[发明专利]半导体器件和具有该半导体器件的逆变器电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用形成在公共半导体衬底中的绝缘栅极晶体管和反 平行二极管构造的半导体器件。

背景技术

例如，在对应于日本专利公开No.2005-317751的US 2005/0258493、对 应于日本专利公开No.2007-134625的US 2007/0108468以及对应于日本专 利公开No.2007-214541的US 2007/0170549中披露了利用形成在公共半导 体衬底中的绝缘栅极晶体管和反平行二极管构造的半导体器件。

图19示出了在US 2007/0170549中公开的半导体器件100。

在半导体器件100中，在公共半导体衬底1中形成绝缘栅极双极晶体 管(IGBT)单元100i和二极管单元100d。

通过绝缘膜7在第一沟槽T1中形成由多晶硅制成的第一电极层8。第 一电极层8用作IGBT单元100i的栅电极。在半导体衬底1的第一侧上形 成由铝制成的第二电极层10。利用第二电极层10填充第二沟槽T2。第二 电极层10穿透第一侧N型区3a和第一侧P型区4a，从而可以使第一侧N 型区3a和第一侧P型区4a电耦合。此外，第二电极层10电耦合到P型层 2a。第二电极层10用作IGBT单元100i的发射极电极和二极管单元100d 的阳极电极。将第二侧P+型区5和第二侧N+型区6形成到半导体衬底1 的第二侧的表面部分上。将第三电极层11形成在半导体衬底1的第二侧上 并使其电耦合到第二侧P+型区5和第二侧N+型区6中的每一个上。由此， 通过第三电极层11使第二侧P+型区5和第二侧N+型区6电耦合。第三 电极层11用作IGBT单元100i的集电极电极和二极管单元100d的阴极电 极。

也就是说，在半导体器件100中，以反平行配置将绝缘栅极晶体管和 二极管耦合在一起。在高电位侧将绝缘栅极晶体管的第一端子(例如集电 极)和二极管的阴极耦合在一起，在低电位侧将绝缘栅极晶体管的第二端 子(例如发射极)和二极管的阳极耦合在一起。像半导体器件100这样的 半导体器件通常集成在逆变器电路中以通过脉冲宽度调制(PWM)技术来 控制电负载。

通常，当在逆变器电路中使用像半导体器件100这样的半导体器件时， 施加到逆变器电路上半部的IGBT的选通信号在相位上与施加到逆变器电 路下半部的IGBT的选通信号相反。因此，即使在以反平行配置耦合到IGBT 的二极管续流工作(freewheel operation)期间，也可以将选通信号施加到 IGBT。即，可能有一段时间IGBT和二极管是同时工作的。如上所述，在 半导体器件100中，IGBT的集电极和二极管的阴极耦合在一起，而IGBT 的发射极和二极管的阳极耦合在一起。因此，当IGBT导通时，二极管的阴 极和阳极试图处于相同的电位。结果，二极管的正向偏压升高，因此二极 管的正向损耗增大。通过这种方式，在图19所示的半导体器件100中，由 于IGBT和二极管彼此干扰，而可能会增大二极管的正向损耗。

本发明人已经研究了图20所示的半导体器件90(日本专利申请 No.2007-229959)。将半导体器件90构造成避免IGBT和二极管之间的干扰， 从而可以防止二极管正向损耗的增大。

如图20所示，半导体器件90包括与电路50、具有内置二极管的IGBT 20、感测电阻器30和反馈电路40。

与电路50是一种仅在所有输入都为高电平时才产生高电平输出的逻辑 门。将用于驱动IGBT20的PWM选通信号从外部电路输入到与电路50。 此外，将反馈电路40的输出输入到与电路50。

IGBT20包括IGBT部分21和二极管部分22。IGBT部分21和二极管 部分22形成在公共半导体衬底中。IGBT部分21包括耦合到电负载的主 IGBT 21a以及用于检测流经主IGBT 21a的电流的辅助IGBT 21b。由与电 路50输出的PWM选通信号控制施加到IGBT 21a、21b的栅极的电压。辅 助IGBT 21b的发射极耦合到感测电阻器30的第一端，感测电阻器30两端 的电压降Vs被反馈到反馈电路40。将二极管部分22构造成变换流经IGBT 21a的负载电流。二极管部分22包括耦合到主IGBT 21a的主二极管22a和 用于检测流经主二极管22a的电流的辅助二极管22b。辅助二极管22b的阳 极耦合到感测电阻器30的第一端。