JP7635090B2 - Semiconductor device and method for controlling the semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、半導体装置および半導体装置の制御方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to a semiconductor device and a method for controlling the semiconductor device.
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor;IGBT)などの半導体装置は、スイッチング素子として用いられる。IGBTのオン抵抗を低減するためには、オン状態におけるドリフト領域のキャリア濃度を大きくすることが有効である。一方、IGBTのターンオフ時にドリフト領域のキャリアの排出が遅くなると、ターンオフ時間が長くなりスイッチング損失が増大する。 Semiconductor devices such as insulated gate bipolar transistors (IGBTs) are used as switching elements. In order to reduce the on-resistance of an IGBT, it is effective to increase the carrier concentration in the drift region in the on-state. On the other hand, if the discharge of carriers from the drift region becomes slow when the IGBT is turned off, the turn-off time becomes longer and switching losses increase.
半導体装置においては、素子破壊の抑制、オン抵抗低減やスイッチング損失低減などが求められている。 In semiconductor devices, there is a demand for suppressing element breakdown, reducing on-resistance, and reducing switching losses.
本発明が解決しようとする課題は、スイッチング損失の低減と、素子破壊を抑制できる半導体装置、および半導体装置の制御方法を提供することである。 The problem that the present invention aims to solve is to provide a semiconductor device that can reduce switching losses and suppress element breakdown, and a method for controlling the semiconductor device.
実施形態に係る半導体装置は、第1電極と、第2電極と、第1半導体領域と、第2半導体領域と、第3半導体領域と、第4半導体領域と、第5半導体領域と、第1ゲート電極と、第2ゲート電極と、を有する。第2電極は、第1方向において第1電極と離間して設けられる。第1導電型の第1半導体領域は、第1方向において、第1電極と第2電極との間に設けられる。第2導電型の第2半導体領域は、第1半導体領域と第2電極との間に設けられる。第2導電型の第3半導体領域は、第1半導体領域と第1電極との間に設けられ、第1電極と電気的に接続される。複数の第1ゲート電極は、第1方向と交わる第2方向において、第1絶縁膜を介して第2半導体領域と対向し、且つ第1絶縁膜に接する第3絶縁膜を介して第2電極から絶縁される。複数の第2ゲート電極は、第2方向において第2絶縁膜を介して第2半導体領域と対向し、且つ第2絶縁膜に接する第3絶縁膜を介して第2電極から絶縁され、第1ゲート電極とは異なる電圧が印加される。第1導電型の第4半導体領域は、第2半導体領域と第2電極との間に設けられ、第1絶縁膜または第3絶縁膜を介して第1ゲート電極と対向する。第2導電型の第5半導体領域は、第2半導体領域と第2電極との間に設けられ、第2絶縁膜または第3絶縁膜を介して第2ゲート電極に対向し、且つ第2電極と電気的に接する境界部を有する。第4半導体領域の上面と第1電極との距離は、境界部と第1電極との距離よりも大きい。 The semiconductor device according to the embodiment includes a first electrode, a second electrode, a first semiconductor region, a second semiconductor region, a third semiconductor region, a fourth semiconductor region, a fifth semiconductor region, a first gate electrode, and a second gate electrode. The second electrode is provided apart from the first electrode in a first direction. The first semiconductor region of a first conductivity type is provided between the first electrode and the second electrode in the first direction. The second semiconductor region of a second conductivity type is provided between the first semiconductor region and the second electrode. The third semiconductor region of the second conductivity type is provided between the first semiconductor region and the first electrode and is electrically connected to the first electrode. The first gate electrodes face the second semiconductor region via a first insulating film in a second direction intersecting the first direction, and are insulated from the second electrode via a third insulating film in contact with the first insulating film. The second gate electrodes face the second semiconductor region via the second insulating film in the second direction, are insulated from the second electrode via a third insulating film in contact with the second insulating film, and are applied with a voltage different from that of the first gate electrode. The fourth semiconductor region of the first conductivity type is provided between the second semiconductor region and the second electrode, and faces the first gate electrode via the first insulating film or the third insulating film. The fifth semiconductor region of the second conductivity type is provided between the second semiconductor region and the second electrode, faces the second gate electrode via the second insulating film or the third insulating film, and has a boundary portion electrically in contact with the second electrode. The distance between the upper surface of the fourth semiconductor region and the first electrode is greater than the distance between the boundary portion and the first electrode.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する符号を付す。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。なお、本実施形態は、本発明を限定するものではない。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings. In this description, common parts are given common reference numerals throughout the drawings. Furthermore, the dimensional ratios of the drawings are not limited to the ratios shown in the drawings. Note that the present embodiment does not limit the present invention.
[第1の実施形態]
(半導体装置100の構造)
第1の実施形態に係る半導体装置100について、図1を参照して説明する。図1(a)は第1の実施形態に係る半導体装置100の平面図、図1(b)は図1(a)に示すA-A’線における断面図、図1(c)は第1の実施形態に係る半導体装置100の一部平面図、図1(d)は第1の実施形態に係る半導体装置回路の模式図を示している。
[First embodiment]
(Structure of the semiconductor device 100)
A
第1の実施形態に係る半導体装置は、半導体層に形成されたトレンチの中にゲート電極を備えるトレンチゲート形のIGBTである。第1の実施形態に係る半導体装置100は、ダブルゲート駆動が可能なIGBTである。以下、第1導電型がn型、第2導電型がp型である場合を例に説明する。また、以下の説明において、n+、n、n-及び、p+、p、p-の表記は、各導電型における不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわちn+はnよりもn型の不純物濃度が相対的に高く、n-はnよりもn型の不純物濃度が相対的に低いことを示す。また、p+はpよりもp型の不純物濃度が相対的に高く、p-はpよりもp型の不純物濃度が相対的に低いことを示す。なお、n+型、n-型を単にn型、p+型、p-型を単にp型と記載する場合もある。
The semiconductor device according to the first embodiment is a trench-gate type IGBT having a gate electrode in a trench formed in a semiconductor layer. The
第1の実施形態に係る半導体装置100は、コレクタ電極(第1電極)11と、エミッタ電極(第2電極)12と、第1ゲート電極13と、第2ゲート電極14と、第1ゲート電極パッド21と、第2ゲート電極パッド22と、n-型のドリフト領域(第1半導体領域)31と、p型のベース領域(第2半導体領域)32と、p型のコレクタ領域(第3半導体領域)33と、n+型のエミッタ領域(第4半導体領域)34と、n型のバッファ領域35と、p+型のコンタクト領域(第5半導体領域)36と、第1ゲート絶縁膜(第1絶縁膜)51と、第2ゲート絶縁膜(第2絶縁膜)52と、層間絶縁膜(第3絶縁膜)53を有する。
The
半導体装置100において、コレクタ電極11からエミッタ電極12へ向かう方向をZ方向(第1方向)とする。また、Z方向と直交する方向をX方向(第2方向)、X方向及びZ方向と直交する方向をY方向とする。図1(a)、図1(c)、及び図1(d)に示す半導体装置100はX-Y平面における平面図、図1(b)に示す半導体装置100はX-Z平面における断面図を示している。なお、X方向、Y方向、及びZ方向は本実施形態では直交関係で示しているが直交に限定されず、互いに交差する関係であればよい。また、説明のために、コレクタ電極11からエミッタ電極12に向かう方向を「上」と言い、その反対方向を「下」と言う。
In the
コレクタ電極11は、Z方向においてエミッタ電極12と離間して設けられている。コレクタ電極11にはコレクタ電圧が印加される。コレクタ電圧は、例えば、200V以上6500V以下である。
The
エミッタ電極12は、エミッタ電圧が印加される。エミッタ電圧は、例えば、0Vである。 An emitter voltage is applied to the emitter electrode 12. The emitter voltage is, for example, 0 V.
コレクタ電極11、及びエミッタ電極12は、例えば、アルミニウム(Al)でできている。
The
コレクタ領域33は、Z方向において、コレクタ電極11とエミッタ電極12との間に設けられるp型の半導体領域である。コレクタ領域33は、コレクタ電極11と接し、電気的に接続される。コレクタ領域33は、半導体装置100がオン状態の際に正孔の供給源となる。
The collector region 33 is a p-type semiconductor region provided between the
ドリフト領域31は、コレクタ領域33とエミッタ電極12との間に設けられるn-型の半導体領域である。ドリフト領域31は、半導体装置100がオン状態の際にオン電流の経路となる。ドリフト領域31は、半導体装置100がオフ状態の際にベース領域32との界面から広がる空乏層によって空乏化し、半導体装置100の耐圧を維持する機能を有する。
The drift region 31 is an n-type semiconductor region provided between the collector region 33 and the emitter electrode 12. The drift region 31 serves as a path for an on-current when the
ベース領域32は、ドリフト領域31とエミッタ電極12との間に設けられるp型の半導体領域である。ベース領域32は、半導体装置100のオン状態の際に反転層が形成され、トランジスタのチャネル領域として機能する。
The base region 32 is a p-type semiconductor region provided between the drift region 31 and the emitter electrode 12. When the
バッファ領域35は、コレクタ領域33とドリフト領域31との間に設けられるn型の半導体領域である。バッファ領域35は、半導体装置100のオフ状態の際に、ベース領域32からドリフト領域31に伸びる空乏層の伸びを抑制する機能を有する。また、本実施形態において、バッファ領域35を設けない構成としてもよい。
The buffer region 35 is an n-type semiconductor region provided between the collector region 33 and the drift region 31. The buffer region 35 has a function of suppressing the extension of a depletion layer extending from the base region 32 to the drift region 31 when the
コンタクト領域36は、ベース領域32とエミッタ電極12との間に設けられるp+型の半導体領域である。コンタクト領域36は後述するように、第2ゲート絶縁膜52に接し、第1ゲート絶縁膜51と離間する。コンタクト領域36はエミッタ電極12に接し、エミッタ電極12と電気的に接続される。
The contact region 36 is a p+ type semiconductor region provided between the base region 32 and the emitter electrode 12. As described below, the contact region 36 contacts the second
第1ゲートトレンチ41はベース領域32を貫通し、ドリフト領域31に達する。第1ゲート絶縁膜51は、第1ゲートトレンチ41の底部と側部に設けられる。第1ゲート絶縁膜51は、ドリフト領域31、ベース領域32、及びエミッタ領域34と接している。第1ゲート絶縁膜51は、例えば、酸化シリコンである。
The
第1ゲート電極13は、第1ゲート絶縁膜51の中に設けられ、少なくともベース領域32と第1ゲート絶縁膜51を介して対向する。第1ゲート電極13は、後述する第1ゲート電極パッド21に電気的に接続される。第1ゲート電極13は、例えば、不純物を含むポリシリコンである。図1(a)と図1(c)に示すように、第1ゲート電極13はY方向において延在し、且つX方向に複数設けられたストライプ形状を有する。
The
第2ゲートトレンチ42はベース領域32を貫通し、ドリフト領域31に達する。第2ゲートトレンチ42は、X方向において隣り合う第1ゲートトレンチ41間に設けられる。第2ゲート絶縁膜52は、第2ゲートトレンチ42の底部と側部に設けられる。第2ゲート絶縁膜52は、ドリフト領域31、ベース領域32、及びコンタクト領域36と接している。第2ゲート絶縁膜52は、例えば、酸化シリコンである。
The second gate trench 42 penetrates the base region 32 and reaches the drift region 31. The second gate trench 42 is provided between adjacent
第2ゲート電極14は、第2ゲート絶縁膜52の中に設けられる。第2ゲート電極14は、X方向において、エミッタ領域34と隣接しないように設けられている。第2ゲート電極14は、第2ゲート電極パッド22に電気的に接続される。第1ゲート絶縁膜51と同様、図1(a)と図1(c)に示すように、第2ゲート電極14はY方向において延在し、且つX方向に複数設けられたストライプ形状を有する。第2ゲート電極14は、例えば、不純物を含むポリシリコンである。
The
層間絶縁膜53は、ベース領域32とエミッタ電極12との間、第1ゲート電極13とエミッタ電極12との間、及び第2ゲート電極14とエミッタ電極12との間に設けられる。
The interlayer insulating film 53 is provided between the base region 32 and the emitter electrode 12, between the
エミッタ領域34は、ベース領域32と層間絶縁膜53との間に設けられるn+型の半導体領域である。なお、図1(b)ではエミッタ領域34の上面全体とエミッタ電極12との間に層間絶縁膜53が設けられているように示した。しかし、図10、11に示すようにエミッタ領域34の上面全体または一部はエミッタ電極12と直接接するように設けられていてもよい。エミッタ領域34の一部は、エミッタ電極12と接し、電気的に接続される。エミッタ領域34は第1ゲート絶縁膜51に接し、第2ゲート絶縁膜52と離間する。エミッタ領域34は、第1ゲート電極13を有するトランジスタのオン状態の際に電子の供給源となる。
The emitter region 34 is an n+ type semiconductor region provided between the base region 32 and the interlayer insulating film 53. In FIG. 1B, the interlayer insulating film 53 is shown to be provided between the entire upper surface of the emitter region 34 and the emitter electrode 12. However, as shown in FIGS. 10 and 11, the entire upper surface or a part of the emitter region 34 may be provided so as to be in direct contact with the emitter electrode 12. A part of the emitter region 34 contacts and is electrically connected to the emitter electrode 12. The emitter region 34 contacts the first
コレクタ電極11から、Z方向においてコンタクト領域36とエミッタ電極12が接している境界部までの距離を距離1(L1)とする。コレクタ電極11から、Z方向においてエミッタ領域34の上面までの距離を距離2(L2)とする。本実施形態の半導体装置100は、距離1の方が、距離2よりも小さい。すなわち、第1ゲートトレンチ41に設けられた層間絶縁膜53は、第2ゲートトレンチ42に設けられた層間絶縁膜53よりもエミッタ電極12側に位置している。
The distance from the
また、エミッタ電極12とコンタクト領域36の界面が、エミッタ領域34と層間絶縁膜53の界面よりもコレクタ電極11側に位置している。したがって、エミッタ領域34の側部はエミッタ電極12と接している。
In addition, the interface between the emitter electrode 12 and the contact region 36 is located closer to the
ドリフト領域31、ベース領域32、コレクタ領域33、エミッタ領域34、バッファ領域35、コンタクト領域36は、例えばシリコン(Si)、炭化シリコン(SiC)、または窒化ガリウム(GaN)などで構成される。 The drift region 31, base region 32, collector region 33, emitter region 34, buffer region 35, and contact region 36 are made of, for example, silicon (Si), silicon carbide (SiC), or gallium nitride (GaN).
また、第1ゲート電極13および第2ゲート電極14は、図1のようにX方向において交互に1つずつ設けるのではなく、複数個ずつ交互に配列してもよい。
In addition, the
ここで、図1(a)に示すように、IGBTのチャネルが形成される領域、すなわち電流が流れる領域をセル領域60と定義する。図1(a)において、セル領域60は一点鎖線囲まれた領域である。チャネルが形成されない、セル領域60を囲む領域を終端領域61と定義する。X方向において、セル領域60のうち、終端領域61との距離が小さい部分をセル領域60のセル端部、セル領域60のうち終端領域61との距離が大きい部分をセル中央部と定義する。
As shown in FIG. 1(a), the region where the IGBT channel is formed, i.e., the region where current flows, is defined as
第1ゲート電極パッド21は半導体装置100の終端領域に設けられ、且つZ方向においてエミッタ電極12側に設けられている。第1ゲート電極パッド21、及び第1ゲート電極13には、第1ゲート電圧(Vg1)が印加される。
The first gate electrode pad 21 is provided in the terminal region of the
第2ゲート電極パッド22は半導体装置100の終端領域に設けられ、且つZ方向においてエミッタ電極12側に設けられている。また、第2ゲート電極パッド22は第1ゲート電極パッド21と離間して設けられている。第2ゲート電極パッド22、及び第2ゲート電極14には、第2ゲート電圧(Vg2)が印加される。
The second gate electrode pad 22 is provided in the terminal region of the
図1(d)に示すように、第1ゲート電極パッド21、及び第2ゲート電極パッド22は、ゲートドライバ70と電気的に接続されている。ゲートドライバ70は、第1ゲート電極パッド21、及び第2ゲート電極パッド22に印加される電圧を制御している。ゲートドライバ70は、第1ゲート電極パッド21には第1ゲート電圧(Vg1)を、第2ゲート電極パッド22には第2ゲート電圧(Vg2)を印加する。 As shown in FIG. 1(d), the first gate electrode pad 21 and the second gate electrode pad 22 are electrically connected to a gate driver 70. The gate driver 70 controls the voltages applied to the first gate electrode pad 21 and the second gate electrode pad 22. The gate driver 70 applies a first gate voltage (Vg1) to the first gate electrode pad 21 and a second gate voltage (Vg2) to the second gate electrode pad 22.
(半導体装置100の動作)
半導体装置100の動作について説明する。
(Operation of the Semiconductor Device 100)
The operation of the
図2は、第1ゲート電極パッド21に印加される第1ゲート電圧(Vg1)と、第2ゲート電極パッド22に印加される第2ゲート電圧(Vg2)のタイミングチャートである。図2の縦軸は、第1ゲート電圧(Vg1)と第2ゲート電圧(Vg2)に印加される電圧を示している。また、図2の横軸は時間を示しており、時間は時刻t0、時刻t1(第1のタイミング)、時刻t2(第2のタイミング)、時刻t3(第3のタイミング)、時刻t4の順に経過する。 Figure 2 is a timing chart of the first gate voltage (Vg1) applied to the first gate electrode pad 21 and the second gate voltage (Vg2) applied to the second gate electrode pad 22. The vertical axis of Figure 2 shows the voltages applied to the first gate voltage (Vg1) and the second gate voltage (Vg2). The horizontal axis of Figure 2 shows time, which progresses in the order of time t0, time t1 (first timing), time t2 (second timing), time t3 (third timing), and time t4.
半導体装置100のオフ状態では、エミッタ電極12にはエミッタ電圧が印加される。エミッタ電圧は、例えば、0Vである。コレクタ電極11にはコレクタ電圧が印加される。コレクタ電圧は、例えば、200V以上6500V以下である。
When the
時刻t0~時刻t1において、半導体装置100はオフ状態である。半導体装置100のオフ状態では、第1ゲート電極パッド21にターンオフ電圧(Voff)が印加される。すなわち、時刻t0~時刻t1において、第1ゲート電圧(Vg1)はオフ電圧(Voff)である。オフ電圧(Voff)は、第1ゲート絶縁膜51に接するベース領域32にn型の反転層が形成される閾値電圧(Vth)よりも小さい電圧であり、例えば、0Vまたは負電圧である。
From time t0 to time t1, the
第2ゲート電極パッド22には初期電圧(V0)が印加される。すなわち、時刻t0~時刻t1において、第2ゲート電圧(Vg2)は初期電圧(V0)である。初期電圧(V0)は、第2ゲート絶縁膜52と接するドリフト領域31にp型反転層が形成されない電圧であり、例えば、0Vまたは正電圧ある。
An initial voltage (V0) is applied to the second gate electrode pad 22. That is, from time t0 to time t1, the second gate voltage (Vg2) is the initial voltage (V0). The initial voltage (V0) is a voltage at which a p-type inversion layer is not formed in the drift region 31 in contact with the second
時刻t1において、半導体装置100はターンオンする。時刻t1において、第1ゲート電極パッド21にオン電圧(Von)が印加され、半導体装置100はオン状態になる。オン電圧(Von)とは、閾値電圧(Vth)を超える正電圧であり、例えば、15Vである。すなわち、時刻t1において、第1ゲート電圧(Vg1)はオン電圧(Von)となる。この時、第1ゲート絶縁膜51に接するベース領域32にn型の反転層が形成され、半導体装置100がオン状態になる。
At time t1, the
時刻t1~時刻t3において、半導体装置100はオン状態である。すなわち、時刻t1から時刻t3までの間、第1ゲート電圧(Vg1)はオン電圧(Von)となる。オン状態では、エミッタ領域34からベース領域32(n型の反転層)に電子が注入され、その後ドリフト領域31、バッファ領域35、コレクタ領域33、コレクタ電極11の順に電子が流れる。一方、コレクタ領域33からバッファ領域35には正孔が注入され、正孔はドリフト領域31、ベース領域32、エミッタ領域34またはコンタクト領域36、エミッタ電極12の順に流れる。
Between time t1 and time t3, the
時刻t1において、第2ゲート電極パッド22に第1電圧(V1)が印加される。第1電圧(V1)は、例えば、0Vまたは正電圧である。すなわち、時刻t1において、第2ゲート電圧(Vg2)は第1電圧(V1)となる。第1電圧(V1)は、初期電圧(V0)と同じでも良い。 At time t1, a first voltage (V1) is applied to the second gate electrode pad 22. The first voltage (V1) is, for example, 0 V or a positive voltage. That is, at time t1, the second gate voltage (Vg2) becomes the first voltage (V1). The first voltage (V1) may be the same as the initial voltage (V0).
時刻t3において、半導体装置100はターンオフする。時刻t3において、第1ゲート電極パッド21にはオフ電圧(Voff)が印加され、半導体装置100はオフ状態になる。すなわち、時刻t3以降、第1ゲート電圧(Vg1)はオフ電圧(Voff)となる。
At time t3, the
時刻t2は、第1ゲート電極パッド21の電圧をオン電圧(Von)からオフ電圧(Voff)に変化させる前、すなわち、時刻t3の前のタイミングである。時刻t2において、第2ゲート電圧(Vg2)が第1電圧(V1)から第2電圧(V2)に切り替わる。第2電圧(V2)は負電圧であり、例えば、-15V以上0V未満である。これにより、第2ゲート絶縁膜52と接するドリフト領域31にp型反転層が形成され、ドリフト領域31中にある正孔がp型反転層を通ってエミッタ電極12へ排出される。
Time t2 is the timing before the voltage of the first gate electrode pad 21 is changed from the on voltage (Von) to the off voltage (Voff), i.e., before time t3. At time t2, the second gate voltage (Vg2) switches from the first voltage (V1) to the second voltage (V2). The second voltage (V2) is a negative voltage, for example, greater than or equal to -15 V and less than 0 V. As a result, a p-type inversion layer is formed in the drift region 31 in contact with the second
時刻t2と時刻t3との間は、例えば、0.1マイクロ秒以上10マイクロ秒以下である。 The time between time t2 and time t3 is, for example, 0.1 microseconds or more and 10 microseconds or less.
最後に、時刻t4において、第2ゲート電圧(Vg2)は初期電圧(V0)に設定される。 Finally, at time t4, the second gate voltage (Vg2) is set to the initial voltage (V0).
(第1の実施形態の効果)
第1の実施形態に係る半導体装置100の効果について、図3に示す比較例に係る半導体装置500を用いて説明する。
(Effects of the First Embodiment)
The effects of the
図3は、比較例に係る半導体装置500の断面図を示している。第1の実施形態に係る半導体装置100と同じ部分については、同一の符号を付している。
Figure 3 shows a cross-sectional view of a semiconductor device 500 according to a comparative example. The same parts as those in the
比較例に係る半導体装置500は、距離1(L1)と距離2(L2)が同じである点で、第1の実施形態に係る半導体装置100と異なる。
The semiconductor device 500 of the comparative example differs from the
第1の実施形態に係る半導体装置100、及び比較例に係る半導体装置500において、時刻t2で第2ゲート電圧(Vg2)を第1電圧(V1)から第2電圧(V2)に変化させる。このとき、第2ゲート絶縁膜52と接するドリフト領域31にp型反転層が形成される。時刻t2~時刻t3において正孔がドリフト領域31、及びp型反転層中を通過し、エミッタ電極12へ排出される。
In the
ここで、第1の実施形態に係る半導体装置100は、距離1が距離2よりも小さく、時刻t2~時刻t3において正孔がドリフト領域31、及びp型反転層を通過する距離が比較例に係る半導体装置500に比べて小さくなる。すなわち、第1の実施形態の半導体装置100は、正孔がドリフト領域31、及びp型反転層を通過する経路における電気抵抗が小さくなる。そのため、第1の実施形態の半導体装置100は、正孔を効率よくエミッタ電極12に排出することができるため、ターンオフ時のスイッチング損失を小さくすることが可能となる。
Here, in the
また、第1の実施形態に係る半導体装置100、及び比較例に係る半導体装置500においては、第2ゲートトレンチ42の底部に接するドリフト領域31に正孔が集中しやすい。集中した正孔によって、耐圧が減少するダイナミックアバランシェという現象が生じ、半導体素子が破壊される可能性がある。第1の実施形態に係る半導体装置100においては、半導体装置500に比べ、集中した正孔がコンタクト領域を通してより効率的に排出される。そのため、半導体素子の破壊耐量が向上する。
In addition, in the
以上、第1の実施形態に係る半導体装置100によれば、スイッチング損失の低減、及び破壊耐量の向上をすることができる。
As described above, the
[第1の実施形態の変形例]
第1の実施形態の変形例に係る半導体装置101について、図4を参照して説明する。図4は、第1の実施形態の変形例に係る半導体装置101の断面図を示している。第1の実施形態と重複する点については、記載を省略する。
[Modification of the first embodiment]
A semiconductor device 101 according to a modification of the first embodiment will be described with reference to Fig. 4. Fig. 4 shows a cross-sectional view of the semiconductor device 101 according to the modification of the first embodiment. Descriptions that overlap with the first embodiment will be omitted.
半導体装置101は、Z方向における第2ゲート電極14の長さが第1ゲート電極13の長さと同じである点で半導体装置100と異なる。しかし、半導体装置101は半導体装置100と同様に、距離1が距離2よりも小さく、時刻t2~時刻t3において正孔がドリフト領域31、及びp型反転層を通過する距離が半導体装置500に比べて小さい。そのため、半導体装置101は、半導体装置100と同様の効果を得ることができる。
The semiconductor device 101 differs from the
[第2の実施形態]
第2の実施形態の半導体装置200について、図5を参照して説明する。図5は、第2の実施形態の半導体装置200に係る断面図を示している。
Second Embodiment
A
第2の実施形態に係る半導体装置200は、半導体装置100において複数設けられた第1ゲート電極13のうち少なくとも1つ以上の第1ゲート電極13がダミー電極15に変更される点で、半導体装置100と異なる。半導体装置200において、第2ゲート電極14とダミー電極15との間に設けられたベース領域32は、ベース領域32上に設けられた層間絶縁膜53によってエミッタ電極12と絶縁されている。すなわち、半導体装置200においては、第2ゲート電極14とダミー電極15との間には第2ゲート絶縁膜52、ドリフト領域31、及びベース領域32のみが形成されている。ここで、第1の実施形態と重複する点については、記載を省略する。
The
ダミー電極15は、例えば、エミッタ電極12と電気的に接続されている。すなわち、ダミー電極15はエミッタ電極12と同電位である。 The dummy electrode 15 is, for example, electrically connected to the emitter electrode 12. That is, the dummy electrode 15 has the same potential as the emitter electrode 12.
ダミー電極15は、ゲート電極として機能していない。したがって、ダミー電極15の数を変更することにより、半導体装置200はチャネル密度を調整することが可能となる。チャネル密度の変更は、オン電圧とターンオフ損失の調整に繋がる。よって、半導体装置200は、ダミー電極15の数を調整することにより、オン電圧とターンオフ損失を適宜調整することが可能である。
The dummy electrodes 15 do not function as gate electrodes. Therefore, by changing the number of dummy electrodes 15, the
また、半導体装置200のダミー電極15は、エミッタ電極12に接続されている。ダミー電極15はフローティングでもチャネル密度の調整は可能である。しかしながら、ダミー電極15がフローティングの場合、ダミー電極15の電位不安定性による半導体装置200の誤動作や発熱などが生じ得る。一方、ダミー電極15がエミッタ電位の場合、半導体装置200の誤動作、及び発熱を抑制できる。したがって、半導体装置200は、素子特性の破壊を抑制することが可能となる。
The dummy electrode 15 of the
なお、ダミー電極15はゲート電位でもチャネル密度の調整は可能である。ダミー電極15がゲート電位の場合、ゲート容量増加によるスイッチング速度の低下が生じ得るが、コレクタ電極11とエミッタ電極12間の電圧変化や、電流変化を抑制することができる。その結果、ダミー電極15がゲート電位である半導体装置200は、サージ電圧やサージ電流を抑制することが可能となる。
The channel density can be adjusted even when the dummy electrode 15 is at the gate potential. When the dummy electrode 15 is at the gate potential, the switching speed may decrease due to an increase in gate capacitance, but the voltage change and current change between the
さらにまた、半導体装置200において、第2ゲート電極14とダミー電極15との間に位置するドリフト領域31とベース領域32は、層間絶縁膜53によってエミッタ電極12とは絶縁されている。したがって、正孔は第2ゲート電極14とダミー電極15との間に位置するドリフト領域31とベース領域32からは排出されずに蓄積される。その結果、半導体装置200は、オン電圧を低下させることが可能となる。
Furthermore, in the
第2の実施形態に係る半導体装置200は、以上説明した点以外は、第1の実施形態に係る半導体装置100と同様であり、距離2よりも距離1の方が小さい。そのため、正孔が効率よくエミッタ電極12に排出され、ターンオフ時のスイッチング損失が小さくなる。また、第1の実施形態に係る半導体装置100と同様、ダイナミックアバランシェにより生じた正孔による半導体素子の破壊を抑制することができる。
Other than the points described above, the
なお、図5において、第2ゲート電極14間に挟まれるダミー電極15は1つであるように示したが、複数個設けられていてもよい。
In FIG. 5, one dummy electrode 15 is shown sandwiched between the
また、図5において、第2ゲート電極14とダミー電極15との間に設けられたベース領域32は2ヵ所あり、ベース領域32上に設けられた層間絶縁膜53によってエミッタ電極12と絶縁されているように示した。しかしながら、第2ゲート電極14とダミー電極15との間に設けられた複数のベース領域32のうちいずれかが、層間絶縁膜53を貫通するエミッタ電極12と接続されていてもよい。その場合、エミッタ電極12との接触面積を変えることにより、上記で説明した効果を調整可能である。
In addition, in FIG. 5, there are two base regions 32 provided between the
[第2の実施形態の変形例]
第2の実施形態の変形例に係る半導体装置201について、図6を参照して説明する。図6は、第2の実施形態の変形例に係る半導体装置201の断面図を示している。第2の実施形態と重複する点については、記載を省略する。
[Modification of the second embodiment]
A
第2の実施形態の変形例に係る半導体装置201は、第1の実施形態において、複数設けられた第2ゲート電極14のうち少なくとも1つ以上の第2ゲート電極14がダミー電極15に置換される。半導体装置201において、第1ゲート電極13とダミー電極15との間に設けられたベース領域32は、ベース領域32上に設けられた層間絶縁膜53によってエミッタ電極12と絶縁されている。すなわち、半導体装置201においては、第1ゲート電極13とダミー電極15との間には第1ゲート絶縁膜51、ドリフト領域31、及びベース領域32のみが形成されている。ここで、第1の実施形態と重複する点については、記載を省略する。
In the
半導体装置201は、第2の実施形態の半導体装置200と同様、ダミー電極15はゲート電極として機能しない。そのため、半導体装置200は、ダミー電極15の数を調整することにより、オン電圧とターンオフ損失を適宜調整することが可能である。また、半導体装置200は、素子特性の破壊を抑制することが可能である。さらにまた、半導体装置200は、オン電圧を低下させることが可能である。
In the
加えて、第1の実施形態に係る半導体装置100と同様に、距離2よりも距離1の方が小さい。そのため、半導体装置200は、正孔が効率よくエミッタ電極12に排出され、ターンオフ時のスイッチング損失が小さくなる。また、半導体装置200は、ダイナミックアバランシェによる半導体素子の破壊耐量が向上する。
In addition, similar to the
[第3の実施形態]
第3の実施形態に係る半導体装置300について、図7を参照して説明する。図7は、第3の実施形態に係る半導体装置300の終端領域61に近いセル領域60の断面図を示している。図7は素子領域の構造を示しているが、紙面左側が終端領域61側である。第2の実施形態と重複する点については、記載を省略する。
[Third embodiment]
A semiconductor device 300 according to a third embodiment will be described with reference to Fig. 7. Fig. 7 shows a cross-sectional view of a
第3の実施形態に係る半導体装置300は、第2の実施形態において、セル領域60のうち終端領域61に近いセル領域60にダミー電極15が設けられている。半導体装置300において、第2ゲート電極14とダミー電極15との間に設けられたベース領域32は、ベース領域32上に設けられた層間絶縁膜53によってエミッタ電極12と絶縁されている。すなわち、半導体装置300においては、第2ゲート電極14とダミー電極15との間には第2ゲート絶縁膜52、ドリフト領域31、及びベース領域32のみが形成されている。ここで、第1の実施形態と重複する点については、記載を省略する。さらに、ダミー電極15に隣接する第2ゲート電極14は、X方向において第2ゲート絶縁膜52を介してコンタクト領域36と隣接し、層間絶縁膜53を貫通するエミッタ電極12と電気的に接続される。
In the semiconductor device 300 according to the third embodiment, the dummy electrode 15 is provided in the
終端領域61には、オン状態の際、正孔が広がる。ターンオフ時に、終端領域61に近い第2ゲート電極14に正孔が集中して排出されるため、局所的に電流密度が高くなる。このため、半導体装置の破壊が生じるおそれがある。
In the termination region 61, holes spread during the on state. When turned off, holes are concentrated in the
一方、第3の実施形態の半導体装置300は、終端領域61に近いセル領域60にダミー電極15を有している。さらに、ダミー電極15に隣接する第2ゲート電極14は、X方向において第2ゲート絶縁膜52を介して、コンタクト領域36と隣接し、層間絶縁膜53を貫通するエミッタ電極12と電気的に接続される。そのため、ターンオフ時に終端領域61にある正孔を排出しやすくなる。
On the other hand, the semiconductor device 300 of the third embodiment has a dummy electrode 15 in the
また、第2ゲート電極14とダミー電極15との間に位置するドリフト領域31とベース領域32は、層間絶縁膜53によってエミッタ電極12とは絶縁されている。したがって、正孔は第2ゲート電極14とダミー電極15との間に位置するドリフト領域31とベース領域32からは排出されずに蓄積される。その結果、半導体装置300は、オン電圧を低下させることが可能となることに加え、ターンオフ時における、終端領域61に近い第2ゲート電極14への正孔集中を抑制することが可能となる。
The drift region 31 and base region 32 located between the
半導体装置300は、第2の実施形態に係る半導体装置200と同様、ダミー電極15はゲート電極として機能しない。そのため、そのため、半導体装置300は、ダミー電極15の数を調整することにより、オン電圧とターンオフ損失を適宜調整することが可能である。また、半導体装置300は、素子特性の破壊を抑制することが可能である。さらにまた、半導体装置300は、オン電圧を低下させることが可能である。
In the semiconductor device 300, like the
加えて、第1の実施形態に係る半導体装置100と同様に、距離2よりも距離1の方が小さい。そのため、半導体装置300は、正孔が効率よくエミッタ電極12に排出され、ターンオフ時のスイッチング損失が小さくなる。また、半導体装置300は、ダイナミックアバランシェによる半導体素子の破壊耐量が向上する。
In addition, similar to the
[第4の実施形態]
第4の実施形態に係る半導体装置400について、図8を参照して説明する。図8は、第4の実施形態に係る半導体装置400の終端領域61に近いセル領域60の断面図を示している。図8は素子領域の構造を示しているが、紙面左側が終端領域61側である。図9は、第4の実施形態に係る半導体装置400の平面図である。図9は、半導体装置400の外縁と第2ゲート電極14のみを模式的に示し、他の構成要素は省略している。また、図を見やすくするために、第2ゲート電極14は灰色で示している。ここで、第1の実施形態と重複する点については、記載を省略する。
[Fourth embodiment]
A
第4の実施形態に係る半導体装置400は、終端領域61に近いセル領域60に第2ゲート電極14が複数形成された点で、第1の実施形態に係る半導体装置100と異なる。詳細には、半導体装置400はセル領域60の中央領域よりも、終端領域61に近いセル領域60に第2ゲート電極14が形成される割合が高い。
The
上述の如く、半導体装置400には、セル領域60と終端領域61が設定されている。終端領域61はセル領域60を囲んでいる。セル領域60には、第1ゲート電極13と第2ゲート電極14が配置されている。そして、セル領域60において、X方向(第2方向)の両端に位置する領域は、X方向の中央に位置する領域と比較して、第2ゲート電極14の配列密度が高い。
As described above, the
このため、セル領域60に配置された複数の第2ゲート電極14のうち、X方向(第2方向)において終端領域61に最も近い第1の第2ゲート電極14aと、第1の第2ゲート電極14aの隣に配置された第2の第2ゲート電極14bとの距離を第1距離D1とし、第2の第2ゲート電極14bよりもセル領域60の中心側に配置された第3の第2ゲート電極14cと、第3の第2ゲート電極14cの隣に配置された第4の第2ゲート電極14dとの距離を第2距離D2とすると、第1距離D1は第2距離D2よりも短い。なお、セル領域60の中心とは、Z方向から見てセル領域60の形状が矩形である場合はセル領域60の対角線の交点であり、例えば、半導体装置400の対角線の交点と略一致する。
Therefore, among the multiple
第4の実施形態に係る半導体装置400は、セル領域60側に第2ゲート電極14が複数形成されている。このため、ターンオフ時に終端領域61に存在する正孔を排出しやすくなり、より電流密度の上昇を防ぐことができる。したがって、半導体装置400は半導体素子の破壊を抑制できる。
The
第4の実施形態に係る半導体装置400は、以上説明した点以外は、第1実施形態に係る半導体装置100と同様であり、距離2よりも距離1の方が小さい。そのため、半導体装置400は、正孔が効率よくエミッタ電極12に排出され、ターンオフ時のスイッチング損失が小さくなる。また、半導体装置400は、ダイナミックアバランシェによる半導体素子の破壊耐量が向上する。
The
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be embodied in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention and its equivalents described in the claims.
11 コレクタ電極(第1電極)
12 エミッタ電極(第2電極)
13 第1ゲート電極
14 第2ゲート電極
14a 第1の第2ゲート電極
14b 第2の第2ゲート電極
14c 第3の第2ゲート電極
14d 第4の第2ゲート電極
15 ダミー電極
21 第1ゲート電極パッド
22 第2ゲート電極パッド
31 ドリフト領域(第1半導体領域)
32 ベース領域(第2半導体領域)
33 コレクタ領域(第3半導体領域)
34 エミッタ領域(第4半導体領域)
35 バッファ領域
36 コンタクト領域
41 第1ゲートトレンチ
42 第2ゲートトレンチ
51 第1ゲート絶縁膜(第1絶縁膜)
52 第2ゲート絶縁膜(第2絶縁膜)
53 層間絶縁膜(第3絶縁膜)
60 セル領域
61 終端領域
70 ゲートドライバ
100、101、200、201、300、400、500 半導体装置
t1 第1のタイミング
t2 第2のタイミング
t3 第3のタイミング
11 Collector electrode (first electrode)
12 Emitter electrode (second electrode)
13
32 base region (second semiconductor region)
33 Collector region (third semiconductor region)
34 Emitter region (fourth semiconductor region)
35 Buffer region 36
52 Second gate insulating film (second insulating film)
53 Interlayer insulating film (third insulating film)
60 Cell region 61 Termination region 70
Claims (12)
第1方向において前記第1電極と離間して設けられた第2電極と、
前記第1方向において、前記第1電極と前記第2電極との間に設けられた第1導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域と前記第2電極との間に設けられた第2導電型の第2半導体領域と、
前記第1半導体領域と前記第1電極との間に設けられ、前記第1電極と電気的に接続された第2導電型の第3半導体領域と、
前記第1方向と交わる第2方向において、第1絶縁膜を介して前記第2半導体領域と対向し、且つ前記第1絶縁膜に接する第3絶縁膜を介して前記第2電極から絶縁された複数の第1ゲート電極と、
前記第2方向において第2絶縁膜を介して前記第2半導体領域と対向し、且つ前記第2絶縁膜に接する前記第3絶縁膜を介して前記第2電極から絶縁され、前記第1ゲート電極とは異なる電圧が印加される複数の第2ゲート電極と、
前記第2半導体領域と前記第2電極との間に設けられ、前記第1絶縁膜または前記第3絶縁膜を介して前記第1ゲート電極と対向する第1導電型の第4半導体領域と、
前記第2半導体領域と前記第2電極との間に設けられ、前記第2絶縁膜または前記第3絶縁膜を介して前記第2ゲート電極に対向し、且つ前記第2電極と電気的に接する境界部を有する第2導電型の第5半導体領域とを有し、
前記第4半導体領域の上面と前記第1電極との距離は、前記境界部と前記第1電極との距離よりも大きい半導体装置。 A first electrode;
a second electrode spaced apart from the first electrode in a first direction;
a first semiconductor region of a first conductivity type provided between the first electrode and the second electrode in the first direction;
a second semiconductor region of a second conductivity type provided between the first semiconductor region and the second electrode;
a third semiconductor region of a second conductivity type provided between the first semiconductor region and the first electrode and electrically connected to the first electrode;
a plurality of first gate electrodes facing the second semiconductor region via a first insulating film in a second direction intersecting the first direction and insulated from the second electrode via a third insulating film in contact with the first insulating film;
a plurality of second gate electrodes opposed to the second semiconductor region via a second insulating film in the second direction and insulated from the second electrode via the third insulating film in contact with the second insulating film, and to which a voltage different from that of the first gate electrodes is applied;
a fourth semiconductor region of the first conductivity type provided between the second semiconductor region and the second electrode and facing the first gate electrode via the first insulating film or the third insulating film;
a fifth semiconductor region of a second conductivity type provided between the second semiconductor region and the second electrode, facing the second gate electrode via the second insulating film or the third insulating film, and having a boundary portion electrically contacting the second electrode;
A semiconductor device, wherein the distance between an upper surface of the fourth semiconductor region and the first electrode is greater than the distance between the boundary portion and the first electrode.
請求項1に記載の半導体装置。 a third electrode that faces the second semiconductor region via a fourth insulating film in the second direction and faces the second electrode via the third insulating film that is in contact with the fourth insulating film, and to which a voltage different from that of the first gate electrode and the second gate electrode is applied;
The semiconductor device according to claim 1 .
請求項2に記載の半導体装置。 The third electrode is electrically connected to the second electrode.
The semiconductor device according to claim 2 .
請求項2に記載の半導体装置。 the fourth insulating film faces the first insulating film in the second direction, with the second semiconductor region interposed therebetween;
The semiconductor device according to claim 2 .
請求項2に記載の半導体装置。 the fourth insulating film faces the second insulating film in the second direction with the second semiconductor region therebetween;
The semiconductor device according to claim 2 .
前記セル領域を囲む終端領域と、
を有し、
前記セル領域のうち、前記第2方向において前記セル領域の中心よりも前記終端領域に近い領域において、前記第3電極は前記第2ゲート電極と隣接する、
請求項2乃至5いずれか1つに記載の半導体装置。 a cell region having the first gate electrode and the second gate electrode;
a termination region surrounding the cell region;
having
the third electrode is adjacent to the second gate electrode in a region of the cell region that is closer to the termination region than to a center of the cell region in the second direction;
6. The semiconductor device according to claim 2 .
前記セル領域を囲む終端領域と、
を有し、
前記セル領域に配置された複数の前記第2ゲート電極のうち、前記第2方向において前記終端領域に最も近い第1の前記第2ゲート電極と、前記第1の第2ゲート電極の隣に配置された第2の前記第2ゲート電極との第1距離は、前記第2の第2ゲート電極よりも前記セル領域の中心側に配置された第3の前記第2ゲート電極と、前記第3の第2ゲート電極の隣に配置された第4の前記第2ゲート電極との第2距離よりも短いことを特徴とする請求項1乃至6いずれか1つに記載の半導体装置。 a cell region having the first gate electrode and the second gate electrode;
a termination region surrounding the cell region;
having
7. The semiconductor device according to claim 1, wherein, among the plurality of second gate electrodes arranged in the cell region, a first distance between a first second gate electrode that is closest to the termination region in the second direction and a second second gate electrode arranged adjacent to the first second gate electrode is shorter than a second distance between a third second gate electrode that is arranged closer to the center of the cell region than the second second gate electrode and a fourth second gate electrode arranged adjacent to the third second gate electrode.
第1のタイミングで、前記第1ゲート電極に印加される第1ゲート電圧を閾値電圧未満の電圧から前記閾値電圧以上の電圧に変化させ、
前記第1のタイミングに続く第2のタイミングで、前記第2ゲート電極に印加される第2ゲート電圧を第1電圧から第2電圧に変化させ、
前記第2のタイミングに続く第3のタイミングで、前記第1ゲート電圧を前記閾値電圧以上の電圧から前記閾値電圧未満の電圧に変化させる半導体装置の制御方法。 A method for controlling a semiconductor device according to any one of claims 1 to 9, comprising:
At a first timing, a first gate voltage applied to the first gate electrode is changed from a voltage less than a threshold voltage to a voltage equal to or greater than the threshold voltage;
At a second timing subsequent to the first timing, a second gate voltage applied to the second gate electrode is changed from a first voltage to a second voltage;
A method for controlling a semiconductor device, comprising: changing the first gate voltage from a voltage equal to or greater than the threshold voltage to a voltage less than the threshold voltage at a third timing subsequent to the second timing.
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