JP2021128993A - Semiconductor device and switching system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、RC−IGBTを含む半導体装置およびスイッチングシステムに関する。 The present invention relates to semiconductor devices and switching systems including RC-IGBTs.
大電流のスイッチング動作を行うスイッチング素子(パワー半導体素子)として、高入力インピーダンス、低オン電圧を有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)が使用されている。例えば、モータ等の誘導性負荷の駆動やモータとバッテリー間での電力変換システムのインバータなどのスイッチングシステムに、特許文献1や特許文献2で示すようなIGBTとフリーホイールダイオードを組み合わせたRC(Reverse Conductive)−IGBTが用いられている。スイッチングシステムで使用されるRC−IGBTでは、IGBTがオフ状態のときにダイオードに還流電流が流れる。特許文献1では、IGBTのオフ期間にIGBTを一時的にオンさせてリカバリー損失を低減させるスイッチング方法が開示されている。
An insulated gate bipolar transistor (IGBT) having a high input impedance and a low on-voltage is used as a switching element (power semiconductor element) that performs a large current switching operation. For example, RC (Reverse) that combines an IGBT and a freewheel diode as shown in
スイッチングシステムに用いられるRC−IGBTでは、ターンオフの後にリカバリー電流が流れる。リカバリー電流は、ドリフト領域内に蓄積されたキャリアが消滅するまで流れるため、リカバリー電流が大きいとスイッチング時間が増大する。更に、RC−IGBTでは、周囲からダイオードにキャリアが供給されると、リカバリー電流が大きくなり、スイッチング時間が増大する。 In RC-IGBTs used in switching systems, a recovery current flows after turn-off. Since the recovery current flows until the carriers accumulated in the drift region disappear, the switching time increases when the recovery current is large. Further, in the RC-IGBT, when a carrier is supplied to the diode from the surroundings, the recovery current increases and the switching time increases.
上記問題点に鑑み、本発明は、スイッチング時間の増大が抑制された、RC−IGBTを含む半導体装置を提供することを目的とする。また、半導体装置のオフ期間にIGBTを一時的にオンさせる制御信号を半導体装置に送信する制御回路を半導体装置と組み合わせた誘導性負荷のスイッチングシステムにおいて、よりリカバリー時間を抑制した駆動システムを提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor device including an RC-IGBT in which an increase in switching time is suppressed. Further, in an inductive load switching system in which a control circuit for transmitting a control signal for temporarily turning on the IGBT during the off period of the semiconductor device is combined with the semiconductor device, a drive system with further suppressed recovery time is provided. The purpose is.
本発明の一態様によれば、平面視でダイオード領域とダイオード領域の外側のトランジスタ領域に区分された活性領域、および活性領域の外側の不活性領域を有し、活性領域と不活性領域に渡って連続的に配置された第1導電型の半導体層を含む半導体基体と、半導体基体のトランジスタ領域に配置され、半導体層をドリフト領域とし、絶縁ゲート型の制御電極を有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタと、半導体基体のダイオード領域に配置され、半導体層の裏面側に配置された第1導電型の第1半導体領域、および半導体層の表面側に配置された第2導電型の第2半導体領域を有し、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタと逆並列に接続されたダイオードと、不活性領域の半導体層の表面側に配置された第2導電型の表面半導体領域とを備え、平面視で、表面半導体領域と第1半導体領域が離間し、準同期整流動作させる。 According to one aspect of the present invention, it has an active region divided into a diode region and a transistor region outside the diode region in a plan view, and an inactive region outside the active region, and extends over the active region and the inactive region. A semiconductor substrate including a first conductive type semiconductor layer which is continuously arranged, and an insulated gate type bipolar transistor which is arranged in the transistor region of the semiconductor substrate, has the semiconductor layer as a drift region, and has an insulated gate type control electrode. , A first conductive type first semiconductor region arranged in the diode region of the semiconductor substrate and arranged on the back surface side of the semiconductor layer, and a second conductive type second semiconductor region arranged on the front surface side of the semiconductor layer. A diode connected in antiparallel to the insulated gate type bipolar transistor and a second conductive type surface semiconductor region arranged on the surface side of the semiconductor layer in the inactive region are provided, and the surface semiconductor region can be seen in a plan view. The first semiconductor regions are separated from each other, and a quasi-synchronous rectification operation is performed.
本発明によれば、スイッチング時間の増大が抑制された、RC−IGBTを含む半導体装置およびスイッチングシステムを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device and a switching system including an RC-IGBT in which an increase in switching time is suppressed.
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部の長さの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings below, the same or similar parts are designated by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the plane dimensions, the ratio of the lengths of each part, etc. are different from the actual ones. Therefore, the specific dimensions should be determined in consideration of the following explanation. In addition, it goes without saying that the drawings include parts having different dimensional relationships and ratios from each other.
また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Further, the embodiments shown below exemplify devices and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention describes the shape, structure, arrangement, etc. of components. It is not specific to the following. The embodiments of the present invention can be modified in various ways within the scope of the claims.
実施形態に係る半導体装置1は、図1に示すように、活性領域100および活性領域100の残余の領域の不活性領域200を有する半導体基体10と、半導体基体10の不活性領域200の上方に配置されたゲートバスライン40を備える。半導体基体10は、活性領域100と不活性領域200に渡って連続的に配置された第1導電型の半導体層11を含む。
As shown in FIG. 1, the
平面視で、活性領域100は、ダイオード領域120とダイオード領域120の外側に配置されたトランジスタ領域110に区分されている。なお、ダイオード領域120はトランジスタ領域110に囲まれているが、ダイオード領域120の周囲の一部がトランジスタ領域110に囲まれていなくても良い。半導体装置1では、平面視で、トランジスタ領域110を挟んで不活性領域200とダイオード領域120とが離間している。ここで、「平面視」とは、半導体層11の表面の面法線方向であり、図1で紙面の上下方向(Z方向)から見た場合である。なお、図1において、Z方向に垂直な平面をXY平面として、紙面の左右方向がY方向、紙面に垂直な方向がX方向である。
In a plan view, the
詳細は後述するが、トランジスタ領域110に、半導体層11をドリフト領域とする絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)が配置されている。そして、ダイオード領域120に、トランジスタ領域110に配置されたIGBTと逆並列に接続されたダイオードが配置されている。また、ゲートバスライン40は、トランジスタ領域110の外部において、半導体基体10の不活性領域200の上方に層間絶縁膜30を介して配置されている。
Although details will be described later, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) having a
図2に、半導体装置1の平面図を示す。図1は、図2のI−I方向に沿った断面図である。なお、図2ではダイオード領域120の外縁が楕円形状である場合を例示的に示したが、ダイオード領域120の外縁の形状は任意に設定可能であり、例えばダイオード領域120の外縁を矩形状にしてもよい。
FIG. 2 shows a plan view of the
図2に示した半導体装置1では、平面視で矩形状の半導体基体10の外縁に沿って、活性領域100の外側の不活性領域200である外周領域にゲートバスライン40の外縁部分(40b)が配置されている。更に、ゲートバスライン40は、ゲートバスライン40の外縁部分(40b)をX方向に接続する接続部分(40a)を有する。図2に示した半導体装置では、ゲートバスライン40のY方向に延伸する延伸部分(40c)が、ゲートバスライン40の接続部分(40a)と直交する。ゲートバスライン40の延伸部分(40c)が配置された不活性領域200によって、活性領域100が2つの領域に分割されている。また、図2に示すように、ゲートバスライン40と連結するゲートパッド41が不活性領域200に配置されている。
In the
図2では、ゲートバスライン40が、X方向に延伸する1本の接続部分(40a)と、接続部分(40a)のそれぞれの端部に接続してY方向に延伸する2本の外縁部分(40b)と、外縁部分(40b)の間でY方向に延伸する1本の延伸部分(40c)により構成される例を示した。しかし、活性領域100を四方向から囲むようにゲートバスライン40を配置してもよい。また、ゲートバスライン40に延伸部分(40c)がなくてもよいし、複数の延伸部分(40c)によって活性領域100を3つ以上に分割してもよい。
In FIG. 2, the
以下に、図1を参照して活性領域100に形成されたIGBTおよびダイオードの構成の詳細について説明する。まず、トランジスタ領域110に配置された、半導体層11をドリフト領域11dとするIGBTについて説明する。
The details of the configuration of the IGBT and the diode formed in the
IGBTは、半導体層11の裏面側に配置された第2導電型の第1半導体層(コレクタ領域12)を有する。更に、IGBTは、半導体層11の表面側に配置された第2導電型の第2半導体層(ベース領域13)、ベース領域13の上部に配置された第1導電型の第3半導体層(エミッタ領域14)を有する。そして、ベース領域13の表面に配置された絶縁膜(ゲート絶縁膜15)を介して、ゲート電極(絶縁ゲート型の制御電極16x)がベース領域13と対向する。
The IGBT has a second conductive type first semiconductor layer (collector region 12) arranged on the back surface side of the
第1導電型と第2導電型とは互いに反対導電型である。即ち、第1導電型がn型であれば、第2導電型はp型であり、第1導電型がp型であれば、第2導電型はn型である。ここでは、第1導電型がn型、第2導電型がp型の場合を例示的に説明する。 The first conductive type and the second conductive type are opposite conductive types to each other. That is, if the first conductive type is n type, the second conductive type is p type, and if the first conductive type is p type, the second conductive type is n type. Here, the case where the first conductive type is the n type and the second conductive type is the p type will be described exemplarily.
制御電極16xの上方には層間絶縁膜30が配置されている。ベース領域13およびベース領域13の上部に選択的に配置されたエミッタ領域14と接続して半導体基体10の表面に配置されたエミッタ電極32が、層間絶縁膜30により制御電極16xと絶縁分離されている。半導体基体10の裏面に、コレクタ領域12と電気的に接続するコレクタ電極31が配置されている。
An interlayer insulating
図1に示したIGBTでは、ベース領域13とドリフト領域11dとの間に、ドリフト領域11dよりも不純物濃度の高い第1導電型のキャリア蓄積領域17が配置されている。キャリア蓄積領域17をベース領域13とドリフト領域11dとの間に配置することにより、後述するように、IGBTのオン電圧をより低下させることができる。
In the IGBT shown in FIG. 1, a first conductive type
更に、ドリフト領域11dとコレクタ領域12間に、ドリフト領域11dよりも不純物濃度の高い第1導電型のフィールドストップ領域18が配置されている。フィールドストップ領域18によって、IGBTのオフ時にベース領域13から延伸する空乏層がコレクタ領域12に達することが抑制される。
Further, a first conductive type
なお、エミッタ領域14の相互間のベース領域13の表面に、ベース領域13よりも高不純物濃度の第2導電型のコンタクト領域を形成してもよい。
A second conductive type contact region having a higher impurity concentration than the
図1に示した半導体装置1のトランジスタ領域110には、トレンチゲート型のIGBTが形成されている。すなわち、エミッタ領域14の表面から延伸してエミッタ領域14、ベース領域13およびキャリア蓄積領域17を貫通し、先端が半導体層11に達する溝(以下、「溝160X」という。)が形成されている。溝160Xは半導体基体10の表面に沿って延伸し、溝160Xの内壁にゲート絶縁膜15が配置されている。ベース領域13の側面に対向して、溝160Xの側面のゲート絶縁膜15の上に制御電極16xが配置されている。ゲート絶縁膜15を介して制御電極16xと対向するベース領域13の表面が、チャネルの形成されるチャネル領域である。
A trench gate type IGBT is formed in the
トランジスタ領域110に配置されたIGBTの制御電極16xは、ゲートバスライン40を介してゲートパッド41と電気的に接続する。半導体装置1の外部からゲートパッド41に印加された制御電圧(以下において「ゲート電圧」とも称する。)が、ゲートバスライン40を介してIGBTの制御電極16xに印加される。
The
次に、ダイオード領域120に配置されたダイオードについて説明する。ダイオードは、図1に示すように、半導体層11の裏面側に配置され、第1導電型の第1半導体領域(カソード領域21)、および、半導体層11の表面側に配置された第2導電型の第2半導体領域(アノード領域22)を有する。半導体層11とアノード領域22の界面にpn接合が形成される。ダイオード領域120において、半導体層11はカソードの一部として機能する。カソード領域21は、トランジスタ領域110のフィールドストップ領域18と連結している。
Next, the diode arranged in the
コレクタ電極31とエミッタ電極32は、トランジスタ領域110とダイオード領域120の全面に配置されている。つまり、カソード領域21がコレクタ電極31と接続し、アノード領域22がエミッタ電極32と接続する。したがって、コレクタ電極31を介して、カソード領域21がコレクタ領域12と電気的に接続する。そして、エミッタ電極32を介して、アノード領域22がエミッタ領域14と電気的に接続する。
The
ダイオード領域120にも溝(以下、「溝160A」という。)が形成されている。溝160Aの側面に絶縁膜が設けられており、更に内側には導電体材16aが充填されている。溝160A内部の導電体材16aはエミッタ電極32と電気的に接続されている。ダイオード領域120においては溝160Aの開口部が層間絶縁膜30によって覆われてはいない。
A groove (hereinafter referred to as "
導電体材16aと制御電極16xを配置するために半導体基体10に形成される溝の配置を、図3の平面図に示す。図3に示すように、ダイオード領域120の複数の溝160Aとトランジスタ領域110の複数の溝160XがX方向に平行して延伸している。なお、X方向に延伸する溝160Aを相互に連結するために、X方向に延伸する溝160Aのそれぞれの端部に接続する溝160BがY方向に沿って形成されている。溝160Bの側面に絶縁膜が設けられており、更に内側には導電体材16aを相互に接続する導電体材が充填されている。また、X方向に延伸する溝160Xを相互に連結するために、X方向に延伸する溝160Xのそれぞれの端部に接続する溝160YがY方向に沿って形成されている。溝160Yの側面に絶縁膜が設けられており、更に内側には制御電極16xを相互に接続する導電体材16yが充填されている。図1において導電体材16yが設けられた溝160Yの周囲にはエミッタ領域14が形成されていない。なお、溝160A及び溝160Bと溝160X及び溝160Yとは接続していない。
The arrangement of the grooves formed in the
また、図3においてカソード領域21を点線で示す。カソード領域21の外縁は、溝160A及び溝160Bの内の最も外側の溝の外縁と同じとしても良いし、トランジスタ領域の溝160Xと溝160Yに達しない範囲で溝160A及び溝160Bの内の最も外側の溝より広げても良い。
Further, in FIG. 3, the
半導体基体10はエピタキシャル成長法やイオン注入と拡散などにより、半導体基体10にn型不純物領域やp型不純物領域を形成する。また、例えばフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて形成した溝の内壁面に、熱酸化法などによりゲート絶縁膜15を形成する。そして、ゲート絶縁膜15上にポリシリコン膜や金属膜などにより制御電極16xを形成する。
The
なお、フィールドストップ領域18とカソード領域21、ベース領域13とアノード領域22をそれぞれ同時に形成してもよい。これにより、半導体装置1の製造工程を短縮できる。
The
図1に示すように、不活性領域200においてゲートバスライン40と接続する溝160Yに最近接のトランジスタ領域110の溝160Xの周囲には、エミッタ領域14が形成されていない。IGBTがターンオフした際に、エミッタ領域14が形成されていないこの領域を通過して、キャリアがエミッタ電極32に抜けていく。
As shown in FIG. 1, the
ゲートパッド41の直下、ゲートバスライン40の直下および活性領域100の周囲を外側から囲む不活性領域200の半導体基体10の表面側には、半導体装置1の耐圧を確保するために、第2導電型(p型)の表面半導体領域42が設けられている。例えば、外周領域には、半導体装置1の耐圧を確保するために、第2導電型(p型)の表面半導体領域42が設けられた周知のリサーフ構造やFLR構造が形成されている。
Directly below the
図4に、X方向に沿った半導体装置1の断面図を示す。半導体装置1では、トランジスタ領域110を挟んで不活性領域200とダイオード領域120とが離間している。
FIG. 4 shows a cross-sectional view of the
半導体装置1の等価的な回路図を図5に示す。半導体装置1は、トランジスタ領域110に配置されたIGBT51とダイオード領域120に配置されたダイオード52を組み合わせたRC−IGBTである。すなわち、IGBT51のエミッタ領域14が、ダイオード52のアノード領域22と電気的に接続する。また、IGBT51のコレクタ領域12が、ダイオード52のカソード領域21と電気的に接続する。このような半導体装置1を組み合わせて特許文献1に記載のようなインバータ回路を構成し、IGBT51を駆動する制御回路を含むスイッチングシステムを構成する。
An equivalent circuit diagram of the
図6に、実施形態に係る半導体装置1を用いたスイッチングシステムの例を示す。図6に示したスイッチングシステムは、モータ500を駆動する3相モータブリッジ回路の上アームのトランジスタ及び還流ダイオードQ2、Q4、Q6および下アームのトランジスタ及び還流ダイオードQ1、Q3、Q5に半導体装置1を駆動スイッチとして使用している。トランジスタ及び還流ダイオードQ1〜トランジスタ及び還流ダイオードQ6のトランジスタのオンオフ動作は、制御回路60により制御される。この3相モータブリッジ回路では、モータ500のコイル(誘導性負荷)に所定のタイミングで電流を流し、モータ500を回転させる。制御回路60は、上アームと下アームの半導体装置1のうち、一方の半導体装置1のダイオード領域に還流電流が流れている時、他方の半導体装置1の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタをオンさせる。図6に示したスイッチングシステムでは、下アームに低インピーダンスのインピーダンス510を接続して、その電圧降下から電流をモニタする。
FIG. 6 shows an example of a switching system using the
図7に、図6に示した3相モータブリッジ回路の一部の動作シミュレーション回路を示す。図7において、モータ500をコイル501で示している。電流Iは、コイル501に流れる電流である。また、トランジスタ及び還流ダイオードQ1のトランジスタのエミッタ電流を電流Q1−Ieで示し、トランジスタ及び還流ダイオードQ2のトランジスタのコレクタ電流を電流Q2−Icで示している。なお、トランジスタ及び還流ダイオードQ1のトランジスタのゲート電圧V1やトランジスタ及び還流ダイオードQ2のトランジスタのゲート電圧V2は、実際には制御回路60から供給されるが、動作シミュレーション回路の簡略化のため、図7では電圧源として示した。図7に示したゲート端子と電圧源の間に接続された抵抗やダイオードは、制御回路60からの出力回路を示している。
FIG. 7 shows a partial operation simulation circuit of the three-phase motor bridge circuit shown in FIG. In FIG. 7, the
図8に、図7に示した動作シミュレーション回路のタイミングチャートを示す。図8において、トランジスタ及び還流ダイオードQ1のトランジスタがオン状態である期間を期間T1、トランジスタ及び還流ダイオードQ1のトランジスタがオフ状態である期間を期間T2で示した。以下において、下アームのトランジスタ及び還流ダイオードQ1のトランジスタがオンからオフに切り替えると、モータ500に蓄積されたエネルギーにより、上アームのトランジスタ及び還流ダイオードQ2のダイオードに順方向電圧が印加され、そのダイオードを介した還流電流が流れる。次に、下アームのトランジスタ及び還流ダイオードQ1のトランジスタがオンすると、上アームのトランジスタ及び還流ダイオードQ2のダイオードに還流電流は流れない。下アームのトランジスタ及び還流ダイオードQ1のトランジスタのオフ期間であって下アームのトランジスタ及び還流ダイオードQ1のトランジスタをオンする前において、上アームのトランジスタ及び還流ダイオードQ2のトランジスタの制御電極16xにゲート電圧を一定時間印加する(以下、この動作を「準同期整流動作」という)。準同期整流動作する半導体装置1では、図8に示すように、下アームのトランジスタ及び還流ダイオードQ1のトランジスタのオン動作の前に、上アームのトランジスタ及び還流ダイオードQ2のトランジスタが一定時間オンした後にオフする。上アームのトランジスタ及び還流ダイオードQ2を一時的にオンする時間は、例えば2μ秒である。準同期整流動作しない半導体装置では、このタイミングでゲート電圧V2は印加されない。
FIG. 8 shows a timing chart of the motion simulation circuit shown in FIG. 7. In FIG. 8, the period in which the transistor of the transistor and the freewheeling diode Q1 is in the on state is shown in the period T1, and the period in which the transistor of the transistor and the freewheeling diode Q1 is in the off state is shown in the period T2. In the following, when the transistor of the lower arm and the transistor of the freewheeling diode Q1 are switched from on to off, a forward voltage is applied to the transistor of the upper arm and the diode of the freewheeling diode Q2 by the energy stored in the
準同期整流動作では、トランジスタ及び還流ダイオードQ2のトランジスタを一時的にオンすることにより、トランジスタにチャネルが生じる。その結果、トランジスタの電子通路の障壁が低下し、トランジスタ直下に蓄積されていた正孔が減少する。これにより、リカバリー時間が抑制される。また、サージ電圧が低減される。 In the quasi-synchronous rectification operation, a channel is generated in the transistor by temporarily turning on the transistor of the transistor and the freewheeling diode Q2. As a result, the barrier of the electron passage of the transistor is lowered, and the holes accumulated directly under the transistor are reduced. As a result, the recovery time is suppressed. Also, the surge voltage is reduced.
図9に、トランジスタ及び還流ダイオードQ1がオン状態である期間T1における電流経路R1を示した。期間T1では、トランジスタ及び還流ダイオードQ1のトランジスタおよびトランジスタ及び還流ダイオードQ4のトランジスタがオンして、コイル501に電流が流れる。そして、トランジスタ及び還流ダイオードQ1およびトランジスタ及び還流ダイオードQ4のトランジスタが同時にオフすると、図10に電流経路R2で示すように、コイル501に蓄積されたエネルギーによりトランジスタ及び還流ダイオードQ2のダイオードおよびトランジスタ及び還流ダイオードQ3のダイオードに電流が流れる。上記のように、トランジスタはトランジスタ及び還流ダイオードQ1とトランジスタ及び還流ダイオードQ4で直列、ダイオードはトランジスタ及び還流ダイオードQ2とトランジスタ及び還流ダイオードQ3で直列となる。しかし、動作上直列にしなくでも、動作確認や動作シミュレーションでは素子動作評価が可能である。このため、図7に示した動作シミュレーション回路を用いて評価を行った。
FIG. 9 shows the current path R1 in the period T1 in which the transistor and the freewheeling diode Q1 are in the ON state. In the period T1, the transistor of the transistor and the freewheeling diode Q1 and the transistor of the transistor and the freewheeling diode Q4 are turned on, and a current flows through the
トランジスタ及び還流ダイオードQ1の半導体装置1の動作について説明する。トランジスタ及び還流ダイオードQ1の半導体装置1のトランジスタ領域110をオン状態にする場合は、コレクタ電極31の電位をエミッタ電極32の電位より高く設定し、エミッタ電極32と制御電極16x間に所定のゲート電圧を印加する。半導体装置1のトランジスタ領域110をオン状態にすると、チャネル領域がp型からn型に反転してチャネルが形成される。形成されたチャネルを通過して、エミッタ電極32から電子がドリフト領域11dに注入される。また、コレクタ領域12とドリフト領域11dとの間が順バイアスされ、コレクタ電極31からコレクタ領域12を経由して正孔(ホール)がドリフト領域11d、キャリア蓄積領域17、ベース領域13の順に移動する。更に電流を増やしていくと、コレクタ領域12からの正孔が増加し、ドリフト領域11dに正孔が蓄積される。その結果、伝導度変調によってオン電圧が低下する。
The operation of the
トランジスタ及び還流ダイオードQ1の半導体装置1のトランジスタ領域110をオン状態からオフ状態にする場合は、ゲート電圧をしきい値電圧よりも低く制御する。例えば、ゲート電圧を、エミッタ電圧と同じ電位又は負電位となるようにする。これにより、ベース領域13のチャネルが消滅して、エミッタ電極32からドリフト領域11dへの電子の注入が停止する。半導体装置1のトランジスタ領域110がオフすると、コイル501はエネルギーを蓄積し、半導体装置1のエミッタ電極32の電位がコレクタ電極31の電位より高くなり、トランジスタ及び還流ダイオードQ1のダイオード領域120において、アノード領域22から、半導体層11を経由してカソード領域21に還流電流が流れる(以下において、「ダイオード動作」という。)。
When the
なお、ドリフト領域11dよりも不純物濃度の高いキャリア蓄積領域17をドリフト領域11dとベース領域13との間に配置することにより、オン状態(以下において、「トランジスタ動作」という。)でキャリア蓄積領域17からドリフト領域11dに向かう電界が発生する。これにより、ドリフト領域11dとキャリア蓄積領域17との界面の近傍において、ドリフト領域11dに正孔が蓄積される。このため、キャリア蓄積領域17が配置されない場合と比較して、より多くの正孔が蓄積される。その結果、IGBT51のオン電圧をより低下させることができる。
By arranging the
ただし、キャリア蓄積領域17の不純物濃度を高くしすぎると、オフ状態においてベース領域13とキャリア蓄積領域17との界面のpn接合から生じる空乏層の広がりが抑制される。その結果、半導体装置1の耐圧が低下する。したがって、キャリア蓄積領域17の不純物濃度は、ドリフト領域11dの不純物濃度よりも高く、且つ、ベース領域13の不純物濃度よりも低いことが好ましい。
However, if the impurity concentration in the
図11に、トランジスタ及び還流ダイオードQ1の半導体装置1のゲート電圧Q1−Vgの印加方法とトランジスタ及び還流ダイオードQ2の半導体装置1のゲート電圧Q2−Vgの印加方法を示す。時刻t_OFFにおいてトランジスタ及び還流ダイオードQ1がトランジスタ動作Ttからダイオード動作Tdに切り替わった後、トランジスタ及び還流ダイオードQ1がダイオード動作Tdからトランジスタ動作Ttに切り替わる時刻t_ONの前に、正のゲート電圧をトランジスタ及び還流ダイオードQ2の制御電極16xに印加する。これにより、トランジスタ及び還流ダイオードQ2のリカバリー電流を抑制できる。
FIG. 11 shows a method of applying the gate voltage Q1-Vg of the
準同期整流動作における半導体装置1の電圧波形と電流波形の例を図12に示す。図12において、電圧Q1_Vgeは、IGBT51の動作を制御する電圧としてみた場合のゲート電圧を示す。一方、電圧Q2_Vgeは、ダイオード動作におけるダイオード52の動作を制御する電圧としてみた場合のゲート電圧を示す。また、ダイオード動作におけるコレクタ―エミッタ間電圧を電圧Q2_Vceで示した。図12において、電流Q2_Idは、ダイオード52を流れる電流である。
FIG. 12 shows an example of the voltage waveform and the current waveform of the
図13および図14に、トランジスタ領域110とダイオード領域120の境界付近の活性領域100をモデル化したシミュレーションによって、図12の時刻taおよび時刻tbにおけるキャリア(正孔)濃度を算出した結果を示す。時刻taでは、ダイオード動作においてゲート電圧を印加していない。時刻tbでは、準同期整流動作によりダイオード動作においてゲート電圧を印加している。図13に示す時刻taのキャリア濃度に比べて、図14に示す時刻tbでのキャリア濃度が低い。図16は図13および図14におけるA−A方向に沿った断面における深さ方向Dの半導体装置1のキャリア濃度を示す。時刻taのキャリア濃度のピークを示す点hが時刻tbで点iに減少し、且つ時刻taのキャリア濃度の総量よりも時刻tbのキャリア濃度の総量も減少していることがわかる。
13 and 14 show the results of calculating the carrier (hole) concentration at time ta and time tb in FIG. 12 by a simulation modeling the
準同期整流動作をさせない場合は、時刻taの状態でリカバリー動作が開始される。このため、IGBT51のドリフト領域11dのキャリア濃度が高く、大きなリカバリー電流を流す必要がある。このため、リカバリー時間が増大し、スイッチング特性が低下する。一方、準同期整流動作をする場合は、トランジスタ領域110のリカバリー電流を低減できる。このように、準同期整流動作を行うことにより、半導体装置1全体のリカバリー電流を低減できる。
When the quasi-synchronous rectification operation is not performed, the recovery operation is started in the state of time ta. Therefore, the carrier concentration in the
なお、ダイオード動作の全期間に渡って制御電極16xにゲート電圧を印加することは好ましくない。これは、ダイオード動作の全期間でキャリアが減少することにより、順方向電圧Vfが大きくなるためである。したがって、トランジスタ動作に切り替わる前のダイオード動作の一定の期間のみに、制御電極16xにゲート電圧を印加することが好ましい。
It is not preferable to apply a gate voltage to the
ところで、半導体装置1の不活性領域200の半導体基体10の表面側には、p型の表面半導体領域42が形成されている。不活性領域200の半導体基体10の表面側のp型の表面半導体領域42はダイオード動作時にキャリア(正孔)の供給源となり、この表面半導体領域42とカソード領域21との間の半導体層11にキャリア(正孔)が多く存在することになる。その結果、半導体装置1のリカバリー電流をさらに低減することができない。
By the way, a p-type
そこで、半導体装置1では、ゲートバスライン40やゲートパッド41などの直下の半導体層11の表面側に配置され、ダイオード動作において少数キャリアの供給源となるp型の表面半導体領域42が、平面視でカソード領域21と重ならない構造となっている。このため、リカバリー時間を短縮できる。また、半導体装置1の平面視において、ゲートバスライン40やゲートパッド41などの配置された不活性領域200とカソード領域21との間にトランジスタ領域110が設けられている。準同期整流動作においてトランジスタ領域110のトランジスタがオンすることによって、半導体装置1では、リカバリー時間を更に短縮することができる。
Therefore, in the
なお、図14に示すように、キャリア濃度の高い領域が、半導体基体10の深さの中心付近を凸部として、トランジスタ領域110とダイオード領域120の境界からトランジスタ領域110の内部に向けて次第に増大する。このため、ゲートバスライン40やゲートパッド41からダイオード領域120までの平面視での距離Wが、半導体基体10の厚さLに対してある程度広いことが好ましい。例えば、ゲートバスライン40やゲートパッド41からダイオード領域120(カソード領域21)までの平面視での距離Wを、半導体基体10の厚さLの2倍以上とし、その間の半導体基体10をトランジスタ領域110とすることが望ましい。
As shown in FIG. 14, the region having a high carrier concentration gradually increases from the boundary between the
ところで、ダイオード領域120において、アノード領域22の面積よりもカソード領域21の面積が広くてもよい。この場合、平面視で、ゲートバスライン40やゲートパッド41の配置された不活性領域200からカソード領域21までの距離が、半導体基体10の厚さLの2倍の長さよりも大きいことが好ましい。
By the way, in the
また、活性領域100(トランジスタ領域110とダイオード領域120)と不活性領域200において時刻tbにおけるキャリア濃度を、シミュレーションにより算出した例を図15に示す。さらに、図15のB−B方向に沿った断面における半導体装置1の深さ方向Dのキャリア濃度を図17に示す。なお、図15は、図14のトランジスタ領域110の一部が不活性領域200となり、不活性領域200の半導体基体10の表面側にp型の表面半導体領域42が設けられている点が異なる。
Further, FIG. 15 shows an example in which the carrier concentration at time tb in the active region 100 (
図14のA−A方向に沿った断面における半導体基体10の表面側のキャリア濃度(例えば図16の点iのキャリア濃度)に比べて、図15のB−B方向に沿った断面における半導体基体10の表面側のキャリア濃度(例えば図17の点jのキャリア濃度)が高くなっており、キャリアの供給源となっている。そこで、半導体装置1の平面視で、不活性領域200がカソード領域21と重ならない構造とすることで、リカバリー時間を短縮できる。また、半導体装置1の平面視において、ゲートバスライン40やゲートパッド41などの配置された不活性領域200とカソード領域21との間にトランジスタ領域110が設けられている。準同期整流動作においてトランジスタ領域110のトランジスタがオンすることによって、半導体装置1では、リカバリー時間を更に短縮することができる。更に、半導体装置1の平面視で、半導体基体の厚みLに対して不活性領域200とカソード領域21とを2L以上離すことで、リカバリー時間を更に短縮することができる。
Compared with the carrier concentration on the surface side of the
以上に説明したように、実施形態に係る半導体装置1では、ダイオード動作において少数キャリアの供給源となる、ゲートバスライン40やゲートパッド41などの配置された不活性領域200の表面側のp型の表面半導体領域42が、ダイオード領域120(カソード領域21)と平面視で離間して配置される。このため、半導体装置1によれば、リカバリー電流の増大を抑制できる。その結果、リカバリー時間が短縮され、半導体装置1のスイッチング特性を向上できる。
As described above, in the
<変形例>
例えば1000V以上の高い耐圧が要求される半導体装置1では、耐圧を確保するための外周領域にキャリアが発生する。このキャリア発生により、半導体装置1のスイッチング速度が低下する。RC−IGBTの場合、IGBT51のオフ動作とダイオード52のリカバリー動作におけるスイッチング時間が、上記のキャリア発生に起因して低下する。
<Modification example>
For example, in the
IGBTでは、トランジスタ領域110の周囲の溝とその外側の溝との間を通過してキャリアがエミッタ電極32に抜けていく。このため、IGBT51のオフ動作とダイオード52のリカバリー動作のバランスを考慮することが好ましい。例えば、図18に示すように、平面視でゲートバスライン40の外側の不活性領域200の半導体基体10の裏面において、半導体基体10の外縁に沿ってn型の外縁半導体領域211を配置する(つまり、半導体基体10の外縁に沿ってコレクタ領域12を設けない。)。n型の外縁半導体領域211はコレクタ電極31とドリフト領域11dと電気的に接続している。外縁半導体領域211の不純物濃度は、例えばカソード領域21と同程度にする。
In the IGBT, the carrier passes between the groove around the
なお、図18に示すように、半導体基体10の外縁から半導体基体10の中心方向に向けた外縁半導体領域211の長さを、平面視で矩形状の半導体基体10のコーナー部近傍において、コーナー部を連結する外辺部(コーナー部近傍以外)よりも長くしてもよい。これは、コーナー部近傍においては、他の領域よりもキャリアが抜けにくいためである。
As shown in FIG. 18, the length of the outer
さらに、図18の半導体装置において、ゲートパッド41直下の半導体基体10の裏面側に外縁半導体領域211を設けず、ゲートパッド41直下の半導体基体10の裏面にコレクタ領域12が設けられていることが望ましい。具体的には、13の紙面における半導体基体10の裏面側に外縁半導体領域211を設けず、コレクタ領域とすることが望ましい。図1で示すゲートバスライン40下のp領域と同様にゲートパッド41の下にもp型の表面半導体領域42が設けられているので、ゲートパッド41の直下の半導体基体10の裏面側に外縁半導体領域211が設けられていると、外縁半導体領域211とゲートパッド41の下のp型の表面半導体領域42とが半導体装置1を平面視した時に近くなり、ゲートパッド41の下のp型の表面半導体領域42がダイオード動作時にキャリア(正孔)の供給源となるためである。
Further, in the semiconductor device of FIG. 18, the outer
ところで、トランジスタ領域110のコレクタ領域12の面積が広いと、IGBTのhFEが非常に大きくなる。それにより、発生するキャリアが増えて、リカバリー電流が増大する。このため、IGBTで発生するキャリアの量を制御するために、トランジスタ領域110の半導体基体10の裏面側にコレクタ領域12の一部をドット状のn型半導体領域としてもよい。新たに設けるドット状のn型半導体領域の面積はダイオード領域120の面積よりも小さく、新たに設けるドット状のn型半導体領域はコレクタ電極31とドリフト領域11dと電気的に接続している。
By the way, when the area of the
例えば、図19に示すように、半導体基体10の裏面側に、ダイオード領域120の周囲においてコレクタ領域12に囲まれて配置された島状のn型の点状領域212を複数配置する。点状領域212のサイズは特に限定されないが、例えば、半導体製造プロセスによって正確に形成できるサイズよりも大きくする。また、トランジスタ動作においてIGBTに流れる主電流を制限しすぎないように、点状領域212のサイズの上限を設定する。トランジスタ領域110の半導体基体10の裏面側にn型領域を配置することにより、コレクタ領域12のべた面積を減少させて、IGBTで発生するキャリアの量を制御することができる。
For example, as shown in FIG. 19, a plurality of island-shaped n-type dot-shaped
(その他の実施形態)
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As mentioned above, the invention has been described by embodiment, but the statements and drawings that form part of this disclosure should not be understood to limit the invention. Various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art from this disclosure.
例えば、上記では、IGBTがトレンチゲート型である場合を説明したが、IGBTがプレーナ型であってもよい。 For example, in the above, the case where the IGBT is a trench gate type has been described, but the IGBT may be a planar type.
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態などを含むことはもちろんである。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, it goes without saying that the present invention includes various embodiments not described here. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the matters specifying the invention relating to the reasonable claims from the above description.
10…半導体基体
11…半導体層
12…コレクタ領域
13…ベース領域
14…エミッタ領域
15…ゲート絶縁膜
16x…制御電極
21…カソード領域
22…アノード領域
30…層間絶縁膜
31…コレクタ電極
32…エミッタ電極
40…ゲートバスライン
41…ゲートパッド
42…表面半導体領域
100…活性領域
110…トランジスタ領域
120…ダイオード領域
200…不活性領域
10 ...
Claims (8)
前記半導体基体の前記トランジスタ領域に配置され、前記半導体層をドリフト領域とし、絶縁ゲート型の制御電極を有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタと、
前記半導体基体の前記ダイオード領域に配置され、前記半導体層の裏面側に配置された第1導電型の第1半導体領域、および前記半導体層の表面側に配置された第2導電型の第2半導体領域を有し、前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタと逆並列に接続されたダイオードと、
前記不活性領域の前記半導体層の表面側に配置された第2導電型の表面半導体領域と
を備え、平面視で、前記表面半導体領域と前記第1半導体領域が離間し、
準同期整流動作させることを特徴とする半導体装置。 It has an active region divided into a diode region and a transistor region outside the diode region in a plan view, and an inactive region outside the active region, and is continuously arranged over the active region and the inactive region. A semiconductor substrate containing the first conductive semiconductor layer,
An insulated gate bipolar transistor arranged in the transistor region of the semiconductor substrate, having the semiconductor layer as a drift region, and having an insulated gate type control electrode.
A first conductive type first semiconductor region arranged in the diode region of the semiconductor substrate and arranged on the back surface side of the semiconductor layer, and a second conductive type second semiconductor arranged on the front surface side of the semiconductor layer. A diode having a region and connected in antiparallel to the insulated gate type bipolar transistor,
A second conductive type surface semiconductor region arranged on the surface side of the semiconductor layer of the inert region is provided, and the surface semiconductor region and the first semiconductor region are separated from each other in a plan view.
A semiconductor device characterized by quasi-synchronous rectification operation.
平面視で、前記表面半導体領域から前記第1半導体領域までの距離が、前記半導体基体の厚みの2倍以上であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 Further provided with a gate bus line located above the surface semiconductor region and electrically connected to the control electrode.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the distance from the surface semiconductor region to the first semiconductor region is twice or more the thickness of the semiconductor substrate in a plan view.
前記半導体基体の前記トランジスタ領域に配置され、前記半導体層をドリフト領域とする絶縁ゲート型バイポーラトランジスタと、
前記半導体基体の前記ダイオード領域に配置され、前記半導体層の裏面側に配置された第1導電型の第1半導体領域、および前記半導体層の表面側に配置された第2導電型の第2半導体領域を有し、前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタと逆並列に接続されたダイオードと、
前記不活性領域の前記半導体層の表面側に配置された第2導電型の表面半導体領域と、
前記表面半導体領域の上方に配置された前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの制御電極と電気的に接続されたゲートバスラインと
を備え、
平面視で、前記表面半導体領域から前記第1半導体領域までの距離が、前記半導体基体の厚みの2倍以上であることを特徴とする半導体装置。 It has an active region divided into a diode region and a transistor region outside the diode region in a plan view, and an inactive region outside the active region, and is continuously arranged over the active region and the inactive region. A semiconductor substrate containing the first conductive semiconductor layer,
An insulated gate bipolar transistor arranged in the transistor region of the semiconductor substrate and having the semiconductor layer as a drift region,
A first conductive type first semiconductor region arranged in the diode region of the semiconductor substrate and arranged on the back surface side of the semiconductor layer, and a second conductive type second semiconductor arranged on the front surface side of the semiconductor layer. A diode having a region and connected in antiparallel to the insulated gate type bipolar transistor,
A second conductive surface semiconductor region arranged on the surface side of the semiconductor layer in the inert region,
It is provided with a control electrode of the insulated gate bipolar transistor arranged above the surface semiconductor region and a gate bus line electrically connected to the control electrode.
A semiconductor device characterized in that the distance from the surface semiconductor region to the first semiconductor region is twice or more the thickness of the semiconductor substrate in a plan view.
平面視で、前記ゲートパッドから前記第1半導体領域までの距離が、前記半導体基体の厚さの2倍の長さよりも大きいことを特徴とする請求項2、3、5、および6のいずれか1項に記載の半導体装置。 Further provided with a gate pad located in the inert region and connected to the gate bus line.
Any of claims 2, 3, 5, and 6, wherein in a plan view, the distance from the gate pad to the first semiconductor region is larger than twice the thickness of the semiconductor substrate. The semiconductor device according to item 1.
請求項1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置を、前記誘導性負荷と接続した上アームと下アームの駆動スイッチとして使用し、
一方の前記半導体装置の前記ダイオード領域に還流電流が流れている時、他方の前記半導体装置の前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタをオンさせる制御回路を備えることを特徴とするスイッチングシステム。
A switching system with an inductive load connected
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 7 is used as a drive switch for an upper arm and a lower arm connected to the inductive load.
A switching system comprising a control circuit for turning on the insulated gate bipolar transistor of the other semiconductor device when a recirculation current is flowing in the diode region of the semiconductor device.
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