(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024090089
(43)【公開日】2024-07-04
(54)【発明の名称】アクティブクランプ回路及び半導体装置
(51)【国際特許分類】
H01L 21/822 20060101AFI20240627BHJP
H01L 29/78 20060101ALI20240627BHJP
H01L 21/329 20060101ALI20240627BHJP
H01L 29/861 20060101ALI20240627BHJP
H01L 29/12 20060101ALI20240627BHJP
H01L 21/76 20060101ALI20240627BHJP
H01L 29/06 20060101ALI20240627BHJP
H01L 29/739 20060101ALI20240627BHJP
H01L 21/8234 20060101ALI20240627BHJP
H02M 1/00 20070101ALI20240627BHJP
【ＦＩ】
H01L27/04 H
H01L29/78 657A
H01L29/90 D
H01L29/91 L
H01L29/78 652T
H01L29/78 652R
H01L29/78 652P
H01L29/06 301V
H01L29/06 301G
H01L29/78 657B
H01L29/78 655A
H01L29/78 653A
H01L27/04 P
H01L27/06 102A
H02M1/00 F
【審査請求】未請求
【請求項の数】17
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022205748
(22)【出願日】2022-12-22
(71)【出願人】
【識別番号】000002037
【氏名又は名称】新電元工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002697
【氏名又は名称】めぶき弁理士法人
(74)【代理人】
【識別番号】100104709
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 誠剛
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 博美
【テーマコード（参考）】
5F038
5F048
5H740
【Ｆターム（参考）】
5F038AR09
5F038AR12
5F038AR25
5F038AR26
5F038AV04
5F038AZ08
5F038BH02
5F038BH03
5F038BH04
5F038BH06
5F038BH15
5F038BH16
5F038CA02
5F038CA05
5F038CA08
5F048AA01
5F048AA05
5F048AB10
5F048AC06
5F048AC10
5F048BA01
5F048BA14
5F048BA15
5F048BB05
5F048BB19
5F048BC03
5F048BC12
5F048BC15
5F048BF02
5F048BF07
5F048BG12
5F048CC04
5F048CC06
5H740BA12
5H740BB05
5H740BC01
5H740BC02
5H740MM01
(57)【要約】
【課題】大型のダイオードを用いなくてもサージ電圧を吸収して電圧をクランプすることができ、かつ、スイッチング回路の動作をより一層安定させることが可能なアクティブクランプ回路を提供する。
【解決手段】第１の主電極が主スイッチＱ１の主電極と電気的に接続され、第２の主電極が主スイッチＱ１の制御電極と電気的に接続されたクランプ電圧制御用スイッチ２０と、一方の端子がクランプ電圧制御用スイッチ２０の第１の主電極と電気的に接続され、他方の端子がクランプ電圧制御用スイッチ２０の制御電極と電気的に接続されたクランプ電圧決定部３０とを備え、クランプ電圧決定部３０は、温度特性調整抵抗３２と、ツェナーダイオード３３と、ダイオード３４とで構成された組３１を複数有し、直列に接続されていることを特徴とするアクティブクランプ回路１０。
【選択図】図１
【解決手段】第１の主電極が主スイッチＱ１の主電極と電気的に接続され、第２の主電極が主スイッチＱ１の制御電極と電気的に接続されたクランプ電圧制御用スイッチ２０と、一方の端子がクランプ電圧制御用スイッチ２０の第１の主電極と電気的に接続され、他方の端子がクランプ電圧制御用スイッチ２０の制御電極と電気的に接続されたクランプ電圧決定部３０とを備え、クランプ電圧決定部３０は、温度特性調整抵抗３２と、ツェナーダイオード３３と、ダイオード３４とで構成された組３１を複数有し、直列に接続されていることを特徴とするアクティブクランプ回路１０。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
主スイッチの制御電極と主電極との間に接続され、前記主スイッチのクランプ電圧を制御するためのアクティブクランプ回路であって、
第１の主電極、第２の主電極及び制御電極を有し、前記第２の主電極が前記主スイッチの前記主電極と電気的に接続され、前記第１の主電極が前記主スイッチの前記制御電極と電気的に接続されたクランプ電圧制御用スイッチと、
一方の端子が前記クランプ電圧制御用スイッチの前記第２の主電極と電気的に接続され、他方の端子が前記クランプ電圧制御用スイッチの前記制御電極と電気的に接続されたクランプ電圧決定部とを備え、
前記クランプ電圧決定部は、温度特性調整抵抗と、前記温度特性調整抵抗の一方端に接続されたツェナーダイオードと、前記温度特性調整抵抗の他方端に前記ツェナーダイオードと逆特性となるように接続されたダイオードと、で構成された組を複数有し、前記組が直列に接続されていることを特徴とするアクティブクランプ回路。
第１の主電極、第２の主電極及び制御電極を有し、前記第２の主電極が前記主スイッチの前記主電極と電気的に接続され、前記第１の主電極が前記主スイッチの前記制御電極と電気的に接続されたクランプ電圧制御用スイッチと、
一方の端子が前記クランプ電圧制御用スイッチの前記第２の主電極と電気的に接続され、他方の端子が前記クランプ電圧制御用スイッチの前記制御電極と電気的に接続されたクランプ電圧決定部とを備え、
前記クランプ電圧決定部は、温度特性調整抵抗と、前記温度特性調整抵抗の一方端に接続されたツェナーダイオードと、前記温度特性調整抵抗の他方端に前記ツェナーダイオードと逆特性となるように接続されたダイオードと、で構成された組を複数有し、前記組が直列に接続されていることを特徴とするアクティブクランプ回路。
【請求項2】
一方が前記クランプ電圧制御用スイッチの制御電極と接続され、他方が前記主スイッチの制御電極及び前記クランプ電圧制御用スイッチの前記第１の主電極と電気的に接続されているゲート保護部をさらに備え、
前記ゲート保護部は、少なくともゲート保護用ツェナーダイオードとゲート保護用ダイオードとが逆極性で接続された組を少なくとも１組有することを特徴とする請求項１に記載のアクティブクランプ回路。
前記ゲート保護部は、少なくともゲート保護用ツェナーダイオードとゲート保護用ダイオードとが逆極性で接続された組を少なくとも１組有することを特徴とする請求項１に記載のアクティブクランプ回路。
【請求項3】
前記ゲート保護部の前記組はそれぞれ、前記ゲート保護用ツェナーダイオードと前記ゲート保護用ダイオードとの間にゲート保護用温度特性調整抵抗が電気的に接続された構造を有することを特徴とする請求項２に記載のアクティブクランプ回路。
【請求項4】
主スイッチの制御電極と主電極間に接続され、前記主スイッチのクランプ電圧を制御するためのアクティブクランプ回路であって、
アノード電極及びカソード電極を有し、前記アノード電極が前記主スイッチの前記制御電極と電気的に接続され、前記カソード電極が前記主スイッチの前記主電極と電気的に接続されたバイパスダイオードと、
一方の端子が前記バイパスダイオードの前記カソード電極と電気的に接続され、他方の端子が前記バイパスダイオードの前記アノード電極及び前記主スイッチの前記制御電極と電気的に接続されるクランプ電圧決定部とを備え、
前記クランプ電圧決定部は、温度特性調整抵抗と、前記温度特性調整抵抗の一方端に接続されたツェナーダイオードと、前記温度特性調整抵抗の他方端に前記ツェナーダイオードと逆特性となるように接続されたダイオードと、で構成された組を複数有し、前記組が直列に接続されていることを特徴とするアクティブクランプ回路。
アノード電極及びカソード電極を有し、前記アノード電極が前記主スイッチの前記制御電極と電気的に接続され、前記カソード電極が前記主スイッチの前記主電極と電気的に接続されたバイパスダイオードと、
一方の端子が前記バイパスダイオードの前記カソード電極と電気的に接続され、他方の端子が前記バイパスダイオードの前記アノード電極及び前記主スイッチの前記制御電極と電気的に接続されるクランプ電圧決定部とを備え、
前記クランプ電圧決定部は、温度特性調整抵抗と、前記温度特性調整抵抗の一方端に接続されたツェナーダイオードと、前記温度特性調整抵抗の他方端に前記ツェナーダイオードと逆特性となるように接続されたダイオードと、で構成された組を複数有し、前記組が直列に接続されていることを特徴とするアクティブクランプ回路。
【請求項5】
前記温度特性調整抵抗は、前記温度特性調整抵抗を有する前記組の前記ツェナーダイオードのツェナー電圧、及び、前記ダイオードの順方向電圧を重ね合わせた電圧の温度変化を低減する温度特性を有することを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載のアクティブクランプ回路。
【請求項6】
前記クランプ電圧決定部は、端部、及び、隣り合う２つの組の間のうち少なくともいずれかに温度特性を調整する第２の温度特性調整抵抗をさらに有することを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載のアクティブクランプ回路。
【請求項7】
主スイッチの制御電極と主電極間に接続され、前記主スイッチのクランプ電圧を制御するためのアクティブクランプ回路を構成し、デバイス領域と前記デバイス領域の周囲に形成された耐圧分離領域とが画定された半導体基体に形成された半導体装置であって、
前記デバイス領域においては、
前記半導体基体と、
前記半導体基体の表面側の表面上に形成された第１の主電極と、
前記半導体基体の表面側の表面上に、前記第１の主電極とは離隔した位置に形成されているゲートパッドと、
前記半導体基体の裏面側の表面上に形成されている第２の主電極とを備え、
前記第１の主電極が形成されている領域にＭＯＳ構造が形成されており、
前記耐圧分離領域においては、
前記半導体基体と、
前記半導体基体の裏面側の表面上に形成されている前記第２の主電極と、
前記半導体基体の表面に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に、平面的に見て前記デバイス領域を囲む領域に、複数の第１の第１導電型領域と複数の第１の第２導電型領域とが互いに隣接して交互に配置され、一方端が前記ゲートパッドと電気的に接続されており、他方端が前記第２の主電極と電気的に接続されているクランプ電圧決定部とを備え、
前記クランプ電圧決定部において、２つの前記第１の第２導電型領域に挟まれた前記第１の第１導電型領域の不純物総量は、前記第１の第１導電型領域と隣接する２つの前記第１の第２導電型領域のどちらの不純物総量よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
前記デバイス領域においては、
前記半導体基体と、
前記半導体基体の表面側の表面上に形成された第１の主電極と、
前記半導体基体の表面側の表面上に、前記第１の主電極とは離隔した位置に形成されているゲートパッドと、
前記半導体基体の裏面側の表面上に形成されている第２の主電極とを備え、
前記第１の主電極が形成されている領域にＭＯＳ構造が形成されており、
前記耐圧分離領域においては、
前記半導体基体と、
前記半導体基体の裏面側の表面上に形成されている前記第２の主電極と、
前記半導体基体の表面に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に、平面的に見て前記デバイス領域を囲む領域に、複数の第１の第１導電型領域と複数の第１の第２導電型領域とが互いに隣接して交互に配置され、一方端が前記ゲートパッドと電気的に接続されており、他方端が前記第２の主電極と電気的に接続されているクランプ電圧決定部とを備え、
前記クランプ電圧決定部において、２つの前記第１の第２導電型領域に挟まれた前記第１の第１導電型領域の不純物総量は、前記第１の第１導電型領域と隣接する２つの前記第１の第２導電型領域のどちらの不純物総量よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項8】
前記絶縁膜上における平面的に見て前記ゲートパッドを囲む領域に、少なくとも１つの第２の第１導電型領域と少なくとも２つの第２の第２導電型領域とが互いに隣接して交互に配置されたゲート保護部をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【請求項9】
前記ゲート保護部において、２つの前記第２の第２導電型領域に挟まれた前記第２の第１導電型領域の不純物総量は、前記第２の第１導電型領域と隣接する２つの前記第２の第２導電型領域の不純物総量のどちらよりも小さいことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
【請求項10】
主スイッチの制御電極と主電極間に接続され、前記主スイッチのクランプ電圧を制御するためのアクティブクランプ回路を構成し、デバイス領域と前記デバイス領域の周囲に形成された耐圧分離領域とが画定された半導体基体に形成された半導体装置であって、
前記デバイス領域においては、
前記半導体基体と、
前記半導体基体の表面側の表面上に形成された第１の主電極と、
前記半導体基体の裏面側の表面上に形成されている第２の主電極とを備え、
前記第１の主電極が形成されている領域にダイオード構造が形成されており、
前記耐圧分離領域においては、
前記半導体基体と、
前記半導体基体の裏面側の表面上に形成されている前記第２の主電極と、
前記半導体基体の表面に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に、平面的に見て前記デバイス領域を囲む領域に、複数の第１の第１導電型領域と複数の第１の第２導電型領域とが互いに隣接して交互に配置され、一方端が前記第１の主電極と電気的に接続されており、他方端が前記第２の主電極と電気的に接続されているクランプ電圧決定部とを備え、
前記クランプ電圧決定部において、２つの前記第１の第２導電型領域に挟まれた前記第１の第１導電型領域の不純物総量は、前記第１の第１導電型領域と隣接する２つの前記第１の第２導電型領域のどちらの不純物総量よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
前記デバイス領域においては、
前記半導体基体と、
前記半導体基体の表面側の表面上に形成された第１の主電極と、
前記半導体基体の裏面側の表面上に形成されている第２の主電極とを備え、
前記第１の主電極が形成されている領域にダイオード構造が形成されており、
前記耐圧分離領域においては、
前記半導体基体と、
前記半導体基体の裏面側の表面上に形成されている前記第２の主電極と、
前記半導体基体の表面に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に、平面的に見て前記デバイス領域を囲む領域に、複数の第１の第１導電型領域と複数の第１の第２導電型領域とが互いに隣接して交互に配置され、一方端が前記第１の主電極と電気的に接続されており、他方端が前記第２の主電極と電気的に接続されているクランプ電圧決定部とを備え、
前記クランプ電圧決定部において、２つの前記第１の第２導電型領域に挟まれた前記第１の第１導電型領域の不純物総量は、前記第１の第１導電型領域と隣接する２つの前記第１の第２導電型領域のどちらの不純物総量よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項11】
前記クランプ電圧決定部において、２つの前記第１の第２導電型領域に挟まれた前記第１の第１導電型領域の内部抵抗は、
前記第１の第１導電型領域と、前記第１の第１導電型領域の一方側で隣接する前記第１の第２導電型領域とで形成されるダイオードの順方向電圧と、前記第１の第１導電型領域と、前記第１の第１導電型領域の他方側で隣接する前記第１の第２導電型領域とで形成されるツェナーダイオードのツェナー電圧と、を重ね合わせた電圧の温度変化を打ち消す温度特性を有することを特徴とする請求項７～１０のいずれかに記載の半導体装置。
前記第１の第１導電型領域と、前記第１の第１導電型領域の一方側で隣接する前記第１の第２導電型領域とで形成されるダイオードの順方向電圧と、前記第１の第１導電型領域と、前記第１の第１導電型領域の他方側で隣接する前記第１の第２導電型領域とで形成されるツェナーダイオードのツェナー電圧と、を重ね合わせた電圧の温度変化を打ち消す温度特性を有することを特徴とする請求項７～１０のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項12】
前記クランプ電圧決定部は、平面的に見て前記デバイス領域を全周にわたって囲んでいることを特徴とする請求項７～１０のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項13】
前記耐圧分離領域において、前記半導体基体の表面には、第1導電型のリサーフ領域が形成されていることを特徴とする請求項７～１０のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項14】
前記デバイス領域の表面には、表面第１導電型領域が形成されており、
前記表面第１導電型領域と前記リサーフ領域との境界を覆うように形成された第１導電型の境界半導体領域が形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
前記表面第１導電型領域と前記リサーフ領域との境界を覆うように形成された第１導電型の境界半導体領域が形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
【請求項15】
前記デバイス領域の表面には、表面第１導電型領域が形成されており、
前記表面第１導電型領域と前記リサーフ領域との間には、前記半導体基体の前記表面第１導電型領域及び前記リサーフ領域のどちらと同じ、又はどちらよりも深い深さ位置まで形成された第１導電型の境界半導体領域が形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
前記表面第１導電型領域と前記リサーフ領域との間には、前記半導体基体の前記表面第１導電型領域及び前記リサーフ領域のどちらと同じ、又はどちらよりも深い深さ位置まで形成された第１導電型の境界半導体領域が形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
【請求項16】
前記クランプ電圧決定部において、２つの前記第１の第２導電型領域に挟まれた前記第１の第１導電型領域の不純物濃度は、前記第１の第１導電型領域と隣接する２つの前記第１の第２導電型領域のどちらの不純物濃度よりも小さいことを特徴とする請求項７～１０のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項17】
前記クランプ電圧決定部において、端部、及び、隣接する組同士の間のうちの少なくともいずれかに温度特性を調整する第３の第１導電型領域をさらに有することを特徴とする請求項７～１０のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アクティブクランプ回路及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
スイッチング回路（特に高周波のスイッチング回路）においては、配線の寄生インダクタによってスイッチング時にサージ電圧が発生する。このサージ電圧による主スイッチの破壊などの不具合を防ぐために、従来、様々な対策が取られてきた。
【0003】
図１１は、従来の第１のスイッチング回路８００を示す回路図である。図１１において、符号Ｖｃｃは外部電源を示し、符号Ｃは入力コンデンサを示し、符号Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３は出力端子を示し、符号ＶＢＨ，ＶＢＬは、主スイッチＱ１，Ｑ２のゲート電極Ｇ１、Ｇ２に主スイッチをオンオフする信号を送信する端子である。
【0004】
従来の第１のスイッチング回路８００では、スイッチング時のサージ電圧をクランプしたい場合には、Ｑ１,Ｑ２の耐圧よりも少し低いか、ほぼ同等の耐圧を持ったクランプ用ダイオード８１２，８１４を第１の主スイッチＱ１、第２の主スイッチＱ２にそれぞれ並列に接続するクランプ回路８１０を追加する必要がある。クランプ用ダイオード８１２のアノード電極は、第１の主スイッチＱ１及び第２の主スイッチＱ２の接続点と接続されており、クランプ用ダイオード８１２のカソード電極は、第１の主スイッチＱ１のドレイン電極Ｄ１と接続されている。クランプ用ダイオード８１４のアノード電極は、第２の主スイッチＱ２のソース電極Ｓ２と接続されており、クランプ用ダイオード８１４のカソード電極は、第１の主スイッチＱ１及び第２の主スイッチＱ２の接続点と接続されている。
【0005】
従来の第１のスイッチング回路８００によれば、クランプ用ダイオード８１２，８１４を有するため、クランプ用ダイオード８１２，８１４でサージ電圧を吸収し、第１の主スイッチＱ１及び第２の主スイッチＱ２のドレイン・ソース間電圧をクランプすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特許４０５４１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、従来の第１のスイッチング回路８００においては、主スイッチＱ１，Ｑ２に流れる電流をクランプ回路８１０にバイパスしてドレイン・ソース間電圧をクランプすることから、クランプ回路８１０に流れる電流が大きくなる。このため、クランプ回路８１０に用いるクランプ用ダイオード８１２，８１４を大電流に耐え得るものとする必要があり、大型のダイオードが必要になる、という問題がある。また、クランプ用ダイオード８１２，８１４に大電流が流れることにより、クランプ用ダイオード８１２，８１４の動作抵抗（インピーダンス）によるクランプ電圧の変動（図６の破線参照）が大きくなったり、クランプ用ダイオード８１２，８１４の温度上昇が大きくなりクランプ電圧の変動が大きくなったりしてしまうことから、サージ電圧をクランプする機能が狙い通りに動作せず、スイッチング回路の動作が安定しなくなるおそれがあるという問題もある。そこで、従来、主スイッチＱ１，Ｑ２のドレイン電極Ｄ１，Ｄ２とゲート電極Ｇ１，Ｇ２との間にアクティブクランプ回路９１０を設けた従来の第２のスイッチング回路９００が知られている（図１２（ａ）参照。例えば、特許文献１参照。）。
【0008】
図１２は、従来の第２のスイッチング回路９００を示す回路図である。従来の第２のスイッチング回路９００において、アクティブクランプ回路９１０は、ツェナーダイオード９４３とダイオード９４４とが逆特性で接続された組９４１を複数有する（図１２（ｂ）参照）。
【0009】
従来の第２のスイッチング回路９００において、主スイッチＱ１（Ｑ２）のドレイン・ソース間電圧がツェナーダイオード９４３のツェナー電圧、ダイオード９４４の順方向電圧ＶＦ及び主スイッチＱ１（Ｑ２）のゲート電極Ｇ１（Ｇ２）の閾値電圧ＶＴＨを足し合わせた電圧よりも大きくなると、主スイッチＱ１（Ｑ２）の帰還容量が充電され、ドレイン・ソース間電圧が増加を始めるタイミングでオフになっていた主スイッチＱ１（Ｑ２）が再びオンすることとなる。これにより、主スイッチＱ１（Ｑ２）は、ドレイン・ソース間電圧を印加した状態でドレイン電流を流すことになるため、従来の第１のスイッチング回路８００よりもクランプ回路に流れる電流が小さい状態でサージ電圧を吸収することができる。
【0010】
ところで、インバータ回路や電源等の技術分野においては、クランプ用ダイオードに流れる電流をより一層小さくしてスイッチング回路の動作をより一層安定させることができるアクティブクランプ回路が求められている。
【0011】
そこで、本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、大型のダイオードを用いなくてもサージ電圧を吸収して電圧をクランプすることができ、かつ、スイッチング回路の動作をより一層安定させることが可能なアクティブクランプ回路及び半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明の第１のアクティブクランプ回路は、主スイッチの制御電極と主電極間に接続され、前記主スイッチのクランプ電圧を制御するためのアクティブクランプ回路であって、第１の主電極、第２の主電極及び制御電極を有し、前記第２の主電極が前記主スイッチの前記主電極と電気的に接続され、第１の主電極が前記主スイッチの前記制御電極と電気的に接続されたクランプ電圧制御用スイッチと、一方の端子が前記クランプ電圧制御用スイッチの前記第２の主電極と電気的に接続され、他方の端子が前記クランプ電圧制御用スイッチの前記制御電極と電気的に接続されたクランプ電圧決定部とを備え、前記クランプ電圧決定部は、温度特性調整抵抗と、前記温度特性調整抵抗の一方端に接続されたツェナーダイオードと、前記温度特性調整抵抗の他方端に前記ツェナーダイオードと逆特性となるように接続されたダイオードと、で構成された組を複数有し、前記組が直列に接続されていることを特徴とする。
【0013】
本発明の第２のアクティブクランプ回路は、主スイッチの制御電極と主電極間に接続され、前記主スイッチのクランプ電圧を制御するためのアクティブクランプ回路であって、アノード電極及びカソード電極を有し、前記アノード電極が前記主スイッチの前記制御電極と電気的に接続され、前記カソード電極が前記主スイッチの前記主電極と電気的に接続されたバイパスダイオードと、一方の端子が前記バイパスダイオードの前記カソード電極と電気的に接続され、他方の端子が前記バイパスダイオードの前記アノード電極及び前記主スイッチの前記制御電極と電気的に接続されるクランプ電圧決定部とを備え、前記クランプ電圧決定部は、温度特性調整抵抗と、前記温度特性調整抵の一方端に接続されたツェナーダイオードと、前記温度特性調整抵抗の他方端に前記ツェナーダイオードと逆特性となるように接続されたダイオードと、で構成された組を複数有し、前記組が直列に接続されていることを特徴とする。
【0014】
本発明の第１の半導体装置は、主スイッチの制御電極と主電極間に接続され、前記主スイッチのクランプ電圧を制御するためのアクティブクランプ回路を構成し、デバイス領域と前記デバイス領域の周囲に形成された耐圧分離領域とが画定された半導体基体に形成された半導体装置であって、前記デバイス領域においては、前記半導体基体と、前記半導体基体の表面側の表面上に形成された第１の主電極と、前記半導体基体の表面側の表面上に、前記第１の主電極とは離隔した位置に形成されているゲートパッドと、前記半導体基体の裏面側の表面上に形成されている第２の主電極とを備え、第１の主電極が形成されている領域にＭＯＳ構造が形成されており、前記耐圧分離領域においては、前記半導体基体と、前記半導体基体の裏面側の表面上に形成されている前記第２の主電極と、前記半導体基体の表面に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に、平面的に見て前記デバイス領域を囲む領域に、複数の第１の第１導電型領域と複数の第１の第２導電型領域とが互いに隣接して交互に配置され、一方端が前記ゲートパッドと電気的に接続されており、他方端が前記第２の主電極と電気的に接続されているクランプ電圧決定部とを備え、前記クランプ電圧決定部において、２つの前記第１の第２導電型領域に挟まれた前記第１の第１導電型領域の不純物総量は、前記第１の第１導電型領域と隣接する２つの前記第１の第２導電型領域の不純物総量はよりも小さいことを特徴とする。
【0015】
本発明の第２の半導体装置は、主スイッチの制御電極と主電極間に接続され、前記主スイッチのクランプ電圧を制御するためのアクティブクランプ回路を構成し、デバイス領域と前記デバイス領域の周囲に形成された耐圧分離領域とが画定された半導体基体に形成された半導体装置であって、前記デバイス領域においては、前記半導体基体と、前記半導体基体の表面側の表面上に形成された第１の主電極と、前記半導体基体の裏面側の表面上に形成されている第２の主電極とを備え、前記第１の主電極が形成されている領域にダイオード構造が形成されており、前記耐圧分離領域においては、前記半導体基体と、前記半導体基体の裏面側の表面上に形成されている前記第２の主電極と、前記半導体基体の表面に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に、平面的に見て前記デバイス領域を囲む領域に、複数の第１の第１導電型領域と複数の第１の第２導電型領域とが互いに隣接して交互に配置され、一方端が前記第１の主電極と電気的に接続されており、他方端が前記第２の主電極と電気的に接続されているクランプ電圧決定部とを備え、前記クランプ電圧決定部において、２つの前記第１の第２導電型領域に挟まれた前記第１の第１導電型領域の不純物総量は、前記第１の第１導電型領域と隣接する２つの前記第１の第２導電型領域の不純物総量よりも小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【0016】
本発明の第１のアクティブクランプ回路によれば、クランプ電圧制御用スイッチと、一方の端子が第２の主電極と電気的に接続され、他方の端子が制御電極と電気的に接続されたクランプ電圧決定部を備えるため、従来のスイッチング回路と同様に、サージ電圧を吸収することができる。また、このクランプ電圧制御用スイッチは、主スイッチの制御電極にオン信号を送るドライバーとしての機能を有する。従って、駆動電流は小さく、かつ、トリガーとなるオフ電圧を決定するクランプ電圧決定部に流れる電流も小さく出来る一方、クランプ電圧制御用スイッチや主スイッチをオンしてサージ電圧が発生する期間に主スイッチを電圧クランプ用の電流経路として利用することができるため、大型のダイオードを用いなくてもよくなる。
【0017】
本発明の第２のアクティブクランプ回路によれば、バイパスダイオードと、一方の端子がバイパスダイオードのカソード電極と電気的に接続され、他方の端子がバイパスダイオードのアノード電極及び主スイッチの制御電極と電気的に接続されるクランプ電圧決定部とを備えるため、従来のスイッチング回路と同様に、サージ電圧を吸収して電圧をクランプすることができる。また、クランプ電圧決定部に流れる電流も小さく出来る一方、主スイッチをオンしてサージが発生する期間に主スイッチを電圧クランプ用の電流経路として利用することができ、大型のダイオードを用いなくてもよくなる。
【0018】
また、本発明の第１及び第２のアクティブクランプ回路によれば、クランプ電圧制御用スイッチ又はバイパスダイオードと、クランプ電圧決定部を備えるため、上記したようにクランプ回路に流れる電流が小さくなり、ツェナーダイオードの動作抵抗（インピーダンス）が小さくなる。従って、ツェナーダイオードの動作抵抗（インピーダンス）によるクランプ電圧の変動（図６の破線参照）を小さくなる。また、クランプ回路に流れる電流が小さくなるため、ツェナーダイオードの温度上昇が小さくなり、クランプ電圧の変動を小さくすることができる。従って、サージ電圧をクランプする機能を狙い通りに動作させることができ、スイッチング回路の動作を安定させることが可能となる。
【0019】
また、本発明の第１及び第２のアクティブクランプ回路によれば、クランプ電圧決定部は温度特性調整抵抗を有するため、ダイオードの順方向電圧の温度特性（温度上昇に対して減少する特性）の影響を、温度特性調整抵抗の温度特性（温度上昇に対して増加する特性）によって打ち消しあうことができ、クランプ電圧の温度変動を抑制することができる。
【0020】
本発明の第１の半導体装置によれば、第１の主電極が形成されている領域にＭＯＳ構造が形成されており、耐圧分離領域においては、複数の第１の第１導電型領域と複数の第１の第２導電型領域とが互いに隣接して交互に配置されたクランプ電圧決定部を備えるため、クランプ電圧制御用スイッチと、一方の端子がクランプ電圧制御用スイッチの第１の主電極と電気的に接続され、他方の端子がクランプ電圧制御用スイッチの制御電極と電気的に接続されたクランプ電圧決定部とを備えるアクティブクランプ回路を構成することができる。従って、第１のアクティブクランプ回路と同様に、サージ電圧を吸収することができる。また、このクランプ電圧制御用スイッチ（ＭＯＳ構造）は、主スイッチの制御電極にオン信号を送るドライバーとしての機能を有するため、駆動電流は小さく且つ、トリガーとなるオフ電圧を決定するクランプ電圧決定部に流れる電流も小さく出来る一方、クランプ電圧制御用スイッチや主スイッチをオンしてサージ電圧が発生する期間に主スイッチを電圧クランプ用の電流経路として利用することができ、大型のダイオードを用いなくてもよくなる。
【0021】
本発明の第２の半導体装置によれば、第１の主電極が形成されている領域にダイオード構造が形成されており、複数の第１の第１導電型領域と複数の第１の第２導電型領域とが互いに隣接して交互に配置されたクランプ電圧決定部を備えるため、バイパスダイオードと、一方の端子がバイパスダイオードの第１の主電極と電気的に接続され、他方の端子がバイパスダイオードの第２の電極と電気的に接続されたクランプ電圧決定部とを備えるアクティブクランプ回路を構成することができる。従って、サージ電圧を吸収して電圧をクランプすることができる。また、クランプ電圧決定部に流れる電流も小さく出来るため、主スイッチをオンしてサージが発生する期間に主スイッチを電圧クランプ用の電流経路として利用することができ、大型のダイオードを用いなくてもよくなる。
【0022】
また、本発明の第１及び第２の半導体装置によれば、第１の主電極が形成されている領域にＭＯＳ構造又はダイオード構造が形成されており、耐圧分離領域に、複数の第１の第１導電型領域と複数の第１の第２導電型領域とが互いに隣接して交互に配置されたクランプ電圧決定部を備えることから、クランプ電圧制御用スイッチとクランプ電圧決定部とを構成することができる。従って、アクティブクランプ回路やツェナーダイオードに流れる電流が小さくなるため、ツェナーダイオードの動作抵抗（インピーダンス）が小さくなり、ツェナーダイオードの動作抵抗（インピーダンス）によるクランプ電圧の変動（図６の破線参照）を小さくすることができる。また、ツェナーダイオードの温度上昇が小さくなり、ツェナーダイオードの温度上昇によるクランプ電圧の変動を小さくすることができる。従って、サージ電圧をクランプする機能を狙い通りに動作させることができ、スイッチング回路の動作を安定させることが可能となる。
【0023】
また、本発明の第１及び第２の半導体装置によれば、クランプ電圧決定部において、クランプ電圧決定部において、２つの第１の第２導電型領域に挟まれた第１の第１導電型領域の不純物総量は、第１の第１導電型領域と隣接する２つの第１の第２導電型領域の不純物総量はよりも小さいため、第１の第１導電型領域の内部抵抗を第１の第２導電型領域よりも大きくすることができ、第１の第１導電型領域の内部抵抗をクランプ電圧決定部の温度特性調整抵抗とすることができる。従って、第１の第１導電型領域と第１の第２導電型領域との間で形成されるダイオードの順方向電圧の温度特性（温度上昇に対して減少する特性）の影響を、第１の第１導電型領域の内部抵抗の温度特性（温度上昇に対して増加する特性）によって打ち消しあうことができ、クランプ電圧の温度変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】実施形態１におけるスイッチング回路１及びアクティブクランプ回路１０を示す回路図である。
【図2】実施形態１における温度特性調整抵抗３２の抵抗値、ダイオード３４の順方向電圧、ツェナーダイオード３３のツェナー電圧及びアクティブクランプ回路１０のクランプ電圧の温度特性を示す図及びグラフである。
【図3】実施形態１に係る半導体装置１００を説明するために示す平面図である。
【図6】アクティブクランプ回路のクランプ電圧とダイオードの電流との関係を示す模式的なグラフである。
【図7】実施形態２に係るアクティブクランプ回路１０ａを示す回路図である。
【図8】実施形態２に係る半導体装置２００を説明するために示す平面図である。
【図9】実施形態２に係る半導体装置２００を説明するために示す断面図である。
【図10】実施形態３に係るアクティブクランプ回路１０ｂ及び半導体装置１０１を説明するために示す図である。
【図11】従来の第１のスイッチング回路８００を示す回路図である。
【図12】従来の第２のスイッチング回路９００を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、本発明のアクティブクランプ回路及び半導体装置について、図に示す実施形態に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【0026】
［実施形態１］
１．実施形態１におけるスイッチング回路１の構成
図１は、実施形態１におけるスイッチング回路１及びアクティブクランプ回路１０を示す回路図である。図１（ａ）はスイッチング回路１を示す回路図であり、図１（ｂ）はアクティブクランプ回路１０を示す回路図である。なお、符号５０は、プルダウン抵抗を示し、符号Ｖｃｃは外部電源を示し、符号Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３は出力端子を示し、符号ＶＢＨ，ＶＢＬは、主スイッチＱ１，Ｑ２のゲート電極Ｇ１,Ｇ２に主スイッチをオンオフする信号を送信する端子を示す。
１．実施形態１におけるスイッチング回路１の構成
図１は、実施形態１におけるスイッチング回路１及びアクティブクランプ回路１０を示す回路図である。図１（ａ）はスイッチング回路１を示す回路図であり、図１（ｂ）はアクティブクランプ回路１０を示す回路図である。なお、符号５０は、プルダウン抵抗を示し、符号Ｖｃｃは外部電源を示し、符号Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３は出力端子を示し、符号ＶＢＨ，ＶＢＬは、主スイッチＱ１，Ｑ２のゲート電極Ｇ１,Ｇ２に主スイッチをオンオフする信号を送信する端子を示す。
【0027】
実施形態１に係るスイッチング回路１は、図１（ａ）に示すように、ハイサイドの第１の主スイッチＱ１と、第１の主スイッチＱ１と直列に接続されたローサイドの第２の主スイッチＱ２と、入力コンデンサＣと、２つのアクティブクランプ回路１０とを備える。主スイッチＱ１，Ｑ２としては、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等適宜のトランジスタを用いることができる。第１の主スイッチＱ１のソース電極Ｓ１は、第２の主スイッチＱ２のドレイン電極Ｄ２と接続され、第１の主スイッチＱ１のドレイン電極Ｄ１は、外部電源Ｖｃｃと接続されている。第２の主スイッチＱ２のソース電極Ｓ２は基準電位と接続されている。
【0028】
２．実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０の構成
２つのアクティブクランプ回路１０はそれぞれ、主スイッチＱ１，Ｑ２のドレイン電極Ｄ１，Ｄ２と接続され、他方が主スイッチＱ１，Ｑ２のゲート電極Ｇ１，Ｇ２と接続されている。なお、２つのアクティブクランプ回路１０は、いずれも同じ特徴を有しているため、以後、第１の主スイッチＱ１に接続されているアクティブクランプ回路１０について説明し、第２の主スイッチＱ２に接続されているアクティブクランプ回路１０についての説明を省略する。
２つのアクティブクランプ回路１０はそれぞれ、主スイッチＱ１，Ｑ２のドレイン電極Ｄ１，Ｄ２と接続され、他方が主スイッチＱ１，Ｑ２のゲート電極Ｇ１，Ｇ２と接続されている。なお、２つのアクティブクランプ回路１０は、いずれも同じ特徴を有しているため、以後、第１の主スイッチＱ１に接続されているアクティブクランプ回路１０について説明し、第２の主スイッチＱ２に接続されているアクティブクランプ回路１０についての説明を省略する。
【0029】
アクティブクランプ回路１０は、第１の主スイッチＱ１のドレイン・ソース間電圧をクランプする。アクティブクランプ回路１０は、図１（ｂ）に示すように、クランプ電圧制御用スイッチ２０と、クランプ電圧決定部３０と、ゲート保護部４０を有する。
【0030】
クランプ電圧制御用スイッチ２０は、ドレイン電極Ｄ３（第１の主電極）、ソース電極Ｓ３（第２の主電極）及びゲート電極Ｇ３（制御電極）を有する３端子のスイッチ素子である。実施形態１においては、ＭＯＳＦＥＴを用いるが、ＩＧＢＴを用いてもよいし、その他適宜のスイッチ素子を用いてもよい。クランプ電圧制御用スイッチ２０において、ドレイン電極Ｄ３は、外部電源Ｖｃｃ及び第１の主スイッチＱ１のドレイン電極Ｄ１と電気的に接続されており、ソース電極Ｓ３は、第１の主スイッチＱ１のゲート電極Ｇ１と電気的に接続されている。
【0031】
クランプ電圧決定部３０は、一方の端子がクランプ電圧制御用スイッチ２０のドレイン電極Ｄ３、外部電源Ｖｃｃ及び第１の主スイッチＱ１のドレイン電極Ｄ１と電気的に接続され、他方の端子がクランプ電圧制御用スイッチ２０のゲート電極Ｇ３と電気的に接続されている。クランプ電圧決定部３０は、温度特性調整抵抗３２と、温度特性調整抵抗３２の一方端に接続されたツェナーダイオード３３と、温度特性調整抵抗３２の他方端にツェナーダイオード３３と逆特性となるように接続されたダイオード３４とで構成された組３１を複数有し、ツェナーダイオード３３がドレイン電極Ｄ３側となるように組３１が直列に接続されている。
クランプ電圧決定部３０を構成する複数（多段）の組３１内ではそれぞれ、抵抗（抵抗による電圧降下）が温度上昇に対して正の相関関係を有する温度特性調整抵抗３２と、順方向電圧が温度上昇に対して負の相関関係を有するダイオード３４と、ツェナー電圧が温度上昇に対して正又は負の相関関係を有するツェナーダイオード３３とを組み合わせて、組３１に印加される電圧に対する温度係数を調整して、組３１として温度上昇に対して温度特性がほぼ一定となるように構成されている（後述する図２参照）。言い換えると、温度特性調整抵抗３２は、温度特性調整抵抗３２を有する組３１のツェナーダイオード３３のツェナー電圧、及び、ダイオード３４の順方向電圧を重ね合わせた電圧の温度変化を低減する温度特性を有する。
クランプ電圧決定部３０を構成する複数（多段）の組３１内ではそれぞれ、抵抗（抵抗による電圧降下）が温度上昇に対して正の相関関係を有する温度特性調整抵抗３２と、順方向電圧が温度上昇に対して負の相関関係を有するダイオード３４と、ツェナー電圧が温度上昇に対して正又は負の相関関係を有するツェナーダイオード３３とを組み合わせて、組３１に印加される電圧に対する温度係数を調整して、組３１として温度上昇に対して温度特性がほぼ一定となるように構成されている（後述する図２参照）。言い換えると、温度特性調整抵抗３２は、温度特性調整抵抗３２を有する組３１のツェナーダイオード３３のツェナー電圧、及び、ダイオード３４の順方向電圧を重ね合わせた電圧の温度変化を低減する温度特性を有する。
【0032】
ゲート保護部４０は、一方がクランプ電圧制御用スイッチ２０のゲート電極Ｇ３と接続され、他方がクランプ電圧制御用スイッチ２０のソース電極Ｓ３、及び、主スイッチＱ１のゲート電極Ｇ１と接続されている。ゲート保護部４０は、ゲート保護用温度特性調整抵抗４２と、ゲート保護用温度特性調整抵抗４２の一方端に接続されたゲート保護用ツェナーダイオード４３と、ゲート保護用温度特性調整抵抗４２の他方端にゲート保護用ツェナーダイオード４３と逆特性となるように接続されたゲート保護用ダイオード４４とで構成された組４１を複数有し、ゲート保護用ツェナーダイオード４３がゲート電極Ｇ３側となるように直列に接続されている。ゲート保護部４０は、使用されるゲート駆動電圧以上でゲート酸化膜が絶縁破壊しない電圧となるように（クランプ電圧制御用スイッチ２０のゲート電極Ｇ３に用いるゲート絶縁膜（図４の符号１２２参照）が静電破壊することを防ぐように）、組４１を必要な段数で直列に接続する。
【0033】
アクティブクランプ回路１０は、以下のように動作する。すなわち、第１の主スイッチＱ１のドレイン・ソース間電圧が、クランプ電圧決定部３０で設定された電圧が、「（ツェナーダイオード３３のツェナー電圧＋ダイオード３４の順方向電圧ＶＦ＋温度特性調整抵抗３２の電圧降下分）×段数＋クランプ電圧制御用スイッチ２０の閾値電圧」以上になると、クランプ電圧制御用スイッチ２０がオン状態となり、更なる電圧の上昇の抑制を開始するとともに主スイッチＱ１のゲートを駆動することで、更に主スイッチＱ１もオン状態となり、ドレイン電圧の上昇を抑える、すなわち電圧クランプ状態となる。
【0034】
このようにして第１の主スイッチＱ１のドレイン・ソース間電圧をクランプすることができ、かつ、クランプ電圧決定部３０に流れる電流を小さくすることができる。
【0035】
３．実施形態１における温度特性調整抵抗３２について
次に、クランプ電圧決定部３０の温度特性調整抵抗３２について詳細に説明する。図２は、実施形態１における温度特性調整抵抗３２の抵抗値Ｒ、ダイオード３４の順方向電圧ＶＦ、ツェナーダイオード３３のツェナー電圧Ｖｚ及びアクティブクランプ回路１０のクランプ電圧の温度特性を示す図及びグラフである。図２（ａ）は温度特性調整抵抗３２の抵抗値Ｒの温度特性を示し、図２（ｂ）はダイオード３４の順方向電圧ＶＦの温度特性を示し、図２（ｃ）はツェナーダイオード３３のツェナー電圧Ｖｚの温度特性を示し、図２（ｄ）はクランプ電圧決定部３０の組３１の構成を示し、図２（ｅ）はクランプ電圧決定部３０のクランプ電圧の温度特性を示す。
次に、クランプ電圧決定部３０の温度特性調整抵抗３２について詳細に説明する。図２は、実施形態１における温度特性調整抵抗３２の抵抗値Ｒ、ダイオード３４の順方向電圧ＶＦ、ツェナーダイオード３３のツェナー電圧Ｖｚ及びアクティブクランプ回路１０のクランプ電圧の温度特性を示す図及びグラフである。図２（ａ）は温度特性調整抵抗３２の抵抗値Ｒの温度特性を示し、図２（ｂ）はダイオード３４の順方向電圧ＶＦの温度特性を示し、図２（ｃ）はツェナーダイオード３３のツェナー電圧Ｖｚの温度特性を示し、図２（ｄ）はクランプ電圧決定部３０の組３１の構成を示し、図２（ｅ）はクランプ電圧決定部３０のクランプ電圧の温度特性を示す。
【0036】
クランプ電圧決定部３０は、温度特性調整抵抗３２、ツェナーダイオード３３及びダイオード３４の組３１（図２（ｄ）参照）が複数段直列に接続されてなるため、温度特性調整抵抗３２の抵抗値Ｒ（抵抗による電圧降下）、ダイオード３４の順方向電圧ＶＦ、及び、ツェナーダイオード３３のツェナー電圧Ｖｚを足し合わせることでクランプ電圧が決定される。従って、クランプ電圧の温度特性も、上記した３つの要素それぞれの温度特性の影響を受ける。
【0037】
ここで、ダイオード３４の順方向電圧ＶＦの温度特性は、温度が高くなるに従って右肩下がりに低下する（図２（ｂ）参照）。このため、温度特性調整抵抗３２を、温度が高くなるに従って右肩上がりに増加する温度特性を有するものとすることにより、ダイオード３４の順方向電圧の温度変化を低減する温度特性を有するものとすることができる。これにより、クランプ電圧決定部３０のクランプ電圧の温度変化を低減することができる。
【0038】
また、ツェナーダイオード３３のツェナー電圧Ｖｚの温度特性は、ツェナーダイオードの特性によって異なる（図２（ｃ）参照）。従って、ツェナーダイオード３３のツェナー電圧Ｖｚの温度特性によって温度特性調整抵抗３２の温度変化に対する傾きを変化させることによって、クランプ電圧決定部３０のクランプ電圧の温度変化をより一層低減することができ、高温になってもクランプ電圧を略一定に保つことができる（図２（ｅ）参照）。
【0039】
４．実施形態１に係る半導体装置１００の構成
次に、アクティブクランプ回路１０のデバイス構造について説明する。従来の第１のスイッチング回路８００や従来の第２のスイッチング回路９００においては、クランプ回路と主スイッチＱ１とを１つのチップに入れてしまうことも考えられるが、その分、主スイッチＱ１のチップサイズが大きくなってしまう、というデメリットがある。そこで、実施形態１においては、アクティブクランプ回路１０を主スイッチＱ１とは別のチップに構成し、主スイッチＱ１のチップサイズが大きくなることを防いでいる。
次に、アクティブクランプ回路１０のデバイス構造について説明する。従来の第１のスイッチング回路８００や従来の第２のスイッチング回路９００においては、クランプ回路と主スイッチＱ１とを１つのチップに入れてしまうことも考えられるが、その分、主スイッチＱ１のチップサイズが大きくなってしまう、というデメリットがある。そこで、実施形態１においては、アクティブクランプ回路１０を主スイッチＱ１とは別のチップに構成し、主スイッチＱ１のチップサイズが大きくなることを防いでいる。
【0040】
図３は、実施形態１に係る半導体装置１００を説明するために示す平面図である。なお、クランプ電圧決定部１８０については、複数の第１のＮ型領域１８２と複数の第１のＰ型領域１８４とが互いに隣接して交互に配置された構造を有するが、説明を簡便なものとするために、最もデバイス領域Ａ１側の第１のＰ型領域１８４及び隣接した第１のＮ型領域１８２と、中途の位置の第１のＰ型領域１８４及び隣接した第１のＮ型領域１８２のみを図示し、その他の第１のＰ型領域１８４及び第１のＮ型領域１８２については図示を省略する。同様に、ゲート電極１２０についても２本のみ記載し、その他のゲート電極の図示を省略している。また、ソース電極１３０及びゲートパッド１４０においては、外部と接続するためのパッド部分を白く表示し、それ以外部分（ポリシリコン部分）にハッチングをしている。さらにまた、図３においてゲート配線は１本に見えるが、図４に示すように第１ゲート配線１４５及び第２ゲート配線１４７に分離されている。
図４は、図３のＡ－Ａ断面図である。
図４は、図３のＡ－Ａ断面図である。
【0041】
実施形態１に係る半導体装置１００は、図３に示すように、中央部に形成されたデバイス領域Ａ１とデバイス領域Ａ１の周囲に形成された耐圧分離領域Ａ２とが画定された半導体基体１１０に形成されており、デバイス領域Ａ１にクランプ電圧制御用スイッチ２０が構成され、耐圧分離領域Ａ２にクランプ電圧決定部３０が構成されている。すなわち、実施形態１に係る半導体装置１００は、主スイッチＱ１，Ｑ２のゲート電極・ドレイン電極間に接続され、主スイッチＱ１，Ｑ２のクランプ電圧を制御するためのアクティブクランプ回路１０を構成し、デバイスとして実現したものである。
【0042】
（１）デバイス領域Ａ１について
デバイス領域Ａ１は、クランプ電圧制御用スイッチ２０が構成されている領域である。デバイス領域Ａ１は、ソース電極１３０と重なる領域にＭＯＳ構造が形成された活性領域Ａ１１（図４参照）と、活性領域Ａ１１の周辺に形成され、ゲートパッド１４０や第１ゲート配線１４５、第２ゲート配線１４７が形成されている周辺領域Ａ１２（図５参照）とで構成されている。
デバイス領域Ａ１は、クランプ電圧制御用スイッチ２０が構成されている領域である。デバイス領域Ａ１は、ソース電極１３０と重なる領域にＭＯＳ構造が形成された活性領域Ａ１１（図４参照）と、活性領域Ａ１１の周辺に形成され、ゲートパッド１４０や第１ゲート配線１４５、第２ゲート配線１４７が形成されている周辺領域Ａ１２（図５参照）とで構成されている。
【0043】
（１－１）活性領域Ａ１１について
デバイス領域Ａ１の活性領域Ａ１１において、実施形態１に係る半導体装置１００は、図３及び図４に示すように、半導体基体１１０と、ゲート電極１２０と、ゲート絶縁膜１２２と、層間絶縁膜１２４と、ソース電極１３０（第１の主電極）と、ドレイン電極１５０（第２の主電極）と、保護絶縁膜１６０とを備える。実施形態１に係る半導体装置１００は、デバイス領域Ａ１のソース電極１３０が形成されている領域において、ゲート電極１２０、ゲート絶縁膜１２２及び半導体基体１１０のＭＯＳ構造をするプレーナーゲート型のＭＯＳＦＥＴである。なお、プレーナーゲート型ではなくトレンチゲート型のＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。
デバイス領域Ａ１の活性領域Ａ１１において、実施形態１に係る半導体装置１００は、図３及び図４に示すように、半導体基体１１０と、ゲート電極１２０と、ゲート絶縁膜１２２と、層間絶縁膜１２４と、ソース電極１３０（第１の主電極）と、ドレイン電極１５０（第２の主電極）と、保護絶縁膜１６０とを備える。実施形態１に係る半導体装置１００は、デバイス領域Ａ１のソース電極１３０が形成されている領域において、ゲート電極１２０、ゲート絶縁膜１２２及び半導体基体１１０のＭＯＳ構造をするプレーナーゲート型のＭＯＳＦＥＴである。なお、プレーナーゲート型ではなくトレンチゲート型のＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。
【0044】
半導体基体１１０は、図４に示すように、Ｎ＋型の低抵抗半導体層１１１と、低抵抗半導体層１１１の上方に形成されたＮ型のドリフト層１１２と、ドリフト層１１２の表面の所定の領域に形成されたＰ型のベース領域１１３と、ベース領域１１３の表面の一部にドリフト層１１２とは離隔して形成されたＮ＋型のソース領域１１４とを有する。半導体基体１１０の材料としてはシリコンを用いることができるが、高速スイッチングを行うことが可能な炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）などの材料を用いるものにも好適である。
【0045】
低抵抗半導体層１１１の厚さは、例えば１００μｍ～４００μｍの範囲内にあり、低抵抗半導体層１１１の不純物濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ－３～１×１０２０ｃｍ－３の範囲内にある。ドリフト層１１２の厚さは、例えば５μｍ～１２０μｍの範囲内にある。ドリフト層１１２の不純物濃度は、例えば５×１０１３ｃｍ－３～１×１０１６ｃｍ－３の範囲内にある。ベース領域１１３の最深部の深さ位置は、例えば０．５μｍ～４．０μｍの範囲内にあり、ベース領域１１３の不純物濃度は、例えば５×１０１６ｃｍ－３～１×１０１８ｃｍ－３の範囲内にある。ソース領域１１４の最深部の深さ位置は、例えば０．１μｍ～１．５μｍの範囲内にあり、ソース領域１１４の不純物濃度は、例えば５×１０１９ｃｍ－３～２×１０２０ｃｍ－３の範囲内にある。
【0046】
ゲート電極１２０は、図４の領域Ａ１に示すように、半導体基体１１０上にゲート絶縁膜１２２を介して配置されており、ソース領域１１４とドリフト層１１２とに挟まれたベース領域１１３とゲート絶縁膜１２２を挟んで対向している。ゲート電極１２０は、図３に示すように、平面的に見て所定の間隔で半導体基体１１０上を縦断するようにストライプ状に配置されており、両方の端部は、後述する引き出し配線１４６（図４参照）を介して第１ゲート配線１４５に接続されている。
【0047】
層間絶縁膜１２４は、ゲート電極１２０の上部及び側部に形成され、ゲート電極１２０をソース電極１３０から絶縁する。層間絶縁膜１２４は、例えばＣＶＤ法により形成された厚さが０．５μｍ～２．０μｍのリンまたは、リンおよびボロンを含む酸化膜で形成されたものを用いるが、その他適宜の絶縁膜を用いてもよい。
【0048】
ソース電極１３０は、層間絶縁膜１２４上に形成されており、層間絶縁膜１２４に形成されたコンタクト溝などを介して半導体基体１１０の表面のソース領域１１４及びベース領域１１３と接続されている。ソース電極１３０は、例えばＡｌ膜又はＡｌ合金膜（例えばＡｌＳｉ膜）からなり、ソース電極１３０の厚さは１μｍ～１０μｍ（例えば３μｍ）である。
【0049】
ドレイン電極１５０は、半導体基体１１０の裏面側の表面上（低抵抗半導体層１１１の表面上）の全体に配置されている。ドレイン電極１５０は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ（又はＡｇ）が半導体基体１１０側からこの順序で積層された積層膜からなり、ドレイン電極１５０の厚さは０．２μｍ～１．５μｍ（例えば１μｍ）である。
【0050】
保護絶縁膜１６０は、半導体基体１１０の表面上をソース電極１３０のパット部分（図３の中央の白い矩形部分）及びゲートパッド１４０とチップを切り分けるダイシング領域を除いて全面に形成されている。保護絶縁膜１６０の材料は例えば、ポリイミドである。
【0051】
（１－２）周辺領域Ａ１２について
図５は、図３のＢ－Ｂ断面図である。デバイス領域Ａ１の周辺領域Ａ１２においては、図３及び図５に示すように、半導体基体１１０上にゲートパッド１４０、第１ゲート配線１４５及び第２ゲート配線１４７が配置されている。ゲート引き出し配線１４６及びゲート保護部１４０上には層間絶縁膜１２４が形成されている。ゲートパッド１４０は、図５に示すように、矩形のソース電極の一方の短辺の外側の位置に、ソース電極１３０と離隔した位置に配置されている。第１ゲート配線１４５及び第２ゲート配線１４７は、内周側が第１ゲート配線１４５、外周側が第２ゲート配線１４７となるようにソース電極１３０を略一周囲むように配置されており（図３及び図４参照）、ゲートパッド１４０と接続されている。
図５は、図３のＢ－Ｂ断面図である。デバイス領域Ａ１の周辺領域Ａ１２においては、図３及び図５に示すように、半導体基体１１０上にゲートパッド１４０、第１ゲート配線１４５及び第２ゲート配線１４７が配置されている。ゲート引き出し配線１４６及びゲート保護部１４０上には層間絶縁膜１２４が形成されている。ゲートパッド１４０は、図５に示すように、矩形のソース電極の一方の短辺の外側の位置に、ソース電極１３０と離隔した位置に配置されている。第１ゲート配線１４５及び第２ゲート配線１４７は、内周側が第１ゲート配線１４５、外周側が第２ゲート配線１４７となるようにソース電極１３０を略一周囲むように配置されており（図３及び図４参照）、ゲートパッド１４０と接続されている。
【0052】
ゲートパッド１４０は、フィールド絶縁膜１７０上に形成されたポリシリコン層１４１を介して配置されている（図３及び図５参照）。ゲートパッド１４０は、ポリシリコン層１４１及び後述するゲート保護部１４２を介してソース電極１３０と接続されている。また、ゲートパッド１４０は、第１ゲート配線１４５及び第２ゲート配線１４７とも接続されている（第２ゲート配線１４７とゲートパッド１４０との接続については図５参照）。なお、ポリシリコン層１４１は、例えばＣＶＤ法によって形成されたポリシリコン層にイオン注入法によってｎ型不純物を導入してなる。
【0053】
第１ゲート配線１４５は、層間絶縁膜１２４上に配置された引き出し配線１４６上に配置されている（図４参照）。引き出し配線１４６は、ストライプ状に配置されたゲート電極１２０の端部と接続されている。第１ゲート配線１４５は、引き出し配線１４６と接続されており、引き出し配線１４６を介してゲート電極１２０と接続されている。なお、引き出し配線１４６は、ポリシリコンに不純物を導入してなる。
【0054】
第２ゲート配線１４７は、耐圧分離領域Ａ２のクランプ電圧決定部１８０と接続されている。なお、ゲートパッド１４０、第１ゲート配線１４５及び第２ゲート配線１４７は、ソース電極１３０と一括して形成されたものである。
【0055】
また、デバイス領域Ａ１の周辺領域Ａ１２において、実施形態１に係る半導体装置１００は、図５に示すように、半導体基体１１０と、フィールド絶縁膜１７０と、ゲート保護部１４２と、ドレイン電極１５０と、保護絶縁膜１６０とを備える。なお、ドレイン電極１５０及び保護絶縁膜１６０は、活性領域Ａ１１と同様の構成を有する。
【0056】
半導体基体１１０は、図５に示すように、Ｎ＋型の低抵抗半導体層１１１と、低抵抗半導体層１１１の上方に形成されたＮ型半導体層１１５と、Ｐ型半導体層１１９とを有する。Ｎ＋型の低抵抗半導体層１１１は活性領域Ａ１１の低抵抗半導体層１１１と同じ構成を有する。Ｎ型半導体層１１５は活性領域Ａ１１のドリフト層１１２と同じ構造を有する。Ｐ型半導体層１１９は、活性領域Ａ１１のベース領域１１３と同様の深さを有する。
【0057】
フィールド絶縁膜１７０は、半導体基体１１０の表面上に形成された酸化膜その他適宜の絶縁膜である。
【0058】
ゲート保護部１４２は、フィールド絶縁膜１７０上において、平面的に見てゲートパッド１４０（厳密にはゲートパッド１４０の下のポリシリコン層１４１）を一周囲む領域に配置されている。従って、ゲートパッド１４０は、ゲート保護部１４２を介してソース電極１３０と電気的に接続されており（図５の右側参照）、かつ、図示は省略するがゲート保護部１４２を介して第１ゲート配線１４５と電気的に接続されている。
【0059】
ゲート保護部１４２は、少なくとも１つの第２のＮ型領域１４３と少なくとも２つの第２のＰ型領域１４４とが互いに隣接して交互に配置されている。ゲート保護部１４２において、２つの第２のＮ型領域１４３に挟まれた第２のＰ型領域１４４の不純物総量は、第２のＰ型領域１４４と隣接する２つの第２のＮ型領域１４３の不純物総量のどちらよりも小さい。従って、第２のＰ型領域１４４の内部抵抗をゲート保護用温度特性調整抵抗４２とすることができる。また、第２のＰ型領域１４４と一方の第２のＮ型領域１４３とでゲート保護用ツェナーダイオード４３を構成し、第２のＰ型領域１４４と他方の第２のＮ型領域１４３とでゲート保護用ダイオード４４を構成することができる。
【0060】
（２）耐圧分離領域Ａ２について
耐圧分離領域Ａ２は、クランプ電圧決定部３０が構成されている領域である。
実施形態１に係る半導体装置１００は、耐圧分離領域Ａ２において、図３～図５に示すように、半導体基体１１０と、フィールド絶縁膜１７０と、クランプ電圧決定部１８０と、チャネルストップ電極１９０と、ドレイン電極１５０とを備える。なお、ドレイン電極１５０及びフィールド絶縁膜１７０は、デバイス領域Ａ１と同様の構成を有する。また、クランプ電圧決定部１８０上には層間絶縁膜１２４が形成されている
耐圧分離領域Ａ２は、クランプ電圧決定部３０が構成されている領域である。
実施形態１に係る半導体装置１００は、耐圧分離領域Ａ２において、図３～図５に示すように、半導体基体１１０と、フィールド絶縁膜１７０と、クランプ電圧決定部１８０と、チャネルストップ電極１９０と、ドレイン電極１５０とを備える。なお、ドレイン電極１５０及びフィールド絶縁膜１７０は、デバイス領域Ａ１と同様の構成を有する。また、クランプ電圧決定部１８０上には層間絶縁膜１２４が形成されている
【0061】
半導体基体１１０は、耐圧分離領域Ａ２において、Ｎ＋型の低抵抗半導体層１１１と、低抵抗半導体層１１１の上方に形成されたＮ型半導体層１１５と、Ｎ型半導体層１１５の表面に形成されたＰ型のリサーフ領域１１６と、チャネルストップ領域１１７とを有する。また、デバイス領域Ａ１から耐圧分離領域Ａ２にわたって、ベース領域１１３の端部を覆うように形成されたＰ型の境界半導体領域１１８を有する。なお、Ｎ＋型の低抵抗半導体層１１１はデバイス領域Ａ１の低抵抗半導体層１１１と同じ構成を有する。Ｎ型半導体層１１５は活性領域Ａ１１のドリフト層１１２と同じ構造を有する。また、境界半導体領域１１８の深さは、ベース領域１１３よりも深い深さ位置まで形成したが、ベース領域１１３と同じ深さでもよい。
【0062】
リサーフ領域１１６は、少なくともクランプ電圧決定部１８０と重なる領域に、深さがＰ型領域の１１８と同等かそれよりも浅くなるように形成されている。リサーフ領域１１６は、端部がデバイス領域Ａ１のベース領域１１３及びＰ型の境界半導体領域１１８と接続されている。チャネルストップ領域１１７は、半導体基体１１０の最外周表面に形成されているＮ＋型の半導体領域であり、チャネルストップ電極１９０と接続されている。
【0063】
クランプ電圧決定部１８０は、図３に示すように、平面的に見てデバイス領域Ａ１を全周にわたって囲んでおり、図４に示すように、デバイス領域Ａ１側で第２ゲート配線１４７と接続され、最外周側で、ドレイン電極１５０と同電位となるように構成されているチャネルストップ電極１９０と接続される。従って、クランプ電圧決定部１８０は、一方端（デバイス領域Ａ１側）が第２ゲート配線１４７を介してゲートパッド１４０と接続され、他方端（最外周側）が、ドレイン電極１５０と電気的に接続されていることとなる。
【0064】
クランプ電圧決定部１８０は、フィールド絶縁膜１７０上に、複数の第１のＰ型領域１８４と複数の第１のＮ型領域１８２とが互いに隣接して交互に配置されている。クランプ電圧決定部１８０は、アクティブクランプ回路１０のクランプ電圧決定部３０に対応する構造を有する。すなわち、第１のＰ型領域１８４とデバイス領域Ａ１側の第１のＰ型領域１８４との間でダイオード３４を形成し、第１のＰ型領域１８４と外周側の第１のＰ型領域１８４との間でツェナーダイオード３３を形成する。
【0065】
第１のＮ型領域１８２及び第１のＰ型領域１８４は、同一のポリシリコン層に対してＰ型不純物又はＮ型不純物をそれぞれ所定の領域に導入して形成されたものである。そして、クランプ電圧決定部１８０において、２つの第１のＮ型領域１８２に挟まれた第１のＰ型領域１８４の不純物総量は、第１のＰ型領域１８４と隣接する２つの第１のＮ型領域１８２のどちらの不純物総量よりも小さい。従って、第１のＰ型領域１８４は内部抵抗が高くなることから、温度特性調整抵抗３２を構成することができる。なお、実施形態１においては、クランプ電圧決定部１８０、ポリシリコン層１４１、引き出し配線１４６及びゲート保護部１４２は一括して形成されたものである。
【0066】
クランプ電圧決定部１８０において、２つの第１のＮ型領域１８２に挟まれた第１のＰ型領域１８４の内部抵抗は、第１のＰ型領域１８４と、第１のＰ型領域１８４の一方側で隣接する第１のＮ型領域１８２とで形成されるダイオードの順方向電圧と、第１のＰ型領域１８４と、第１のＰ型領域１８４の他方側で隣接する第１のＮ型領域１８２とで形成されるツェナーダイオードのツェナー電圧と、を重ね合わせた電圧の温度変化を打ち消す温度特性を有する。第１のＰ型領域１８４の内部抵抗は、第１のＰ型領域１８４の不純物濃度と、第１のＰ型領域１８４の電流経路に沿った方向の長さ（図４の横方向の長さ）、及び、第１のＰ型領域１８４の電流経路に対する断面積（電流経路に直交する面の断面積）で決定される。
【0067】
実施形態１においては、第１のＰ型領域１８４の不純物濃度は、第１のＮ型領域１８２の不純物濃度よりも低い。従って、キャリアが少なくなるため、不純物濃度の観点からすると、第１のＰ型領域１８４の内部抵抗は、第１のＮ型領域１８２の内部抵抗よりも大きくなっている。なお、第１のＰ型領域１８４の図３及び図５の横幅（半径方向の長さ＝電流経路の長さ）が、第１のＮ型領域１８２の横幅よりも長くなっている。これは、第１のＰ型領域１８４の不純物濃度に導入するＰ型不純物の不純物濃度を調整して内部抵抗の厳密なコントロールをすることは容易ではないことから、第１のＰ型領域１８４の横幅（半径方向の長さ＝電流経路の長さ）を調整することによって、第１のＰ型領域１８４内の不純物総量を調整している。従って、第１のＰ型領域１８４の横幅（半径方向の長さ＝電流経路の長さ）が第１のＮ型領域１８２の横幅よりも長いが、内部抵抗の観点でいうと、第１のＰ型領域１８４の内部抵抗は、第１のＮ型領域１８２の内部抵抗よりも大きくなっている。
【0068】
チャネルストップ電極１９０は、半導体基体１１０の最外周で半導体基体１１０を一周取り囲むように形成されており、ドレイン電極１５０と電気的に接続されている。
【0069】
５．実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０及び半導体装置１００の効果
実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０によれば、クランプ電圧制御用スイッチ２０と、一方の端子がドレイン電極と電気的に接続され、他方の端子がゲート電極と電気的に接続されたクランプ電圧決定部３０を備えるため、従来のスイッチング回路と同様に、サージ電圧を吸収することができる。また、このクランプ電圧制御用スイッチ２０は、主スイッチＱ１，Ｑ２のゲート電極Ｇ１，Ｇ２にオン信号を送るドライバーとしての機能を有するため、駆動電流は小さく且つ、トリガーとなるオフ電圧を決定するクランプ電圧決定部３０に流れる電流も小さく出来る一方、クランプ電圧制御用スイッチや主スイッチをオンしてサージが発生する期間に主スイッチＱ１，Ｑ２を電圧クランプ用の電流経路として利用することができ、大型のダイオードを用いなくてもよくなる。
実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０によれば、クランプ電圧制御用スイッチ２０と、一方の端子がドレイン電極と電気的に接続され、他方の端子がゲート電極と電気的に接続されたクランプ電圧決定部３０を備えるため、従来のスイッチング回路と同様に、サージ電圧を吸収することができる。また、このクランプ電圧制御用スイッチ２０は、主スイッチＱ１，Ｑ２のゲート電極Ｇ１，Ｇ２にオン信号を送るドライバーとしての機能を有するため、駆動電流は小さく且つ、トリガーとなるオフ電圧を決定するクランプ電圧決定部３０に流れる電流も小さく出来る一方、クランプ電圧制御用スイッチや主スイッチをオンしてサージが発生する期間に主スイッチＱ１，Ｑ２を電圧クランプ用の電流経路として利用することができ、大型のダイオードを用いなくてもよくなる。
【0070】
図６は、実施形態１に係るアクティブクランプ回路及び従来の第２のアクティブクランプ回路におけるクランプ電圧とダイオード電流との関係を示す模式的なグラフである。図６中の破線は、従来のアクティブクランプ回路におけるクランプ電圧とダイオード電流との関係を示し、実線は実施形態１のアクティブクランプ回路におけるクランプ電圧とダイオード電流との関係を示す。
ところで、従来の第２のアクティブクランプ回路９１０においては、主スイッチＱ１に流れる電流をバイパスしてクランプするため、ツェナーダイオード９４３に流れる電流が大きくなり、ツェナーダイオードの動作抵抗（インピーダンス）が大きくなる。従って、ツェナーダイオードの動作抵抗（インピーダンス）によるクランプ電圧の変動（図６の破線の曲線参照）が大きくなる。また、ツェナーダイオードの温度上昇が大きくなり、クランプ電圧の変動が大きくなる。よって、サージ電圧をクランプする機能を狙い通りに動作させることが難しく、スイッチング回路の動作を安定させることが難しい。
これに対して、実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０によれば、クランプ電圧制御用スイッチ２０とクランプ電圧決定部３０とを備えるため、クランプ電圧決定部３０やツェナーダイオード３３に流れる電流が小さくなり、ツェナーダイオードの動作抵抗（インピーダンス）が小さくなる。従って、ツェナーダイオード３３の動作抵抗（インピーダンス）によるクランプ電圧の変動（図６の実線参照）を小さくすることができる。また、クランプ電圧決定部３０やツェナーダイオード３３に流れる電流が小さくなるため、ツェナーダイオードの温度上昇が小さくなり、クランプ電圧の変動を小さくすることができる。よって、サージ電圧をクランプする機能を狙い通りに動作させることができ、スイッチング回路の動作を安定させることが可能となる。
ところで、従来の第２のアクティブクランプ回路９１０においては、主スイッチＱ１に流れる電流をバイパスしてクランプするため、ツェナーダイオード９４３に流れる電流が大きくなり、ツェナーダイオードの動作抵抗（インピーダンス）が大きくなる。従って、ツェナーダイオードの動作抵抗（インピーダンス）によるクランプ電圧の変動（図６の破線の曲線参照）が大きくなる。また、ツェナーダイオードの温度上昇が大きくなり、クランプ電圧の変動が大きくなる。よって、サージ電圧をクランプする機能を狙い通りに動作させることが難しく、スイッチング回路の動作を安定させることが難しい。
これに対して、実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０によれば、クランプ電圧制御用スイッチ２０とクランプ電圧決定部３０とを備えるため、クランプ電圧決定部３０やツェナーダイオード３３に流れる電流が小さくなり、ツェナーダイオードの動作抵抗（インピーダンス）が小さくなる。従って、ツェナーダイオード３３の動作抵抗（インピーダンス）によるクランプ電圧の変動（図６の実線参照）を小さくすることができる。また、クランプ電圧決定部３０やツェナーダイオード３３に流れる電流が小さくなるため、ツェナーダイオードの温度上昇が小さくなり、クランプ電圧の変動を小さくすることができる。よって、サージ電圧をクランプする機能を狙い通りに動作させることができ、スイッチング回路の動作を安定させることが可能となる。
【0071】
また、実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０によれば、温度特性調整抵抗３２を有するため、温度上昇に対して減少する特性を有するダイオード３４の順方向電圧の低下の影響と、温度上昇に対して増加する特性を有する温度特性調整抵抗３２の抵抗値の上昇の影響とを互いに打ち消しあうことができ、クランプ電圧の温度変動を抑制することができる（図６参照）。
【0072】
また、実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０によれば、ゲート保護部４０は、ゲート保護用ツェナーダイオード４３とゲート保護用ダイオード４４とが逆極性で接続された組を有するため、スイッチングのサージ電圧によって、ゲート電極に誤信号を伝達することを防ぐとともに、破壊耐量を高くすることができる。
【0073】
また、実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０によれば、ゲート保護部４０の組４１はそれぞれ、ゲート保護用ツェナーダイオード４３とゲート保護用ダイオード４４との間にゲート保護用温度特性調整抵抗４２を備える構造を有するため、ゲート保護部４０においても温度変化に伴うクランプ電圧の変動を吸収することができる。その結果、温度変化があってもゲートが破壊されにくくなる。
【0074】
また、実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０によれば、温度特性調整抵抗３２は、温度特性調整抵抗３２を有する組の３１のツェナーダイオード３３のツェナー電圧、及び、ダイオード３４の順方向電圧を重ね合わせた電圧の温度変化を低減する温度特性を有するため、温度上昇に対して減少する特性を有するダイオードの順方向電圧の低下の影響と、温度上昇に対して増加する特性を有する抵抗の抵抗値の上昇の影響とを互いに打ち消しあうことができ、さらには、ツェナーダイオード３３のツェナー電圧の温度特性にも対応することができ、組３１のクランプ電圧の温度変動をより確実に抑制することができる。
【0075】
実施形態１に係る半導体装置１００によれば、ソース電極１３０が形成されている領域にＭＯＳ構造が形成されており、耐圧分離領域Ａ２に、複数のＮ型領域１８２と複数のＰ型領域１８４とが互いに隣接して交互に配置されたクランプ電圧決定部１８０を備え、クランプ電圧制御用スイッチと、一方の端子がクランプ電圧制御用スイッチの第１の主電極と電気的に接続され、他方の端子がクランプ電圧制御用スイッチの制御電極と電気的に接続されたクランプ電圧決定部とを備えるアクティブクランプ回路を構成することができる。従って、サージ電圧を吸収することができる。また、このクランプ電圧制御用スイッチ（ＭＯＳ構造）は、主スイッチの制御電極にオン信号を送るドライバーとしての機能を有するため、駆動電流は小さく且つ、トリガーとなるオフ電圧を決定するクランプ電圧決定部に流れる電流も小さく出来る。これにより、サージが発生する期間のみ主スイッチを電圧クランプ用の電流経路として利用することができ、大型のダイオードを用いなくてもよくなる。
【0076】
また、実施形態１に係る半導体装置１００によれば、ソース電極１３０が形成されている領域にＭＯＳ構造が形成されており、耐圧分離領域Ａ２に、複数のＮ型領域１８２と複数のＰ型領域１８４とが互いに隣接して交互に配置されたクランプ電圧決定部１８０を備えることから、アクティブクランプ回路のクランプ電圧制御用スイッチ２０とクランプ電圧決定部３０とを構成することができる。従って、アクティブクランプ回路１０やツェナーダイオードに流れる電流が小さくなるため、ツェナーダイオード３３の動作抵抗（インピーダンス）が小さくなり、ツェナーダイオード３３の動作抵抗（インピーダンス）によるクランプ電圧の変動（図６の破線参照）を小さくすることができる。また、アクティブクランプ回路１０やツェナーダイオードに流れる電流が小さくなるため、ツェナーダイオード３３の温度上昇が小さくなりクランプ電圧の変動を小さくすることができる。従って、サージ電圧をクランプする機能を狙い通りに動作させることができ、スイッチング回路の動作を安定させることが可能となる。
【0077】
また、実施形態１に係る半導体装置１００によれば、クランプ電圧決定部１８０において、２つの第１のＮ型領域１８２に挟まれた第１のＰ型領域１８４の不純物総量は、第１のＰ型領域１８４と隣接する２つの第１のＮ型領域１８２の不純物総量はよりも小さいため、第１のＮ型領域１８２よりも第１のＰ型領域１８４の内部抵抗を大きくすることができ、第１のＰ型領域１８４の内部抵抗をクランプ電圧決定部１８０の温度特性調整抵抗とすることができる。従って、第１のＰ型領域１８４と第１のＮ型領域１８２との間で形成されるダイオードの順方向電圧の温度特性（温度上昇に対して減少する特性）の影響を、第１のＰ型領域１８４の内部抵抗の温度特性（温度上昇に対して増加する特性）によって打ち消しあうことができ、クランプ電圧の温度変動を抑制することができる。
【0078】
また、実施形態１に係る半導体装置１００によれば、フィールド絶縁膜１７０上における平面的に見てゲートパッド１４０を囲む領域に、少なくとも1つの第２のＮ型領域１４３と少なくとも２つの第２のＰ型領域１４４とが互いに隣接して交互に配置されたゲート保護部１４２を備えるため、破壊耐量を高くすることができる。また、デバイスを小さくするにつれてゲート電圧の静電破壊耐量が小さくなるおそれがあるが、ゲート保護部１４２を備えるため、デバイスを小さくしても静電破壊耐量を維持することができる。
【0079】
また、実施形態１に係る半導体装置１００によれば、２つの第２のＮ型領域１４３に挟まれた第２のＰ型領域１４４の不純物総量は、第２のＰ型領域１４４と隣接する２つの第２のＮ型領域１４３の不純物総量のどちらよりも小さいことから、第２のＰ型領域１４４の内部抵抗を大きくすることができ、第２のＰ型領域１４４の内部抵抗がゲート保護用温度特性調整抵抗となる。従って、第２のＰ型領域１４４と第２のＮ型領域１４３との間で形成されるダイオードの順方向電圧の温度特性（温度上昇に対して減少する特性）の影響を、第２のＰ型領域１４４の内部抵抗の温度特性（温度上昇に対して増加する特性）によって打ち消しあうことができ、ゲート保護部１４２の保護電圧の温度変動を抑制することができる。
【0080】
また、実施形態１に係る半導体装置１００によれば、クランプ電圧決定部１８０において、２つの第１のＮ型領域１８２に挟まれた第１のＰ型領域１８４の内部抵抗は、第１のＰ型領域１８４と、第１のＰ型領域２８４の一方側で隣接する第１のＮ型領域１８２とで形成されるダイオードの順方向電圧と、第１のＰ型領域１８４と、第１のＰ型領域１８４の他方側で隣接する第１のＮ型領域１８２とで形成されるツェナーダイオードのツェナー電圧と、を重ね合わせた電圧の温度変化を打ち消す温度特性を有するため、より高い精度でクランプ電圧の温度変化を抑制することができる。
【0081】
また、実施形態１に係る半導体装置１００によれば、クランプ電圧決定部１８０は、平面的に見てデバイス領域Ａ１を全周にわたって囲んでいるため、電流経路の断面積（中央から外周側に向かう断面積）が大きくなり、比較的大きな電流を流すことができる。従って、インピーダンスが小さくなり、クランプ電圧を上昇し難くすることができる。その結果、より所望の範囲のクランプ電圧を適用することができる。
【0082】
ところで、耐圧分離領域Ａ２において、半導体基体１１０の表面に複数本のｐ型のガードリングが形成された場合には、隣接するガードリングの間のガードリングがない領域に電界集中が起こり易くなることに起因して電界の粗密が発生し、周辺耐圧が低下するおそれがある。これを防ぐためには、ガードリングの間隔を狭くする必要があるが、現実的に細かいピッチでガードリングを形成することは困難であり、また、フィールド絶縁膜１７０上のクランプ電圧決定部１８０のツェナー電圧に影響を与えてしまうおそれがある、という問題がある。これに対して、実施形態１に係る半導体装置１００によれば、耐圧分離領域Ａ２において、半導体基体１１０の表面には、ｐ型のリサーフ領域が形成されているため、電位分布がなだらかになり、電界集中が起こりにくくなるため、安定した周辺耐圧が得られる。
【0083】
また、実施形態１に係る半導体装置１００によれば、ベース領域１１３とリサーフ領域１１６との境界を覆うようにｐ型の境界半導体領域１１８が形成されているため、デバイス領域Ａ１と耐圧分離領域Ａ２の境界付近の電位分布がなだらかになり耐圧を維持しやすくなる。また、リサーフ領域１１６と同じ、又はそれよりも深い深さ位置まで形成されているため、境界付近の電位分布がより一層なだらかになり耐圧をより維持しやすくなる。
【0084】
また、実施形態１に係る半導体装置１００によれば、クランプ電圧決定部１８０において、２つの第１のＮ型領域１８２に挟まれた第１のＰ型領域１８４の不純物濃度は、第１のＰ型領域１８４と隣接する２つの第１のＮ型領域１８２のどちらの不純物濃度よりも小さいため、第１のＰ型領域１８４の不純物総量を小さくすることができ、第１のＰ型領域１８４の内部抵抗の抵抗値を小さくすることができる。
【0085】
［実施形態２］
図７は、実施形態２におけるアクティブクランプ回路１０ａを示す回路図である。図８は、実施形態２に係る半導体装置２００を説明するために示す平面図である。図９は、実施形態２に係る半導体装置２００を説明するために示す断面図である。なお、図９において、符号２１３はアノード領域を示し、符号２３０はアノード電極を示し、符号２５０はカソード電極を示す。
図７は、実施形態２におけるアクティブクランプ回路１０ａを示す回路図である。図８は、実施形態２に係る半導体装置２００を説明するために示す平面図である。図９は、実施形態２に係る半導体装置２００を説明するために示す断面図である。なお、図９において、符号２１３はアノード領域を示し、符号２３０はアノード電極を示し、符号２５０はカソード電極を示す。
【0086】
実施形態２に係るアクティブクランプ回路１０ａ及び半導体装置２００は、基本的には実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０及び半導体装置１００と同様の構成を有するが、クランプ電圧制御用スイッチの代わりにバイパスダイオードを有する点で実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０及び半導体装置１００の場合とは異なる（図７～９参照）。実施形態２に係るアクティブクランプ回路１０ａにおいては、ゲート保護部４０や抵抗５０も有しない。
【0087】
バイパスダイオード６０は、アノード電極Ａ及びカソード電極Ｋを有し、アノード電極Ａが主スイッチＱ１のゲート電極Ｇ１と電気的に接続され、カソード電極Ｋが主スイッチＱ１のドレイン電極Ｄ１と電気的に接続されている。クランプ電圧決定部３０は、一方の端子がバイパスダイオード６０のカソード電極Ｋと電気的に接続され、他方の端子がバイパスダイオード６０のアノード電極Ａと電気的に接続されている。
【0088】
実施形態２に係る半導体装置２００は、デバイス領域Ａ１にゲートパッド１４０、第１ゲート配線１４５及び第２ゲート配線１４７を有しない（図８参照。）。
【0089】
デバイス領域Ａ１において、半導体基体２１０は、図９に示すように、低抵抗半導体層２１１と、Ｎ型半導体領域２１２（ドリフト領域）と、Ｐ型のアノード領域２１３とを有し、アノード領域２１３とドリフト領域２１２との間でダイオード構造を有する。
耐圧分離領域Ａ２において、クランプ電圧決定部２８０は、フィールド絶縁膜２７０上に、複数のＮ型領域２８２と複数のＰ型領域２８４とが互いに隣接して交互に配置されており、デバイス領域Ａ１に最も近いＮ型領域２８２は、アノード電極と電気的に接続されており、デバイス領域Ａ１から最も遠いＮ型領域２８２は、カソード電極と電気的に接続されている。
耐圧分離領域Ａ２において、クランプ電圧決定部２８０は、フィールド絶縁膜２７０上に、複数のＮ型領域２８２と複数のＰ型領域２８４とが互いに隣接して交互に配置されており、デバイス領域Ａ１に最も近いＮ型領域２８２は、アノード電極と電気的に接続されており、デバイス領域Ａ１から最も遠いＮ型領域２８２は、カソード電極と電気的に接続されている。
【0090】
このように、実施形態２に係るアクティブクランプ回路１０ａ及び半導体装置２００は、クランプ電圧制御用スイッチの代わりにバイパスダイオード有する点で実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０及び半導体装置１００の場合とは異なるが、バイパスダイオード６０と、一方の端子がバイパスダイオード６０のアノード電極Ａと電気的に接続され、他方の端子がバイパスダイオード６０のカソード電極Ｋと電気的に接続されたクランプ電圧決定部３０とを備えるため、サージ電圧を吸収して電圧をクランプすることができる。また、クランプ電圧決定部３０に流れる電流も小さく出来る一方、主スイッチをオンしてサージが発生する期間に主スイッチを電圧クランプ用の電流経路として利用することができ、大型のダイオードを用いなくてもよくなる。
【0091】
実施形態２に係る半導体装置２００によれば、アノード電極２３０が形成されている領域にダイオード構造が形成されており、複数の第１のＰ型領域２８４と複数の第１のＮ型領域２８２とが互いに隣接して交互に配置されたクランプ電圧決定部２８０を備えるため、バイパスダイオード６０と、一方の端子がバイパスダイオード６０のアノード電極Ａと電気的に接続され、他方の端子がバイパスダイオード６０のカソード電極Ｋと電気的に接続されたクランプ電圧決定部３０とを備えるアクティブクランプ回路１０ａとすることができる。従って、サージ電圧を吸収して電圧をクランプすることができる。また、クランプ電圧決定部３０に流れる電流も小さく出来る一方、主スイッチをオンしてサージ電圧が発生する期間に主スイッチを電圧クランプ用の電流経路として利用することができ、大型のダイオードを用いなくてもよくなる。
【0092】
なお、実施形態２に係るアクティブクランプ回路１０ａ及び半導体装置２００は、クランプ電圧制御用スイッチの代わりにバイパスダイオードを有する点以外の点においては実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０及び半導体装置１００と同様の構成を有するため、実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０及び半導体装置１００が有する効果のうち該当する効果を有する。
【0093】
［実施形態３］
図１０は、実施形態３に係るアクティブクランプ回路１０ｂ及び半導体装置１０１を説明するために示す図である。図１０（ａ）はアクティブクランプ回路１０ｂを説明するために示す回路図であり、図１０（ｂ）は半導体装置１０１を説明するために示す断面図である。
図１０は、実施形態３に係るアクティブクランプ回路１０ｂ及び半導体装置１０１を説明するために示す図である。図１０（ａ）はアクティブクランプ回路１０ｂを説明するために示す回路図であり、図１０（ｂ）は半導体装置１０１を説明するために示す断面図である。
【0094】
実施形態３に係るアクティブクランプ回路１０ｂは、基本的には実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０と同様の構成を有するが、第２の温度特性調整抵抗を有する点で実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０の場合とは異なる（図１０（ａ）参照）。すなわち、クランプ電圧決定部３０ａは、主スイッチＱ１のドレイン電極Ｄ１側に温度特性を調整する第２の温度特性調整抵抗３５を有する。なお、第２の温度特性調整抵抗３５は、主スイッチＱ１のドレイン電極Ｄ１側に設けたが、クランプ電圧制御用スイッチ２０のゲート電極Ｇ３側に設けてもよいし、組３１と組３１との間に設けてもよい。また、２か所以上に設けてもよい。
【0095】
実施形態３のクランプ電圧決定部３０ａにおいて、温度特性調整抵抗３２及び第２の温度特性調整抵抗３５は、ダイオード３４の順方向電圧の温度変化を低減する温度特性を有する。具体的には、クランプ電圧決定部３０において、ダイオード３４の順方向電圧の温度変動及びツェナーダイオード３３のツェナー電圧の温度変動を、温度特性調整抵抗３２及び第２の温度特性調整抵抗３５の合成抵抗により任意の温度係数に調整することが出来る。これにより、主スイッチＱ１,Ｑ２の閾値電圧ＶＴＨの温度に対する変動分を打ち消すことができる。
【0096】
実施形態３に係る半導体装置１０１は、基本的には実施形態１に係る半導体装置１００と同様の構成を有するが、第２の温度特性調整抵抗を有する点で実施形態１に係る半導体装置１００の場合とは異なる（図１０（ｂ）参照）。すなわち、クランプ電圧決定部１８０は、外周側端部に温度特性を調整する第２のＰ型領域１８６をさらに有する。
【0097】
なお、第２のＰ型領域１８６は、デバイス領域Ａ１側に設けてもよいし、クランプ電圧決定部１８０の適宜の位置に設けてもよい。また、第２のＰ型領域１８６は、デバイス領域Ａ１を一周囲ってもよいし、部分的に形成して抵抗成分を調整してもよい。また、第１のＰ型領域とは別の添加物や別の材料を用いてもよい。
【0098】
このように、実施形態３に係るアクティブクランプ回路１０ｂ（半導体装置１０１）は、第２の温度特性調整抵抗３５（第２のＰ型領域１８６）を有する点で実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０（半導体装置１００）の場合とは異なるが、クランプ電圧制御用スイッチ２０と、一方の端子がドレイン電極と電気的に接続され、他方の端子がゲート電極と電気的に接続されたクランプ電圧決定部３０を備えるため、サージ電圧を吸収することができる。また、このクランプ電圧制御用スイッチ２０は、主スイッチＱ１，Ｑ２のゲート電極Ｇ１,Ｇ２にオン信号を送るドライバーとしての機能を有するため、駆動電流は小さく且つ、トリガーとなるオフ電圧を決定するクランプ電圧決定部に流れる電流も小さく出来る一方、クランプ電圧制御用スイッチや主スイッチをオンしてサージが発生する期間に主スイッチＱ１，Ｑ２を電圧クランプ用の電流経路として利用することができ、大型のダイオードを用いなくてもよくなる。
【0099】
クランプ電圧決定部３０は、温度特性を調整する第２の温度特性調整抵抗３５を有するため、温度特性調整抵抗３２によってクランプ電圧の温度依存性を低減させただけでなく、主スイッチＱ１、Ｑ２の閾値電圧ＶＴＨの温度依存性を打ち消すような温度特性を持たせるように第２の温度特性調整抵抗３５を調整することができる。これにより、クランプ電圧制御用スイッチ２０のクランプ電圧と主スイッチＱ１,Ｑ２の閾値電圧ＶＴＨの温度依存性を打ち消すことができる。
【0100】
なお、実施形態３に係るアクティブクランプ回路１０ｂ（半導体装置１０１）は、第２の温度特性調整抵抗３５（第２のＰ型領域１８６）を有する点以外の点においては実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０（半導体装置１００）と同様の構成を有するため、実施形態１に係るアクティブクランプ回路１０（半導体装置１００）が有する効果のうち該当する効果を有する。
【0101】
以上、本発明を上記の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。
【0102】
（１）上記各実施形態において記載した位置、接続、個数等は例示であり、本発明の効果を損なわない範囲において変更することが可能である。
【0103】
（２）上記各実施形態においては、第１のＰ型領域の不純物濃度及び電流経路に沿った長さを調整して不純物総量を調整することで内部抵抗を調整したが、本発明はこれに限定するものではない。第１のＰ型領域の不純物濃度及び電流経路に沿った長さのいずれか一方を調整して不純物総量を調整することで内部抵抗を調整してもよいし、電流経路に垂直な面の断面積を調整することで不純物総量を調整してもよい。具体的には、第１のＰ型領域をデバイス領域Ａ１の周囲を１周囲むように形成せずに一部に形成してもよい。さらにまた、別の材料や別の添加物を導入することで内部抵抗を調整してもよい。
【0104】
（３）上記実施形態１及び３においては、ゲート保護部を設けることとしたが、本発明はこれに限定するものではない。ゲート保護部を設けなくてもよい。また、ゲート保護部の抵抗として、温度特性調整抵抗を用いたが、温度特性を調整した抵抗ではない一般的な抵抗を用いてもよいし、抵抗を用いなくてもよい。
【0105】
（４）上記各実施形態においては、ベース領域１１３とリサーフ領域１１６とが接しており、ベース領域１１３とリサーフ領域１１６との境界を覆うように境界半導体領域１１８を形成したが、本発明はこれに限定するものではない。ベース領域１１３とリサーフ領域１１６とが接していなくてもよい。この場合、境界半導体領域１１８はベース領域１１３とリサーフ領域１１６との間に形成されることとなる。この場合、境界半導体領域１１８の深さは、リサーフ領域１１６の深さと同じかそれよりも深い深さであることが好ましい。これにより、デバイス領域Ａ１と耐圧分離領域Ａ２の境界付近の電位分布がなだらかになり耐圧を維持しやすくなるからである。
【0106】
（５）上記各実施形態においては、ゲート保護部を設けることとしたが、本発明はこれに限定するものではない。ゲート保護部を設けなくてもよい。また、ゲート保護部の抵抗として、温度特性調整抵抗を用いたが、温度特性を調整した抵抗ではない一般的な抵抗を用いてもよいし、抵抗を用いなくてもよい。
【符号の説明】
【0107】
１…スイッチング回路、１０，１０ａ，１０ｂ…アクティブクランプ回路、２０…クランプ電圧制御用スイッチ、３０，３０ａ…クランプ電圧決定部、３１…組、３２…温度特性調整抵抗、３３…ツェナーダイオード、３４…ツェナーダイオード、３５…第２の温度特性調整抵抗、４０…ゲート保護部、４１…組、４２…温度特性調整抵抗、４３…ツェナーゲート保護用ダイオード４４…ダイオード、５０…抵抗、６０…バイパスダイオード、１００，１０１，２００…半導体装置、１１０…半導体基体、１１１，２１１…低抵抗半導体層、１１２，２１２…ドリフト層、１１３…ベース領域、１１４…ソース領域、１１５…Ｎ型半導体層、１１６…リサーフ領域、１１７…チャネルストップ領域、１１８…境界半導体領域、１１９…Ｐ型半導体層、１２０…ゲート電極、１２２…ゲート絶縁膜、１２４…層間絶縁膜、１３０…ソース電極、１４０…ゲートパッド、１４１…ポリシリコン層、１４２…ゲート保護部、１４３…第２のＮ型領域、１４４…第２のＰ型領域、１４５…ゲート配線、１４６…ゲート引き出し配線、１４７…第２ゲート配線、１５０…ドレイン電極、１６０…保護絶縁膜、１７０，２７０…フィールド絶縁膜、１７２…ポリシリコン層、１８０，２８０…クランプ電圧決定部、１８２，２８２…第１のＮ型領域、１８４，２８４…第１のＰ型領域、１８６…第３のＰ型領域、１９０…チャネルストップ電極、２１３…アノード領域、２３０…アノード電極、Ａ１…デバイス領域、Ａ１１…活性領域、Ａ１２…周辺領域、Ａ２…耐圧分離領域、Ｑ１…第１の主スイッチ、Ｑ２…第２の主スイッチ、Ｖｃｃ…外部電源
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】