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JP7611784B2 - Semiconductor Device - Google Patents

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JP7611784B2
JP7611784B2 JP2021107968A JP2021107968A JP7611784B2 JP 7611784 B2 JP7611784 B2 JP 7611784B2 JP 2021107968 A JP2021107968 A JP 2021107968A JP 2021107968 A JP2021107968 A JP 2021107968A JP 7611784 B2 JP7611784 B2 JP 7611784B2
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Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。 The technology disclosed in this specification relates to semiconductor devices.

半導体装置を構成するメイントランジスタに過電流が流れることがある。例えば、メイントランジスタに接続されている負荷が短絡する等の不具合が発生すると、メイントランジスタに電源電圧に相当する過電圧が印加され、メイントランジスタを流れる電流が飽和電流まで増加する。飽和電流が流れる状態が継続すると、メイントランジスタが熱破壊してしまう虞がある。 An overcurrent may flow through the main transistor that constitutes a semiconductor device. For example, if a malfunction such as a short circuit occurs in the load connected to the main transistor, an overvoltage equivalent to the power supply voltage is applied to the main transistor, and the current flowing through the main transistor increases to the saturation current. If the state in which the saturation current continues to flow, there is a risk that the main transistor will be thermally destroyed.

特許文献1は、メイントランジスタの制御端子と低圧側端子の間に、電気抵抗値が負温度特性を有するサーミスタ素子が接続された半導体装置を開示する。サーミスタ素子は、メイントランジスタに熱結合するように配置されている。メイントランジスタに過電流が流れ、メイントランジスタの温度が上昇すると、熱結合しているサーミスタ素子の温度も上昇し、サーミスタ素子の電気抵抗値が低下する。この半導体装置は、メイントランジスタに過電流が流れたときに、サーミスタ素子の電気抵抗値が低下することでメイントランジスタの制御端子と低圧側端子の間が短絡し、メイントランジスタがオフするように構成されている。このように、特許文献1の半導体装置は、メイントランジスタに過電流が流れたときに、メイントランジスタを強制的にオフし、メイントランジスタを熱破壊から保護するように構成されている。 Patent document 1 discloses a semiconductor device in which a thermistor element whose electrical resistance has a negative temperature characteristic is connected between the control terminal and low-voltage side terminal of a main transistor. The thermistor element is arranged so as to be thermally coupled to the main transistor. When an overcurrent flows through the main transistor and the temperature of the main transistor rises, the temperature of the thermally coupled thermistor element also rises, and the electrical resistance value of the thermistor element decreases. This semiconductor device is configured so that when an overcurrent flows through the main transistor, the electrical resistance value of the thermistor element decreases, causing a short circuit between the control terminal and low-voltage side terminal of the main transistor, and turning off the main transistor. In this way, the semiconductor device of Patent document 1 is configured so that when an overcurrent flows through the main transistor, the main transistor is forcibly turned off, protecting it from thermal destruction.

特開平7-263459号公報Japanese Patent Application Publication No. 7-263459

このような半導体装置では、動作温度が定常動作温度のときにメイントランジスタが動作し、動作温度が最大定格動作温度よりも高くなったときにメイントランジスタが速やかに停止するのが望ましい。即ち、このような半導体装置では、最大定格動作温度を閾値として保護動作が働くのが望ましい。一般的に、サーミスタ素子は、温度変化に対する電気抵抗値の変化が小さい。このため、特許文献1の技術では、サーミスタ素子が温度に対して高感度に応答するのが難しいことから、最大定格動作温度を閾値として保護動作を働かせることが難しい。本明細書は、最大定格動作温度を閾値として保護動作を働かせることができる技術を提供する。 In such a semiconductor device, it is desirable that the main transistor operates when the operating temperature is at a steady operating temperature, and that the main transistor quickly stops when the operating temperature becomes higher than the maximum rated operating temperature. That is, in such a semiconductor device, it is desirable that the protective operation be activated using the maximum rated operating temperature as a threshold value. Generally, thermistor elements have a small change in electrical resistance value in response to temperature changes. For this reason, in the technology of Patent Document 1, it is difficult for the thermistor element to respond sensitively to temperature, and therefore it is difficult to activate the protective operation using the maximum rated operating temperature as a threshold value. This specification provides a technology that can activate the protective operation using the maximum rated operating temperature as a threshold value.

本明細書が開示する半導体装置の一実施形態は、メイントランジスタと、保護用ダイオードと、を備えることができる。前記メイントランジスタは、制御端子と高圧側端子と低圧側端子を有している。前記保護用ダイオードは、前記メイントランジスタの前記制御端子と前記低圧側端子の間に接続されている。前記保護用ダイオードは、アノードが前記メイントランジスタの前記制御端子に接続されており、カソードが前記メイントランジスタの前記低圧側端子に接続されているとともに、前記メイントランジスタに熱結合するように構成されている。前記保護用ダイオードは、p型のアノード層と、n型のカソード層と、前記アノード層と前記カソード層の間であって前記カソード層よりもドナー濃度が薄いn型のドリフト層と、を有する半導体基板、を備えている。この半導体装置は、前記アノード層のアクセプタ濃度をNaとし、フェルミ準位をEρとし、価電子帯上端エネルギーをEvとし、前記アノード層のアクセプタのエネルギー準位と価電子帯上端のエネルギー差をΔEaとし、前記ドリフト層の電子濃度をnn-としたときに、動作温度が定常動作温度Tcのときに、Na/(1+exp(ΔEa/kTc)exp(-(Eρ-Ev)/kTc))<nn-を満たし、動作温度が最大定格動作温度Tmよりも高いときに、Na/(1+exp(ΔEa/kTm)exp(-(Eρ-Ev)/kTm))>nn-を満たす、ように構成されている。この半導体装置では、前記保護用ダイオードが前記メイントランジスタの前記制御端子から前記低圧側端子に向けて順方向となるように接続されている。しかしながら、前記保護用ダイオードは、動作温度が定常動作温度Tcのときに、前記アノード層の正孔濃度が前記ドリフト層の電子濃度よりも低くなるように構成されている。このため、前記保護用ダイオードは、動作温度が定常動作温度Tcのときに、正孔注入効率が小さく、電流が実質的に流れないように構成されている。一方、前記保護用ダイオードは、動作温度が最大定格動作温度Tmよりも高いときに、前記アノード層の正孔濃度が前記ドリフト層の電子濃度よりも高くなるように構成されている。このため、前記保護用ダイオードは、動作温度が最大定格動作温度Tmよりも高いときに、正孔注入効率が大きく、電流が流れるように構成されている。このように、上記半導体装置では、最大定格動作温度Tmを閾値として保護動作を働かせることができる。 One embodiment of the semiconductor device disclosed in this specification may include a main transistor and a protective diode. The main transistor has a control terminal, a high-voltage side terminal, and a low-voltage side terminal. The protective diode is connected between the control terminal and the low-voltage side terminal of the main transistor. The protective diode has an anode connected to the control terminal of the main transistor, a cathode connected to the low-voltage side terminal of the main transistor, and is configured to be thermally coupled to the main transistor. The protective diode includes a semiconductor substrate having a p-type anode layer, an n-type cathode layer, and an n-type drift layer between the anode layer and the cathode layer, the n-type drift layer having a lower donor concentration than the cathode layer. When the acceptor concentration in the anode layer is Na, the Fermi level is Eρ, the valence band upper end energy is Ev, the energy difference between the energy level of the acceptor in the anode layer and the upper end of the valence band is ΔEa, and the electron concentration in the drift layer is n n- , when the operating temperature is a steady operating temperature Tc, Na/(1+exp(ΔEa/kTc)exp(-(Eρ-Ev)/kTc))<n n- is satisfied, and when the operating temperature is higher than a maximum rated operating temperature Tm, Na/(1+exp(ΔEa/kTm)exp(-(Eρ-Ev)/kTm))>n n- is satisfied. In this semiconductor device, the protective diode is connected in a forward direction from the control terminal of the main transistor to the low-voltage side terminal. However, the protective diode is configured such that the hole concentration of the anode layer is lower than the electron concentration of the drift layer when the operating temperature is the steady operating temperature Tc. Therefore, the protective diode is configured such that the hole injection efficiency is low and the current does not substantially flow when the operating temperature is the steady operating temperature Tc. On the other hand, the protective diode is configured such that the hole concentration of the anode layer is higher than the electron concentration of the drift layer when the operating temperature is higher than the maximum rated operating temperature Tm. Therefore, the protective diode is configured such that the hole injection efficiency is high and the current flows when the operating temperature is higher than the maximum rated operating temperature Tm. In this way, the above semiconductor device can operate the protective operation with the maximum rated operating temperature Tm as a threshold value.

上記実施形態の半導体装置では、前記半導体基板がワイドバンドギャップ半導体であってもよい。さらに、前記半導体基板が酸化ガリウムであってもよい。前記半導体基板が酸化ガリウムの場合、前記アノード層に含まれるアクセプタはビスマス又は亜鉛であってもよい。前記半導体基板がワイドバンドギャップ半導体であると、前記アノード層のアクセプタのエネルギー準位と価電子帯端のエネルギー差ΔEaが大きい。これにより、この半導体装置は、定常動作温度Tcにおける数式、Na/(1+exp(ΔEa/kTc)exp(-(Eρ-Ev)/kTc))<nn-を満たし易くなる。 In the semiconductor device of the above embodiment, the semiconductor substrate may be a wide band gap semiconductor. Furthermore, the semiconductor substrate may be gallium oxide. When the semiconductor substrate is gallium oxide, the acceptor contained in the anode layer may be bismuth or zinc. When the semiconductor substrate is a wide band gap semiconductor, the energy difference ΔEa between the energy level of the acceptor in the anode layer and the valence band edge is large. This makes it easier for the semiconductor device to satisfy the formula Na/(1+exp(ΔEa/kTc)exp(-(Eρ-Ev)/kTc))<n n- at the steady-state operating temperature Tc.

本実施形態の半導体装置の等価回路図を示す。1 shows an equivalent circuit diagram of the semiconductor device of the present embodiment. 本実施形態の半導体装置の保護用ダイオードの要部断面図を模式的に示す。1 is a schematic cross-sectional view of a main portion of a protective diode of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention;

図1に示されるように、半導体装置1は、メイントランジスタ2と保護用ダイオード3を備えている。メイントランジスタ2と保護用ダイオード3は、同一の半導体基板内に形成されている。メイントランジスタ2は、nチャンネル型の電界効果型トランジスタであり、具体的にはn型MOSFETである。メイントランジスタ2は、制御端子であるゲート端子Gと、高圧側端子であるドレイン端子Dと、低圧側端子であるソース端子Sと、を有している。なお、メイントランジスタ2は、nチャンネル型のIGBTであってもよい。保護用ダイオード3は、そのアノードがメイントランジスタ2のゲート端子Gに電気的に接続されており、そのカソードがメイントランジスタ2のソース端子Sに電気的に接続されている。このように、保護用ダイオード3は、メイントランジスタ2のゲート端子Gからソース端子Sに向けて順方向となるように接続されている。 As shown in FIG. 1, the semiconductor device 1 includes a main transistor 2 and a protective diode 3. The main transistor 2 and the protective diode 3 are formed in the same semiconductor substrate. The main transistor 2 is an n-channel field effect transistor, specifically an n-type MOSFET. The main transistor 2 has a gate terminal G, which is a control terminal, a drain terminal D, which is a high-voltage side terminal, and a source terminal S, which is a low-voltage side terminal. The main transistor 2 may be an n-channel IGBT. The protective diode 3 has an anode electrically connected to the gate terminal G of the main transistor 2, and a cathode electrically connected to the source terminal S of the main transistor 2. In this way, the protective diode 3 is connected in a forward direction from the gate terminal G to the source terminal S of the main transistor 2.

図2に示されるように、保護用ダイオード3は、半導体基板10と、半導体基板10の裏面を被覆するカソード電極22と、半導体基板10の表面を被覆するアノード電極24と、を有している。 As shown in FIG. 2, the protective diode 3 has a semiconductor substrate 10, a cathode electrode 22 that covers the back surface of the semiconductor substrate 10, and an anode electrode 24 that covers the front surface of the semiconductor substrate 10.

半導体基板10は、特に限定されるものではないが、例えば酸化ガリウム(Ga23)であってもよい。この例に代えて、半導体基板10は、窒化物半導体及び炭化珪素等のワイドバンドギャップ半導体であってもよい。半導体基板10は、n+型のカソード層12と、n-型のドリフト層14と、p型のアノード層16と、を有している。 The semiconductor substrate 10 is not particularly limited, and may be, for example, gallium oxide ( Ga2O3 ). Alternatively, the semiconductor substrate 10 may be a wide band gap semiconductor such as a nitride semiconductor or silicon carbide . The semiconductor substrate 10 has an n + type cathode layer 12, an n- type drift layer 14, and a p-type anode layer 16.

カソード層12は、ドナーを含むn型領域である。ドナーは、特に限定されるものではないが、例えばシリコン、スズ又はゲルマニウムであってもよい。カソード層12は、半導体基板10の裏層部に設けられており、半導体基板10の裏面に露出する位置に配置されており、カソード電極22にオーミック接触している。上記したように、カソード電極22は、メイントランジスタ2のソース端子Sに電気的に接続されている。カソード層12のドナー濃度は、特に限定されるものではないが、例えば1018~1020cm-3であってもよい。カソード層12の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば1~5μmであってもよい。 The cathode layer 12 is an n-type region containing a donor. The donor is not particularly limited, but may be, for example, silicon, tin, or germanium. The cathode layer 12 is provided in the rear layer portion of the semiconductor substrate 10, disposed at a position exposed on the rear surface of the semiconductor substrate 10, and in ohmic contact with the cathode electrode 22. As described above, the cathode electrode 22 is electrically connected to the source terminal S of the main transistor 2. The donor concentration of the cathode layer 12 is not particularly limited, but may be, for example, 10 18 to 10 20 cm -3 . The thickness of the cathode layer 12 is not particularly limited, but may be, for example, 1 to 5 μm.

ドリフト層14は、ドナー濃度がカソード層12よりも薄いn型領域である。ドナーは、特に限定されるものではないが、例えばシリコン、スズ又はゲルマニウムであってもよい。ドリフト層14は、カソード層12とアノード層16の間に設けられており、カソード層12とアノード層16を隔てている。ドリフト層14のドナー濃度は、特に限定されるものではないが、例えば1013~1017cm-3であってもよい。ドリフト層14の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば5~10μmであってもよい。 The drift layer 14 is an n-type region having a lower donor concentration than the cathode layer 12. The donor is not particularly limited, but may be, for example, silicon, tin, or germanium. The drift layer 14 is provided between the cathode layer 12 and the anode layer 16, and separates the cathode layer 12 from the anode layer 16. The donor concentration of the drift layer 14 is not particularly limited, but may be, for example, 10 13 to 10 17 cm -3 . The thickness of the drift layer 14 is not particularly limited, but may be, for example, 5 to 10 μm.

アノード層16は、アクセプタを含むp型領域である。アクセプタは、特に限定されるものではないが、例えばビスマス又は亜鉛であってもよい。アノード層16は、半導体基板10の表層部に設けられており、半導体基板10の表面に露出する位置に配置されており、アノード電極24にオーミック接触している。上記したように、アノード電極24は、メイントランジスタ2のゲート端子Gに電気的に接続されている。アノード層16のアクセプタ濃度は、特に限定されるものではないが、例えば1018~1020cm-3であってもよい。アノード層16の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば1~5μmであってもよい。 The anode layer 16 is a p-type region containing an acceptor. The acceptor is not particularly limited, but may be, for example, bismuth or zinc. The anode layer 16 is provided in the surface layer portion of the semiconductor substrate 10, disposed at a position exposed on the surface of the semiconductor substrate 10, and is in ohmic contact with the anode electrode 24. As described above, the anode electrode 24 is electrically connected to the gate terminal G of the main transistor 2. The acceptor concentration of the anode layer 16 is not particularly limited, but may be, for example, 10 18 to 10 20 cm −3 . The thickness of the anode layer 16 is not particularly limited, but may be, for example, 1 to 5 μm.

保護用ダイオード3は、動作温度が定常動作温度Tcのときにアノード層16の正孔濃度がドリフト層14の電子濃度よりも低く、且つ、動作温度が最大定格動作温度Tmよりも高いときにアノード層16の正孔濃度がドリフト層14の電子濃度よりも高く、なるように構成されている。具体的には、保護用ダイオード3は、動作温度が定常動作温度Tcのときに以下の数式1が成立し、動作温度が最大定格動作温度Tmよりも高いときに以下の数式2が成立する、ように構成されている。 The protective diode 3 is configured so that the hole concentration in the anode layer 16 is lower than the electron concentration in the drift layer 14 when the operating temperature is the steady-state operating temperature Tc, and the hole concentration in the anode layer 16 is higher than the electron concentration in the drift layer 14 when the operating temperature is higher than the maximum rated operating temperature Tm. Specifically, the protective diode 3 is configured so that the following formula 1 holds when the operating temperature is the steady-state operating temperature Tc, and the following formula 2 holds when the operating temperature is higher than the maximum rated operating temperature Tm.

Figure 0007611784000001
Figure 0007611784000001
Figure 0007611784000002
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ここで、「Na」はアノード層16のアクセプタ濃度であり、「Eρ」はフェルミ準位であり、「Ec」は伝導帯下端エネルギーであり、「Ev」は価電子帯上端エネルギーであり、「ΔEa」はアノード層16のアクセプタのエネルギー準位と価電子帯上端のエネルギー差であり、「Nd」はドリフト層14のドナー濃度であり、「ΔEd」はドリフト層14のドナーのエネルギー準位と伝導帯下端のエネルギー差であり、「k」はボルツマン定数である。 Here, "Na" is the acceptor concentration in the anode layer 16, "Eρ" is the Fermi level, "Ec" is the conduction band bottom energy, "Ev" is the valence band top energy, "ΔEa" is the energy difference between the energy level of the acceptor in the anode layer 16 and the top of the valence band, "Nd" is the donor concentration in the drift layer 14, "ΔEd" is the energy difference between the energy level of the donor in the drift layer 14 and the conduction band bottom, and "k" is the Boltzmann constant.

ドリフト層14の活性化エネルギーは十分に低く、ドリフト層14のドナー濃度と電子濃度は実質的に等しい。したがって、ドリフト層14の電子濃度を「nn-」とすると、数式1は数式3に、数式2は数式4に書き換えられる。 The activation energy of the drift layer 14 is sufficiently low, and the donor concentration and the electron concentration of the drift layer 14 are substantially equal. Therefore, when the electron concentration of the drift layer 14 is “ nn- ”, Equation 1 can be rewritten as Equation 3, and Equation 2 can be rewritten as Equation 4.

Figure 0007611784000003
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Figure 0007611784000004
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このように、保護用ダイオード3は、アノード層16のアクセプタ濃度Naと、アノード層16のアクセプタのエネルギー準位と価電子帯端のエネルギー差ΔEaと、ドリフト層14のドナー濃度Nd(即ち、電子濃度nn-)と、を調整することにより、上記の数式3及び数式4の双方が成立するように構成されている。 In this manner, the protection diode 3 is configured so that both of the above-mentioned formulas 3 and 4 are satisfied by adjusting the acceptor concentration Na in the anode layer 16, the energy difference ΔEa between the energy level of the acceptor in the anode layer 16 and the valence band edge, and the donor concentration Nd (i.e., the electron concentration n n− ) in the drift layer 14.

次に、半導体装置1の動作を説明する。まず、半導体装置1の通常動作時の挙動を説明する。ドレイン端子Dに正電圧が印加され、ソース端子Sが接地され、ゲート端子Gにソース端子Sよりも正となる駆動電圧が印加されると、メイントランジスタ2はオンとなる。半導体装置1の動作温度が定常動作温度Tcのときは、数式3が成立しており、アノード層16の正孔濃度がドリフト層14の電子濃度よりも低い。このため、半導体装置1の動作温度が定常動作温度Tcのときは、保護用ダイオード3の正孔注入効率が低く、保護用ダイオード3には電流が実質的に流れない。したがって、ゲート端子Gとソース端子Sの間が短絡しないので、メイントランジスタ2は通常動作をすることができる。このように、半導体装置1では、保護用ダイオード3が設けられていても、メイントランジスタ2の通常動作が阻害されることがない。 Next, the operation of the semiconductor device 1 will be described. First, the behavior of the semiconductor device 1 during normal operation will be described. When a positive voltage is applied to the drain terminal D, the source terminal S is grounded, and a drive voltage that is more positive than the source terminal S is applied to the gate terminal G, the main transistor 2 turns on. When the operating temperature of the semiconductor device 1 is the steady operating temperature Tc, formula 3 is established, and the hole concentration of the anode layer 16 is lower than the electron concentration of the drift layer 14. Therefore, when the operating temperature of the semiconductor device 1 is the steady operating temperature Tc, the hole injection efficiency of the protective diode 3 is low, and substantially no current flows through the protective diode 3. Therefore, since there is no short circuit between the gate terminal G and the source terminal S, the main transistor 2 can operate normally. In this way, even if the protective diode 3 is provided in the semiconductor device 1, the normal operation of the main transistor 2 is not hindered.

次に、半導体装置1の異常動作時の挙動を説明する。半導体装置1に接続されている負荷が短絡する等の不具合が発生すると、メイントランジスタ2に過電流が流れる。メイントランジスタ2に過電流が流れると、半導体基板10の温度が上昇する。このため、半導体基板10内に形成されている保護用ダイオード3の温度も上昇する。半導体装置1の動作温度が最大定格動作温度Tmよりも高いときは、数式4が成立しており、アノード層16の正孔濃度がドリフト層14の電子濃度よりも高い。このため、半導体装置1の動作温度が最大定格動作温度Tmよりも高いときは、保護用ダイオード3の正孔注入効率が高く、保護用ダイオード3には電流が流れる。したがって、ゲート端子Gとソース端子Sの間が短絡するので、メイントランジスタ2は強制的にオフされる。メイントランジスタ2が強制的にオフされることで、半導体基板10の温度上昇が停止し、メイントランジスタ2が熱破壊から保護される。 Next, the behavior of the semiconductor device 1 during abnormal operation will be described. When a malfunction such as a short circuit occurs in the load connected to the semiconductor device 1, an overcurrent flows through the main transistor 2. When an overcurrent flows through the main transistor 2, the temperature of the semiconductor substrate 10 rises. Therefore, the temperature of the protective diode 3 formed in the semiconductor substrate 10 also rises. When the operating temperature of the semiconductor device 1 is higher than the maximum rated operating temperature Tm, the formula 4 is established, and the hole concentration of the anode layer 16 is higher than the electron concentration of the drift layer 14. Therefore, when the operating temperature of the semiconductor device 1 is higher than the maximum rated operating temperature Tm, the hole injection efficiency of the protective diode 3 is high, and a current flows through the protective diode 3. Therefore, since a short circuit occurs between the gate terminal G and the source terminal S, the main transistor 2 is forcibly turned off. By forcibly turning off the main transistor 2, the temperature rise of the semiconductor substrate 10 stops, and the main transistor 2 is protected from thermal destruction.

上記したように、半導体装置1は、上記の数式3及び数式4の双方が成立することにより、最大定格動作温度Tmを閾値として保護動作を働かせることができる。 As described above, when both the above formulas 3 and 4 are satisfied, the semiconductor device 1 can activate a protective operation with the maximum rated operating temperature Tm as a threshold value.

保護用ダイオード3は、メイントランジスタ2のゲート端子Gからソース端子Sに向けて順方向に接続されている。しかしながら、保護用ダイオード3は、上記の数式3を満たすことにより、動作温度が定常動作温度Tcのときには、電流が実質的に流れないように構成されている。上記の数式3を満たすためには、アノード層16のアクセプタのエネルギー準位と価電子帯端のエネルギー差ΔEaが大きいのが望ましい。保護用ダイオード3は、半導体基板10がワイドバンドギャップ半導体であることから、エネルギー差ΔEaが大きい。特に、保護用ダイオード3は、半導体基板10が酸化ガリウムであることから、エネルギー差ΔEaが極めて大きい。例えば、酸化ガリウムである半導体基板のアクセプタにビスマスを用いると、エネルギー差ΔEaが0.8eVという大きな値となる。このように、半導体基板10にワイドバンドギャップ半導体を用いることにより、上記の数式3を容易に満たすことが可能となる。このような点から、エネルギー差ΔEaは、特に限定されるものではないが、例えば0.8eV以上であってもよい。 The protective diode 3 is connected in the forward direction from the gate terminal G of the main transistor 2 to the source terminal S. However, the protective diode 3 is configured so that, by satisfying the above formula 3, no current actually flows when the operating temperature is the steady operating temperature Tc. In order to satisfy the above formula 3, it is desirable that the energy difference ΔEa between the energy level of the acceptor of the anode layer 16 and the valence band edge is large. Since the semiconductor substrate 10 of the protective diode 3 is a wide band gap semiconductor, the energy difference ΔEa is large. In particular, since the semiconductor substrate 10 of the protective diode 3 is gallium oxide, the energy difference ΔEa is extremely large. For example, when bismuth is used as the acceptor of the semiconductor substrate which is gallium oxide, the energy difference ΔEa becomes a large value of 0.8 eV. In this way, by using a wide band gap semiconductor for the semiconductor substrate 10, it is possible to easily satisfy the above formula 3. From this point of view, the energy difference ΔEa is not particularly limited, but may be, for example, 0.8 eV or more.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the present invention have been described above in detail, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and variations of the specific examples exemplified above. Furthermore, the technical elements described in this specification or drawings exert technical utility alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. Furthermore, the technology exemplified in this specification or drawings can achieve multiple objectives simultaneously, and achieving one of those objectives is itself technically useful.

1 :半導体装置
2 :メイントランジスタ
3 :保護用ダイオード
10 :半導体基板
12 :カソード層
14 :ドリフト層
16 :アノード層
22 :カソード電極
24 :アノード電極
D :ドレイン端子
G :ゲート端子
S :ソース端子
1: Semiconductor device 2: Main transistor 3: Protective diode 10: Semiconductor substrate 12: Cathode layer 14: Drift layer 16: Anode layer 22: Cathode electrode 24: Anode electrode D: Drain terminal G: Gate terminal S: Source terminal

Claims (4)

制御端子と高圧側端子と低圧側端子を有するメイントランジスタと、
前記メイントランジスタの前記制御端子と前記低圧側端子の間に接続されている保護用ダイオードであって、アノードが前記メイントランジスタの前記制御端子に接続されており、カソードが前記メイントランジスタの前記低圧側端子に接続されているとともに、前記メイントランジスタに熱結合するように構成されている、保護用ダイオードと、を備えており、
前記保護用ダイオードは、p型のアノード層と、n型のカソード層と、前記アノード層と前記カソード層の間であって前記カソード層よりもドナー濃度が薄いn型のドリフト層と、を有する半導体基板、を備えており、
前記アノード層のアクセプタ濃度をNaとし、フェルミ準位をEρとし、価電子帯上端エネルギーをEvとし、前記アノード層のアクセプタのエネルギー準位と価電子帯上端のエネルギー差をΔEaとし、前記ドリフト層の電子濃度をnn-としたときに、
動作温度が定常動作温度Tcのときに、
Na/(1+exp(ΔEa/kTc)exp(-(Eρ-Ev)/kTc))<nn-
を満たし、
動作温度が最大定格動作温度Tmよりも高いときに、
Na/(1+exp(ΔEa/kTm)exp(-(Eρ-Ev)/kTm))>nn-
を満たす、ように構成されている、半導体装置。
a main transistor having a control terminal, a high-side terminal and a low-side terminal;
a protection diode connected between the control terminal and the low-voltage side terminal of the main transistor, the protection diode having an anode connected to the control terminal of the main transistor and a cathode connected to the low-voltage side terminal of the main transistor and configured to be thermally coupled to the main transistor;
the protection diode includes a semiconductor substrate having a p-type anode layer, an n-type cathode layer, and an n-type drift layer between the anode layer and the cathode layer, the drift layer having a lower donor concentration than the cathode layer;
When the acceptor concentration in the anode layer is Na, the Fermi level is Eρ, the valence band top energy is Ev, the energy difference between the energy level of the acceptor in the anode layer and the top of the valence band is ΔEa, and the electron concentration in the drift layer is n
When the operating temperature is the steady-state operating temperature Tc,
Na/(1+exp(ΔEa/kTc)exp(-(Eρ-Ev)/kTc))<n n-
Fulfilling
When the operating temperature is higher than the maximum rated operating temperature Tm,
Na/(1+exp(ΔEa/kTm)exp(-(Eρ-Ev)/kTm))>n n-
The semiconductor device is configured to satisfy the above.
前記半導体基板は、ワイドバンドギャップ半導体である、請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a wide band gap semiconductor. 前記半導体基板は、酸化ガリウムである、請求項2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2, wherein the semiconductor substrate is gallium oxide. 前記アノード層に含まれるアクセプタは、ビスマス又は亜鉛である、請求項3に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3, wherein the acceptor contained in the anode layer is bismuth or zinc.
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