[发明专利]半导体装置以及使用它的电力变换装置

说明书

技术领域

本发明涉及半导体装置以及使用它的电力变换装置，特别涉及适合具有沟槽绝缘栅结构的绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor：下面简称IGBT)的半导体装置以及使用它的电力变换装置。

背景技术

IGBT是通过在栅极施加的电压来控制在集电极和发射极之间流过的电流的开关元件。由于IGBT能够控制的功率从数十瓦到数十万瓦，另外开关频率也是从数十赫兹到超过数百千赫的很宽的范围，因而从家用空调机和微波炉等小功率设备到铁道和炼铁厂的逆变器等大功率设备中广泛使用。

在IGBT中，为了使这些电力设备的高效化而要求低损失化，要求降低导通损失和开关损失。同时为防止EMC噪声和误动作、电动机的绝缘损坏等问题，要求能够根据应用的规范控制dv/dt。

在日本特开2000-307116号公报中，如图23所示，公开了改变沟槽栅极的排列间距的结构的IGBT。图23的IGBT的特点在于，在沟槽栅极的间隔较宽的部位不形成p沟道层106，而是设置浮动p层105。

通过形成这样的结构，由于电流仅在沟槽栅极的间隔狭窄的部分流过，所以能够抑制短路时流过的过电流，能够提高元件的抗破坏能力。另外，因为空穴电流的一部分经由浮动p层105流入发射极114，因而发射极114附近的空穴浓度增加，还具有降低导通电压的效果。并且，还具有减缓浮动p层105和n-漂移层104形成的pn结对沟槽栅极施加的电场的效果。

专利文献1：日本特开2000-307116号公报

专利文献2：日本特开2004-39838号公报

专利文献3：日本特开平5-243561号公报

专利文献4：日本特开2009-200103号公报

非专利文献1：Y.Onozawa，et at.，Proc.19th ISPSD，pp13-16，2007

但是，在图23表示的IGBT中，在接通IGBT时，有时发生IGBT或者对臂的二极管的输出电压的时间变化率dv/dt的控制性降低的问题。图24表示接通时的集电极-发射极间电压的计算波形的特性图。如该图所示，存在即使改变栅极电阻dvce/dt也不变化无法控制的期间。

其理由考虑如下。即当IGBT接通时，在图23中的浮动p层105中过渡流入空穴，浮动p层105的电位升高。此时，经由栅极绝缘膜110的寄生电容，在栅极109上流过位移电流，栅极电位升高，因而由MOSFET结构的互导gm和栅极-发射极间电压的时间变化率dvce/dt的积决定的集电极电流的时间变化率dic/dt增加，开关速度加速。过渡流入浮动p层105的空穴的量主要由半导体内部的结构决定，难于通过外部的栅极电阻控制。

因此，无法用外部的栅极电阻控制被加速的dic/dt，结果，发生无法用栅极电阻控制IGBT与对臂的二极管的电压的时间变化率dv/dt的期间。

为抑制通过该浮动p层105的影响引起的栅极电位升高，公开了以下的方法。

在专利文献2中，如图25所示，经由电阻201电气连接浮动p层105与发射极114，抑制浮动p层105的电位升高。

由此从浮动p层105流入栅极109的位移电流减少，抑制栅极电位的升高，结果，能够提高IGBT与对臂的二极管的dv/dt的控制性。

如图26所示，在专利文献3中公开了通过设置宽度大的沟槽栅极，促进来自沟槽栅极的电子的注入来降低损失的方法。虽然在专利文献3中未明示，但是因为不使用浮动p层而是在沟槽栅极底保持耐压，所以不存在由浮动p层的影响引起的栅极电位的变动，能够提高dv/dt的控制性。

如图27所示，在专利文献4中公开了通过在沟槽的侧壁上形成栅极301，在栅极301间填充绝缘层302，降低栅极绝缘膜的寄生电容。由于栅极绝缘膜的寄生电容减低，因而能够提高栅极电压，能够提高dv/dt的控制性。

如图28所示，在非专利文献1中公开了通过对每个单元朝向与沟槽平行的内侧方向交互配置与发射极电气连接的p基极层106，不使用浮动p层来保持耐压。由于不使用浮动p层，因而没有浮动p层的影响引起的栅极电位的变动，能够提高dv/dt的控制性。

但是，在IGBT中，在要求保持低损失和高耐压的同时，要求提高接通切换期间的dv/dt的基于栅极驱动电路的控制性。对于该课题，可知在上述文献的结构中具有以下的改进点。