構成されている、請求項１に記載の逆導通ＩＧＢＴ。
【請求項３】
前記整流領域は、前記ダイオード構造が動作するときに、トンネル電流が流れるように構成されている、請求項１に記載の逆導通ＩＧＢＴ。
【請求項４】
前記逆導通ＩＧＢＴは、エミッタ電極をさらに備えており、
前記エミッタ電極は、前記半導体層の表面の少なくとも一部に設けられており、
前記コレクタ電極は、前記半導体層の裏面の少なくとも一部に設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の逆導通ＩＧＢＴ。
【請求項５】
前記逆導通ＩＧＢＴは、絶縁ゲートをさらに有しており、
前記半導体層は、
前記ドリフト領域の上方の少なくとも一部に設けられており、前記絶縁ゲートに接する第２導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域の上方の少なくとも一部に設けられており、前記絶縁ゲートに接する第１導電型のエミッタ領域と、をさらに有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の逆導通ＩＧＢＴ。
【請求項６】
前記絶縁ゲートは、前記半導体層の前記表面から深部に向けて伸びるトレンチゲートを有する、請求項５に記載の逆導通ＩＧＢＴ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される技術は、逆導通ＩＧＢＴ（Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ構造が形成されている半導体層内にダイオード構造を一体化させた逆導通ＩＧＢＴが開発されている。このような逆導通ＩＧＢＴでは、半導体層の表層部に絶縁ゲートが形成されており、半導体層の裏層部にｐ型のコレクタ領域とｎ型のカソード領域が形成されている。ｐ型のコレクタ領域が設けられている範囲がＩＧＢＴ範囲として区画され、ｎ型のカソード領域が設けられている範囲がダイオード範囲として区画される。逆導通ＩＧＢＴでは、ダイオード構造がフリーホイールダイオードとして動作する。
【０００３】
絶縁ゲートにオン電圧が印加されると、逆導通ＩＧＢＴがターンオンする。このとき、ダイオード範囲に設けられた絶縁ゲートに寄生するＭＯＳも動作し、その寄生ＭＯＳを介してダイオード範囲に電流が流れる。ダイオード範囲を一定以上の電流が流れると、ｐ型のコレクタ領域から正孔注入が始まり、ＩＧＢＴ構造が動作する。このように、逆導通ＩＧＢＴでは、低電流領域において、ダイオード範囲を電流が優先的に流れる。ダイオード範囲を優先的に流れる電流は電子キャリアのみが担っているので、ターンオンする過渡的なタイミングでは、逆導通ＩＧＢＴがユニポーラトランジスタとして動作する。このため、図３に示されるように、逆導通ＩＧＢＴがターンオンするときの過渡的なタイミングでは、低電流領域において順方向電圧が大きく増加するスナップバック現象が発生する。このようなスナップバック現象は、低電流領域の損失を増加させてしまう。また、このようなスナップバック現象は、不均一動作の原因にもなってしまう。
【０００４】
特許文献１は、ｐ型のコレクタ領域とｎ型のカソード領域の面内レイアウトを工夫することで、スナップバック現象を抑える技術を提案する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２６３２１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の技術では、ｐ型のコレクタ領域とｎ型のカソード領域の面内レイアウトが制限される。ｐ型のコレクタ領域とｎ型のカソード領域の面内レイアウトが制限されずに、スナップバック現象が抑えられる技術が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願明細書で開示される逆導通ＩＧＢＴの一実施形態は、半導体層及びコレクタ電極を備える。半導体層には、ＩＧＢＴ構造とダイオード構造が作り込まれている。コレクタ電極は、半導体層の一方の主面の少なくとも一部に設けられている。半導体層は、第１導電型のドリフト領域、第２導電型のコレクタ領域、第１導電型のカソード領域及び第２導電型の整流領域を有する。コレクタ領域は、ドリフト領域とコレクタ電極の間の少なくとも一部に設けられており、コレクタ電極に電気的に接続する。カソード領域は、ドリフト領域とコレクタ電極の間の少なくとも他の一部に設けられている。整流領域は、カソード領域とコレクタ電極の間に設けられており、カソード領域に接しており、コレクタ電極に電気的に接続する。
【０００８】
上記したように、逆導通ＩＧＢＴがターンオンするときの過渡的なタイミングにおいて、ダイオード範囲の寄生ＭＯＳが動作すると、ダイオード範囲に電流が流れる。上記実施形態の逆導通ＩＧＢＴでは、整流領域がダイオード範囲に設けられているので、このような電流が流れることを抑制することができる。このように、上記実施形態の逆導通ＩＧＢＴでは、ターンオンするときの過渡的なタイミングにおいて、ダイオード範囲を流れる電流が抑えられ、これにより、スナップバック現象が抑えられる。上記実施形態の逆導通ＩＧＢＴでは、コレクタ領域とカソード領域の面内レイアウトに制限が加えられることなく、スナップバック現象が抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】逆導通ＩＧＢＴの要部断面図を模式的に示す。
【図２】実施例の電子装置における逆導通ＩＧＢＴのＩＶ特性を示す。
【図３】従来例の逆導通ＩＧＢＴのＩＶ特性を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
【００１１】
本明細書で開示される逆導通ＩＧＢＴの一実施形態は、半導体層とコレクタ電極を少なくとも備えていてもよい。半導体層には、ＩＧＢＴ構造とダイオード構造が作り込まれている。半導体層の材料は、特に限定されるものではない。半導体層の材料には、例えば、シリコン、炭化珪素又は窒化物半導体が用いられてもよい。コレクタ電極は、半導体層の一方の主面の少なくとも一部に設けられている。半導体層は、第１導電型のドリフト領域、第２導電型のコレクタ領域、第１導電型のカソード領域及び第２導電型の整流領域を少なくとも有していてもよい。コレクタ領域は、ドリフト領域とコレクタ電極の間の少なくとも一部に設けられており、コレクタ電極に電気的に接続する。カソード領域は、ドリフト領域とコレクタ電極の間の少なくとも他の一部に設けられている。整流領域は、カソード領域とコレクタ電極の間に設けられており、カソード領域に接しており、コレクタ電極に電気的に接続する。ここで、コレクタ領域とカソード領域のレイアウトは、特に限定されない。例えば、半導体層を特定の断面で観測したときに、コレクタ領域とカソード領域が交互に配置されるレイアウトであってもよい。
【００１２】
本明細書で開示される逆導通ＩＧＢＴの一実施形態では、整流領域が、ダイオード構造が動作するときに、カソード領域とのｐｎ接合に印加される逆バイアスによって空乏化するように構成されていてもよい。この逆導通ＩＧＢＴでは、パンチスルー現象が生じることで、ダイオード構造がフリーホイールダイオードとして動作することができる。
【００１３】
本明細書で開示される逆導通ＩＧＢＴの一実施形態では、整流領域が、ダイオード構造が動作するときに、トンネル電流が流れるように構成されていてもよい。この逆導通ＩＧＢＴでは、トンネル現象が生じることで、ダイオード構造がフリーホイールダイオードとして動作することができる。
【００１４】
本明細書で開示される逆導通ＩＧＢＴの一実施形態は、縦型で構成されていてもよい。この場合、逆導通ＩＧＢＴは、エミッタ電極をさらに備えていてもよい。エミッタ電極は、半導体層の表面の少なくとも一部に設けられている。コレクタ電極は、半導体層の裏面の少なくとも一部に設けられている。
【００１５】
本明細書で開示される逆導通ＩＧＢＴの一実施形態は、絶縁ゲートをさらに有していてもよい。この場合、半導体層は、第２導電型のボディ領域及び第１導電型のエミッタ領域をさらに含んでいてもよい。ボディ領域は、ドリフト領域の上方の少なくとも一部に設けられており、絶縁ゲートに接する。エミッタ領域は、ボディ領域の上方の少なくとも一部に設けられており、絶縁ゲートに接する。絶縁ゲートは、半導体層の表面から深部に向けて伸びるトレンチゲートを有していてもよい。
【実施例１】
【００１６】
図１に示されるように、逆導通ＩＧＢＴ１は、ＩＧＢＴ範囲とダイオード範囲に区画された半導体層１０、半導体層１０の裏面を被覆するコレクタ電極２２、半導体層１０の表面を被覆するエミッタ電極２４及び半導体層１０の表層部に形成されている複数のトレンチゲート３０を備える。一例では、コレクタ電極２２及びエミッタ電極２４の材料にアルミニウムが用いられている。トレンチゲート３０は、ポリシリコンを材料とするトレンチゲート電極３２と、そのトレンチゲート電極３２を被覆する酸化シリコンを材料とするゲート絶縁膜３４を有する。一例では、複数のトレンチゲート３０は、半導体層１０の表面に直交する方向から観測したときに、ストライプ状に配置されている。
【００１７】
半導体層１０は、シリコン基板であり、ｐ+型のコレクタ領域１１、ｐ型の整流領域１２、ｎ+型のカソード領域１３、ｎ+型のバッファ領域１４、ｎ型のドリフト領域１５、ｐ型のボディ領域１６、ｐ+型のボディコンタクト領域１７及びｎ+型のエミッタ領域１８を有する。
【００１８】
コレクタ領域１１は、半導体層１０の裏層部の一部に設けられている。コレクタ領域１１は、コレクタ電極２２とバッファ領域１４の間に設けられており、コレクタ電極２２とバッファ領域１４の双方に接しており、ＩＧＢＴ範囲に配置されている。半導体層１０では、コレクタ領域１１が設けられている範囲をＩＧＢＴ範囲という。コレクタ領域１１は、その不純物濃度が濃く、コレクタ電極２２にオーミック接触する。コレクタ領域１１は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の裏面からボロンを導入することで形成されている。
【００１９】
整流領域１２は、半導体層１０の裏層部の一部に設けられている。整流領域１２は、コレクタ電極２２とカソード領域１３の間に設けられており、コレクタ電極２２とカソード領域１３の双方に接しており、ダイオード範囲に配置されている。整流領域１２は、コレクタ電極２２とカソード領域１３を分離する。整流領域１２は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の裏面からボロンを導入することで形成されている。
【００２０】
カソード領域１３は、半導体層１０の裏層部の一部に設けられている。カソード領域１３は、整流領域１２とバッファ領域１４の間に設けられており、整流領域１２とバッファ領域１４の双方に接しており、ダイオード範囲に配置されている。半導体層１０では、カソード領域１３が設けられている範囲をダイオード範囲という。カソード領域１３の不純物濃度は、バッファ領域１４及びドリフト領域１５の不純物濃度よりも濃い。カソード領域１３は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の裏面からリンを導入することで形成されている。
【００２１】
整流領域１２とカソード領域１３は、半導体層１０の厚み方向（紙面上下方向）に直交する断面で観測したときに、同一の面内レイアウトを有する。このため、整流領域１２とカソード領域１３の積層構造が、半導体層１０の裏層部の一部に設けられており、ダイオード範囲に配置される。なお、この例では、ＩＧＢＴ範囲とダイオード範囲が明確に区画されるように、複数のトレンチゲート３０に対応して１つのコレクタ領域１１が配置され、複数のトレンチゲート３０に対応して１つの積層構造が配置されている。このレイアウトは一例であり、この例に代えて、様々なレイアウトを採用することができる。例えば、複数の積層構造がコレクタ領域１１に対して分散して配置されたレイアウトであってもよい。
【００２２】
バッファ領域１４は、コレクタ領域１１とドリフト領域１５の間、及びカソード領域１３とドリフト領域１５の間に設けられており、コレクタ領域１１とカソード領域１３とドリフト領域１５の各々に接しており、ＩＧＢＴ範囲とダイオード範囲の双方に配置されている。バッファ領域１４の不純物濃度は、ドリフト領域１５の不純物濃度よりも濃い。バッファ領域１４は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の裏面からボロンを導入することで形成されている。
【００２３】
ドリフト領域１５は、バッファ領域１４とボディ領域１６の間に設けられており、バッファ領域１４とボディ領域１６の双方に接しており、ＩＧＢＴ範囲とダイオード範囲の双方に配置されている。ドリフト領域１５は、トレンチゲート３０の底部に接する。ドリフト領域１５は、半導体層１０に他の領域を形成した残部であり、不純物濃度は厚み方向に一定である。
【００２４】
ボディ領域１６は、ドリフト領域１５の上方に設けられており、ドリフト領域１５に接しており、ＩＧＢＴ範囲とダイオード範囲の双方に配置されている。ボディ領域１６は、トレンチゲート３０の側面に接する。換言すると、トレンチゲート３０は、半導体層１０の表面から深部に向けて伸びており、ボディ領域１６を貫通してドリフト領域１５に達する。ボディ領域１６は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の表面からボロンを導入することで形成されている。
【００２５】
複数のボディコンタクト領域１７は、ボディ領域１６の上方に設けられており、ボディ領域１６に接しており、ＩＧＢＴ範囲とダイオード範囲の双方に配置されており、半導体層１０の表面に露出する。ボディコンタクト領域１７は、その不純物濃度がボディ領域１６よりも濃く、エミッタ電極２４にオーミック接触する。複数のボディコンタクト領域１７は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の表面からボロンを導入することで形成されている。
【００２６】
複数のエミッタ領域１８は、ボディ領域１６の上方に設けられており、ボディ領域１６に接しており、ＩＧＢＴ範囲とダイオード範囲の双方に配置されており、トレンチゲート３０の側面に接しており、半導体層１０の表面に露出する。エミッタ領域１８は、その不純物濃度が濃く、エミッタ電極２４にオーミック接触する。複数のエミッタ領域１８は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の表面からリンを導入することで形成されている。
【００２７】
逆導通ＩＧＢＴ１では、コレクタ電極２２、コレクタ領域１１、バッファ領域１４、ドリフト領域１５、ボディ領域１６、ボディコンタクト領域１７、エミッタ領域１８、エミッタ電極２４及びトレンチゲート３０がＩＧＢＴ構造を構成する。逆導通ＩＧＢＴ１では、コレクタ電極２２、整流領域１２、カソード領域１３、バッファ領域１４、ドリフト領域１５、ボディ領域１６、ボディコンタクト領域１７及びエミッタ電極２４がダイオード構造を構成する。コレクタ電極２２はダイオード構造におけるカソード電極として機能し、エミッタ電極２４はダイオード構造におけるアノード電極として機能する。
【００２８】
逆導通ＩＧＢＴ１では、コレクタ電極２２にエミッタ電極２４よりも正となる電圧が印加され、トレンチゲート３０にエミッタ電極２４よりも正となる電圧が印加されると、ターンオンする。このとき、トレンチゲート３０の側面に対向するボディ領域１６に反転層が形成され、ドリフト領域１５とエミッタ領域１８が反転層で接続される。
【００２９】
背景技術で説明したように、コレクタ電極２２とカソード領域１３の間に整流領域１２が設けられていない例では、ダイオード範囲に存在する寄生ＭＯＳ（この例の寄生ＭＯＳは、ドリフト領域１５とボディ領域１６とエミッタ領域１８とトレンチゲート３０で構成される）にも反転層が形成され、その寄生ＭＯＳを介してダイオード範囲に電流が流れ、スナップバック現象が発生する。このスナップバック現象による電流は、電子キャリアのみが担う。本実施例の逆導通ＩＧＢＴ１では、コレクタ電極２２とカソード領域１３の間にｐ型の整流領域１２が設けられている。このため、ｐ型の整流領域１２は、スナップバック現象による電子電流が流れることを防止することができる。
【００３０】
このように、逆導通ＩＧＢＴ１では、ターンオンするときの低電流領域でダイオード範囲を電流が流れることが抑えられる。このため、図２に示されるように、逆導通ＩＧＢＴ１では、ターンオンするときの低電流領域で生じるスナップバック現象が抑えられる。
【００３１】
逆導通ＩＧＢＴ１では、整流領域１２とカソード領域１３は、ｐｎダイオードを構成する。このｐｎダイオードは、逆導通ＩＧＢＴ１のダイオード構造がフリーホイールダイオードとして動作するときの電流の流れる方向（エミッタ電極２４からコレクタ電極２２）に対して逆向きに接続されている。このため、逆導通ＩＧＢＴ１のダイオード構造がフリーホイールダイオードとして動作するために、整流領域１２は、リーチスルー現象又はトンネル現象のいずれか一方が生じるように構成されている。
【００３２】
リーチスルー現象が生じるように構成されている整流領域１２は、その不純物濃度が比較的に低濃度な１×１０13〜１×１０16ｃｍ-3あり、厚み方向（紙面上下方向）の半値幅が０．１〜１μｍであるのが望ましい。この場合、逆導通ＩＧＢＴ１のダイオード構造が動作するときに、整流領域１２とカソード領域１３のｐｎ接合に逆バイアスが印加され、そのｐｎ接合から伸びる空乏層によって整流領域１２が空乏化する。これにより、逆導通ＩＧＢＴ１のダイオード構造は、パンチスルー現象を利用して、フリーホイールダイオードとして動作することができる。
【００３３】
トンネル現象が生じるように構成されている整流領域１２は、その不純物濃度が比較的に高濃度な１×１０19〜１×１０22ｃｍ-3であり、厚み方向（紙面上下方向）の半値幅が０．１〜１μｍであるのが望ましい。この場合、逆導通ＩＧＢＴ１のダイオード構造が動作するときに、整流領域１２とカソード領域１３のｐｎ接合に逆バイアスが印加され、整流領域１２にトンネル電流が流れる。これにより、逆導通ＩＧＢＴ１のダイオード構造は、トンネル現象を利用して、フリーホイールダイオードとして動作することができる。
【００３４】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３５】
１：逆導通ＩＧＢＴ、  １０：半導体層、  １１：コレクタ領域、  １２：整流領域１２、  １３：カソード領域、  １４：バッファ領域、  １５：ドリフト領域、  １６：ボディ領域、  １７：ボディコンタクト領域、  １８：エミッタ領域、  ２２：コレクタ電極、  ２４：エミッタ電極、  ３０：トレンチゲート、  ３２：トレンチゲート電極、  ３４：ゲート絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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