JP2014175431A - Semiconductor device and electric power conversion system using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】
半導体装置の耐圧を安定化する。
【解決手段】
半導体装置101のターミネーション領域におけるN-層112に、補助電極321,322と接触するFLR232,234が設けられ、FLR232とFLR234の間には、補助電極とは分離されたFLR233が設けられ、このFLR233の表面上が、補助電極321,322によって覆われる。
【選択図】図1【Task】
Stabilizes the breakdown voltage of the semiconductor device.
[Solution]
FLRs 232 and 234 that are in contact with the auxiliary electrodes 321 and 322 are provided in the N − layer 112 in the termination region of the semiconductor device 101, and an FLR 233 that is separated from the auxiliary electrode is provided between the FLR 232 and the FLR 234, and this FLR 233. Are covered with auxiliary electrodes 321 and 322.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、半導体装置およびそれを用いた電力変換装置に係り、特に高耐圧半導体装置およびそれを用いた大容量あるいは高信頼の電力変換装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a power conversion device using the same, and more particularly to a high voltage semiconductor device and a large capacity or high reliability power conversion device using the same.
高耐圧半導体装置として、PNダイオード、ショットキーバリアダイオード、MOSFET、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ等が広く利用されている。図2に、高耐圧半導体装置においては、一般に、平面的に見て、主電流が流れる活性領域を囲むように電圧阻止領域であるターミネーション領域が配置されている。 As high voltage semiconductor devices, PN diodes, Schottky barrier diodes, MOSFETs, insulated gate bipolar transistors and the like are widely used. In FIG. 2, in a high breakdown voltage semiconductor device, a termination region, which is a voltage blocking region, is generally arranged so as to surround an active region through which a main current flows in a plan view.
特許文献1(特許第3111827号公報)には、ターミネーション構造として、FLR(Field Limiting Ring)にフィールドプレートを設けることで電圧阻止特性が安定な高耐圧半導体装置を実現する技術が開示されている。 Patent Document 1 (Japanese Patent No. 3111827) discloses a technique for realizing a high voltage semiconductor device having a stable voltage blocking characteristic by providing a field plate in an FLR (Field Limiting Ring) as a termination structure.
上記のようなフィールドプレートを有する高耐圧半導体装置について、本発明者がさらなる阻止耐圧の安定化を検討したところ、以下に説明するような課題が見出された。 As for the high breakdown voltage semiconductor device having the field plate as described above, the inventors have studied further stabilization of the blocking breakdown voltage, and found the following problems.
従来構造のN-層は、フィールドプレートに覆われていない部分が存在するため、モジュール等の絶縁封止材の電荷が大きい場合には、耐圧が劣化するおそれがある。 Since the N − layer having the conventional structure includes a portion not covered with the field plate, the withstand voltage may be deteriorated when the charge of the insulating sealing material such as the module is large.
特に、半導体装置を構成する半導体材料が炭化けい素(SiC)のようなワイドバンドギャップ半導体である場合、半導体装置自体の絶縁破壊電界が高いために、絶縁封止材に高い電界がかかって大きな電荷が発生する。このため、耐圧の劣化が顕著になる。 In particular, when the semiconductor material constituting the semiconductor device is a wide band gap semiconductor such as silicon carbide (SiC), the dielectric breakdown electric field of the semiconductor device itself is high, so that a high electric field is applied to the insulating sealing material, and the Charge is generated. For this reason, the deterioration of the breakdown voltage becomes remarkable.
そこで、本発明の目的は、半導体装置を高耐圧化すると共に、電圧阻止特性を安定化することである。 Therefore, an object of the present invention is to increase the breakdown voltage of the semiconductor device and stabilize the voltage blocking characteristics.
上記課題を解決するために、本発明による半導体装置においては、ターミネーション領域における第1導電型の第1半導体領域に、第1の補助電極と接触する複数の第2半導体領域を設ける。隣接する第2半導体領域の間には、前記第1補助電極とは分離された少なくとも1個の第2導電型の第3半導体領域が設けられ、この第3半導体領域の表面上が、第1補助電極によって覆われる。 In order to solve the above problems, in the semiconductor device according to the present invention, a plurality of second semiconductor regions in contact with the first auxiliary electrode are provided in the first semiconductor region of the first conductivity type in the termination region. Between the adjacent second semiconductor regions, at least one second conductive type third semiconductor region separated from the first auxiliary electrode is provided, and the surface of the third semiconductor region is the first semiconductor region. Covered by auxiliary electrode.
さらに、本発明の一態様である半導体装置は、第1導電型の第1半導体領域において、主電流が流れる活性領域および活性領域の周囲に位置するターミネーション領域が設けられる。このターミネーション領域には、活性領域を囲むように、第2導電型の複数の第2半導体領域が設けられるが、これら第2半導体領域には複数の第1補助電極が接触する。また、ターミネーション領域において、互いに隣接する2個の第2半導体領域の間には、第1補助電極とは分離された少なくとも1個の第2導電型の第3半導体領域が、活性領域を囲むように設けられる。さらに、第3半導体領域の表面上が、2個の第2半導体領域と接触する各第1補助電極によって覆われる。 Furthermore, in the semiconductor device which is one embodiment of the present invention, an active region in which a main current flows and a termination region located around the active region are provided in the first semiconductor region of the first conductivity type. In this termination region, a plurality of second conductivity type second semiconductor regions are provided so as to surround the active region, and the plurality of first auxiliary electrodes are in contact with these second semiconductor regions. In the termination region, at least one second conductive type third semiconductor region separated from the first auxiliary electrode surrounds the active region between two adjacent second semiconductor regions. Is provided. Furthermore, the surface of the third semiconductor region is covered with the first auxiliary electrodes that are in contact with the two second semiconductor regions.
半導体装置は、例えば、PNダイオード、ショットキーバリアダイオード、MOSFET、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ等である。また、第1導電型および第2導電型は、例えば、それぞれN型およびP型であり、互いに反対の導電型である。さらに、第2および第3半導体領域は例えばFLR(Field Limiting Ring)である。第1補助電極は、好ましくはフィールドプレートを備える。 The semiconductor device is, for example, a PN diode, a Schottky barrier diode, a MOSFET, an insulated gate bipolar transistor, or the like. The first conductivity type and the second conductivity type are, for example, an N type and a P type, respectively, and are opposite to each other. Further, the second and third semiconductor regions are, for example, FLR (Field Limiting Ring). The first auxiliary electrode preferably comprises a field plate.
本発明によれば、半導体装置を高耐圧化できるとともに、電圧阻止特性を安定化することができる。 According to the present invention, the breakdown voltage of the semiconductor device can be increased and the voltage blocking characteristic can be stabilized.
本発明の他の目的および他の特徴は、以下の明細書の記載および図面の記載から明らかになるであろう。 Other objects and other features of the present invention will become apparent from the description of the following specification and the drawings.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、各実施形態において、半導体装置のチップ中心からチップ端に向かう方向に延びるフィールドプレートを順フィールドプレートと呼び、チップ端からチップ中心に向かう方向に延びるフィールドプレートを逆フィールドプレートと呼ぶ。また、表記N-,N,N+は、半導体層の導電型がN型であり、この順番にN型不純物濃度が相対的に高いことを示す。表記P-,P,P+は、半導体層の導電型がP型であり、この順番にP型不純物濃度が相対的に高いことを示す。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1である半導体装置のターミネーション領域の断面図を示す。また、図2は、本実施形態の平面図を示す。図1は、図2におけるA−A’縦方向断面を示す。図2が示すように、ターミネーション領域103は、半導体装置101においてP層113を含み主電流が流れる活性領域102の周囲に位置し、主接合であるP層113とN-層112とのPN接合部における電界を緩和して耐圧を確保する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each embodiment, a field plate extending in the direction from the chip center of the semiconductor device toward the chip end is referred to as a forward field plate, and a field plate extending in the direction from the chip end toward the chip center is referred to as a reverse field plate. The notations N − , N, and N + indicate that the conductivity type of the semiconductor layer is N type, and the N-type impurity concentration is relatively high in this order. The notations P − , P, and P + indicate that the conductivity type of the semiconductor layer is P type, and the P-type impurity concentration is relatively high in this order.
(Embodiment 1)
1 is a sectional view of a termination region of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a plan view of the present embodiment. FIG. 1 shows a longitudinal section taken along line AA ′ in FIG. As shown in FIG. 2, the termination region 103 is located around the active region 102 including the P layer 113 and through which the main current flows in the semiconductor device 101, and a PN junction between the P layer 113, which is the main junction, and the N − layer 112. The electric field in the part is relaxed to ensure a breakdown voltage.
本半導体装置101においては、N+層である半導体基板111の上に、N-層112が形成される。ここで、半導体基板111は、ダイオード,MOSFET,NPNトランジスタの場合は、図1のようにN+層となり、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(以下IGBTと記す)の場合は、P+層となる。半導体装置101は互いに表裏をなす二つの主表面を有し、一方の主表面に設けられる主電極121と他方の主表面に設けられる主電極122の間で主電流が流れる。すなわち、本実施形態の半導体装置101は、いわゆる縦型半導体装置である。 In the present semiconductor device 101, an N − layer 112 is formed on a semiconductor substrate 111 that is an N + layer. Here, the semiconductor substrate 111 is an N + layer as shown in FIG. 1 in the case of a diode, MOSFET, or NPN transistor, and is a P + layer in the case of an insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as IGBT). The semiconductor device 101 has two main surfaces that are opposite to each other, and a main current flows between a main electrode 121 provided on one main surface and a main electrode 122 provided on the other main surface. That is, the semiconductor device 101 of this embodiment is a so-called vertical semiconductor device.
半導体基板111は一方の主表面に接し、N-層112は他方の主表面に接する。N-層112が接する主表面から、N-層112よりも不純物濃度が高いP層113が不純物拡散により設けられている。さらに、P層113を囲むように、N-層112よりも不純物濃度が高いP型の半導体層であるFLR(Field Limiting Ring)231,232,233,234,235,236,237,238,239が設けられる。これらFLRは、P層113を取り囲む9重の同心リング形状をなす。さらに、半導体装置101の最外周部には、チャネルストッパとなるN+層114が、9重のFLRを囲むように設けられている。隣り合うFLR間、P層113とFLR231との間、およびN+層114とFLR239の間には、N-層112の一部が介在する。 Semiconductor substrate 111 is in contact with one main surface, and N − layer 112 is in contact with the other main surface. N - from the major surface of the layer 112 is in contact, N - impurity concentration than the layer 112 higher P layer 113 is provided by an impurity diffusion. Furthermore, FLR (Field Limiting Ring) 231, 232, 233, 234, 235, 236, 237, 238, 239 which are P-type semiconductor layers having an impurity concentration higher than that of the N − layer 112 so as to surround the P layer 113. Is provided. These FLRs have a nine-fold concentric ring shape surrounding the P layer 113. Further, an N + layer 114 serving as a channel stopper is provided on the outermost peripheral portion of the semiconductor device 101 so as to surround the nine-fold FLR. Part of N − layer 112 is interposed between adjacent FLRs, between P layer 113 and FLR 231 and between N + layer 114 and FLR 239.
主電極121および主電極122は、それぞれ半導体基板111およびP層113と電気的に接触する。主電極122が備える順フィールドプレートが、P層113と隣接するFLR231の表面に設けられる絶縁膜130(例えば、シリコン酸化膜)の表面上に延びている。順フィールドプレートによって、P層113とFLR231との間に介在するN-層112の一部の表面と、FLR231の内周部の表面が覆われる。 Main electrode 121 and main electrode 122 are in electrical contact with semiconductor substrate 111 and P layer 113, respectively. A forward field plate included in the main electrode 122 extends on the surface of an insulating film 130 (for example, a silicon oxide film) provided on the surface of the FLR 231 adjacent to the P layer 113. The forward field plate covers a part of the surface of the N − layer 112 interposed between the P layer 113 and the FLR 231 and the inner peripheral surface of the FLR 231.
FLR232,234,236,238およびN+層114には、それぞれ補助電極321,322,323,324,123が電気的に接触する。すなわち、本実施形態において、補助電極は5重の同心リング状をなす。FLRに接触する補助電極(321,322,323,324)は、順フィールドプレートと逆フィールドプレートを備える。補助電極が接触するFLRと外周側で隣接して、かつ補助電極とは分離されて接触しないFLRの内周側表面上と、両FLR間に介在するN-層112の一部の表面上とが、順フィールドプレートによって覆われる。また、補助電極が接触するFLRと内周側で隣接して、かつ補助電極とは分離されて接触しないFLRの外周側表面上と、両FLR間に介在するN-層112の一部の表面上とが、逆フィールドプレートによって覆われる。さらに、N+層114に接触する補助電極123は逆フィールドプレートを備え、この逆フィールドプレートによって、N+層114と内周側で隣接して、かつ9重同心リング状のFLR群の内の最外周に位置するFLR239の外周側表面上と、N+層114とFLR239の間に介在するN-層112の一部の表面上とが覆われる。なお、各フィールドプレートは、各FLRとN+層114の表面、およびFLR間やN+層114とFLR239の間に介在するN-層112の表面に設けられる絶縁膜上に延びている。 The auxiliary electrodes 321, 322, 323, 324, and 123 are in electrical contact with the FLRs 232, 234, 236, 238 and the N + layer 114, respectively. That is, in the present embodiment, the auxiliary electrode has a five-fold concentric ring shape. The auxiliary electrodes (321, 322, 323, 324) in contact with the FLR include a forward field plate and a reverse field plate. On the inner peripheral surface of the FLR that is adjacent to the FLR with which the auxiliary electrode contacts and on the outer peripheral side and is not in contact with the auxiliary electrode, and on the surface of a part of the N − layer 112 interposed between the FLRs Is covered by a forward field plate. In addition, the FLR that is in contact with the auxiliary electrode on the inner peripheral side, is separated from the auxiliary electrode and does not come into contact with the outer peripheral surface of the FLR, and a part of the surface of the N − layer 112 interposed between both FLRs The top is covered by a reverse field plate. Further, the auxiliary electrode 123 in contact with the N + layer 114 includes a reverse field plate, and the reverse field plate is adjacent to the N + layer 114 on the inner peripheral side and is included in the FLR group of nine concentric rings. The outer peripheral side surface of FLR 239 located at the outermost periphery and the surface of a part of N − layer 112 interposed between N + layer 114 and FLR 239 are covered. Each field plate extends on an insulating film provided on the surface of each FLR and N + layer 114 and on the surface of N − layer 112 interposed between FLRs and between N + layer 114 and FLR 239.
図3は、図1において補助電極とは分離されたFLR233の周辺領域の部分拡大図である。図3に示すように、補助電極と接触する2個のFLR、すなわち補助電極321に接触するFLR232と、補助電極322とは分離されたFLR234の間に、補助電極および主電極とは分離されフローティング状態のFLR233が位置する。このFLR233の表面上と、FLR232の外周側すなわちFLR233側表面上と、FLR234の内周側すなわちFLR233側表面上と、並びに各FLR間に介在するN-層112の表面上とが、絶縁膜130によって覆われる。補助電極321の順フィールドプレートと補助電極322の逆フィールドプレートは絶縁膜130上に延びている。すなわち、補助電極とは分離されたFLR233の表面と、FLR233とその両側に隣接するFLR232,234との間に介在するN-層112の表面が、絶縁膜130を介して、FLR233の両側から延びる補助電極321,322によって覆われる。 FIG. 3 is a partially enlarged view of a peripheral region of the FLR 233 separated from the auxiliary electrode in FIG. As shown in FIG. 3, the auxiliary electrode and the main electrode are separated and floated between two FLRs that are in contact with the auxiliary electrode, that is, FLR 232 that is in contact with the auxiliary electrode 321 and FLR 234 that is separated from the auxiliary electrode 322. The state FLR 233 is located. The insulating film 130 is formed on the surface of the FLR 233, on the outer peripheral side of the FLR 232, that is, on the surface on the FLR 233 side, on the inner peripheral side of the FLR 234, that is, on the surface on the FLR 233, and on the surface of the N − layer 112 interposed between the FLRs. Covered by. The forward field plate of the auxiliary electrode 321 and the reverse field plate of the auxiliary electrode 322 extend on the insulating film 130. That is, the surface of FLR 233 separated from the auxiliary electrode and the surface of N − layer 112 interposed between FLR 233 and FLRs 232 and 234 adjacent to both sides thereof extend from both sides of FLR 233 through insulating film 130. Covered by the auxiliary electrodes 321 and 322.
同様に、FLR231,235,237,239についても、各FLRの表面とその両側に隣接する半導体層(FLR,P層113,N+層114)との間に介在するN-層112の表面が、FLR231,235,237,239の各FLRの両側から延びる補助電極によって覆われる。従って、ターミネーション領域においては、不純物濃度が低いN-層112の表面は絶縁膜130および補助電極によって覆われる。また、補助電極間に位置し、補助電極によっては覆われない絶縁膜130下にはFLRが位置する。 Similarly, for FLRs 231, 235, 237, and 239, the surface of the N − layer 112 interposed between the surface of each FLR and the semiconductor layers (FLR, P layer 113, N + layer 114) adjacent to both sides thereof , FLRs 231, 235, 237 and 239 are covered with auxiliary electrodes extending from both sides of each FLR. Therefore, in the termination region, the surface of the N − layer 112 having a low impurity concentration is covered with the insulating film 130 and the auxiliary electrode. Further, the FLR is located under the insulating film 130 that is located between the auxiliary electrodes and is not covered by the auxiliary electrodes.
本実施形態の半導体装置101が電圧阻止状態である場合、複数のFLRにより、空乏層がP層113とN-層112とのPN接合からターミネーション領域に広がり、PN接合部の電界強度が緩和される。また、複数のFLRと順逆フィールドプレート部を備える補助電極により、各FLRが負担する電圧を均等化することができる。これにより、例えば、3300Vや4500Vというような高い耐圧が得られる。さらに、本実施形態においては、ターミネーション領域において、表面電荷の影響を受けやすいN-層112の表面が補助電極によって覆われ、かつ補助電極あるいは主電極によって覆われない領域には補助電極とは分離されたFLRが位置する。従って、ターミネーション領域においては、N-層112の表面が露出する部分がほとんど無い。このため、本実施形態の半導体装置は、後述するように、安定した電圧阻止特性が得られる。 When the semiconductor device 101 of this embodiment is in a voltage blocking state, a plurality of FLRs cause the depletion layer to spread from the PN junction of the P layer 113 and the N − layer 112 to the termination region, and the electric field strength of the PN junction is reduced. The Moreover, the voltage borne by each FLR can be equalized by the auxiliary electrode having a plurality of FLRs and forward / reverse field plate portions. Thereby, for example, a high breakdown voltage such as 3300V or 4500V can be obtained. Further, in the present embodiment, in the termination region, the surface of the N − layer 112 that is easily affected by the surface charge is covered with the auxiliary electrode, and the auxiliary electrode or the region not covered by the main electrode is separated from the auxiliary electrode. FLR is located. Therefore, in the termination region, there is almost no portion where the surface of the N − layer 112 is exposed. For this reason, the semiconductor device of this embodiment can obtain a stable voltage blocking characteristic as will be described later.
さらに、本発明者の検討によれば、順フィールドプレートの下部よりも逆フィールドプレートの下部の方が、電界が集中しやすい。このため、逆フィールドプレートの下部のFLR間隔、すなわち逆フィールドプレートによって覆われるN-層112の一部の幅の大きさが、順フィールドプレートの下部のFLR間隔、すなわち順フィールドプレートによって覆われるN-層112の一部の幅の大きさ以下にすることが好ましい。すなわち、図1において、D1≧D2,D3≧D4,D5≧D6,D7≧D8と設定することが好ましい。 Further, according to the study of the present inventor, the electric field is more likely to concentrate in the lower part of the reverse field plate than in the lower part of the forward field plate. Therefore, the FLR interval below the reverse field plate, that is, the width of a part of the N − layer 112 covered by the reverse field plate is equal to the FLR interval below the forward field plate, ie, N covered by the forward field plate. - it is preferably not more than the size of the portion of the width of the layer 112. That is, in FIG. 1, it is preferable to set D1 ≧ D2, D3 ≧ D4, D5 ≧ D6, D7 ≧ D8.
図4は、本発明の実施形態1における、絶縁封止材の電荷の面密度と半導体装置の耐圧との関係を示す。なお、半導体装置を構成する半導体材料は炭化けい素(SiC)である。図4が示すように、本実施形態1によれば、絶縁封止材の電荷に影響されず、安定した耐圧が得られる。なお、後述する他の実施形態や変形例についても、同様に安定した耐圧が得られる。 FIG. 4 shows the relationship between the surface density of charges of the insulating sealing material and the breakdown voltage of the semiconductor device in Embodiment 1 of the present invention. Note that a semiconductor material constituting the semiconductor device is silicon carbide (SiC). As shown in FIG. 4, according to the first embodiment, a stable breakdown voltage can be obtained without being affected by the charge of the insulating sealing material. It should be noted that a stable breakdown voltage can be similarly obtained in other embodiments and modifications described later.
図5は、実施形態1の変形例を示す。本変形例においては、図1における最外周のFLR239が設けられていない。すなわち、図5の半導体装置101においては、8重同心リング状をなすFLR231〜238の内、補助電極324が接触するFLR238が最外周に位置する。このため、N+層114とFLR238との間に介在するN-層112の表面が、絶縁膜130を介して、補助電極324の順フィールドプレートと補助電極123の逆フィールドプレートによって覆われる。なお、図1において、FLR231,233,235,237のいずれかを設けないようにすることもできる。 FIG. 5 shows a modification of the first embodiment. In the present modification, the outermost FLR 239 in FIG. 1 is not provided. That is, in the semiconductor device 101 of FIG. 5, the FLR 238 with which the auxiliary electrode 324 contacts is located on the outermost periphery among the FLRs 231 to 238 forming an eight-fold concentric ring shape. Therefore, the surface of the N − layer 112 interposed between the N + layer 114 and the FLR 238 is covered with the forward field plate of the auxiliary electrode 324 and the reverse field plate of the auxiliary electrode 123 through the insulating film 130. In FIG. 1, any one of FLRs 231, 233, 235, and 237 can be omitted.
なお、図1の実施形態1では、FLRが9個、補助電極が5個であるが、FLRおよび補助電極の個数は、半導体装置の耐圧に応じて設定される。 In the first embodiment of FIG. 1, there are nine FLRs and five auxiliary electrodes, but the number of FLRs and auxiliary electrodes is set according to the breakdown voltage of the semiconductor device.
(実施形態2)
図6は、本発明の実施形態2である半導体装置のターミネーション領域の断面図を示す。また、本実施形態の平面形状は、実施形態1と同様に図2によって示され、図6は、図2におけるA−A’縦方向断面を示す。
(Embodiment 2)
FIG. 6 shows a cross-sectional view of the termination region of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. Moreover, the planar shape of this embodiment is shown by FIG. 2 similarly to Embodiment 1, and FIG. 6 shows the AA 'longitudinal cross section in FIG.
本実施形態2においては、実施形態1とは異なり、P層113とFLR231との間においてP層113の外周側に接し、P層113よりも不純物濃度が低く、かつP層113よりも深さが深いP-層131が設けられる。P-層131と最内周のFLR231との間にはN-層112の一部が介在する。また、FLR231〜239は、P-層131と同じ濃度プロファイルを有する。 Unlike the first embodiment, the second embodiment is in contact with the outer peripheral side of the P layer 113 between the P layer 113 and the FLR 231, has a lower impurity concentration than the P layer 113, and is deeper than the P layer 113. A deep P − layer 131 is provided. Part of the N − layer 112 is interposed between the P − layer 131 and the innermost FLR 231. The FLRs 231 to 239 have the same concentration profile as the P − layer 131.
本実施形態2によれば、実施形態1と同様の効果に加えて、P層113への電界集中を緩和できる。
(実施形態3)
図7は、本発明の実施形態3である半導体装置のターミネーション領域の断面図を示
す。また、本実施形態の平面形状は、実施形態1と同様に図2によって示され、図7は、図2におけるA−A’縦方向断面を示す。
According to the second embodiment, in addition to the same effects as those of the first embodiment, the electric field concentration on the P layer 113 can be relaxed.
(Embodiment 3)
FIG. 7 shows a cross-sectional view of the termination region of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. Moreover, the planar shape of this embodiment is shown by FIG. 2 similarly to Embodiment 1, and FIG. 7 shows the AA 'longitudinal cross section in FIG.
本実施形態3においては、実施形態1とは異なり、隣接する2個の補助電極が接触する2個のFLR間に、補助電極が接触しないすなわち補助電極とは分離されたFLRが2個設けられる。なお、P層113と最内周の補助電極321が接触するFLR233との間にも、補助電極と分離された2個のFLR231,232が設けられる。さらに、補助電極323が接触するFLR239とN+層114との間にも、補助電極とは分離された2個のFLR240,241が設けられる。補助電極とは分離され、かつ互いに隣接する2個のFLRの内、内側のFLRの全表面上と外側のFLRの内周側の表面上が、絶縁膜130を介して、順フィールドプレートによって覆われ、外側のFLRの外周側の表面上が、絶縁膜130を介して、逆フィールドプレートによって覆われる。 In the third embodiment, unlike the first embodiment, two FLRs that do not contact the auxiliary electrode, that is, are separated from the auxiliary electrode, are provided between two FLRs that are in contact with two adjacent auxiliary electrodes. . Two FLRs 231 and 232 separated from the auxiliary electrode are also provided between the P layer 113 and the FLR 233 in contact with the innermost auxiliary electrode 321. Further, two FLRs 240 and 241 separated from the auxiliary electrode are also provided between the FLR 239 and the N + layer 114 in contact with the auxiliary electrode 323. Of the two FLRs separated from the auxiliary electrode and adjacent to each other, the entire surface of the inner FLR and the inner peripheral surface of the outer FLR are covered by the forward field plate via the insulating film 130. In other words, the outer peripheral surface of the outer FLR is covered with the reverse field plate via the insulating film 130.
図8は、実施形態3の変形例である半導体装置のターミネーション領域の断面図を示す。 FIG. 8 is a sectional view of a termination region of a semiconductor device that is a modification of the third embodiment.
本変形例では、隣接する2個の補助電極が接触する2個のFLR間に、補助電極とは分離されたFLRが3個設けられる。なお、P層113と最内周の補助電極321が接触するFLR234との間にも、補助電極とは分離された3個のFLR231,232,233が設けられる。さらに、補助電極322が接触するFLR238とN+層114との間では、補助電極とは分離された4個のFLR239,240,241,242が設けられる。補助電極とは分離され、かつ互いに隣接する3個のFLR235,236,237の内、FLR235の全表面上とFLR236の内周側の表面上が、絶縁膜130を介して、順フィールドプレートによって覆われ、FLR236の外周側の表面上とFLR237の全表面上が、絶縁膜130を介して、逆フィールドプレートによって覆われる。また、P層113とFLR234との間において互いに隣接し、補助電極とは分離された3個のFLR231,232,233の内、FLR231の全表面上とFLR232の内周側の表面上が、絶縁膜130を介して、順フィールドプレートによって覆われ、FLR232の外周側の表面上とFLR233の全表面上が、絶縁膜130を介して、逆フィールドプレートによって覆われる。さらに、FLR238とN+層114との間において互いに隣接し、補助電極とは分離された4個のFLR239,240,241,242の内、最も内側のFLR239の全表面上と隣接するFLR240の内周側の表面上が、絶縁膜130を介して、順フィールドプレートによって覆われ、FLR240の外周側の表面上とその外側のFLR241および242の全表面上が、絶縁膜130を介して、逆フィールドプレートによって
覆われる。
In this modification, three FLRs separated from the auxiliary electrode are provided between two FLRs in contact with two adjacent auxiliary electrodes. Three FLRs 231, 232, and 233 separated from the auxiliary electrode are also provided between the P layer 113 and the FLR 234 in contact with the innermost auxiliary electrode 321. Further, four FLRs 239, 240, 241, and 242 separated from the auxiliary electrode are provided between the FLR 238 and the N + layer 114 in contact with the auxiliary electrode 322. Of the three FLRs 235, 236, and 237 separated from the auxiliary electrode and adjacent to each other, the entire surface of the FLR 235 and the inner peripheral surface of the FLR 236 are covered with the forward field plate through the insulating film 130. In other words, the outer peripheral surface of the FLR 236 and the entire surface of the FLR 237 are covered with the reverse field plate via the insulating film 130. Of the three FLRs 231, 232, and 233 that are adjacent to each other between the P layer 113 and the FLR 234 and separated from the auxiliary electrode, the entire surface of the FLR 231 and the inner peripheral surface of the FLR 232 are insulated. The film is covered with the forward field plate through the film 130, and the outer surface of the FLR 232 and the entire surface of the FLR 233 are covered with the reverse field plate through the insulating film 130. Further, among the four FLRs 239, 240, 241, and 242 that are adjacent to each other between the FLR 238 and the N + layer 114 and separated from the auxiliary electrode, the inner surface of the FLR 240 that is adjacent to the entire surface of the innermost FLR 239. The surface on the peripheral side is covered with the forward field plate through the insulating film 130, and the reverse field is formed on the surface on the outer peripheral side of the FLR 240 and on the entire surface of the FLRs 241 and 242 on the outside thereof through the insulating film 130. Covered by a plate.
本実施形態3およびその変形例のように、補助電極が接触する半導体層間において、補助電極とは分離されたFLRの本数を増やすことにより、電圧阻止状態において、空乏層が半導体装置のチップ端方向へ延びやすくなり、電界集中を緩和することができる。
(実施形態4)
本発明の実施形態4である電力変換装置について、図9を用いて説明する。
As in the third embodiment and its modification, between the semiconductor layers in contact with the auxiliary electrode, by increasing the number of FLRs separated from the auxiliary electrode, the depletion layer is in the chip end direction of the semiconductor device in the voltage blocking state. It is possible to ease the electric field concentration.
(Embodiment 4)
The power converter device which is Embodiment 4 of this invention is demonstrated using FIG.
本実施例は、3相インバータ装置であり、一対の直流端子900,901と交流の相数と同数すなわち3個の交流端子910,911,912を備えている。各直流端子と各交流端子との間には、それぞれ1個の半導体スイッチング素子としてIGBT700が接続され、3相インバータ装置全体としては6個のIGBTを備えている。また、各IGBTにはダイオード600が逆並列に接続される。なお、IGBT700およびダイオード600の個数は、交流の相数や電力変換装置の電力容量、および半導体スイッチング素子700単体の耐圧や電流容量に応じた複数個数に適宜設定される。 This embodiment is a three-phase inverter device, and includes a pair of DC terminals 900 and 901 and the same number of AC phases, that is, three AC terminals 910, 911, and 912. An IGBT 700 is connected as one semiconductor switching element between each DC terminal and each AC terminal, and the entire three-phase inverter device includes six IGBTs. A diode 600 is connected in antiparallel to each IGBT. The number of IGBTs 700 and diodes 600 is appropriately set to a plurality of numbers according to the number of AC phases, the power capacity of the power converter, and the breakdown voltage and current capacity of the semiconductor switching element 700 alone.
各IGBT700および各ダイオード600がゲート駆動回路800によって駆動されることにより、直流電源960から直流端子900,901に受電する直流電力が交流電力に変換され、交流電力が交流端子910,911,912から出力される。各交流出力端子は誘導機や同期機などのモータ950と接続され、各交流端子から出力される交流電力によってモータ950が回転駆動される。 By driving each IGBT 700 and each diode 600 by the gate drive circuit 800, the DC power received from the DC power supply 960 to the DC terminals 900 and 901 is converted into AC power, and the AC power is converted from the AC terminals 910, 911, and 912. Is output. Each AC output terminal is connected to a motor 950 such as an induction machine or a synchronous machine, and the motor 950 is rotationally driven by AC power output from each AC terminal.
本実施形態によれば、ダイオード600として、上述した実施形態1〜3および変形例のダイオードを適用することにより、ダイオードの耐圧特性が高耐圧かつ安定にできるため、インバータ装置を大容量化できると共に、インバータ装置の信頼性が向上する。 According to the present embodiment, by applying the diodes of the first to third embodiments and the modification described above as the diode 600, the withstand voltage characteristic of the diode can be made high withstand voltage and stable, so that the capacity of the inverter device can be increased. The reliability of the inverter device is improved.
本実施例はインバータ装置であるが、コンバータやチョッパ等の他の電力変換装置についても、本発明による半導体装置および駆動回路を適用でき、同様の効果が得られる。 Although the present embodiment is an inverter device, the semiconductor device and the drive circuit according to the present invention can be applied to other power conversion devices such as converters and choppers, and similar effects can be obtained.
なお、前記の実施例に限らず、本発明の技術的思想の範囲内で、種々の変形例が可能であることはいうまでもない。例えば、上述した実施例において各半導体層の導電型を反対にしても良い。また、半導体装置を構成する半導体材料は、上述した実施例におけるSiCに限らず、GaN(窒化ガリウム)などの他のワイドギャップ半導体やSi(シリコン)でも良い。 Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the technical idea of the present invention. For example, the conductivity type of each semiconductor layer may be reversed in the above-described embodiments. The semiconductor material constituting the semiconductor device is not limited to SiC in the above-described embodiments, but may be other wide gap semiconductors such as GaN (gallium nitride) or Si (silicon).
101…半導体装置、
102…活性領域、
103…ターミネーション領域、
111…N+層、
112…N-層、
113…P層、
114…N+層、
121、122…主電極、
131…P-層、
231、232、233、234、235、236、237、238、239、240、241、242…FLR、123、321、322、323、324…補助電極
101 ... Semiconductor device,
102 ... active region,
103 ... Termination area,
111 ... N + layer,
112 ... N - layer,
113 ... P layer,
114 ... N + layer,
121, 122 ... main electrode,
131 ... P - layer,
231,232,233,234,235,236,237,238,239,240,241,242 ... FLR, 123,321,322,323,324 ... auxiliary electrode
Claims (10)
前記ターミネーション領域は、
前記活性領域を囲むように前記第1半導体領域に設けられる、第2導電型の複数の第2半導体領域と、
前記複数の第2半導体領域と接触する複数の第1補助電極と、
前記活性領域を囲むように前記第1半導体領域に設けられると共に、互いに隣接する2個の前記第2半導体領域の間に位置し、かつ前記第1補助電極とは分離された少なくとも1個の第2導電型の第3半導体領域と、
を備え、
前記第3半導体領域の表面上が、前記2個の前記第2半導体領域と接触する前記各第1補助電極によって覆われることを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device comprising a first semiconductor region of a first conductivity type, wherein an active region in which a main current flows and a termination region located around the active region are provided in the first semiconductor region.
The termination region is
A plurality of second semiconductor regions of a second conductivity type provided in the first semiconductor region so as to surround the active region;
A plurality of first auxiliary electrodes in contact with the plurality of second semiconductor regions;
At least one first semiconductor region is provided in the first semiconductor region so as to surround the active region, is positioned between two adjacent second semiconductor regions, and is separated from the first auxiliary electrode. A third semiconductor region of two conductivity types;
With
The semiconductor device, wherein a surface of the third semiconductor region is covered with the first auxiliary electrodes in contact with the two second semiconductor regions.
前記活性領域は、
前記第1半導体領域に設けられる、第2導電型の第4半導体領域と、
前記第4半導体領域と接触する第1主電極と、
を備え、
前記ターミネーション領域においては、
前記第4半導体領域と、前記第4半導体領域に隣接する前記第2半導体領域との間に、前記第1主電極および前記第1補助電極とは分離された、第2導電型の第5半導体領域が設けられ、
前記第5半導体領域の表面上が前記第1主電極と、前記第4半導体領域に隣接する前記第2半導体領域と接触する前記第1補助電極によって覆われることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The active region is
A fourth semiconductor region of a second conductivity type provided in the first semiconductor region;
A first main electrode in contact with the fourth semiconductor region;
With
In the termination area,
A fifth semiconductor of a second conductivity type, wherein the first main electrode and the first auxiliary electrode are separated between the fourth semiconductor region and the second semiconductor region adjacent to the fourth semiconductor region. An area is provided,
A surface of the fifth semiconductor region is covered with the first main electrode and the first auxiliary electrode which is in contact with the second semiconductor region adjacent to the fourth semiconductor region.
前記ターミネーション領域は、
前記第1半導体領域において前記複数の第2半導体領域を囲むように設けられ、前記第1半導体領域よりも不純物濃度が高い第1導電型の第6半導体領域と、
前記第6半導体領域と接触する第2補助電極と、
を備え、
前記第6半導体領域と、前記第6半導体領域に隣接する前記第2半導体領域との間に、前記第1補助電極および前記第2補助電極とは分離された、第2導電型の第7半導体領域が設けられ、
前記第7半導体領域の表面上が前記第2補助電極と、前記第7半導体領域に隣接する前記第2半導体領域と接触する前記第1補助電極によって覆われることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The termination region is
A sixth semiconductor region of a first conductivity type provided so as to surround the plurality of second semiconductor regions in the first semiconductor region and having a higher impurity concentration than the first semiconductor region;
A second auxiliary electrode in contact with the sixth semiconductor region;
With
A seventh semiconductor of a second conductivity type, wherein the first auxiliary electrode and the second auxiliary electrode are separated between the sixth semiconductor region and the second semiconductor region adjacent to the sixth semiconductor region. An area is provided,
The semiconductor device, wherein a surface of the seventh semiconductor region is covered with the second auxiliary electrode and the first auxiliary electrode that contacts the second semiconductor region adjacent to the seventh semiconductor region.
交流の相数と同数の交流端子と、
前記直流端子と前記交流端子の間にされる複数の半導体スイッチング素子と、
前記複数の半導体スイッチング素子に逆並列に接続される複数のダイオードと、
を備える電力変換装置において、
前記ダイオードが、請求項1ないし8のいずれか一項に記載の半導体装置であることを特徴とする電力変換装置。 A pair of DC terminals;
AC terminals with the same number of AC phases,
A plurality of semiconductor switching elements provided between the DC terminal and the AC terminal;
A plurality of diodes connected in antiparallel to the plurality of semiconductor switching elements;
In a power converter comprising:
The power converter according to claim 1, wherein the diode is the semiconductor device according to claim 1.
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