JP2003017700A - Bipolar semiconductor device - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来のIGBTは、耐圧を高めるとオン電圧
まで高くなってしまう。この限界を打ちやぶり、耐圧を
高めてオン電圧を低くする。
【解決手段】 ドレイン電極2、高濃度第1導電型半導
体基板4、高濃度第2導電型バッファ層6、第1導電型
ドリフト層8、第2導電型ドリフト層10、第1導電型
ボディ層12の順で積層し、第1導電型ボディ層12内
に第2導電型エミッタ領域18を形成し、第2導電型エ
ミッタ領域18を貫通して第2導電型ドリフト層10に
達するゲート電極22を形成する。2箇所以上にpn接
合面が形成され、逆バイアス時には空乏層が広く均一に
広がり、オン電圧を低くしても耐圧を高く維持できる。
高濃度第1導電型半導体基板4に代って表面側にキャリ
ア注入層を設けてもよい。
(57) [Problem] To increase the on-state voltage of a conventional IGBT when the breakdown voltage is increased. This limit is overcome, the withstand voltage is increased, and the on-voltage is reduced. SOLUTION: A drain electrode 2, a high-concentration first conductivity type semiconductor substrate 4, a high-concentration second conductivity type buffer layer 6, a first conductivity type drift layer 8, a second conductivity type drift layer 10, a first conductivity type body layer. 12, a second conductivity type emitter region 18 is formed in the first conductivity type body layer 12, and a gate electrode 22 that penetrates through the second conductivity type emitter region 18 and reaches the second conductivity type drift layer 10. To form Two or more pn junction surfaces are formed, and the depletion layer spreads widely and uniformly at the time of reverse bias, so that the breakdown voltage can be maintained high even if the on-voltage is reduced.
A carrier injection layer may be provided on the surface side instead of the high-concentration first conductivity type semiconductor substrate 4.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】 本発明は、バイポーラトラ
ンジスタ、サイリスタ、ダイオード等のバイポーラ型半
導体装置に関する。特に、ドリフト層内で伝導度変調現
象が生じて導通するバイポーラ型半導体装置に関する。
この種のバイポーラトランジスタには、絶縁ゲート型バ
イポーラトランジスタ(以下ではIGBTという)や静
電誘導型バイポーラトランジスタ(以下ではBSITと
いう)が例示される。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a bipolar semiconductor device such as a bipolar transistor, a thyristor, and a diode. In particular, the present invention relates to a bipolar semiconductor device that conducts due to a conductivity modulation phenomenon in the drift layer.
Examples of this type of bipolar transistor include an insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as IGBT) and an electrostatic induction bipolar transistor (hereinafter referred to as BSIT).
【0002】[0002]
【従来の技術】 電力制御用に、前記に例示したIGB
TやBSITやサイリスタ等のバイポーラ型半導体装置
がよく用いられる。ドリフト層内で伝導度変調現象が生
じて導通するバイポーラ型半導体装置は、耐圧が高くて
オン電圧が低いために電力制御に適している。2. Description of the Related Art IGBs exemplified above for power control
Bipolar semiconductor devices such as T, BSIT and thyristors are often used. A bipolar semiconductor device that conducts due to a conductivity modulation phenomenon in the drift layer is suitable for power control because it has a high breakdown voltage and a low on-voltage.
【0003】図22は、従来のIGBTの断面構造の一
例を示し、この場合、p+型半導体基板64の裏面にド
レイン電極62が形成され、p+型半導体基板64上に
n+型バッファ層66が積層され、n+型バッファ層6
6上にn−型ドリフト層70が積層され、n−型ドリフ
ト層70上にp−型ボディ層72が積層されている。p
−型ボディ層72内にn+型エミッタ領域78とp+型
ボディコンタクト領域74が形成され、表面にエミッタ
電極76が形成されている。図5はトレンチゲートでス
イッチングするタイプを例示しており、n−型ドリフト
層70とn+型エミッタ領域78の間のp−型ボディ層
72に対して、絶縁層80を挟んで向かい合う位置にゲ
ート電極82が形成されている。なお指示線の指示箇所
を明瞭にするために、図面の右半分ではハッチングを省
略している。[0003] Figure 22 shows an example of a sectional structure of a conventional IGBT, in this case, p + -type drain electrode 62 on the back surface of the semiconductor substrate 64 is formed, n + -type buffer layer on the p + -type semiconductor substrate 64 66 are stacked to form the n + type buffer layer 6
The n − type drift layer 70 is stacked on the n − type drift layer 70, and the p − type body layer 72 is stacked on the n − type drift layer 70. p
An n + type emitter region 78 and ap + type body contact region 74 are formed in the − type body layer 72, and an emitter electrode 76 is formed on the surface. FIG. 5 exemplifies a type in which switching is performed by a trench gate, and is located at a position facing the p − type body layer 72 between the n − type drift layer 70 and the n + type emitter region 78 with the insulating layer 80 interposed therebetween. The gate electrode 82 is formed. Note that hatching is omitted in the right half of the drawing in order to clarify the pointed portion of the pointing line.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】 従来のIGBTは、
n−型ドリフト層70の高抵抗を利用して耐圧を確保し
ており、耐圧を高めるためにn−型ドリフト層70の抵
抗を高くすると、オン電圧まで高くなってしまう。IG
BTでは、ドリフト層70に伝導度変調現象が生じるた
めに、MOS等と比較すると、ドリフト層70の抵抗が
高くてもオン電圧が低いという長所を備えているが、I
GBT同士を比較すると、ドリフト層70の抵抗が高い
ほどオン電圧が高くなってしまう。バイポーラ型半導体
装置は、MOS等のユニポーラタイプの半導体装置に比
べると、耐圧が高くてオン電圧が低いものの、さらに耐
圧を高めようとするとオン電圧が高くなり、オン電圧を
下げようとすると耐圧が低くなるという限界をもってい
る。本発明は、この限界を打ちやぶり、バイポーラ半導
体装置の耐圧を高めてオン電圧を低くする課題に挑戦す
るものである。Problems to be Solved by the Invention A conventional IGBT is
the n - using high-resistance type drift layer 70 has secured the breakdown voltage, n in order to increase the breakdown voltage - the higher the resistance of the type drift layer 70, it becomes high to turn-on voltage. IG
Since the conductivity modulation phenomenon occurs in the drift layer 70, the BT has an advantage that the ON voltage is low even if the drift layer 70 has a high resistance, as compared with MOS or the like.
When comparing the GBTs, the higher the resistance of the drift layer 70, the higher the ON voltage. The bipolar semiconductor device has a higher breakdown voltage and a lower on-voltage than a unipolar semiconductor device such as a MOS, but if the breakdown voltage is further increased, the on-voltage increases, and if the on-voltage is reduced, the breakdown voltage increases. It has the limit of becoming low. The present invention overcomes this limitation and challenges the problem of increasing the withstand voltage and decreasing the on-voltage of the bipolar semiconductor device.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段と作用】 この発明では、
バイポーラ型半導体装置のドリフト層では伝導度変調現
象が生じて電流が流れるために、ドリフト層に反対導電
型の層を付加することができ、反対導電型の層を付加す
ることで逆接合面が形成されても導通時の電流の流れに
問題を引起さないという知見を利用する。本発明者らの
研究によって、逆接合面を形成するためにオン電圧を上
昇させると予想される反対導電型層を付加しても、伝導
度変調現象が生じて導通する場合にはオン電圧を上昇さ
せないことが確認された。一方、ドリフト層内に逆接合
面を形成する反対導電型層を付加すると、半導体装置に
逆バイアスが加えられた場合に空乏層が広く広がり、耐
圧が高められる。このために、ドリフト層の抵抗を低く
しても従来と同じ耐圧を得ることができる。逆接合面を
形成するためにオン電圧を上昇させると予想される反対
導電型層を付加すると、実際には、耐圧を損ねることな
くドリフト層の抵抗を低くすることができ、その結果か
えってオン電圧を低下させることができるのである。こ
の知見を活用することによって、従来以上に耐圧が高く
てオン電圧が低いバイポーラ型半導体装置を実現するこ
とができる。Means and Actions for Solving the Problems In the present invention,
Since a conductivity modulation phenomenon occurs in the drift layer of the bipolar semiconductor device and a current flows, a layer of the opposite conductivity type can be added to the drift layer, and by adding the layer of the opposite conductivity type, a reverse junction surface can be formed. Utilizing the knowledge that even if formed, it does not cause a problem in the current flow during conduction. According to the research conducted by the present inventors, even if an opposite conductivity type layer, which is expected to increase the on-voltage to form a reverse junction surface, is added, the on-voltage is increased when the conductivity modulation phenomenon occurs and conduction occurs. It was confirmed that it would not be raised. On the other hand, when an opposite conductivity type layer forming an opposite junction surface is added in the drift layer, the depletion layer spreads widely when the semiconductor device is reverse biased, and the breakdown voltage is increased. For this reason, even if the resistance of the drift layer is lowered, the same breakdown voltage as the conventional one can be obtained. By adding an opposite conductivity type layer that is expected to raise the on-voltage to form the reverse junction surface, the resistance of the drift layer can actually be lowered without impairing the breakdown voltage, and as a result, the on-voltage can be lowered. Can be reduced. By utilizing this knowledge, it is possible to realize a bipolar semiconductor device having a higher breakdown voltage and a lower on-voltage than ever before.
【0006】本発明で実現される一つの半導体装置は、
ドリフト層内で伝導度変調現象が生じて導通するバイポ
ーラ型半導体装置のそのドリフト層内に、ドリフト層と
は反対導電型の面的に広がる層を付加したことを特徴と
する(請求項1)。このバイポーラ型半導体装置は、典
型的にはIGBT、BSIT、サイリスタ、ダイオード
等に具体化される。また正負のキャリアがドリフト層の
両面から注入されて伝導度変調が生じるタイプと、正負
のキャリアがドリフト層の片面から注入されて伝導度変
調が生じるタイプの両者に具体化される。One semiconductor device realized by the present invention is
In the drift layer of the bipolar type semiconductor device which conducts due to the conductivity modulation phenomenon in the drift layer, a layer of a conductivity type opposite to that of the drift layer and spreading in a plane is added (claim 1). . This bipolar type semiconductor device is typically embodied as an IGBT, a BSIT, a thyristor, a diode or the like. Further, it is embodied as both a type in which positive and negative carriers are injected from both sides of the drift layer to cause conductivity modulation, and a type in which positive and negative carriers are injected from one side to the drift layer to cause conductivity modulation.
【0007】ドリフト層内に反対導電型の領域を形成し
ておけば、半導体装置に逆バイアスがかかったときに、
逆接合面から空乏層が伸びるために、耐圧が高まるもの
と予想される。その反面、導通時には逆接合面が電流の
流れを妨げるために、オン電圧を上昇させるものと予想
される。そこで、前者の利点を活用して後者の欠点を克
服することが求められ、このために、ドリフト層内に反
対導電型領域を離隔的に分散配置する技術が開発され
た。これが特開平9−191109号公報に開示されて
いる。この技術によれば、逆バイアスがかかったときに
逆接合面から空乏層が伸びて耐圧が高められ、正バイア
スがかかったときには反対導電型領域を避けて電流が流
れるためにオン電圧は高くならない。しかしながらこの
技術では、ドリフト層内に反対導電型領域を離隔的に分
散配置することが求められ、反対導電型の層が面的に広
がってしまってはならない。面的に広がってしまうと、
その面的に広がる逆接合面によってオン電圧が上昇して
しまうはずだからである。このために、従来の技術で
は、ドリフト層内に反対導電型領域を離隔的に分散配置
することが求められ、製造しずらく、製造コストを押し
上げていた。しかるに、本発明者らの研究によって、ド
リフト層内で伝導度変調現象が生じて導通する場合に
は、逆接合面が簡単に潰れてしまうことが確認され、ド
リフト層内で伝導度変調現象が生じて導通する場合に限
ってみれば、ドリフト層内の反対導電型層が面的に広が
るように形成してもオン電圧を上昇させないことが確認
された。ドリフト層内で伝導度変調現象が生じて導通す
る場合に限ってみれば、ドリフト層内に反対導電型領域
を離隔的に分散配置することが求められず、広い範囲一
様に積層すればよいことが確認された。この場合、反対
導電型層が簡単に製造でき、製造コストは大きく低減さ
れる。If a region of opposite conductivity type is formed in the drift layer, when the semiconductor device is reverse biased,
The breakdown voltage is expected to increase because the depletion layer extends from the reverse junction surface. On the other hand, it is expected that the reverse junction surface impedes the flow of current during conduction, thus increasing the on-voltage. Therefore, it is required to utilize the former advantage to overcome the latter drawback, and for this purpose, a technique of dispersively disposing the opposite conductivity type regions in the drift layer has been developed. This is disclosed in JP-A-9-191109. According to this technique, when a reverse bias is applied, the depletion layer extends from the reverse junction surface to increase the withstand voltage, and when a positive bias is applied, the on-voltage does not increase because the current flows while avoiding the opposite conductivity type region. . However, in this technique, it is required to disperse the opposite conductivity type regions in the drift layer so as to be spaced apart from each other, and the opposite conductivity type layer must not spread in a plane. If it spreads in a plane,
This is because the on-voltage should rise due to the reverse junction surface that spreads across the surface. Therefore, in the conventional technique, it is required to disperse the opposite conductivity type regions in the drift layer so as to be spaced apart from each other, which makes it difficult to manufacture and increases the manufacturing cost. However, according to the research conducted by the present inventors, it was confirmed that, when the conductivity modulation phenomenon occurs in the drift layer and the conduction occurs, the reverse junction surface is easily crushed, and the conductivity modulation phenomenon occurs in the drift layer. It was confirmed that the on-voltage does not rise even if the opposite conductivity type layer in the drift layer is formed so as to spread in a plane only when it occurs and becomes conductive. Only when the conductivity is caused by the conductivity modulation phenomenon in the drift layer, it is not necessary to disperse the opposite conductivity type regions in the drift layer in a separated manner. It was confirmed. In this case, the opposite conductivity type layer can be easily manufactured, and the manufacturing cost is greatly reduced.
【0008】ドリフト層内に追加する反対導電型層の厚
みが、その反対導電型のキャリアの拡散長よりも薄いこ
とが好ましい(請求項2)。この場合、逆バイアスが加
えられたときには空乏層が広く広がり、正バイアスが加
えられたときには逆接合面が簡単に潰れるのでオン電圧
を上昇させないという現象が安定的に得られる。The thickness of the opposite conductivity type layer added in the drift layer is preferably thinner than the diffusion length of carriers of the opposite conductivity type (claim 2). In this case, when the reverse bias is applied, the depletion layer broadly expands, and when the positive bias is applied, the reverse junction surface is easily collapsed, so that the ON voltage is not increased and a phenomenon is stably obtained.
【0009】本発明の1つの典型例は、ドリフト層がバ
ッファ層上に積層されているタイプ、即ち、表裏両面に
電極を持つタイプのIGBTやサイリスタやダイオード
等に実現される(請求項3)。この半導体装置に逆バイ
アスが加えられると、反対導電型層の下面とボディ層の
下面に電界が分散されてかかり、空乏層が広く広がり、
高い耐圧が得られる。このために、耐圧を高めながらド
リフト層の抵抗を下げることができ、オン電圧も下げる
ことができる。本発明の特性が顕著に表れる。但し前記
したように、本発明はドリフト層がバッファ層上に積層
されていて正負のキャリアがドリフト層の両面から注入
される形式に限られず、表面注入型のIGBT等のよう
に、正負のキャリアがドリフト層の片面から注入される
形式にも有効である。One typical example of the present invention is realized in an IGBT, a thyristor, a diode, etc. of a type in which a drift layer is laminated on a buffer layer, that is, a type having electrodes on both front and back surfaces (claim 3). . When a reverse bias is applied to this semiconductor device, an electric field is dispersed and applied to the lower surface of the opposite conductivity type layer and the lower surface of the body layer, and the depletion layer spreads widely,
High breakdown voltage can be obtained. Therefore, the resistance of the drift layer can be reduced while increasing the breakdown voltage, and the on-voltage can also be reduced. The characteristics of the present invention are remarkably exhibited. However, as described above, the present invention is not limited to the form in which the drift layer is stacked on the buffer layer and the positive and negative carriers are injected from both sides of the drift layer, and the positive and negative carriers such as the surface injection type IGBT are used. Is also effective for the type in which is injected from one side of the drift layer.
【0010】ドリフト層がバッファ層上に積層されてい
る場合、反対導電型層がバッファ層上に直接積層されて
いることが好ましい(請求項4)。この場合、バッファ
層とドリフト層の接合面と、ドリフト層とボディ層の接
合面から空乏層が広く広がり、効率的に耐圧が高められ
る。When the drift layer is laminated on the buffer layer, the opposite conductivity type layer is preferably laminated directly on the buffer layer (claim 4). In this case, the depletion layer spreads widely from the junction surface between the buffer layer and the drift layer and the junction surface between the drift layer and the body layer, and the breakdown voltage can be efficiently increased.
【0011】反対導電型層をドリフト層の中間高さに形
成することもできる(請求項5)。この場合、逆接合面
から空乏層が伸びて耐圧が高められる他、ターンオフ時
に他導電型キャリアが他導電型層に蓄積され、それがす
みやかにエミッタ側に抜け易く、ターンオフ時のスイッ
チング時間が短くすることができる。The opposite conductivity type layer may be formed at an intermediate height of the drift layer (claim 5). In this case, the depletion layer extends from the reverse junction surface to increase the withstand voltage, and other conductivity type carriers are accumulated in the other conductivity type layer at the time of turn-off, which easily escapes to the emitter side and the switching time at the time of turn-off is short. can do.
【0012】またドリフト層内に、複数層の反対導電型
層を付加することもできる(請求項6)。この場合、複
数層の反対導電型層の下面から空乏層が均質に広く広が
り、耐圧が効率良く高められる。It is also possible to add a plurality of opposite conductivity type layers in the drift layer (claim 6). In this case, the depletion layer spreads uniformly and widely from the lower surface of the plurality of opposite conductivity type layers, and the breakdown voltage can be efficiently increased.
【0013】ドリフト層内にトレンチゲートが伸びてき
ているバイポーラ型半導体装置の場合、そのトレンチゲ
ートの最深部よりも深い位置に反対導電型層が付加され
ていることが好ましい(請求項7)。この場合、ドリフ
ト層の抵抗を低くできることから、トレンチゲートに沿
って流れる電流をドリフト層の広範囲に広げて流すこと
ができ、オン抵抗が効果的に低くなる。In the case of a bipolar semiconductor device having a trench gate extending in the drift layer, it is preferable that the opposite conductivity type layer is added at a position deeper than the deepest part of the trench gate (claim 7). In this case, since the resistance of the drift layer can be lowered, the current flowing along the trench gate can be spread over a wide range of the drift layer and flowed, and the on-resistance can be effectively lowered.
【0014】ドリフト層内にトレンチゲートが伸びてき
ているバイポーラ型半導体装置の場合、そのトレンチゲ
ートの最深部よりも浅い位置に反対導電型層が付加され
ていてもよい(請求項8)。この場合、導通時には、ト
レンチゲートに向い合うドリフト層にキャリアが集中し
て流れるためにオン電圧が低く抑えられる。ターンオフ
時には、トレンチゲートが他導電型キャリアをエミッタ
側に放出するオフゲートとなり、半導体装置を確実にタ
ーンオフするのに寄与する。ターンオフ時のスイッチン
グ時間を短くすることもできる。1つのトレンチゲート
にオンゲート機能とオフゲート機能を兼用させることも
できれば、オンゲートとオフゲートを別々に設けること
もできる。In the case of a bipolar semiconductor device having a trench gate extending in the drift layer, an opposite conductivity type layer may be added at a position shallower than the deepest part of the trench gate (claim 8). In this case, when conducting, carriers concentrate and flow in the drift layer facing the trench gate, so that the on-voltage can be suppressed low. At the time of turn-off, the trench gate serves as an off-gate that emits carriers of the other conductivity type to the emitter side, which contributes to surely turning off the semiconductor device. The switching time at turn-off can be shortened. One trench gate can have both the on-gate function and the off-gate function, or the on-gate and the off-gate can be provided separately.
【0015】反導電型層の厚みが均一に維持されて面的
に広がっていてもよいし(請求項9)、厚みが周期的に変
化しながら面的に広がっていてもよい(請求項10)。
均一な厚みの層は作成しやすく、生産コストも安価です
む。面内で厚み分布を持たせる方式では、その厚み分布
パターンを選択することで様々な特性に調整し易い。例
えば局所的薄い部分を作成すると、キャリアが移動しや
すく、スイッチング時間を短くすることができる。他導
電型層の厚みが薄いと耐圧向上効果が充分に得られない
可能性があるが、厚みが周期的に変動して近傍に厚い部
分が存在していれば、厚い部分から広がる空乏層によっ
て薄い部分での耐圧向上効果も得られる。厚み分布パタ
ーンを調整することによって、希望されている耐圧、オ
ン抵抗、スイッチング時間といった特性を満足すること
が可能となる。The thickness of the anti-conductivity type layer may be maintained uniform and spread in a plane (claim 9), or the thickness may be spread in a plane while periodically changing (claim 10). ).
Layers of uniform thickness are easy to create and the production cost is low. In the method of providing a thickness distribution in the plane, it is easy to adjust various characteristics by selecting the thickness distribution pattern. For example, when a locally thin portion is created, carriers easily move, and the switching time can be shortened. If the thickness of the other conductivity type layer is thin, the effect of improving the withstand voltage may not be sufficiently obtained, but if the thickness fluctuates periodically and there is a thick portion in the vicinity, the depletion layer spreading from the thick portion may cause An effect of improving the withstand voltage in a thin portion can also be obtained. By adjusting the thickness distribution pattern, it becomes possible to satisfy desired characteristics such as breakdown voltage, on-resistance, and switching time.
【0016】反導電型層内の不純物濃度は厚み方向に均
一であってもよいが(請求項11)、厚み方向に変化し
ていてもよい(請求項12)。濃度分布を与えること
で、オン電圧をさらに下げたり、ターンオフ時に発生す
る逆起電力の大きさを抑制するといったことが可能とな
る。反導電型層を含むドレイン層内の不純物濃度が厚み
方向に変化していてもよい(請求項13)。反対導電型
層以外のドレイン層に濃度分布を与えることで、ターン
オフ時に発生する逆起電力の大きさを抑制することが可
能となる。必要ならバッファ層にも濃度分布を与えるこ
とができる。The impurity concentration in the anti-conductivity type layer may be uniform in the thickness direction (Claim 11) or may vary in the thickness direction (Claim 12). By providing the concentration distribution, it is possible to further reduce the on-voltage and suppress the magnitude of the back electromotive force generated at turn-off. The impurity concentration in the drain layer including the anti-conductivity type layer may vary in the thickness direction (claim 13). By giving the concentration distribution to the drain layer other than the opposite conductivity type layer, it becomes possible to suppress the magnitude of the counter electromotive force generated at turn-off. If necessary, the buffer layer can be provided with a concentration distribution.
【0017】本発明は表裏両面に電極を持つIGBTに
具現化するができる。この場合にはドレイン電極、高濃
度第1導電型半導体基板、高濃度第2導電型バッファ
層、第1導電型ドリフト層、第2導電型ドリフト層、第
1導電型ボディ層の順で積層される。第1導電型ボディ
層内に第2導電型エミッタ領域が形成され、第2導電型
ドリフト層と第2導電型エミッタ領域の間の第1導電型
ボディ層に対して、絶縁層を挟んで向かい合う位置にゲ
ート電極が形成される(請求項14)。この場合、第1
導電型がp型であれば第2導電型はn型であり、第1導
電型がn型であれば第2導電型はp型である。また、第
1導電型ドリフト層と第2導電型ドリフト層の積層構造
は、複数回繰り返して積層されていても良い。高濃度第
2導電型バッファ層と第1導電型ドリフト層の間に、低
濃度第2導電型ドリフト層を追加してもよい。ゲート電
極はトレンチゲート型でも、プレーナゲート型であって
も良い。プレーナゲート型のIGBTの一例が、特開平
7−115189号公報に記載されている。上記のIG
BTは、従来のIGBTよりも耐圧が高く、オン電圧が
低く、電力ロスを減少させる。The present invention can be embodied in an IGBT having electrodes on both front and back surfaces. In this case, the drain electrode, the high-concentration first conductivity type semiconductor substrate, the high-concentration second conductivity type buffer layer, the first conductivity type drift layer, the second conductivity type drift layer, and the first conductivity type body layer are stacked in this order. It A second conductivity type emitter region is formed in the first conductivity type body layer, and faces the first conductivity type body layer between the second conductivity type drift layer and the second conductivity type emitter region with an insulating layer in between. A gate electrode is formed at the position (claim 14). In this case, the first
If the conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type, and if the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type. Further, the laminated structure of the first conductivity type drift layer and the second conductivity type drift layer may be repeatedly laminated a plurality of times. A low concentration second conductivity type drift layer may be added between the high concentration second conductivity type buffer layer and the first conductivity type drift layer. The gate electrode may be a trench gate type or a planar gate type. An example of a planar gate type IGBT is described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-115189. IG above
The BT has a higher breakdown voltage and a lower on-voltage than the conventional IGBT, and reduces power loss.
【0018】前記したIGBTの場合、高濃度第1導電
型半導体基板内に、ストライプ状またはアイランド状に
第2導電型領域が分散配置されていることがある(請求
項15)。この場合、高濃度第1導電型半導体基板から
バッファ層を介してドリフト層に注入されるキャリア量
が抑制され、ターンオフ時にすみやかにキャリアが抜け
られるようすることができる。確実にターンオフでき、
またターンオフ時間を短くすることができる。In the case of the above-mentioned IGBT, the second-conductivity type regions may be dispersed and arranged in stripes or islands in the high-concentration first-conductivity type semiconductor substrate (claim 15). In this case, the amount of carriers injected from the high-concentration first conductivity type semiconductor substrate into the drift layer via the buffer layer is suppressed, and the carriers can be promptly removed at the time of turn-off. You can definitely turn off,
Also, the turn-off time can be shortened.
【0019】本発明は表面からキャリアを注入してドリ
フト層内で伝導度変調現象を発生させるIGBTにも具
現化するができる。この場合には、ドレイン電極、第2
導電型半導体基板、第1導電型ドリフト層、第2導電型
ドリフト層、第1導電型ボディ層の順で積層され、第1
導電型ボディ層内に第2導電型エミッタ領域が形成さ
れ、第2導電型ドリフト層と第2導電型エミッタ領域の
間の第1導電型ボディ層に対して絶縁層を挟んで向かい
合うゲート電極が形成され、第1導電型ボディ層を貫通
して第2導電型ドリフト層に達する高濃度第1導電型領
域が形成され、その高濃度第1導電型領域に注入ゲート
電極が接続されている(請求項16)。上記のIGBT
の場合、ゲート電極に電圧が印加されると、キャリアが
注入ゲート電極から注入されてドリフト層内で伝導度変
調現象が生じて低いオン電圧が実現される。The present invention can also be embodied in an IGBT in which carriers are injected from the surface to cause a conductivity modulation phenomenon in the drift layer. In this case, the drain electrode, the second
A conductive type semiconductor substrate, a first conductive type drift layer, a second conductive type drift layer, and a first conductive type body layer are stacked in this order, and
A second conductivity type emitter region is formed in the conductivity type body layer, and a gate electrode facing the first conductivity type body layer between the second conductivity type drift layer and the second conductivity type emitter region with an insulating layer interposed therebetween is provided. A high-concentration first-conductivity type region that is formed and reaches the second-conductivity-type drift layer through the first-conductivity-type body layer is formed, and the injection gate electrode is connected to the high-concentration first-conductivity type region ( Claim 16). IGBT above
In this case, when a voltage is applied to the gate electrode, carriers are injected from the injection gate electrode, a conductivity modulation phenomenon occurs in the drift layer, and a low on-voltage is realized.
【0020】本発明は表面からキャリアを注入してドリ
フト層内で伝導度変調現象を発生させる静電誘導トラン
ジスタにも具現化するができる。この場合、ドレイン電
極、第2導電型半導体基板、第1導電型ドリフト層、第
2導電型ドリフト層、第1導電型ボディ層の順で積層さ
れ、第1導電型ボディ層内に第2導電型エミッタ領域が
形成され、そのエミッタ領域を挟む両サイドに第1導電
型ボディ層を貫通して第2導電型ドリフト層に達する高
濃度第1導電型領域が形成され、その高濃度第1導電型
領域にゲート電極が接続されている(請求項17)。こ
の場合には、ゲート電極に電圧が印加されると、そのゲ
ート電極に接続されている高濃度第1導電型領域からキ
ャリアが注入されてドリフト層内で伝導度変調現象が生
じて低いオン電圧が実現される。The present invention can also be embodied in a static induction transistor that injects carriers from the surface to generate a conductivity modulation phenomenon in the drift layer. In this case, the drain electrode, the second-conductivity-type semiconductor substrate, the first-conductivity-type drift layer, the second-conductivity-type drift layer, and the first-conductivity-type body layer are stacked in this order, and the second-conductivity body layer is provided with the second conductivity type. A high-concentration first conductivity type region is formed on both sides of the emitter region, the high-concentration first conductivity type region penetrating the first conductivity type body layer and reaching the second conductivity type drift layer. A gate electrode is connected to the mold region (claim 17). In this case, when a voltage is applied to the gate electrode, carriers are injected from the high-concentration first conductivity type region connected to the gate electrode, a conductivity modulation phenomenon occurs in the drift layer, and a low on-voltage is generated. Is realized.
【0021】本発明はダイオードにも具現化するができ
る。この場合、ダイオードを構成する第1導電型層と第
2導電型層の積層構造において、第2導電型層内に第1
導電型の薄層を挿する。その挿入層の厚みは第1導電型
のキャリアの拡散長よりも薄くする(請求項18)。こ
の場合、第2導電型層内に第1導電型の薄層が挿入され
て一見すると4層サイリスタ構造となっているのに、第
1導電型層が薄いために電流が順方向に流れる場合には
逆接合面が簡単に潰れてダイオードとして作用する。こ
のダイオードは耐圧が高くて順方向抵抗が低い。The present invention can also be embodied in a diode. In this case, in the laminated structure of the first-conductivity-type layer and the second-conductivity-type layer that form the diode, the first-conductivity-type layer is formed in the first-conductivity-type layer.
Insert a thin layer of conductivity type. The thickness of the insertion layer is smaller than the diffusion length of the first conductivity type carrier (claim 18). In this case, when the first-conductivity-type thin layer is inserted into the second-conductivity-type layer to have a 4-layer thyristor structure at first glance, but the current flows in the forward direction because the first-conductivity-type layer is thin. The reverse junction surface easily collapses and acts as a diode. This diode has a high breakdown voltage and a low forward resistance.
【0022】本発明はサイリスタにも具現化するができ
る。この場合、サイリスタを構成する第1導電型基板、
第2導電型層、第2導電型ドリフト層、第1導電型層、
第2導電型層の積層において、第2導電型ドリフト層内
に第1導電型の薄層が挿入する。その第1導電型の薄層
の厚みが第1導電型のキャリアの拡散長よりも薄い。こ
の場合にも、第2導電型ドリフト層内の第1導電型層は
薄いために逆接合面が簡単に潰れてサイリスタとして作
用する。このサイリスタは耐圧が高くてオン電圧が低
い。The present invention can also be embodied in a thyristor. In this case, the first conductivity type substrate forming the thyristor,
A second conductivity type layer, a second conductivity type drift layer, a first conductivity type layer,
In the stack of the second conductivity type layers, the first conductivity type thin layer is inserted into the second conductivity type drift layer. The thickness of the first-conductivity-type thin layer is smaller than the diffusion length of the first-conductivity-type carrier. Also in this case, since the first-conductivity-type layer in the second-conductivity-type drift layer is thin, the reverse junction surface is easily crushed and acts as a thyristor. This thyristor has a high breakdown voltage and a low on-voltage.
【0023】[0023]
【実施の形態】 図1は、本発明を、表面電極と裏面電
極とトレンチゲートとを有するIGBTに具現化した第
1実施例を示す。第1実施例の半導体装置の場合、p+
型半導体基板4の裏面にドレイン電極2が形成され、p
+型半導体基板4上にn+型バッファ層6が積層され、
n+型バッファ層6上にp−型ドリフト層8が積層さ
れ、p−型ドリフト層8上にn−型ドリフト層10が積
層され、n−型ドリフト層10上にp−型ボディ層12
が積層されている。p−型ボディ層12内にn+型エミ
ッタ領域18とp+型ボディコンタクト領域14が形成
され、表面にエミッタ電極16が形成されている。n+
型エミッタ領域18とp−型ボディ層12を貫いてn−
型ドリフト層10に達するトレンチが形成され、そのト
レンチ内には、絶縁層20で覆われたゲート電極22が
埋設されている。ゲート電極22は、n−型ドリフト層
10とn+型エミッタ領域18の間のp−型ボディ層1
2に対して絶縁層20を介して向かい合っている。トレ
ンチゲート電極22の最深部よりもp−型ドリフト層8
は深い位置にある。なお、p+型半導体基板4、n+型
バッファ層6、p−型ドリフト層8、n−型ドリフト層
10、p−型ボディ層12のそれぞれの不純物濃度分布
はほぼ一様であり、p−型ドリフト層8は均一な厚みで
水平方向に一様に伸びている。p−型ドリフト層8の厚
みは正孔の拡散長よりも薄い。図1の断面構造は紙面垂
直方向に連続し、図示しない断面でゲート電極22は外
部配線に接続されている。図1に示す断面構造は紙面左
右方向周期的に繰り返されている。First Embodiment FIG. 1 shows a first embodiment in which the present invention is embodied in an IGBT having a front surface electrode, a back surface electrode, and a trench gate. In the case of the semiconductor device of the first embodiment, p +
The drain electrode 2 is formed on the back surface of the type semiconductor substrate 4, and p
An n + type buffer layer 6 is laminated on the + type semiconductor substrate 4,
The p − type drift layer 8 is stacked on the n + type buffer layer 6, the n − type drift layer 10 is stacked on the p − type drift layer 8, and the p − type body layer 12 is stacked on the n − type drift layer 10.
Are stacked. An n + type emitter region 18 and ap + type body contact region 14 are formed in the p − type body layer 12, and an emitter electrode 16 is formed on the surface. n +
N − through the type emitter region 18 and the p − type body layer 12
A trench reaching the mold drift layer 10 is formed, and a gate electrode 22 covered with the insulating layer 20 is buried in the trench. The gate electrode 22 is the p − type body layer 1 between the n − type drift layer 10 and the n + type emitter region 18.
2 facing each other through the insulating layer 20. The p − -type drift layer 8 is deeper than the deepest part of the trench gate electrode 22.
Is in a deep position. The impurity concentration distributions of the p + type semiconductor substrate 4, the n + type buffer layer 6, the p − type drift layer 8, the n − type drift layer 10, and the p − type body layer 12 are substantially uniform. The − type drift layer 8 has a uniform thickness and extends uniformly in the horizontal direction. The p − type drift layer 8 is thinner than the diffusion length of holes. The cross-sectional structure of FIG. 1 is continuous in the direction perpendicular to the paper surface, and the gate electrode 22 is connected to an external wiring in a cross-section not shown. The sectional structure shown in FIG. 1 is periodically repeated in the left-right direction of the paper.
【0024】図1と図22を対比すると明らかに、本実
施例では、n−型ドリフト層70に正孔の拡散長よりも
薄い反対導電型層(p−型ドリフト層)8が付加されて
いる。ドリフト層70の層厚に対して、ドリフト層10
と8の合計層厚は薄くなっている。さらにドリフト層1
0と8の不純物濃度は、従来のドリフト層70の不純物
濃度よりも高く、抵抗が下げられている。Clearly comparing FIG. 1 with FIG. 22, in this embodiment, an opposite conductivity type layer (p − type drift layer) 8 thinner than the diffusion length of holes is added to the n − type drift layer 70. There is. With respect to the layer thickness of the drift layer 70, the drift layer 10
The total layer thickness of # 8 and # 8 is thin. Further drift layer 1
The impurity concentrations of 0 and 8 are higher than the impurity concentration of the conventional drift layer 70, and the resistance is lowered.
【0025】この半導体装置に逆バイアスがかかると、
n+型バッファ層6とp−型ドリフト層8間のpn接合
と、n−型ドリフト層10とp−型ボディ層12間のp
n接合から空乏層が伸びる。n+型バッファ層6とp−
型ドリフト層8間のpn接合から伸びる空乏層は主とし
てp−型ドリフト層8側に伸び、n−型ドリフト層10
にパンチスルーする。p−型ドリフト層8とn−型ドリ
フト層10の全体が空乏化し、ドリフト層の全体が耐圧
を向上させるのに利用される。n−型ドリフト層10と
p−型ボディ層12間のpn接合から伸びる空乏層は主
としてp−型ボディ層12側に伸び、p−型ボディ層1
2の全体に広がる。逆バイアスがかかると、空乏層がド
リフト層8、10とボディ層12に広く広がるために、
このIGBTの耐圧は従来に比して高い。この場合、ド
リフト層8と10の抵抗を高くしなくても、高い耐圧が
得られるために、ドリフト層8と10の不純物濃度を高
めて抵抗を下げ、さらに、層厚を薄くすることができ
る。このために、オン時には、矢印に示すように、ゲー
ト電極22に沿って形成されるチャネルを流れる電流
は、n−型ドリフト層10で広く広がり、ドレイン電極
2側に均一に流れる。これもまた、オン電圧を小さく押
さえることに寄与する。When a reverse bias is applied to this semiconductor device,
A pn junction between the n + type buffer layer 6 and the p − type drift layer 8 and a p between the n − type drift layer 10 and the p − type body layer 12
A depletion layer extends from the n-junction. n + type buffer layer 6 and p −
The depletion layer extending from the pn junction between the n type drift layers 8 mainly extends to the p − type drift layer 8 side, and the n − type drift layer 10
Punch through to. The p − type drift layer 8 and the n − type drift layer 10 are entirely depleted, and the entire drift layer is used to improve the breakdown voltage. The depletion layer extending from the pn junction between the n − type drift layer 10 and the p − type body layer 12 mainly extends toward the p − type body layer 12 side, and the p − type body layer 1
Spread throughout 2. When a reverse bias is applied, the depletion layer spreads widely over the drift layers 8 and 10 and the body layer 12,
The withstand voltage of this IGBT is higher than the conventional one. In this case, a high breakdown voltage can be obtained without increasing the resistance of the drift layers 8 and 10, so that the impurity concentration of the drift layers 8 and 10 can be increased to reduce the resistance, and further the layer thickness can be reduced. . Therefore, when turned on, the current flowing through the channel formed along the gate electrode 22 spreads widely in the n − type drift layer 10 and uniformly flows to the drain electrode 2 side as shown by the arrow. This also contributes to keeping the on-voltage low.
【0026】本実施例のIGBTは、n+型バッファ層
6上に、n−型ドリフト層10とは反対導電型のp−型
ドリフト層8を積層し、その上にn−型ドリフト層10
を積層しているので、従来のIGBTよりも耐圧が高
い。p−型ドリフト層8の厚みは正孔の拡散長よりも薄
く、正バイアスがかかると逆接合が簡単に潰れるために
オン電圧は低い。ドリフト層8と10の不純物濃度が高
くて低抵抗であり、しかも層厚が薄いことから、オン電
圧は低く抑えられる。In the IGBT of this embodiment, a p − type drift layer 8 having a conductivity type opposite to that of the n − type drift layer 10 is laminated on the n + type buffer layer 6, and the n − type drift layer 10 is formed thereon.
Since they are laminated, the breakdown voltage is higher than that of the conventional IGBT. The thickness of the p − type drift layer 8 is smaller than the diffusion length of holes, and the reverse junction is easily collapsed when a positive bias is applied, so that the on-voltage is low. Since the drift layers 8 and 10 have a high impurity concentration and a low resistance and the layer thickness is thin, the on-voltage can be suppressed low.
【0027】図2において、横軸はオン電圧であり、縦
軸はゲート電圧をオフしてからトランジスタを流れる電
流が実際にオフされるまで時間を示す。図中の丸印は図
1のIGBTの測定結果を示し、四角と三角は図22の
IGBT(従来のIGBT)の測定結果を示す。従来に
比して、同じオン電圧であれば応答時間を高速化するこ
とができ、同じ応答時間であればオン電圧を低くできる
ことが確認される。ターンオフ時にp−型ドリフト層8
がキャリアを効果的に排出するのに寄与していることが
確認される。In FIG. 2, the horizontal axis represents the ON voltage, and the vertical axis represents the time from when the gate voltage is turned off until the current flowing through the transistor is actually turned off. Circles in the figure show the measurement results of the IGBT of FIG. 1, and squares and triangles show the measurement results of the IGBT of FIG. 22 (conventional IGBT). It is confirmed that the response time can be shortened with the same on-voltage and the on-voltage can be reduced with the same response time as compared with the conventional case. P − type drift layer 8 at turn-off
Are confirmed to contribute to the effective discharge of carriers.
【0028】図3は、図1のIGBTの製造過程を経時
的に示している。(A)の状態までは通常の工程を経て
製造されるので図示を省略している。(A)の段階で、
n−型ドリフト層10よりも表面側の構造が完成してい
る。n−型ドリフト層10はn+型半導体基板24上に
形成されている。(B)の段階では、n+型半導体基板
24の裏面を研磨して所定の厚みとなるまで薄くする。
(C)の段階では裏面からボロンイオンを高エネルギで
打ち込んで、n−型ドリフト層10の下面にp−型ドリ
フト層8を形成する。(D)では、裏面からBF2イオ
ンを低エネルギで打ち込んで、n+型半導体基板24の
裏面側をp+型4に変える。(E)ではp+型4の下面
にドレイン電極2を完成する。これによって図1のIG
BTが完成する。反対導電型層(p−型ドリフト層8)
は面的に広がっているために、ボロンイオンを一様に注
入することで製造でき、安価に簡便に製造することがで
きる。FIG. 3 shows the manufacturing process of the IGBT of FIG. 1 over time. Illustration up to the state of (A) is omitted because it is manufactured through normal steps. At the stage of (A),
The structure on the surface side of the n − type drift layer 10 is completed. The n − type drift layer 10 is formed on the n + type semiconductor substrate 24. In the step (B), the back surface of the n + type semiconductor substrate 24 is polished and thinned to a predetermined thickness.
In the stage of (C), boron ions are implanted from the back surface with high energy to form the p − type drift layer 8 on the lower surface of the n − type drift layer 10. In (D), BF 2 ions are implanted at low energy from the back surface to change the back surface side of the n + type semiconductor substrate 24 into p + type 4. In (E), the drain electrode 2 is completed on the lower surface of the p + type 4. This allows the IG of FIG.
BT is completed. Opposite conductivity type layer (p − type drift layer 8)
Since it is spread over the surface, it can be manufactured by uniformly implanting boron ions, and can be manufactured easily at low cost.
【0029】図4は第2実施例のIGBTを示し、反対
導電型層(p−型ドリフト層8)が下側のn−型ドリフ
ト層10xと上側のn−型ドリフト層10yの中間に追
加されている。この場合にも、逆バイアスがかけられる
と下側のn−型ドリフト層10xとp−型ドリフト層8
の接合面からp−型ドリフト層8に空乏層が大きく伸
び、高い耐圧が得られる。また導通時には正孔がp−型
ドリフト層8に集中しており、ターンオフ時にその正孔
がすみやかにエミッタ側に抜け出るために、スイッチン
グ時間が短くなるという利点が得られる。FIG. 4 shows the IGBT of the second embodiment, in which an opposite conductivity type layer (p − type drift layer 8) is added between the lower n − type drift layer 10x and the upper n − type drift layer 10y. Has been done. Also in this case, when the reverse bias is applied, the lower n − type drift layer 10x and the p − type drift layer 8 are formed.
The depletion layer greatly extends from the junction surface of the p − type drift layer 8 to obtain a high breakdown voltage. In addition, holes are concentrated in the p − type drift layer 8 during conduction, and the holes quickly escape to the emitter side during turn-off, which has the advantage of shortening the switching time.
【0030】図5は第3実施例を示し、n+型バッファ
層6上に、p−型ドリフト層8とn −型ドリフト層10
の互層を2回繰り返したIGBTを示している。図3で
は、下側の互層を添字aで示し、上側の互層を添字bで
示している。互層の繰返し回数は2回に限られず、3回
以上であっても良い。反対導電型のドリフト層を複数枚
用いると、均質な空乏層を広い範囲に亘って形成するこ
とができ、一層効果的に耐圧が高められる。反対導電型
の複数のドリフト層8a、8bは、トレンチゲート22
の最深部よりも深い領域に形成されており、IGBTの
基本構成を維持している。FIG. 5 shows a third embodiment, where n+Type buffer
On layer 6, p−Type drift layer 8 and n −Type drift layer 10
2 shows an IGBT in which the alternating layers are repeated twice. In Figure 3
Indicates the lower alternating layer with the subscript a and the upper alternating layer with the subscript b
Shows. The number of alternating layers is not limited to 2 times, but 3 times
It may be more. Multiple drift layers of opposite conductivity type
When used, a homogeneous depletion layer can be formed over a wide area.
Therefore, the breakdown voltage can be increased more effectively. Opposite conductivity type
The plurality of drift layers 8a, 8b of the trench gate 22
Is formed in a region deeper than the deepest part of
The basic structure is maintained.
【0031】図6は第4実施例を示し、バッファ層6α
の不純物濃度が厚み方向に勾配を持っている。この場
合、n型不純物濃度が下側で濃く、上側で薄い。この場
合ターンオフ時に空乏層がスムースに広がり、ターンオ
フ時に生じる逆起電力を低くおさえることができる。な
おスムースに広がるとは、突発的に広がることに対比す
るものであって、スイッチング速度を遅らせるほどゆっ
くりと空乏層が広がるということではない。スムースか
つ迅速に空乏層が広がるために、スイッチング速度を遅
らせないようにしながら逆起電力を低くおさえることが
できる。FIG. 6 shows a fourth embodiment of the buffer layer 6α.
Has a gradient in the thickness direction. In this case, the n-type impurity concentration is high on the lower side and low on the upper side. In this case, the depletion layer spreads smoothly at turn-off, and the counter electromotive force generated at turn-off can be suppressed low. It should be noted that the smooth spread is in contrast to the sudden spread, and does not mean that the depletion layer spreads slowly enough to slow the switching speed. Since the depletion layer spreads smoothly and quickly, the back electromotive force can be kept low without delaying the switching speed.
【0032】図7は第5実施例を示し、バッファ層6α
のみならず、p−型ドリフト層8αとn−型ドリフト層
10αも厚み方向に濃度勾配を有する場合を示してい
る。この場合p型基板4αまでもが濃度勾配を持ってい
る。厚み方向の濃度分布を調整することによって、耐圧
を維持しながらオン電圧を下げたり、空乏層の広がる速
度を調整してターンオフ時に生じる逆起電力の大きさを
調整したり、スイッチング時間を調整することができ、
半導体素子の特性が調整しやすくなる。例えば、n−型
ドリフト層10αの厚み方向の一部に不純物の高濃度領
域を作ると、耐圧を維持しながらオン電圧を下げること
ができ、p−型ドリフト層8αの不純物濃度を上に行く
ほど濃くすると、ターンオフ時に空乏層の広がる速度を
遅らせて発生する逆起電力の大きさを抑制することがで
きる。FIG. 7 shows a fifth embodiment of the buffer layer 6α.
Not only the p − type drift layer 8α and the n − type drift layer 10α have a concentration gradient in the thickness direction. In this case, even the p-type substrate 4α has a concentration gradient. By adjusting the concentration distribution in the thickness direction, the on-voltage is lowered while maintaining the breakdown voltage, the speed of depletion layer spreading is adjusted to adjust the amount of back electromotive force generated at turn-off, and the switching time is adjusted. It is possible,
The characteristics of the semiconductor element can be easily adjusted. For example, if a high impurity concentration region is formed in a part of the n − type drift layer 10α in the thickness direction, the on-voltage can be lowered while maintaining the breakdown voltage, and the impurity concentration of the p − type drift layer 8α is increased. When it is made thicker, the spreading speed of the depletion layer at the time of turn-off is delayed and the magnitude of the back electromotive force generated can be suppressed.
【0033】図8は第6実施例を示し、p−型ドリフト
層が、低濃度層8yと中濃度層8xが水平方向に交互に
繰返されて形成されている。ターンオフ時には低濃度層
8yを通過してキャリアが短時間に排除され、スイッチ
ング時間は短い。逆バイアスがかかっている間は、中濃
度層8xからの空乏層が広い範囲に広がり、低濃度層8
yで耐圧が低下するのを防止する。FIG. 8 shows a sixth embodiment, in which a p − type drift layer is formed by alternately repeating a low concentration layer 8y and a medium concentration layer 8x in the horizontal direction. At the time of turn-off, carriers are removed in a short time after passing through the low concentration layer 8y, and the switching time is short. While the reverse bias is applied, the depletion layer from the middle concentration layer 8x spreads over a wide range, and the low concentration layer 8x
It prevents the breakdown voltage from decreasing at y.
【0034】図9は第7実施例を示し、p−型ドリフト
層8βが水平方向に周期的に厚みを変えている。ターン
オフ時には厚みの薄い領域を通過してキャリアが短時間
に排除され、スイッチング時間は短い。逆バイアスがか
かっている間は、厚みの厚いp−型ドリフト層8βから
の空乏層が広い範囲に広がり、薄い部分で耐圧が低下す
るのを防止する。FIG. 9 shows a seventh embodiment, in which the p − type drift layer 8β has its thickness periodically changed in the horizontal direction. At turn-off, carriers are eliminated in a short time by passing through a thin region, and the switching time is short. While the reverse bias is applied, the depletion layer from the thick p − type drift layer 8β spreads over a wide range, and prevents the breakdown voltage from decreasing in the thin portion.
【0035】図10は第8実施例を示し、n−型ドリフ
ト層10x、10yの中間に位置するp−型ドリフト層
8γが水平方向に周期的に厚みを変えている。図9の第
7実施例とほぼ同様の作用を得ることができる。FIG. 10 shows an eighth embodiment, in which the p − type drift layer 8γ located in the middle of the n − type drift layers 10x and 10y changes its thickness periodically in the horizontal direction. It is possible to obtain an operation substantially similar to that of the seventh embodiment shown in FIG.
【0036】図9と図10に示した、水平方向に周期的
に厚みを変えるp−型ドリフト層8β、8γは、下記の
ようにして製作することができる。最初に厚い部分の厚
みを持つp−層を面方向に一様に作成し、次いで厚みを
薄くしたい部分にプロトン(H+)、重水素、あるいは
3重水素イオンを注入し、次いで300〜550℃に加
熱して熱処理してドナー化することによってp−層の一
部をn型化することによってp−層の厚みを薄くする。
あるいは、厚い部分の厚みを持つp−層を面方向に一様
に作成し、次いで厚みを薄くしたい部分にリンイオン注
入して不純物をドナー化してp−層の一部をn型化する
ことによってp−層の厚みを薄くする。イオンを注入し
て不純物をドナー化する位置を周期的に選択することに
よって、水平方向に周期的に厚みを変えるp−型ドリフ
ト層8β、8γが製造される。The p -- type drift layers 8β and 8γ shown in FIGS. 9 and 10 whose thickness is periodically changed in the horizontal direction can be manufactured as follows. First, a p − layer having a thick portion is uniformly formed in the surface direction, and then protons (H + ), deuterium, or deuterium ions are implanted into the portion where the thickness is to be reduced, and then 300 to 550 The p − layer is thinned by heating it to ℃ and heat-treating it to make it a donor, thereby making part of the p − layer n-type.
Alternatively, a p − layer having a thickness of a thick portion is uniformly formed in the surface direction, and then phosphorus ions are implanted into a portion where the thickness is to be thinned to convert impurities into donors to make a part of the p − layer n-type. Reduce the thickness of the p - layer. The p − type drift layers 8β and 8γ whose thickness is cyclically changed in the horizontal direction are manufactured by periodically selecting the positions where the ions are implanted and the impurities are converted to donors.
【0037】図11は第9実施例を示している。前記し
たように図示の断面構造は紙面左右方向に繰り返され、
ドリフト層10内に複数のトレンチゲートが伸びてきて
いる。そしてそのトレンチゲートとトレンチゲートの間
隙の下方位置にのみ、反対導電型のドリフト層8dが付
加されている。トレンチゲート22の直下位置には、反
対導電型のドリフト層8dは存在しない。反対導電型の
ドリフト層8dは必ずしも全面的に広がっている必要は
なく、必要な部分に局所的に存在していても良い。FIG. 11 shows a ninth embodiment. As described above, the cross-sectional structure shown in the drawing is repeated in the left-right direction of the paper,
A plurality of trench gates are extending in the drift layer 10. The drift layer 8d of the opposite conductivity type is added only to the position below the gap between the trench gates. The drift layer 8d of the opposite conductivity type does not exist immediately below the trench gate 22. The opposite conductivity type drift layer 8d does not necessarily have to extend over the entire surface, and may exist locally in a necessary portion.
【0038】図12は第10実施例を示している。この
実施例では、p+型半導体基板4に周期的なピッチでn
+領域3が形成されている。先に説明したように、図1
2の構造は紙面垂直方向に連続しており、n+領域3は
ストライプ状に伸びている。また、図12の断面構造は
紙面左右方向に繰り返され、n+領域3は、トレンチゲ
ートの直下位置に図示左右方向に規則的な周期で複数本
が形成されている。n+領域3は、このIGBTの導通
時に、p+型半導体基板4から過剰な正孔が注入される
のを禁止する作用を果たすために、n+領域3を設ける
ことによってIGBTが確実にターンオフするようにで
きる。スイッチング時間を短くするのにも有効である。
n+領域3はストライプ状に伸び代りに、p+型半導体
基板4内で周期的なピッチでアイランド状に分散配置さ
れていてもよい。FIG. 12 shows a tenth embodiment. In this embodiment, the p + -type semiconductor substrate 4 has a periodic pitch of n.
A + region 3 is formed. As explained above, FIG.
The structure 2 is continuous in the direction perpendicular to the paper surface, and the n + region 3 extends in a stripe shape. Further, the cross-sectional structure of FIG. 12 is repeated in the left-right direction of the drawing, and a plurality of n + regions 3 are formed immediately below the trench gate in the left-right direction in the drawing at regular intervals. Since the n + region 3 has a function of inhibiting injection of excessive holes from the p + type semiconductor substrate 4 when the IGBT is conductive, the n + region 3 is provided to surely turn off the IGBT. You can do it. It is also effective in shortening the switching time.
Instead of extending in stripes, the n + regions 3 may be dispersed and arranged in islands at a periodic pitch in the p + type semiconductor substrate 4.
【0039】図13は第11実施例を示す。n+領域3
はp+型半導体基板4を貫通していなくてもよい。FIG. 13 shows an eleventh embodiment. n + region 3
Do not have to penetrate the p + type semiconductor substrate 4.
【0040】図14は第12実施例を示す。この実施例
では、トレンチゲートが深く、ゲート電極22aと絶縁
膜20aが、p−型ドリフト層8に達している。トレン
チゲートがp−型ドリフト層8に達していると、IGB
Tの導通時には、n−型ドリフト層10のアキュムレー
ション領域を電流が流れるために抵抗が下がってオン電
圧を下降する。ターンオフ時には、ゲート電極22aが
オフゲートとして機能し、p−型ドリフト層8内の正孔
を迅速に引き抜くことができ、確実にターンオフさせる
ことができる。また、スイッチング時間も短くなる。FIG. 14 shows a twelfth embodiment. In this embodiment, the trench gate is deep, and the gate electrode 22a and the insulating film 20a reach the p − type drift layer 8. When the trench gate reaches the p − type drift layer 8, the IGB
When T is conductive, a current flows through the accumulation region of the n − type drift layer 10, so that the resistance decreases and the on-voltage decreases. At the time of turn-off, the gate electrode 22a functions as an off-gate, the holes in the p − type drift layer 8 can be quickly extracted, and the turn-off can be surely performed. Also, the switching time is shortened.
【0041】図15は第13実施例を示す。この実施例
では、ターンオンさせるゲート電極22とは別に、オフ
ゲート電極26が形成されている。オフゲート電極26
は、n−型ドリフト層10、p−型ドリフト層8、n+
型バッファ層6を貫通してp型半導体基板4に達してい
る。オフゲート電極26は、絶縁層27,28で絶縁さ
れている。オフゲート電極26は、ターンオフ時に、p
−型ドリフト層8内の正孔を迅速に引き抜くことがで
き、確実にターンオフさせることができる。また、スイ
ッチング時間を短くする。FIG. 15 shows a thirteenth embodiment. In this embodiment, an off-gate electrode 26 is formed separately from the gate electrode 22 for turning on. Off-gate electrode 26
Are n − type drift layer 10, p − type drift layer 8, n +
It penetrates through the type buffer layer 6 and reaches the p-type semiconductor substrate 4. The off-gate electrode 26 is insulated by the insulating layers 27 and 28. The off-gate electrode 26 is p-typed when turned off.
Holes in the − type drift layer 8 can be quickly extracted, and it can be reliably turned off. Also, the switching time is shortened.
【0042】図16は第14実施例を示す。この実施例
では、オフゲート電極26aが短く、p−型ドリフト層
8でとどまっている。このオフゲート電極26aは、タ
ーンオフ時に、p−型ドリフト層8内の正孔を迅速に引
き抜くことができ、確実にターンオフさせることができ
る。また、スイッチング時間を短くする。FIG. 16 shows a fourteenth embodiment. In this embodiment, the off-gate electrode 26a is short and remains in the p − type drift layer 8. At the time of turn-off, the off-gate electrode 26a can quickly extract holes in the p − type drift layer 8 and can surely turn off. Also, the switching time is shortened.
【0043】図17は第15実施例を示す。この実施例
では、p−型ボディ層12を貫通してn−型ドリフト層
10に達するp+型ホール注入領域52が形成されてい
る。p+型ホール注入領域52の上面には注入ゲート電
極50が形成されている。この場合、ターンオン時に
は、注入ゲート電極50とp+型ホール注入領域52か
らn−型ドリフト層10とp−型ドリフト層8にホール
を注入して活発な伝導度変調現象を発生させる。この場
合、n+型バッファ層6の下面にp+型層は要らない。
n+型層6の下面には直接にドレイン電極2が形成され
ている。図17の半導体装置は、表面注入型IGBTで
あり、図1に示したIGBTと同様の特性を持つ。FIG. 17 shows a fifteenth embodiment. In this embodiment, ap + type hole injection region 52 which penetrates the p − type body layer 12 and reaches the n − type drift layer 10 is formed. An injection gate electrode 50 is formed on the upper surface of the p + type hole injection region 52. In this case, at the time of turn-on, holes are injected from the injection gate electrode 50 and the p + type hole injection region 52 into the n − type drift layer 10 and the p − type drift layer 8 to generate an active conductivity modulation phenomenon. In this case, the p + -type layer is not required on the lower surface of the n + -type buffer layer 6.
The drain electrode 2 is formed directly on the lower surface of the n + type layer 6. The semiconductor device of FIG. 17 is a surface injection type IGBT and has the same characteristics as the IGBT shown in FIG.
【0044】図18は第16実施例を示す。この実施例
では、ゲート電極が存在しない。代りに、n+型エミッ
タ領域56の両サイドに、p−型ボディ層12を貫通し
てn −型ドリフト層10に達するp+型ホール注入領域
59が形成されている。p+型ホール注入領域59の上
面にはゲート電極58が形成され、n+型エミッタ領域
56の上面にはエミッタ電極54が形成されている。こ
の場合にも、n+型層6の下面にp+型層は設けられて
いない。n+型層6の下面には直接にドレイン電極2が
形成されている。この場合、ゲート電極58に正電圧が
印加されると、p+型ホール注入領域59からn−型ド
リフト層10とp−型ドリフト層8にホールを注入して
活発な伝導度変調現象を発生させる。このためにオン電
圧は低い。図18の半導体装置は、表面から正孔を注入
してオンするBSIT(Bipolar-mode Static Induction
Transistor)として作動する。FIG. 18 shows a sixteenth embodiment. This example
Then, there is no gate electrode. Instead of n+Type Emi
On both sides of the data area 56, p−Through the mold body layer 12
N −P reaching the drift layer 10+Mold hole injection area
59 are formed. p+Above the mold hole injection area 59
A gate electrode 58 is formed on the surface, and n+Type emitter region
An emitter electrode 54 is formed on the upper surface of 56. This
In the case of+P on the lower surface of the mold layer 6+Mold layer is provided
Not in. n+The drain electrode 2 is directly formed on the lower surface of the mold layer 6.
Has been formed. In this case, a positive voltage is applied to the gate electrode 58.
When applied, p+Mold hole injection region 59 to n−Type
Lift layer 10 and p−By injecting holes into the mold drift layer 8
Generates a vigorous conductivity modulation phenomenon. For this reason
The pressure is low. In the semiconductor device of FIG. 18, holes are injected from the surface.
BSIT (Bipolar-mode Static Induction)
Act as a Transistor).
【0045】図19は第17実施例を示す。この実施例
は、本発明をサイリスタに具現化したものである。p−
型ドリフト層38は正孔の拡散長よりも薄く、サイリス
タの順方向に電圧が印加されると、逆接合面が簡単に潰
れるためにサイリスタとして作動する。この場合にも、
p+型ホール注入領域44から正孔が注入されると、活
発な伝導度変調が生じてオンし、低いオン電圧(ないし
オン抵抗)を実現する。活発な伝導度変調を利用してオ
ン電圧を低くするので、n−型ドリフト層40とp−型
ドリフト層38の不純物濃度を下げることができ、オフ
時には高い耐圧を実現する。逆バイアス時には、n+型
層36とp−型ドリフト層38の接合面と、n−型ドリ
フト層40とp−型層42の接合面から空乏層が広く伸
び、これもまた耐圧を高める。FIG. 19 shows a seventeenth embodiment. In this embodiment, the present invention is embodied in a thyristor. p −
The type drift layer 38 is thinner than the diffusion length of holes, and when a voltage is applied in the forward direction of the thyristor, the reverse junction surface is easily collapsed, and thus the type drift layer 38 operates as a thyristor. Also in this case,
When holes are injected from the p + -type hole injection region 44, active conductivity modulation occurs to turn on and realize a low on-voltage (or on-resistance). Since the ON voltage is lowered by utilizing the active conductivity modulation, the impurity concentration of the n − type drift layer 40 and the p − type drift layer 38 can be lowered, and a high breakdown voltage is realized at the time of OFF. At the time of reverse bias, the depletion layer extends widely from the junction surface between the n + type layer 36 and the p − type drift layer 38 and the junction surface between the n − type drift layer 40 and the p − type layer 42, which also increases the breakdown voltage.
【0046】図20は第18実施例を示す。この実施例
は、本発明をダイオードに具現化したものである。p−
型ドリフト層8は正孔の拡散長よりも薄く、ダイオード
の順方向に電圧が印加されると、逆接合面が簡単に潰れ
るためにダイオードとして作動する。この場合にも、n
−型ドリフト層10とp−型ドリフト層8で活発な伝導
度変調が生じるために順方向の電圧降下は小さい。活発
な伝導度変調を利用して順方向の抵抗を低くするので、
n−型ドリフト層10とp−型ドリフト層8の不純物濃
度を下げることができ、オフ時には高い耐圧を実現す
る。逆バイアス時には、n+型層6とp−型層8の接合
面と、n−型層10とp−型層1の接合面から空乏層が
広く伸び、これもまた耐圧を高める。FIG. 20 shows an eighteenth embodiment. In this embodiment, the present invention is embodied in a diode. p −
The type drift layer 8 is thinner than the diffusion length of holes, and when a voltage is applied in the forward direction of the diode, the reverse junction surface is easily crushed, so that the type drift layer 8 operates as a diode. Also in this case, n
The forward voltage drop is small because active conductivity modulation occurs in the − type drift layer 10 and the p − type drift layer 8. It uses active conductivity modulation to lower the forward resistance,
Impurity concentrations of the n − type drift layer 10 and the p − type drift layer 8 can be reduced, and a high breakdown voltage is realized when off. At the time of reverse bias, the depletion layer extends widely from the junction surface between the n + type layer 6 and the p − type layer 8 and the junction surface between the n − type layer 10 and the p − type layer 1, which also increases the breakdown voltage.
【0047】図21は第19実施例を示す。この実施例
も、本発明をダイオードに具現化したものである。p−
型ドリフト層8は正孔の拡散長よりも薄く、ダイオード
の順方向に電圧が印加されると、逆接合面が簡単に潰れ
るためにダイオードとして作動する。この場合にも、n
−型ドリフト層10とp−型ドリフト層8で活発な伝導
度変調が生じるために順方向の電圧降下は小さい。活発
な伝導度変調を利用して順方向の抵抗を低くするので、
n−型ドリフト層10とp−型ドリフト層8の不純物濃
度を下げることができ、オフ時には高い耐圧を実現す
る。逆バイアス時には、n+型層6とp−型層8の接合
面から空乏層が広く伸び、これもまた耐圧を高める。FIG. 21 shows a nineteenth embodiment. This embodiment also embodies the present invention in a diode. p −
The type drift layer 8 is thinner than the diffusion length of holes, and when a voltage is applied in the forward direction of the diode, the reverse junction surface is easily crushed, so that the type drift layer 8 operates as a diode. Also in this case, n
The forward voltage drop is small because active conductivity modulation occurs in the − type drift layer 10 and the p − type drift layer 8. It uses active conductivity modulation to lower the forward resistance,
Impurity concentrations of the n − type drift layer 10 and the p − type drift layer 8 can be reduced, and a high breakdown voltage is realized when off. At the time of reverse bias, the depletion layer extends widely from the junction surface between the n + type layer 6 and the p − type layer 8, which also increases the breakdown voltage.
【0048】上記では、本発明をIGBTや、サイリス
タや、ダイオオード等に具現化した例を示したが、通常
のバイポーラトランジスタに具現化することもできる。
また上記の実施例で、導電型のpとnを完全に入れ替え
ることができる。上記の多くの実施例ではトレンチゲー
ト構造を採用しているが、プレーナゲート構造の場合に
も適用することができる。n−型ドリフト層10やp−
型ドリフト層8はエピタキシャル層を利用して形成する
ことが好ましいが、その他の結晶成長技術を用いること
ができる。また導電型の付与にあたっては様々なイオン
注入技術が利用できる。In the above, an example in which the present invention is embodied in an IGBT, a thyristor, a diode or the like is shown, but it can be embodied in a normal bipolar transistor.
Further, in the above embodiment, the conductivity types p and n can be completely exchanged. Although the trench gate structure is adopted in many of the above-described embodiments, the present invention can be applied to the case of a planar gate structure. n − type drift layer 10 and p −
The type drift layer 8 is preferably formed using an epitaxial layer, but other crystal growth techniques can be used. Various ion implantation techniques can be used for imparting the conductivity type.
【0049】[0049]
【発明の効果】 請求項1のバイポーラ型半導体装置
は、図1等に例示されるように、面的に広がる反対導電
型のドリフト層8が積層されていることから空乏層が広
く広がり、オフ時の耐圧を高くすることができる。この
ために、耐圧を損ねることなくドリフト層の不純物濃度
を上げて抵抗を下げることができる。この半導体装置に
よると、電力ロスを抑制しながら高電圧の電力を制御す
ることができる。ドリフト層内の反対導電型層の厚み
が、その反対導電型のキャリアの拡散長よりも薄いと、
反対導電型層を挿入することで形成される逆接合面が正
バイアスによって簡単に潰れるために、反対導電型層を
挿入することによって生じるはずの悪影響が実際的には
生じないようにすることができる。図1に例示されてい
るように、下面に反対導電型層4が形成されているため
にバッファ層となる層6の上にドリフト層8、10が積
層されていると、裏面からキャリアを注入して伝導度変
調現象を生じさせる半導体装置の伝導度変調現象を活発
化させることができ、オン電圧を降下させて耐圧を上げ
ることができる。図1に例示されているように、バッフ
ァ層6上に反対導電型のドリフト層8が積層されている
と、空乏層が広く広がり、効果が高い。図4に例示され
ているように、ドリフト層10x、10yの中間に反対
導電型のドリフト層8が積層されていると、ターンオフ
時にキャリアが抜けやすく、確実のターンオフするとも
にスイッチング時間が短くなる。図5に例示されるよう
に、ドリフト層内に複数層の反対導電型の層8a、8b
が付加されていると、オン電圧を降下させて耐圧を上げ
ることができてスイッチング時間を短くすることができ
る。ドリフト層内にトレンチゲートが伸びてきているバ
イポーラ型半導体装置の場合、そのトレンチゲートの最
深部よりも深い位置に反対導電型層が付加されている
と、ドリフト層の抵抗を低くできることから、トレンチ
ゲートに沿って流れる電流をドリフト層の広範囲に広げ
て流すことができ、オン抵抗が効果的に低くなる。ドリ
フト層内にトレンチゲートが伸びてきているバイポーラ
型半導体装置の場合、そのトレンチゲートの最深部より
も浅い位置に反対導電型層が付加されていると、導通時
には、トレンチゲートに向合うドリフト層にキャリアが
集中して流れるためにオン電圧が低く抑えられる。ター
ンオフ時には、確実にターンオフすることができ、スイ
ッチング時間を短くすることもできる。反導電型層の厚
みが均一に維持されて面的に広がっていてもよいし、厚
みが周期的に変化しながら面的に広がっていてもよい。
均一な厚みの層は作成しやすく、生産コストも安価です
む。面内で厚み分布を持たせる方式では、その分布を選
択することで様々に特性に調整し易い反導電型層内の不
純物濃度は厚み方向に均一であってもよいが、厚み方向
に変化していてもよい。濃度分布を与えることで、オン
電圧をさらに下げたり、ターンオフ時に発生する逆起電
力の大きさを抑制するといったことが可能となる。さら
に、反導電型層を含むドレイン層内の不純物濃度が厚み
方向に変化していてもよい。反対電型層以外のドレイン
層に濃度分布を与えることで、ターンオフ時に発生する
逆起電力の大きさを抑制することが可能となる。あるい
は、バッファ層に濃度分布を与えることによっても、タ
ーンオフ時に発生する逆起電力の大きさを抑制すること
が可能となる。本発明は表裏両面に電極を持つIGBT
に具現化するができる。この場合には図1に例示される
ように、ドレイン電極2、高濃度第1導電型半導体基板
4、高濃度第2導電型バッファ層6、第1導電型ドリフ
ト層8、第2導電型ドリフト層10、第1導電型ボディ
層12の順で積層される。第1導電型ボディ層12内に
第2導電型エミッタ領域18が形成され、第2導電型ド
リフト層10と第2導電型エミッタ領域18の間の第1
導電型ボディ層12に対して、絶縁層20を挟んで向か
い合う位置にゲート電極22が形成される。ゲート電極
はトレンチゲート型でも、プレーナゲート型であっても
良い。導電型は全く逆にすることもでき、第1導電型が
p型であれば第2導電型はn型であり、第1導電型がn
型であれば第2導電型はp型である。図4に例示するよ
うに、高濃度第2導電型バッファ層6と第1導電型ドリ
フト層8の間に、第2導電型低濃度ドリフト層10xを
追加してもよい。あるいは、図5に例示するように、第
1導電型ドリフト層8と第2導電型ドリフト層10の積
層構造を複数回繰り返して積層しても良い。上記のIG
BTは、従来のIGBTよりも耐圧が高く、オン電圧が
低く、電力ロスを減少させる。前記したIGBTの場
合、図12と図13に例示するように、高濃度第1導電
型半導体基板4内に、ストライプ状またはアイランド状
に第2導電型領域3が分散配置されていると、高濃度第
1導電型半導体基板4からバッファ層6を介してドリフ
ト層に注入されるキャリア量が抑制され、ターンオフ時
にすみやかにキャリアが抜けられるようすることができ
る。確実にターンオフでき、ターンオフ時間を短くする
ことができる。本発明は表面からキャリアを注入してド
リフト層内で伝導度変調現象を発生させるIGBTにも
具現化することができる。この場合には、図17に例示
するように、ドレイン電極2、第2導電型半導体基板
6、第1導電型ドリフト層8、第2導電型ドリフト層1
0、第1導電型ボディ層12の順で積層され、第1導電
型ボディ層12内に第2導電型エミッタ領域18が形成
され、第2導電型ドリフト層10と第2導電型エミッタ
領域18の間の第1導電型ボディ層12に対して絶縁層
を挟んで向かい合うゲート電極22が形成され、第1導
電型ボディ層12を貫通して第2導電型ドリフト層10
に達する高濃度第1導電型領域52が形成され、その高
濃度第1導電型領域52に注入ゲート電極50が接続さ
れている。ゲート電極はトレンチゲート型でも、プレー
ナゲート型であっても良い。上記のIGBTの場合、ゲ
ート電極に電圧が印加されると、キャリアが注入ゲート
電極から注入されてドリフト層内で伝導度変調現象が生
じて低いオン電圧が実現される。本発明は表面からキャ
リアを注入してドリフト層内で伝導度変調現象を発生さ
せる静電誘導トランジスタにも具現化するができる。こ
の場合、図18に例示するように、ドレイン電極2、第
2導電型半導体基板6、第1導電型ドリフト層8、第2
導電型ドリフト層10、第1導電型ボディ層12の順で
積層され、第1導電型ボディ層12内に第2導電型エミ
ッタ領域56が形成され、そのエミッタ領域56を挟む
両サイドに第1導電型ボディ層12を貫通して第2導電
型ドリフト層10に達する高濃度第1導電型領域59が
形成され、その高濃度第1導電型領域59にゲート電極
58が接続されている。この場合には、ゲート電極に電
圧が印加されると、そのゲートからキャリアが注入され
てドリフト層内で伝導度変調現象が生じて低いオン電圧
が実現される。本発明はダイオードにも具現化するがで
きる。この場合、図20,21に例示するように、ダイ
オードを構成する第1導電型層と第2導電型層の積層構
造において、第2導電型層内に第1導電型の薄層8を挿
入する。その挿入層8の厚みは第1導電型のキャリアの
拡散長よりも薄くする。この場合、第2導電型層内に第
1導電型の薄層8が挿入されて一見すると4層サイリス
タ構造となっているのに、第1導電型層8が薄いために
電流が順方向に流れる場合には逆接合が簡単に潰れてダ
イオードとして作用する。このダイオードは耐圧が高く
て順方向抵抗が低い。本発明はサイリスタにも具現化す
るができる。この場合、図19に例示するように、サイ
リスタを構成する第1導電型基板34、第2導電型層3
6、第2導電型ドリフト層40、第1導電型層42、第
2導電型層46の積層において、第2導電型ドリフト層
40内に第1導電型の薄層38を挿入する。その第1導
電型の薄層38の厚みが第1導電型のキャリアの拡散長
よりも薄い。この場合にも、第2導電型ドリフト層内の
第1導電型層38は薄いために逆接合が簡単に潰れてサ
イリスタとして作用する。このサイリスタは耐圧が高く
てオン電圧が低い。According to the bipolar semiconductor device of the first aspect, as illustrated in FIG. 1 and the like, since the drift layer 8 of opposite conductivity type spreading in a plane is laminated, the depletion layer spreads widely and the off-state is increased. The withstand voltage can be increased. Therefore, the impurity concentration of the drift layer can be increased and the resistance can be reduced without impairing the breakdown voltage. According to this semiconductor device, it is possible to control high-voltage power while suppressing power loss. If the thickness of the opposite conductivity type layer in the drift layer is smaller than the diffusion length of carriers of the opposite conductivity type,
Since the reverse junction surface formed by inserting the opposite conductivity type layer is easily collapsed by the positive bias, it is possible to prevent practically the adverse effects that would be caused by inserting the opposite conductivity type layer from occurring. it can. As illustrated in FIG. 1, when the drift layers 8 and 10 are stacked on the layer 6 serving as a buffer layer because the opposite conductivity type layer 4 is formed on the bottom surface, carriers are injected from the back surface. Thus, the conductivity modulation phenomenon of the semiconductor device which causes the conductivity modulation phenomenon can be activated, and the on-voltage can be lowered to increase the breakdown voltage. As illustrated in FIG. 1, when the drift layer 8 of the opposite conductivity type is stacked on the buffer layer 6, the depletion layer spreads widely and the effect is high. As illustrated in FIG. 4, when a drift layer 8 of the opposite conductivity type is stacked in the middle of the drift layers 10x and 10y, carriers are likely to escape at the time of turn-off, and reliable turn-off and a short switching time are achieved. As illustrated in FIG. 5, a plurality of layers 8a and 8b having opposite conductivity types are provided in the drift layer.
Is added, the on-voltage can be lowered to increase the withstand voltage and the switching time can be shortened. In the case of a bipolar semiconductor device in which a trench gate is extended in the drift layer, the resistance of the drift layer can be reduced by adding an opposite conductivity type layer at a position deeper than the deepest part of the trench gate. The current flowing along the gate can be spread over a wide range of the drift layer, and the on-resistance can be effectively reduced. In the case of a bipolar semiconductor device in which a trench gate extends into the drift layer, if the opposite conductivity type layer is added at a position shallower than the deepest part of the trench gate, the drift layer facing the trench gate at the time of conduction is formed. The on-voltage can be suppressed to a low level because carriers concentrate and flow. At the time of turn-off, it can be surely turned off and the switching time can be shortened. The thickness of the anti-conductivity type layer may be uniformly maintained and spread in the plane, or may be spread in the plane while periodically changing the thickness.
Layers of uniform thickness are easy to create and the production cost is low. In the method of giving a thickness distribution in the plane, the impurity concentration in the anti-conductivity type layer, which can be adjusted to various characteristics easily by selecting the distribution, may be uniform in the thickness direction, but changes in the thickness direction. May be. By providing the concentration distribution, it is possible to further reduce the on-voltage and suppress the magnitude of the back electromotive force generated at turn-off. Further, the impurity concentration in the drain layer including the anti-conductivity type layer may change in the thickness direction. By giving a concentration distribution to the drain layers other than the opposite electromotive force layer, it is possible to suppress the magnitude of the counter electromotive force generated at turn-off. Alternatively, by giving a concentration distribution to the buffer layer, it is possible to suppress the magnitude of the counter electromotive force generated at turn-off. The present invention is an IGBT having electrodes on both front and back surfaces.
Can be embodied in In this case, as illustrated in FIG. 1, the drain electrode 2, the high-concentration first conductivity type semiconductor substrate 4, the high-concentration second conductivity type buffer layer 6, the first conductivity type drift layer 8, and the second conductivity type drift. The layer 10 and the first conductivity type body layer 12 are stacked in this order. A second conductive type emitter region 18 is formed in the first conductive type body layer 12, and a first conductive type emitter region 18 is formed between the second conductive type drift layer 10 and the second conductive type emitter region 18.
A gate electrode 22 is formed at a position facing the conductive type body layer 12 with the insulating layer 20 in between. The gate electrode may be a trench gate type or a planar gate type. The conductivity types can be reversed, and if the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type, and the first conductivity type is n-type.
If it is a type, the second conductivity type is a p-type. As illustrated in FIG. 4, a second conductivity type low concentration drift layer 10x may be added between the high concentration second conductivity type buffer layer 6 and the first conductivity type drift layer 8. Alternatively, as illustrated in FIG. 5, the laminated structure of the first conductivity type drift layer 8 and the second conductivity type drift layer 10 may be repeatedly laminated a plurality of times. IG above
The BT has a higher breakdown voltage and a lower on-voltage than the conventional IGBT, and reduces power loss. In the case of the above-mentioned IGBT, as shown in FIG. 12 and FIG. 13, when the second conductivity type regions 3 are dispersed and arranged in a stripe shape or an island shape in the high concentration first conductivity type semiconductor substrate 4, It is possible to suppress the amount of carriers injected from the first-concentration-concentration semiconductor substrate 4 into the drift layer via the buffer layer 6, and to promptly escape the carriers at the time of turn-off. It can be surely turned off, and the turn-off time can be shortened. The present invention can also be embodied in an IGBT in which carriers are injected from the surface to cause a conductivity modulation phenomenon in the drift layer. In this case, as illustrated in FIG. 17, the drain electrode 2, the second conductivity type semiconductor substrate 6, the first conductivity type drift layer 8, and the second conductivity type drift layer 1 are used.
0 and the first conductivity type body layer 12 are stacked in this order, the second conductivity type emitter region 18 is formed in the first conductivity type body layer 12, and the second conductivity type drift layer 10 and the second conductivity type emitter region 18 are formed. The gate electrode 22 is formed so as to face the first conductivity type body layer 12 with the insulating layer in between, and the second conductivity type drift layer 10 penetrates through the first conductivity type body layer 12.
The high-concentration first-conductivity-type region 52 is formed, and the injection gate electrode 50 is connected to the high-concentration first-conductivity-type region 52. The gate electrode may be a trench gate type or a planar gate type. In the case of the above-mentioned IGBT, when a voltage is applied to the gate electrode, carriers are injected from the injection gate electrode, a conductivity modulation phenomenon occurs in the drift layer, and a low on-voltage is realized. The present invention can also be embodied in a static induction transistor that injects carriers from the surface to generate a conductivity modulation phenomenon in the drift layer. In this case, as illustrated in FIG. 18, the drain electrode 2, the second conductivity type semiconductor substrate 6, the first conductivity type drift layer 8, the second conductivity type
The conductivity type drift layer 10 and the first conductivity type body layer 12 are laminated in this order, the second conductivity type emitter region 56 is formed in the first conductivity type body layer 12, and the first conductivity type drift layer 10 and the first conductivity type body layer 12 are formed on both sides of the emitter region 56. A high-concentration first-conductivity-type region 59 that penetrates the conductivity-type body layer 12 and reaches the second-conductivity-type drift layer 10 is formed, and a gate electrode 58 is connected to the high-concentration first-conductivity type region 59. In this case, when a voltage is applied to the gate electrode, carriers are injected from the gate, a conductivity modulation phenomenon occurs in the drift layer, and a low on-voltage is realized. The present invention can also be embodied in a diode. In this case, as illustrated in FIGS. 20 and 21, in the laminated structure of the first conductivity type layer and the second conductivity type layer forming the diode, the first conductivity type thin layer 8 is inserted into the second conductivity type layer. To do. The thickness of the insertion layer 8 is made smaller than the diffusion length of the first conductivity type carrier. In this case, although the first-conductivity-type thin layer 8 is inserted into the second-conductivity-type layer to have a four-layer thyristor structure at first glance, the current flows in the forward direction because the first-conductivity-type layer 8 is thin. When flowing, the reverse junction easily collapses and acts as a diode. This diode has a high breakdown voltage and a low forward resistance. The present invention can also be embodied in a thyristor. In this case, as illustrated in FIG. 19, the first conductivity type substrate 34 and the second conductivity type layer 3 forming the thyristor.
In the stack of 6, the second conductivity type drift layer 40, the first conductivity type layer 42, and the second conductivity type layer 46, the first conductivity type thin layer 38 is inserted into the second conductivity type drift layer 40. The thickness of the first-conductivity-type thin layer 38 is smaller than the diffusion length of the first-conductivity-type carrier. Also in this case, since the first-conductivity-type layer 38 in the second-conductivity-type drift layer is thin, the reverse junction is easily collapsed and the first-conductivity-type layer 38 functions as a thyristor. This thyristor has a high breakdown voltage and a low on-voltage.
【図1】 第1実施例の半導体装置の断面を示す。FIG. 1 shows a cross section of a semiconductor device of a first embodiment.
【図2】 第1実施例の半導体装置のオン電圧とスイッ
チング時間を従来装置と対比して示す。FIG. 2 shows ON voltage and switching time of the semiconductor device of the first embodiment in comparison with a conventional device.
【図3】 第1実施例の半導体装置の製造過程を経時的
に示す。FIG. 3 shows the manufacturing process of the semiconductor device of the first embodiment over time.
【図4】 第2実施例の半導体装置の断面を示す。FIG. 4 shows a cross section of a semiconductor device of a second embodiment.
【図5】 第3実施例の半導体装置の断面を示す。FIG. 5 shows a cross section of a semiconductor device according to a third embodiment.
【図6】 第4実施例の半導体装置の断面を示す。FIG. 6 shows a cross section of a semiconductor device according to a fourth embodiment.
【図7】 第5実施例の半導体装置の断面を示す。FIG. 7 shows a cross section of a semiconductor device according to a fifth embodiment.
【図8】 第6実施例の半導体装置の断面を示す。FIG. 8 shows a cross section of a semiconductor device according to a sixth embodiment.
【図9】 第7実施例の半導体装置の断面を示す。FIG. 9 shows a cross section of a semiconductor device according to a seventh embodiment.
【図10】 第8実施例の半導体装置の断面を示す。FIG. 10 shows a cross section of a semiconductor device according to an eighth embodiment.
【図11】 第9実施例の半導体装置の断面を示す。FIG. 11 shows a cross section of a semiconductor device according to a ninth embodiment.
【図12】 第10実施例の半導体装置の断面を示す。FIG. 12 shows a cross section of a semiconductor device according to a tenth embodiment.
【図13】 第11実施例の半導体装置の断面を示す。FIG. 13 shows a cross section of a semiconductor device according to an eleventh embodiment.
【図14】 第12実施例の半導体装置の断面を示す。FIG. 14 shows a cross section of a semiconductor device according to a twelfth embodiment.
【図15】 第13実施例の半導体装置の断面を示す。FIG. 15 shows a cross section of a semiconductor device according to a thirteenth embodiment.
【図16】 第14実施例の半導体装置の断面を示す。FIG. 16 shows a cross section of a semiconductor device according to a fourteenth embodiment.
【図17】 第15実施例の半導体装置の断面を示す。FIG. 17 shows a cross section of a semiconductor device according to a fifteenth embodiment.
【図18】 第16実施例の半導体装置の断面を示す。FIG. 18 shows a cross section of a semiconductor device according to a sixteenth embodiment.
【図19】 第17実施例の半導体装置の断面を示す。FIG. 19 shows a cross section of a semiconductor device according to a seventeenth embodiment.
【図20】 第18実施例の半導体装置の断面を示す。FIG. 20 shows a cross section of a semiconductor device according to an eighteenth embodiment.
【図21】 第19実施例の半導体装置の断面を示す。FIG. 21 shows a cross section of a semiconductor device according to a nineteenth embodiment.
【図22】 従来の半導体装置の断面を示す。FIG. 22 shows a cross section of a conventional semiconductor device.
2:ドレイン電極
4:p+型半導体基板(高濃度第1導電型半導体基板)
6:n+型バッファ層(高濃度第2導電型バッファ層)
8:p−型ドリフト層(第1導電型ドリフト層:反対導
電側ドリフト層)
10:n−型ドリフト層(第2導電型ドリフト層)
12:p−型ボディ層 (第1導電型ボディ層)
14:p+型ボディコンタクト領域
16:エミッタ電極16
18:n+型エミッタ領域(第2導電型エミッタ領域)
20:絶縁層
22:トレンチゲート2: Drain electrode 4: p + type semiconductor substrate (high concentration first conductivity type semiconductor substrate) 6: n + type buffer layer (high concentration second conductivity type buffer layer) 8: p − type drift layer (first conductivity type) Drift layer: Opposite conductive side drift layer) 10: n − type drift layer (second conductive type drift layer) 12: p − type body layer (first conductive type body layer) 14: p + type body contact region 16: emitter Electrode 16 18: n + type emitter region (second conductivity type emitter region) 20: insulating layer 22: trench gate
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉山 隆英 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 石子 雅康 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 上田 博之 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 臼井 正則 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 宮地 幸夫 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 大西 豊和 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 西脇 克彦 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Takahide Sugiyama Aichi Prefecture Nagachite Town Aichi District Ground 1 Toyota Central Research Institute Co., Ltd. (72) Inventor Masayasu Ishiko Aichi Prefecture Nagachite Town Aichi District Ground 1 Toyota Central Research Institute Co., Ltd. (72) Inventor Hiroyuki Ueda Aichi Prefecture Nagachite Town Aichi District Ground 1 Toyota Central Research Institute Co., Ltd. (72) Inventor Masanori Usui Aichi Prefecture Nagachite Town Aichi District Ground 1 Toyota Central Research Institute Co., Ltd. (72) Inventor Yukio Miyaji Aichi Prefecture Nagachite Town Aichi District Ground 1 Toyota Central Research Institute Co., Ltd. (72) Inventor Toyokazu Onishi 1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Toyota Auto Car Co., Ltd. (72) Inventor Katsuhiko Nishiwaki 1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Toyota Auto Car Co., Ltd.
Claims (19)
導通するバイポーラ型半導体装置のそのドリフト層内
に、ドリフト層とは反対導電型の面的に広がる層を付加
したことを特徴とするバイポーラ型半導体装置。1. A bipolar semiconductor device in which a conductivity modulation phenomenon occurs in the drift layer to conduct the drift layer, and a layer having a conductivity type opposite to that of the drift layer and spreading in a plane is added to the drift layer. Bipolar semiconductor device.
電型のキャリアの拡散長よりも薄いことを特徴とする請
求項1に記載のバイポーラ型半導体装置。2. The bipolar semiconductor device according to claim 1, wherein the opposite conductivity type layer has a thickness smaller than a diffusion length of carriers of the opposite conductivity type.
れていることを特徴とする請求項1または2に記載のバ
イポーラ型半導体装置。3. The bipolar semiconductor device according to claim 1, wherein the drift layer is stacked on a buffer layer.
積層されていることを特徴とする請求項3に記載のバイ
ポーラ型半導体装置。4. The bipolar semiconductor device according to claim 3, wherein the opposite conductivity type layer is stacked on the buffer layer.
間高さに形成されていることを特徴とする請求項1から
3のいずれかに記載のバイポーラ型半導体装置。5. The bipolar semiconductor device according to claim 1, wherein the opposite conductivity type layer is formed at an intermediate height of the drift layer.
電型層が付加されていることを特徴とする請求項1から
4のいずれかに記載のバイポーラ型半導体装置。6. The bipolar semiconductor device according to claim 1, wherein a plurality of layers of the opposite conductivity type are added in the drift layer.
びてきており、そのトレンチゲートの最深部よりも深い
位置に前記反対導電型層が付加されていることを特徴と
する請求項1から6のいずれかに記載のバイポーラ型半
導体装置。7. The trench gate is extended in the drift layer, and the opposite conductivity type layer is added at a position deeper than the deepest portion of the trench gate. The bipolar semiconductor device according to any one of claims.
びてきており、そのトレンチゲートの最深部よりも浅い
位置に前記反対導電型層が付加されていることを特徴と
する請求項1から6のいずれかに記載のバイポーラ型半
導体装置。8. The trench gate is extended in the drift layer, and the opposite conductivity type layer is added at a position shallower than the deepest part of the trench gate. The bipolar semiconductor device according to any one of claims.
がっていることを特徴とする請求項1から8のいずれか
に記載のバイポーラ型半導体装置。9. The bipolar semiconductor device according to claim 1, wherein the anti-conductivity type layer has a uniform thickness and spreads in a plane.
化しながら面的に広がっていることを特徴とする請求項
1から8のいずれかに記載のバイポーラ型半導体装置。10. The bipolar semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the anti-conductivity type layer spreads in a plane while changing periodically.
方向に均一であることを特徴とする請求項1から10の
いずれかに記載のバイポーラ型半導体装置。11. The bipolar semiconductor device according to claim 1, wherein the impurity concentration in the anti-conductive layer is uniform in the thickness direction.
方向に変化していることを特徴とする請求項1から10
のいずれかに記載のバイポーラ型半導体装置。12. The impurity concentration in the anti-conductivity layer changes in the thickness direction.
8. The bipolar semiconductor device according to any one of 1.
不純物濃度が厚み方向に変化していることを特徴とする
請求項1から12のいずれかに記載のバイポーラ型半導
体装置。13. The bipolar semiconductor device according to claim 1, wherein the impurity concentration in the drain layer including the anti-conductivity type layer changes in the thickness direction.
体基板、高濃度第2導電型バッファ層、第1導電型ドリ
フト層、第2導電型ドリフト層、第1導電型ボディ層の
順で積層され、第1導電型ボディ層内に第2導電型エミ
ッタ領域が形成され、第2導電型ドリフト層と第2導電
型エミッタ領域の間の第1導電型ボディ層に対して絶縁
層を挟んで向かい合うゲート電極を有する絶縁ゲート型
バイポーラトランジスタ。14. A drain electrode, a high concentration first conductivity type semiconductor substrate, a high concentration second conductivity type buffer layer, a first conductivity type drift layer, a second conductivity type drift layer, and a first conductivity type body layer are stacked in this order. A second conductive type emitter region is formed in the first conductive type body layer, and an insulating layer is sandwiched between the first conductive type body layer between the second conductive type drift layer and the second conductive type emitter region. An insulated gate bipolar transistor having facing gate electrodes.
に、ストライプ状またはアイランド状に第2導電型領域
が分散配置されていることを特徴とする請求項14に記
載のバイポーラトランジスタ。15. The bipolar transistor according to claim 14, wherein the second-conductivity-type regions are distributed in stripes or islands in the high-concentration first-conductivity-type semiconductor substrate.
板、第1導電型ドリフト層、第2導電型ドリフト層、第
1導電型ボディ層の順で積層され、第1導電型ボディ層
内に第2導電型エミッタ領域が形成され、第2導電型ド
リフト層と第2導電型エミッタ領域の間の第1導電型ボ
ディ層に対して絶縁層を挟んで向かい合うゲート電極が
形成され、第1導電型ボディ層を貫通して第2導電型ド
リフト層に達する高濃度第1導電型領域が形成され、そ
の高濃度第1導電型領域に注入ゲート電極が接続されて
いる表面注入型IGBT。16. A drain electrode, a second-conductivity-type semiconductor substrate, a first-conductivity-type drift layer, a second-conductivity-type drift layer, and a first-conductivity-type body layer are stacked in this order, and a first conductivity-type body layer is provided with a first layer. A second conductivity type emitter region is formed, and a gate electrode facing the first conductivity type body layer between the second conductivity type drift layer and the second conductivity type emitter region with an insulating layer interposed therebetween is formed. A high-concentration first-conductivity type region that penetrates the body layer and reaches the second-conductivity-type drift layer, and a high-concentration first-conductivity type region is connected to an injection gate electrode.
板、第1導電型ドリフト層、第2導電型ドリフト層、第
1導電型ボディ層の順で積層され、第1導電型ボディ層
内に第2導電型エミッタ領域が形成され、そのエミッタ
領域を挟む両サイドに第1導電型ボディ層を貫通して第
2導電型ドリフト層に達する高濃度第1導電型領域が形
成され、その高濃度第1導電型領域にゲート電極が接続
されているBSIT。17. A drain electrode, a second conductive type semiconductor substrate, a first conductive type drift layer, a second conductive type drift layer, and a first conductive type body layer are stacked in this order, and a first conductive type body layer is provided with A second-conductivity type emitter region is formed, and a high-concentration first-conductivity type region penetrating the first-conductivity-type body layer and reaching the second-conductivity-type drift layer is formed on both sides sandwiching the emitter region. BSIT in which the gate electrode is connected to the one conductivity type region.
れているダイオードであり、第2導電型層内に第1導電
型の薄層が挿入されており、その厚みが第1導電型のキ
ャリアの拡散長よりも薄いことを特徴とするダイオー
ド。18. A diode in which a first-conductivity-type layer and a second-conductivity-type layer are laminated, wherein a first-conductivity-type thin layer is inserted in the second-conductivity-type layer, and the thickness thereof is the first. A diode characterized by being thinner than a diffusion length of a conductive type carrier.
導電型ドリフト層、第1導電型層、第2導電型層が積層
されたサイリスタであり、その第2導電型ドリフト層内
に第1導電型の薄層が挿入されており、その厚みが第1
導電型のキャリアの拡散長よりも薄いことを特徴とする
サイリスタ。19. A first conductivity type substrate, a second conductivity type layer, and a second conductivity type substrate.
A thyristor in which a conductivity type drift layer, a first conductivity type layer, and a second conductivity type layer are stacked, and a first conductivity type thin layer is inserted in the second conductivity type drift layer, and the thickness thereof is 1
A thyristor characterized by being thinner than the diffusion length of a conductive type carrier.
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