【手続補正書】
【提出日】平成22年12月28日(2010.12.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１０】
前記保護スイッチ手段は、前記主絶縁ゲート型電界効果トランジスタの前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間に接続された接合型トランジスタを備え、
前記保護スイッチ制御手段は、前記主絶縁ゲート型電界効果トランジスタの前記ショットキー接触が逆バイアスされる向きの電圧が前記主絶縁ゲート型電界効果トランジスタの前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に印加された時に、前記接合型トランジスタをオン状態にするためのベース電流を供給するために前記接合型トランジスタのベースに接続されたベース電流供給回路から成ることを特徴とする請求項１又は２又は３記載の電気回路のスイッチング装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
なお、スイッチング装置は、更に、前記主絶縁ゲート型電界効果トランジスタをオン・オフ制御するための制御信号を入力させるための制御信号入力導体と前記主絶縁ゲート型電界効果トランジスタの前記ゲート電極との間に接続された抵抗を有していることが望ましい。
また、スイッチング装置は、更に、前記主絶縁ゲート型電界効果トランジスタの前記ゲート電極と前記ソース電極との間に接続された抵抗を有していることが望ましい。
また、前記保護スイッチ手段は、ドレイン電極、ソース電極、ゲート電極及びボディダイオードを有し且つ前記ソース電極が前記主絶縁ゲート型電界効果トランジスタの前記ドレイン電極に接続されている第１の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタと、前記第１の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタのドレイン電極に接続されたドレイン電極、前記主絶縁ゲート型電界効果トランジスタの前記ゲート電極に接続されたソース電極、ゲート電極及びボディダイオードを有している第２の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタとを備えていることが望ましい。
また、前記保護スイッチ制御手段は、前記第１の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタのソース電極とゲート電極との間に接続された抵抗と、前記第１の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極と前記第２の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極との間に接続された逆流阻止ダイオードと、前記第２の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極を直接に又は電流制限抵抗を介して電源共通導体に接続する導体とを備えていることが望ましい。
また、前記保護スイッチ手段を、ドレイン電極、ソース電極、ゲート電極及びボディダイオードを有し且つ前記ソース電極が前記主絶縁ゲート型電界効果トランジスタの前記ドレイン電極に接続されている保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタと、前記保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタのドレイン電極と前記主絶縁ゲート型電界効果トランジスタの前記ゲート電極との間に接続された逆流阻止ダイオードとで構成することもできる。
また、前記保護スイッチ手段を、前記主絶縁ゲート型電界効果トランジスタの前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間に接続された接合型トランジスタで構成することもできる。
また、前記保護スイッチ制御手段を、前記主絶縁ゲート型電界効果トランジスタの前記ショットキー接触が逆バイアスされる向きの逆電圧が前記主絶縁ゲート型電界効果トランジスタの前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に印加されているか否かを検出する逆電圧検出手段と、前記逆電圧検出手段から得られた逆電圧を示す信号に応答して前記保護スイッチ手段をオン駆動する駆動手段とで構成することもできる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明のスイッチング装置の主絶縁ゲート電界効果トランジスタ（主IGFET）は、図２に等価的に示す第１のPN接合ダイオードＤ１のみでなくショットキーバリアダイオードD３及び第２のPN接合ダイオード（寄生ダイオード）D２を内蔵している。もし、本発明に従う保護スイッチ手段を設けない場合には、ショットキーバリアダイオードD３及び第２のPN接合ダイオードD２を逆バイアスする向きの逆方向電圧がソース電極とドレイン電極との間に印加された時に、既に説明したように図１の第２のPN接合ダイオードD２の耐圧が低下し、この第２のPN接合ダイオードD２が逆流阻止機能を失うことがある。これに対し、本発明に従う保護スイッチ手段を設けた場合には、ドレイン電極とソース電極との間に逆方向電圧が印加された時に、保護スイッチ手段がオン状態になり、主IGFETのゲート電極の電位が、ドレイン電極の電位と同一又はほぼ同一になり、ボデイ領域の電位よりも高くなることが阻止又は抑制され、ボデイ領域とソース領域との間のＰＮ接合に基づいて形成される第２のPN接合ダイオード(寄生ダイオード)D２の耐圧の低下を阻止又は抑制することができる。この結果、主IGFETに逆方向電圧が印加された時の第２のPN接合ダイオード(寄生ダイオード)D２を通る逆方向電流が抑制され、主IGFET又は負荷を逆方向電流から保護することができる。
本発明の好ましい実施形態によれば、保護スイッチ手段が第１及び第２の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタの直列回路で構成されている。第２の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタの周知の内蔵ダイオードは、主IGFETに対して正方向電圧が印加された時の逆流阻止の機能を有し、且つ主IGFETに対して逆方向電圧が印加された時の主IGFETのドレイン電極とゲート電極との短絡回路の形成機能を有する。従って、図５の実施例のように第２の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタを個別の逆流阻止ダイオードに置き換えることができる。しかし、個別の逆流阻止ダイオードの内部抵抗は絶縁ゲート型電界効果トランジスタの内部抵抗よりも高い。図２に示す本発明の好ましい実施形態では、第１の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタに対して直列に第２の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタが接続され、主IGFETに対して逆方向電圧が印加された時、第２の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタがオン駆動される。これにより、第２の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタのFETスイッチと内蔵ダイオードとの両方が導通し、第２の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタのオン抵抗（オン時の内部抵抗）が個別の逆流阻止ダイオードに比べて小さくなる。
また、本発明の好ましい実施形態によれば、第１及び第２の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極が逆流阻止ダイオードを介して相互に接続され、第２の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極は直接又は抵抗を介して電源共通導体（グランド側導体）に接続されている。これにより、主IGFETに対して逆方向電圧が印加された時、第１及び第２の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタの両方を同時且つ自動的にオン駆動することができる。
また、第１及び第２の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタを有する本発明の好ましい実施形態において、第１の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタのソース電極とゲート電極との間に定電圧ダイオードが接続されているので、第１の保護用絶縁ゲート型電界効果トランジスタのソース電極とゲート電極との間を過電圧から保護できる。
本発明の別の好ましい実施形態における保護スイッチ手段は、接合型トランジスタから成る。接合型トランジスタは逆流阻止機能を有するので、主絶縁ゲート電界効果トランジスタに正方向電圧が印加された時に保護スイッチ手段に電流（逆流）が流れることを阻止するための個別の素子を接合型トランジスタに直列に接続することが不要になる。これにより、逆方向電圧印加時に主IGFETのドレイン電極とゲート電極とを短絡する保護スイッチ手段のオン抵抗を低減できる。
本発明の更に別の好ましい実施形態における保護スイッチ制御手段は、主IGFETのドレイン電極とソース電極との間に逆電圧が印加されているか否かを検出する逆電圧検出手段を有し、この逆電圧検出手段から得られた逆電圧を示す信号に応答して保護スイッチ手段をオン駆動するので、逆電圧が印加された時に直ちに保護スイッチ手段をオン駆動して、主IGFETを保護することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
図３は図２に示す主IGFET１１を詳しく示す断面図である。この主IGＦＥＴ１１はトレンチ構造のIGFETである。従って、主IGFET１１を構成する半導体基板と呼ぶこともできるシリコン半導体基体４０は、この第１の主面４１から第２の主面４２に向って延びているトレンチ（溝）４３を有する。ソース電極Ｓは半導体基体４０の第１の主面４１上に配置され、ドレイン電極Ｄは半導体基体４０の第２の主面４２に配置され、ゲート電極Ｇはトレンチ４３の中に配置され、ゲート絶縁膜４４を介してトレンチ４３の壁面に対向している。ゲート電極Ｇはトレンチ４３の上に配置された絶縁層４５によってソース電極Ｓと電気的に分離され、図３には示されていない配線導体に接続されている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
P-型の第２のボデイ領域５１は、第２のベース領域と呼ぶこともできるものであって、第１のボデイ領域５０に隣接していると共にトレンチ４３にも隣接し且つ半導体基体４０の第１の主面４１に露出している面を有する。ソース電極ＳはP-型の第２のボデイ領域５１の露出面にショットキー接触している。従って、両者によって図２に示すショットキーバリアダイオード（SBD）D３が形成されている。このショットキーバリアダイオードD３の逆耐圧を１０V以上にするために第２のボデイ領域５１の表面不純物濃度は第１のボデイ領域５０のそれよりも低い値（例えば１×１０16ｃｍ-3以下）に決定されている。なお、この実施例において、P-型の第２のボデイ領域５１は、P型の第１のボデイ領域５０にP型不純物濃度よりも低い濃度でＮ型不純物を拡散してP型不純物の一部をＮ型不純物で補償（相殺）することによって形成されている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
N型の第１のソース領域５３は、P-型の第２のボデイ領域５１に隣接し且つトレンチ４３にも隣接し且つ半導体基体２０の第１の主面４１に露出した面を有する。第１のソース領域５３はP-型の第２のボデイ領域５１の中にN型不純物を選択的に拡散することによって形成された領域であるので、拡散の深さに応じてN型不純物濃度が低下している。このN型の第１のソース領域５３とP-型の第２のボデイ領域５１との間にPN接合５７が形成されている。このPN接合５７は、図２に示す第２のPN接合ダイオードD２を提供する。第２のPN接合ダイオードD２はショットキーバリアダイオードD１と同一又はこれ以上の逆耐圧を有することが望ましい。従って、N型の第１のソース領域５３のN型不純物濃度は、第２のPN接合ダイオードD２に要求された逆耐圧を得ることができる値（例えば１×１０16ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3）に決定される。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
ゲート絶縁膜４４はシリコン酸化膜から成り、トレンチ４３の壁面に形成されている。ゲート電極Ｇは、トレンチ４３の中に充填された不純物ドープの多結晶シリコンから成る。不純物がドープされた多結晶シリコンは導電性を有するので、金属と同様にゲート電極Ｇとして機能する。勿論ゲート電極Ｇを金属で形成することもできる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
図５に示す実施例３のスイッチ装置１０ａを備えた電気回路は、変形された保護スイッチ手段１２ａ及び変形された保護スイッチ制御手段１３ａを設けた点を除いて、図２と同一に形成されている。変形された保護スイッチ手段１２ａは、図２の第２の保護用IGFET２２の代わりに逆流阻止ダイオード２２ａを有している他は図２の保護スイッチ手段１２と同一に構成されている。逆流阻止ダイオード２２ａは、保護用IGFET２１のドレイン電極Ｄと主IGFET１１のゲート電極Ｇとの間に接続され、図２の第２の保護用IGFET２２の内蔵ダイオードＤ１２と同様に機能する。図５に示す実施例３の保護スイッチ制御手段１３ａは、図２から第２の保護用IGFET２２のゲート電極Ｇの制御ラインに相当するものを有さない他は、図２の保護スイッチ制御手段１３と同一に構成されている。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
図６に示す実施例４のスイッチ装置１０ｂの変形された保護スイッチ手段１２ｂは、図２の保護スイッチ手段１２と同様に動作する。即ち、直流電源３１が実線で示すように正常に接続されている時にはオフに制御され、また、直流電源３１が点線で示すように逆に接続されている時にはオンに制御される。更に詳しく説明すると、直流電源３１が実線で示すように正常に接続されている時には保護スイッチ制御手段１３ｂのIGFET２７のボディダイオードＤ１４が導通状態になり、保護スイッチ手段１２ｂのｐｎｐトランジスタＱ１３のベースＢの電位がエミッタＥの電位よりも高くなり、ｐｎｐトランジスタＱ１３はオフに保たれる。また、直流電源３１が点線で示すように逆に接続されている時には、逆流阻止ダイオード２４が導通状態になり、IGFET２７のゲート電極Ｇの電位がソース電極Ｓの電位よりも高くなり、IGFET２７がオン状態になる。これにより、ｐｎｐトランジスタＱ１３のベース電流がIGFET２７を通って流れ、ｐｎｐトランジスタＱ１３がオン状態になる。この結果、図６に示す実施例４の主IGFET１１は図２の同一符号で示す主IGFET１１と同様にオフ状態になり、主IGFET１１を通る逆方向電流は零又は微小になる。従って、図６に示す実施例４によっても図２に示す実施例１と同様な効果を得ることができる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
図７には図２に示す実施例１の主IGFET１１の代りに使用するための変形された主IGFET１１ａが示されている。図７の主IGFET１１ａは、トレンチ４３に沿ってP型不純物を注入することによって第１のボデイ領域５０の中央の第１の部分５０ａを囲む比較的高不純物濃度の第２の部分５０ｂを設け、且つ第２のボデイ領域５１の中央の第１の部分５１ａを囲む比較的高不純物濃度の第２の部分５１ｂを設けた点、且つ少なくとも第１及び第２のボデイ領域５０，５１から成るボデイ領域４９ａに電子線照射処理が施されている点で図３に示す実施例１の主IGFET１１と相違し、この他は図３と同一に形成されている。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
図８には図２に示す実施例１の主IGFET１１の代りに使用するための変形された主IGFET１１ｂが示されている。図８に示す実施例６の変形された主IGFET１１ｂは、P-型の第２のボデイ領域５１´の配置を除いて図３の主IGFET１１と同一に形成されている。図８においてはP-型の第２のボデイ領域５１´が半導体基体４０ｂの第１の主面４１の近傍のみに設けられ、トレンチ４３に隣接していない。P-型の第２のボデイ領域５１´はソース電極Ｓ１を伴なってショットキーバリアダイオードを形成する。従って、図８のように対のトレンチ４３の間にP-型の第２のボデイ領域５１´を限定的に形成した主IGFET１１ｂであっても、図３の主IGFET１１と同様な効果を有する。なお、図８の実施例６の主IGFET１１ｂの第１のボデイ領域５０にも、図７に示す第２の部分５０ｂに相当するものを設けること、及び半導体基体４０ｂに電子線を照射して第１及び第２のボデイ領域５０，５１´における少数キャリアのライフタイムを短くすることができる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
図１１には図２に示す実施例１の主IGFET１１の代りに使用するための変形された主IGFET１１ｃが示されている。この主IGFET１１ｃはプレーナー構造を有し、ゲート絶縁膜４４及びゲート電極Ｇは半導体基体４０ｅの第１の主面４１上に形成されている。また、ドレイン領域４６ａ及びボデイ領域４９ｃが半導体基体４０ｅの第１の主面４１に露出している。ドレイン領域４６ａは図３の実施例１と同様にN+型半導体から成る第１のドレイン領域４７とN-型半導体から成る第２のドレイン領域４８とを有し、第２のドレイン領域４８のみが半導体基体４０ｅの第１の主面４１に露出している。ボデイ領域４９ｃは、第２のドレイン領域４８の中に島状に形成されたP型半導体から成る第１のボデイ領域５０とP-型半導体から成る第２のボデイ領域５１とから成る。ソース領域５２ａは第２のボデイ領域５１の中に島状に形成されている。ゲート絶縁膜４４は少なくともボデイ領域４９ｃの露出面を覆うように半導体基体４０ｅの第１の主面４１上に形成されている。ゲート電極Ｇはゲート絶縁膜４４を介してボデイ領域４９ｃの露出面に対向している。ソース電極Ｓは、ソース領域５２ａにオーミック接触し、第２のボデイ領域５１にショットキー接触している。従って、図１１の実施例９に従う主IGFET１１ｃの等価回路を、図２の主IGFET１１と同様に示すことができる。この図１１に実施例９に従う主IGFET１４ｅを使用して図２に示すスイッチング装置を構成しても実施例１と同様な効果を得ることができる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５６】
図１３の保護スイッチ制御手段１３ｃは、主ＩＧＦＥＴ１１に印加される電圧を検出する手段としての第１及び第２の電圧検出導体６１，６２と、主ＩＧＦＥＴ１１に逆方向電圧が印加されているか否かを検出するための逆電圧検出手段６３と、逆電圧検出手段６３の出力で保護スイッチ手段１２ｃを駆動すための駆動手段としての出力導体６４とから成る。電圧比較器で構成された逆電圧検出手段６３の一方の入力端子は第１の電圧検出導体６１を介して主ＩＧＦＥＴ１１のドレイン電極Ｄに接続され、逆電圧検出手段６３の他方の入力端子は第２の電圧検出導体６２を介して主ＩＧＦＥＴ１１のソース電極Ｓに接続され、出力導体６４は保護スイッチ手段１２ｃの制御端子に接続されている。図１３では逆電圧検出手段６３の出力導体６４が保護スイッチ手段１２ｃの制御端子に直接に接続されているが、逆電圧検出手段６３と保護スイッチ手段１２ｃとの間に保護スイッチ手段１２ｃを駆動するための駆動回路を接続することができる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2010081536.tif 000001