電力變換用開關元件以及電力變換裝置制造方法

電力變換用開關元件以及電力變換裝置制造方法
【專利摘要】電力變換用開關元件(100)在n-型的半導體基板(1)的表面側依次反復配置第1柵極電極(6)、具有n型發射極區域(3)的p型溝道層(2)、第2柵極電極(13)、p型浮空層(15)。并且，將夾著p型溝道層(2)的2個柵極(6、13)的間隔a構成得小于夾著p型浮空層(15)的2個柵極(13、6)的間隔b，對第1柵極電極(6)、第2柵極電極(13)分別提供在驅動定時有時間差的驅動信號。
【專利說明】電力變換用開關元件以及電力變換裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及電力變換用開關元件以及使用該電力變換用開關元件的電力變換裝置。

【背景技術】
[0002]近年來，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)等的電力變換用開關元件從家庭用的空調和微波爐等小功率設備到鐵道和鋼鐵廠的大功率設備，得到廣泛的應用。并且，由于為了促進可再生的新能源的利用和節能，從直流向交流的電力變換、或從交流向直流的電力變換不可或缺，因此，電力變換用開關元件逐漸成為用于實現今后的低碳社會的重要的關鍵組成。
[0003]然而，在將IGBT等的電力變換用開關元件應用在電力變換的逆變器等的情況下，在導通時會產生與通路電阻相伴的導通損耗，在開關時會產生與開關動作相伴的開關損耗。為此，為了謀求逆變器的高效率化、小型化，需要一并減少導通損耗以及開關損耗。
[0004]在專利文獻I中公開了 IGBT的示例，等間隔配置多個溝槽型的柵極，并且對相互相鄰的溝槽型的柵極提供關斷的定時錯開的控制信號，由此能在不有損低導通損耗的特性的同時擴大關斷時的安全動作區域。
[0005]另外，在專利文獻2中公開了 IGBT的示例，以相互不同的2種間隔交替配置多個溝槽型的柵極，在被該柵極間隔窄的2個柵極所夾的半導體層的上部形成溝道層(基極區域)以及發射極區域，在被柵極間隔寬的2個柵極所夾的半導體層形成不與發射極電極連接的浮空層，由此能在不招致短路耐量和耐壓的降低的情況下減少導通損耗、即通路電壓。
[0006]但是，根據本申請的
【發明者】們的研討，獲知專利文獻2公開的結構的IGBT有如下問題:關斷損耗大，并且在接通時，IGBT和對臂的二極管的輸出電壓的時間變化率dv/dr的控制性低。
[0007]關于這些問題當中的接通時的輸出電壓的時間變化率(dv/dr)的控制性低的問題，在專利文獻3如下那樣說明了該問題產生的理由。
[0008]在IGBT成為通路狀態時，由于空穴過渡地流入形成在2個柵極間的P型的浮空層，因此該浮空層的電位變高。此時，位移電流經由將柵極和浮空層隔開的柵極絕緣膜的反饋電容流向柵極，讓柵極電位抬升。其結果，由MOS (Metal Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導體)FET (Field Effect Transistor場效應晶體管)結構的跨導(gm)和柵極-發射極間電壓(vge)的時間變化率(dvge/dt)之積決定的集電極電流(ic)的時間變化率(die/dt)增加，開關速度加速。
[0009]由于過渡地流入浮空層的空穴的量主要由半導體內部的結構決定，因此難以用外部的柵極電阻進行控制。因此，不能用外部的柵極電阻控制加速的dic/dt，其結果，產生不能用柵極電阻控制IGBT和對臂的二極管的電壓的時間變化率dv/dt的期間。
[0010]考慮這些，在專利文獻3中，提示了增厚漂移層或浮空層與柵極電極間的絕緣膜等來使得寄生電容難以產生的結構的IGBT。由于若減小與柵極電極間的寄生電容，則反饋電容也變小，因此提升了接通時的輸出電壓的時間變化率(dv/dt)的控制性。
[0011]先行技術文獻
[0012]專利文獻
[0013]專利文獻1:JP特開2000-101076號公報
[0014]專利文獻2:JP特開2006-222455號公報
[0015]專利文獻3:JP特開2011-119416號公報
[0016]發明的概要
[0017]發明要解決的課題
[0018]于是，在如專利文獻2所示的IGBT那樣在η型的漂移層內設置P型的浮空層的情況下，在導通時空穴積蓄在漂移層內而減少了通路電壓。另一方面，在關斷時，由于將該積蓄的空穴排出的時間變長，因此不管怎樣關斷損耗都會增加。在專利文獻3中，未充分考慮關斷時的損耗。


【發明內容】

[0019]鑒于以上的現有技術的問題點，本發明的目的在于，提供使關斷時的損耗減少、并能提升接通時的輸出電壓的時間變化率(dv/dt)的控制性的電力變換用開關元件以及電力變換裝置。
[0020]用于解決課題的手段
[0021]本發明所涉及的電力變換用開關元件特征在于，第I導電型的半導體層，其形成在半導體基板；第2導電型的溝道層，其與所述第I導電型的半導體層相接，形成在所述半導體基板的第I表面側；柵極電極的組，其由第I柵極電極以及第2柵極電極構成，其中第I柵極電極以及第2柵極電極在所述半導體基板的所述第I表面側設置在貫穿所述溝道層而形成的多個溝槽的相互相鄰的2個2個的溝槽的各自中，隔著柵極絕緣膜與所述半導體層以及所述溝道層相接；第I導電型的發射極區域，其隔著所述柵極絕緣膜分別與所述第I柵極電極以及所述第2柵極電極相接地形成在夾在屬于所述柵極電極的組的相同的組的所述第I柵極電極以及所述第2柵極電極間的所述溝道層的表面的一部分；發射極電極，其將所述第I導電型的發射極區域以及所述第2導電型的溝道層電連接；第2導電型的浮空層，其被屬于所述柵極電極的組的相互不同的組、且相互相鄰的2個柵極電極所夾，是與所述發射極電極絕緣的所述溝道層；第2導電型的集電極層，其與所述第I導電型的半導體層相接，形成在所述半導體基板的第2表面側；和集電極電極，其與所述第2導電型的集電極層電連接，將屬于所述相同的組的所述第I柵極電極與所述第2柵極電極間隔設為a，將屬于所述相互不同的組、相互相鄰的2個柵極電極彼此的間隔設為b，滿足b > a地配置各個柵極電極，并對所述第I柵極電極以及所述第2柵極電極分別提供在驅動定時有時間差的第I驅動信號以及第2驅動信號。
[0022]發明的效果
[0023]根據本發明，提供能使關斷時的損耗減少、并使接通時的輸出電壓的時間變化率(dv/dt)的控制性提升的電力變換用開關元件以及電力變換裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是示意表示本發明的第I實施方式所涉及的電力變換用開關元件的結構的例的圖，(a)是其截面圖的示例，(b)是俯視配置圖的示例。
[0025]圖2是表示在使電力變換用開關元件關斷時分別驅動第I柵極電極(Gl)以及第2柵極電極(G2)的驅動信號的驅動次序的示例的圖。
[0026]圖3是表示在使電力變換用開關元件接通時分別驅動第I柵極電極(Gl)以及第2柵極電極(G2)的驅動信號的驅動次序的示例的圖。
[0027]圖4是表示在使電力變換用開關元件關斷時分別驅動第I柵極電極(Gl)以及第2柵極電極(G2)的驅動信號的驅動次序的第2例的圖。
[0028]圖5是表示在使電力變換用開關元件接通時分別驅動第I柵極電極(Gl)以及第2柵極電極(G2)的驅動信號的驅動次序的第2例的圖。
[0029]圖6是表示電力變換用開關元件的輸出特性的示例的圖。
[0030]圖7是表示本發明的實施方式的效果的示例的圖。
[0031]圖8是表示本發明的實施方式的另外的效果的示例的圖。
[0032]圖9是表示實現圖2?圖5所示的驅動信號的驅動次序的驅動電路的方塊構成的示例的圖。
[0033]圖10是表示本發明的第I實施方式所涉及的電力變換用開關元件的結構的第I變形例的圖。
[0034]圖11是表示本發明的第I實施方式所涉及的電力變換用開關元件的結構的第2變形例的圖。
[0035]圖12是表示本發明的第I實施方式所涉及的電力變換用開關元件的結構的第3變形例的圖，(a)是截面圖的示例，(b)是俯視配置圖的示例。
[0036]圖13是示意表示本發明的第2實施方式所涉及的電力變換用開關元件的結構的示例的圖。
[0037]圖14是示意表示本發明的第3實施方式所涉及的電力變換用開關元件的結構的示例的圖。
[0038]圖15是示意表示本發明的第4實施方式所涉及的電力變換用開關元件的結構的示例的圖。
[0039]圖16是示意表示本發明的第5實施方式所涉及的電力變換用開關元件的結構的示例的圖。
[0040]圖17是示意表示本發明的第6實施方式所涉及的電力變換用開關元件的結構的示例的圖。
[0041]圖18是表示運用本發明的第I?第6實施方式所涉及的電力變換用開關元件的電力變換裝置的電路構成的示例的圖。

【具體實施方式】
[0042]以下參考附圖來詳細說明本發明的實施方式。另外，在用于說明實施方式的全部附圖中，對同一構成要素標注同一標號，省略其重復的說明。
[0043](第I實施方式)
[0044]圖1是示意表示本發明的第I實施方式所涉及的電力變換用開關元件100的結構的示例的圖，(a)是其截面圖的示例，(b)是俯視配置圖的示例。另外，圖1(a)所示的截面圖是與圖1(b)的俯視配置圖中的一點劃線A-A’部分對應的截面圖。
[0045]如圖1 (a)所示那樣，電力變換用開關元件100，能指具有2個獨立的控制柵極的IGBT，具有在硅等的η-型的半導體基板I的表面側，讓以間隔a相互相鄰配置的溝槽型的第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)的組以間隔b反復配置的結構。
[0046]在此，例如在η-型的半導體基板I的表面側形成成為P型溝道層2或ρ型浮空層15的P型的半導體層，在該P型的半導體層形成比該P型的半導體層深的溝槽，在該溝槽的內壁形成柵極絕緣膜5，在形成了該柵極絕緣膜5的溝槽內嵌入導電性的多晶硅等，由此形成第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)。
[0047]另外，如圖1(a)所示那樣，在電力變換用開關元件100中，在第I柵極電極6(G1)與第2柵極電極13 (G2)間交替形成ρ型溝道層2以及ρ型浮空層15。
[0048]在此，用ρ型溝道層2的表面部的一部分在隔著柵極絕緣膜5分別與第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)相接的部分，形成η型發射極區域3 (也稱作源極區域)。另外，用P型溝道層2的表面部的一部分在未形成η型發射極區域3的部分，形成ρ型發射極區域12。
[0049]在柵極電極6、13、η型發射極區域3、ρ型發射極區域12以及ρ型浮空層15的上部(外側)形成層間絕緣膜16，進而在其上部(外側)形成由導電性的金屬等構成的發射極電極7。這時，在η型發射極區域3以及ρ型發射極區域12的上部的層間絕緣膜16形成開口部，η型發射極區域3以及ρ型發射極區域12與發射極電極7接觸，并電連接。另一方面，P型浮空層15通過層間絕緣膜16而與發射極電極7絕緣。
[0050]在本實施方式中，夾著ρ型溝道層2、形成了 η型發射極區域3以及ρ型發射極區域12的區域的第I柵極電極6 (Gl)與第2柵極電極13 (G2)的間隔a，小于夾著形成ρ型浮空層15的區域的第I柵極電極6 (Gl)與第2柵極電極13(G2)的間隔b。即，間隔a<間隔bo另外，在設為間隔a <間隔b的情況下，能得到高速開關性能以及短路耐量的提升、通路電壓減少等的效果(參考專利文獻2)。
[0051]另外，在η-型的半導體基板I的背面側形成P型集電極層4，并與ρ型集電極層4接觸地形成由導電性的金屬等構成的集電極電極8。
[0052]另外，在圖1 (a)中，η-型的半導體基板I當中的除了 P型溝道層2、η型發射極區域3、ρ型發射極區域12以及ρ型集電極層4以外的區域是η-型的半導體基板I本身，但通常稱作η-型漂移層Id。
[0053]另外，如圖1(b)所示，第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)分別與形成在其上部的第I金屬布線40以及第2金屬布線41連接。在此，第I金屬布線40以及第2金屬布線41是相互絕緣的獨立的布線，分別與未圖示的第I柵極端子以及第2柵極端子連接。另外，構成第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)的柵極層、和構成第I金屬布線40以及第2金屬布線41的金屬布線層通過形成在層間絕緣膜16的接觸孔42而電連接。
[0054]如以上那樣，本發明的第I實施方式所涉及的電力變換用開關元件100的特征在于，具有能從外部經由第I柵極端子以及第2柵極端子獨立進行驅動的第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)。
[0055]圖2是表示在使電力變換用開關元件100關斷時分別驅動第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13(G2)的驅動信號的驅動次序的示例的圖。在此，已經對第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)都施加了高于閾值電壓Vth的電壓，電力變換用開關元件100的開關狀態為“通路”狀態。
[0056]另外，在此所說的閾值電壓Vth是指，在對第I柵極電極6 (Gl)或第2柵極電極13 (G2)施加電壓時，在ρ型溝道層2內形成將η型發射極區域3和η-型漂移層Id連系的導通路(溝道)的最低的電壓。
[0057]在本實施方式中，如圖2所示，在使電力變換用開關元件100關斷時，首先使第I柵極電極6(G1)的驅動信號從高于閾值電壓Vth的狀態向低于閾值電壓Vth的狀態變化(關斷)。另外，同時，先于該關斷的定時的給定的時間(例如3 μ秒)，使第2柵極電極13 (G2)的驅動信號從高于閾值電壓Vth的狀態向低于閾值電壓Vth的狀態變化(關斷)。
[0058]如以上那樣，通過在分別驅動第I柵極電極6(G1)以及第2柵極電極13 (G2)的驅動信號中，使進行關斷的定時錯開給定的時間(例如3μ秒)，能得到減少電力變換用開關元件100的關斷損耗的效果。得到該效果的理由能如下說明的那樣。
[0059]若趁著第I柵極電極6 (Gl)的驅動信號的電壓高于閾值電壓Vth的狀態使第2柵極電極13(G2)的驅動信號的電壓從高于閾值電壓Vth的狀態向低于閾值電壓Vth狀態變化(關斷)，則通過第2柵極電極13 (G2)而在ρ型溝道層2生成了的將η型發射極區域3和η-型漂移層Id連系的溝道消失。由此，由于不再經由形成在該第2柵極電極13 (G2)側的溝道向η-型漂移層Id注入電子，因此，對應于此，從ρ型集電極層4向η-型漂移層Id注入的空穴的量減少。
[0060]在處于這樣的狀態下時，若使第I柵極電極6 (Gl)的驅動信號的電壓從高于閾值電壓Vth的狀態向低于閾值電壓Vth的狀態變化(關斷)，則形成在第I柵極電極6 (Gl)側的溝道也消失，也不再有經由該溝道的向η-型漂移層Id的電子注入。其結果，電力變換用開關元件100的開關狀態成為“斷路”狀態。即，電力變換用開關元件100關斷。
[0061]這種情況下，由于在使第I柵極電極6 (Gl)的驅動信號的電壓從高于閾值電壓Vth的狀態向低于閾值電壓Vth的狀態變化(關斷)時，積蓄在η-型漂移層Id的空穴的量減少，與此相應縮短了空穴的排出時間。其結果，電力變換用開關元件100的關斷時間變短，關斷損耗減少。
[0062]另外，由于若第I柵極電極6(G1)的驅動信號以及第2柵極電極13(G2)的驅動信號各自進行關斷的定時的時間差td變長，則通路電壓增加的期間變長，因此導通損耗增加。另一方面，若該時間差td過短，則關斷損耗減少的效果變小。因此，為了得到充分的關斷損耗減少的效果，期望時間差^為3 μ s以上。
[0063]圖3是表示在使電力變換用開關元件100接通時分別驅動第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13(G2)的驅動信號的驅動次序的示例的圖。在此，已經對第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)都施加了低于閾值電壓Vth的電壓，電力變換用開關元件100的開關狀態為“斷路”狀態。
[0064]在本實施方式中，如圖3所示，在使電力變換用開關元件100接通時，首先使第I柵極電極6(G1)的驅動信號從低于閾值電壓Vth的狀態向高于閾值電壓Vth的狀態變化(接通)。另外，同時，從該接通的定時延遲給定的時間(例如3 μ秒)來使第2柵極電極13 (G2)的驅動信號從低于閾值電壓Vth的狀態向高于閾值電壓Vth的狀態變化(接通)。
[0065]如以上那樣，在分別驅動第I柵極電極6(G1)以及第2柵極電極13 (G2)的驅動信號中，通過使進行接通的定時錯開給定的時間(例如3μ秒)，能得到改善電力變換用開關元件100的輸出電壓的時間變化率dv/dt的控制性這樣的效果。得到該效果的理由如下那樣進行說明。
[0066]S卩，在圖3所示的控制次序中，由于在第I柵極電極6(G1)的驅動信號的電壓超過閾值電壓Vth(接通)時第2柵極電極13(G2)的驅動信號的電壓尚處在低于閾值電壓Vth的狀態，因此未在第2柵極電極13 (G2)側形成將η型發射極區域3和η-型漂移層Id連系的溝道。為此，由于向η-型漂移層Id的電子的注入僅經由形成在第I柵極電極6(G1)偵J的溝道進行，因此集電極電流的時間變化率dic/dt不會變得太大，抑制了開關速度。作為其結果，改善了電力變換用開關元件100的輸出電壓的時間變化率dv/dt的控制性。
[0067]另外，若第I柵極電極6(G1)的驅動信號以及第2柵極電極13(G2)的驅動信號各自進行接通的定時的時間差td過短，則改善輸出電壓的時間變化率dv/dt的控制性的效果變小。因此，期望該時間差tdS3ys以上。
[0068]另外，雖然在圖2的說明中，第2柵極電極13(G2)的驅動信號先于第I柵極電極6 (Gl)的驅動信號的關斷的定時成為關斷，但該順序也可以反過來。同樣地，雖然在圖3的說明中，第2柵極電極13(G2)的驅動信號設為從第I柵極電極6 (Gl)的驅動信號的接通的定時延遲來接通，但該順序也可以按過來。
[0069]圖4是表示在使電力變換用開關元件100關斷時分別驅動第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13(G2)的驅動信號的驅動次序的第2例的圖。該驅動次序與圖2所示的驅動次序相異點在于，將使第2柵極電極13(G2)的驅動信號的柵極斷路時的電壓設為負電壓(-Vcc)ο
[0070]在使電力變換用開關元件100關斷的情況下，若將使第2柵極電極13(G2)的驅動信號的柵極斷路時的電壓設為負電壓(-Vcc)，則在隔著柵極絕緣膜5與第2柵極電極13 (G2)相接的ρ型浮空層15形成ρ型的積蓄層。其結果，促進了關斷時的空穴的排出，減少了關斷損耗。
[0071]圖5是表示在使電力變換用開關元件100接通時分別驅動第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13(G2)的驅動信號的驅動次序的第2例的圖。該驅動次序與圖3所示的驅動次序的相異點在于，將使第2柵極電極13(G2)的驅動信號的柵極斷路時的電壓設為接地電位(Gnd)。
[0072]在使電力變換用開關元件100接通的情況下，若將使第2柵極電極13(G2)的驅動信號的柵極斷路時的電壓下降到負電壓(-Vcc)，則在隔著柵極絕緣膜5與第2柵極電極13 (G2)相接的η-型漂移層Id形成將ρ型溝道層2和ρ型浮空層15連系的溝道。此時，通過接通時的P型浮空層15的電位變動，P型溝道層2的電位也變動，輸出電壓的時間變化率dv/dt的控制性變差。因而，在圖5所示的示例中，將使第2柵極電極13(G2)的驅動信號的柵極斷路時的電壓設為接地電位(Gnd)。另外，在此，設接地電位(Gnd)是與發射極電極7的電位相同的電位。
[0073]圖6是表示電力變換用開關元件100的輸出特性的示例的圖。在該示例中，示出將第I柵極電極6 (Gl)的電壓Vgl固定在+15V、使第2柵極電極13 (G2)的電壓Vg2變化為+15V、0V、-15V這3種時的輸出特性。如從圖6獲知的那樣，在第2柵極電極13 (G2)的電壓Vg2為+15V時，通路電壓成為最小，在電壓Vg2為-15V時，通路電壓成為最大。
[0074]為此，在此，通過在電力變換用開關元件100的導通時將第2柵極電極13 (G2)的電壓Vg2設為+15V，降低其通路電壓，另外，通過在電力變換用開關元件100的關斷時將第2柵極電極13(G2)的電壓Vg2設為-15V，提高其通路電壓。這種情況下，如圖4中說明的那樣，關斷損耗減少。即，通過在時間軸上動態地控制第2柵極電極13(G2)的電壓Vg2，減少了通路電壓，能得到減少關斷損耗這樣的效果。
[0075]圖7是表示本發明的實施方式的效果的示例的圖。圖7所示的通路電壓和關斷損耗的折衷曲線是比較例的折衷曲線。
[0076]另外，在此所說的比較例，是指用相同定時的驅動信號驅動圖1所示的電力變換用開關元件100的第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)的情況。另外，本實施方式是指，用圖2中示出的驅動信號驅動圖1所示的電力變換用開關元件100的第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)的情況。
[0077]在圖7所示的比較例的折衷曲線中，以黑色的方塊標記表征的各點的通路電壓以及關斷損耗的值，表征以P型集電極層4的雜質濃度為參數并使其變化時得到的通路電壓以及關斷損耗的值。根據該比較例的折衷曲線，若提高P型集電極層4的雜質濃度，雖然通路電壓變低，但關斷損耗會變大，另外，若降低P型集電極層4的雜質濃度，則雖然通路電壓會變高，但關斷損耗變小。因此，從該比較例的折衷曲線可知，僅改變P型集電極層4的雜質濃度，不能實現讓通路電壓降低且減小關斷損耗。
[0078]另一方面，在本實施方式中，即使ρ型集電極層4的雜質濃度是與位于比較例的折衷曲線最左上的黑色的方塊標記對應的濃度，其關斷損耗也被改善到黑色的三角標記所示的位置。即，在本實施方式中，可知在電力變換用開關元件100中，能實現降低通路電壓且減小接通損耗。
[0079]進而，若擴展開來進行判斷，則通過錯開時間地對圖1所示的電力變換用開關元件100的第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)各自的驅動信號獨立驅動控制，與比較例相比，能大幅改善通路電壓和關斷損耗的折衷。
[0080]圖8是表示本發明的實施方式的另外的效果的示例的圖。另外，圖8所說的比較例以及本實施方式的意義與圖7的情況相同。
[0081]在圖8中與圖7相異，針對比較例示出2條通路電壓和關斷損耗的折衷曲線。這當中，以包含黑色的方塊標記的實線描繪的折衷曲線，是將圖1所示的電力變換用開關元件100中的第I柵極電極6 (Gl)與第2柵極電極13 (G2)的間隔a設為3 μ μ m時的折衷曲線。另外，以包含白色的方塊標記的虛線描繪的折衷曲線是將圖1所示的電力變換用開關元件100中的第I柵極電極6 (Gl)與第2柵極電極13 (G2)的間隔a設為I μπι時的折衷曲線。
[0082]根據圖8的比較例的折衷曲線，在將第I柵極電極6(G1)與第2柵極電極13(G2)的間隔a從3μπι縮小到Ιμπι的情況下，雖然通路電壓減少，但關斷損耗增加。由此，折衷曲線本身不太變化。這時因為，通過縮小第I柵極電極6(G1)與第2柵極電極13(G2)的間隔a，雖然空穴注入量增加，通路電壓降低，但注入的空穴招致拖尾電流的增加，而關斷損耗增加。
[0083]另一方面，在本實施方式中，在將第I柵極電極6(G1)與第2柵極電極13(G2)的間隔a從3 μπι縮小到I ym時，各個通路電壓以及關斷損耗從用圖8的黑色的三角標記表征的點向用白色的三角標記表征的點移動。即，通過第I柵極電極6 (Gl)與第2柵極電極13 (G2)的間隔a的縮小，通路電壓減少，關斷損耗增加。但是，該關斷損耗的增加量小于比較例的情況。
[0084]因此，在本實施方式的情況下，可知通過將第I柵極電極6 (Gl)與第2柵極電極13 (G2)的間隔a從3 μπι縮小到I μπι，改善了通路電壓和關斷損耗的折衷。
[0085]另外，這樣的折衷的改善由于即使使第I柵極電極6 (Gl)與第2柵極電極13 (G2)的間隔a小于I ym也同樣看得到，因此在本實施方式(圖1所示的電力變換用開關元件100)中，將間隔a設為I μπι以下。
[0086]圖9是表示實現圖2?圖5所示的驅動信號的驅動次序的驅動電路的方塊構成的示例的圖。在圖9中，通過IGBT31以及可變電阻32表征用圖2?圖5所示那樣2個不同的驅動信號進行驅動的電力變換用開關元件100。另外，可變電阻32，是在電路上表現通過第2柵極電極13控制η-型漂移層Id中的空穴的積蓄量這一物理量。
[0087]另外，如圖9所示，柵極驅動電路37包含如下要素而構成:控制電路35，其基于從個人計算機36輸出的控制信號，來生成圖2?圖5所示那樣的定時錯開的2個驅動信號；和緩沖電路33、34，其接受從控制電路35輸出的驅動信號的一者，分別生成驅動開關元件30的第I驅動信號38以及第2驅動信號39。
[0088]即，將從緩沖電路33輸出的驅動信號38輸入到IGBT31的柵極端子，另外，將從緩沖電路33輸出的驅動信號39輸入到IGBT31的柵極端子以及可變電阻32的電阻控制端子。另外，在物理上驅動信號38與第I柵極電極6 (Gl)連接，驅動信號39與第2柵極電極13 (G2)連接。
[0089]圖10是表示本發明的第I實施方式所涉及的電力變換用開關元件的結構的第I變形例的圖。在圖1所示的電力變換用開關元件100中，為了輸入分別驅動第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13(G2)的驅動信號，需要2個獨立的柵極端子(圖1中省略圖示)O
[0090]于是，在第I變形例所涉及的電力變換用開關元件101中，將2個獨立的柵極端子匯總成I個。然后，從該匯總成I的柵極端子輸入驅動第2柵極電極13 (G2)的驅動信號，進而將用電阻20使該驅動信號延遲的驅動信號輸入到第I柵極電極6 (Gl)。
[0091]通過如此，能在電力變換用開關元件101的接通以及關斷時將其定時錯開的驅動信號分別提供給第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)。因而，在該第I變形例所涉及的電力變換用開關元件101中，也改善了輸出電壓的時間變化率dv/dt的控制性，并能得到減少關斷損耗的效果。
[0092]另外，在該變形例中，由于能將電阻20嵌入電力變換用開關元件101這樣的半導體裝置中而實現，因此能簡化設于外部的柵極驅動電路37。因此，能實現使用了電力變換用開關元件101的逆變器等的電力變換裝置的低成本化。
[0093]圖11是表示本發明的第I實施方式所涉及的電力變換用開關元件的結構的第2變形例的圖。在該第2變形例所涉及的電力變換用開關元件102中，與第I變形例相同，將2個獨立的柵極端子匯總成I個。然后，從該匯總成I個的柵極端子輸入驅動第2柵極電極13 (G2)的驅動信號，進而將用電阻20以及電容器21使該驅動信號延遲的驅動信號輸入到第I柵極電極6 (G1)。
[0094]如以上那樣，驅動電力變換用開關元件102中的第I柵極電極6(G1)以及第2柵極電極13 (G2)的機制，與第I變形例相同。
[0095]另外，也能將電容器21與電阻20同樣地嵌入電力變換用開關元件102這樣的半導體裝置中而實現。因此，在第2變形例所涉及的電力變換用開關元件102中，能得到與第I變形例所涉及的電力變換用開關元件101同樣的效果。
[0096]圖12是表示本發明的第I實施方式所涉及的電力變換用開關元件的結構的第3變形例的圖，(a)是截面圖的示例，(b)是俯視配置圖的示例。另外，圖12(a)所示的截面圖是與圖12(b)的俯視配置圖中的一點劃線A-A’部分對應的截面圖。
[0097]圖12所示的電力變換用開關元件103與圖1所示的電力變換用開關元件100的相異點在于，反復配置第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)的組的做法。即，在圖1的電力變換用開關元件100中，成為按照(G1-G2)-(G1-G2)_...這樣平行移動且反復配置第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)的組。另一方面，在圖12的電力變換用開關元件103中，成為按照(G1-G2)-(G2-G1)-..?這樣彼此翻轉其位置并反復配置第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)的組。
[0098]從到此為止的說明中可以明確，在電力變換用開關元件103中，如此相互翻轉其位置并反復配置第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)的組，在用圖2?圖5所示的驅動信號驅動這些第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)的情況下，也能得到與圖1所示的電力變換用開關元件100同樣的效果。
[0099]另外，在第3變形例的情況下，隔著P型浮空層15側，讓相同的第I柵極電極6或第2柵極電極13彼此相鄰。因此，如圖12(b)所示那樣，能在使該柵極電極6、13與上部的金屬布線40、41連接的區域，使相鄰的第I柵極電極6或第2柵極電極13彼此相連。因此，由于能使將柵極電極6、13和金屬布線40、41分別連接的區域中的各個柵極電極區域的面積較大，因此能在該柵極電極區域設置更多的將柵極電極6、13和金屬布線40、41連接的接觸孔42。因而，能減少其接觸電阻、和柵極電極區域的電阻。
[0100]因此，在該第3變形例所涉及的電力變換用開關元件103中，能對第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)輸入更穩定的驅動信號。
[0101](第2實施方式)
[0102]圖13是示意表示本發明的第2實施方式所涉及的電力變換用開關元件110的結構的示例的圖。
[0103]如圖13所示，第2實施方式所涉及的電力變換用開關元件110的結構與圖1所示的第I實施方式所涉及的電力變換用開關元件100的結構幾乎相同，但在第2實施方式所涉及的電力變換用開關元件110中，在P型集電極層4與η-型漂移層Id的界面設置有η型緩沖層14，在這一點上相異。
[0104]η型緩沖層14起到的作用是:在電力變換用開關元件110為斷路狀態下，防止向η-型漂移層Id伸出的耗盡層從P型溝道層2以及P型浮空層15與η-型漂移層Id的界面部到達P型集電極層4。將該η型緩沖層14的雜質濃度形成得高于η-型漂移層Id的雜質濃度。
[0105]并且，在該第2實施方式中，使用圖2?圖5所示的驅動信號，將時間錯開地驅動第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)。因此，在這種情況下也能得到與第I實施方式同樣的效果。即，在電力變換用開關元件110中也減少了關斷損耗，改善了輸出電壓的時間變化率dv/dt的控制性。
[0106](第3實施方式)
[0107]圖14是示意表示本發明的第3實施方式所涉及的電力變換用開關元件120的結構的示例的圖。
[0108]如圖14所示，第3實施方式所涉及的電力變換用開關元件120的結構與圖1所示的第I實施方式所涉及的電力變換用開關元件100的結構幾乎相同，但在第3實施方式所涉及的電力變換用開關元件120中，在P型溝道層2與η-型漂移層Id的界面設置有η型空穴勢皇層10，在這一點上相異。
[0109]η型空穴勢皇層10承擔堰塞從P型集電極層4注入的空穴、減少η_型漂移層Id的電阻的作用。
[0110]并且，在該第3實施方式中，使用圖2?圖5所示的驅動信號，將時間錯開地驅動第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)。因此，這種情況下也能得到與第I實施方式同樣的效果。即，在電力變換用開關元件140中也減少了關斷損耗，改善了輸出電壓的時間變化率dv/dt的控制性。
[0111](第4實施方式)
[0112]圖15是示意表示本發明的第4實施方式所涉及的電力變換用開關元件130的結構的示例的圖。
[0113]如圖15所示那樣，第4實施方式所涉及的電力變換用開關元件130的結構與圖1所示的第I實施方式所涉及的電力變換用開關元件100的結構幾乎相同，但在第3實施方式所涉及的電力變換用開關元件130中，不設有第I實施方式所涉及的電力變換用開關元件100中設置的P型浮空層15，在這一點上相異。
[0114]并且，在該第4實施方式中，使用圖2?圖5所示的驅動信號，將時間錯開地驅動第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)。這種情況下，也與第I實施方式的情況相同，減少了關斷損耗，改善了輸出電壓的時間變化率dv/dt的控制性。另外，改善輸出電壓的時間變化率dv/dt的控制性的理由在于，通過在接通時對第2柵極電極13 (G2)施加閾值以下的電壓，集電極電流的時間變化率dic/dt降低，開關速度受到抑制。
[0115](第5實施方式)
[0116]圖16是示意表示本發明的第5實施方式所涉及的電力變換用開關元件140的結構的示例的圖。
[0117]如圖15所示那樣，在第5實施方式所涉及的電力變換用開關元件140中，在η-型的半導體基板I的表面側大致等間隔地配置溝槽型的第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13(G2)。并且，在該溝槽型的第I柵極電極6(G1)以及第2柵極電極13 (G2)間的η-型的半導體基板I形成P型集電極層4、η型發射極區域3以及P型發射極區域12，進而，該η型發射極區域3以及P型發射極區域12與設于其上部的表面側的發射極電極7連接。另夕卜，在本實施方式中，不設有與第I實施方式所涉及的電力變換用開關元件100中所說的P型浮空層15對應的層或區域。
[0118]另外，在電力變換用開關元件140的背面側的η-型的半導體基板I形成ρ型集電極層4，ρ型集電極層4與集電極電極8連接。
[0119]并且，在該第5實施方式中，使用圖2?圖5所示的驅動信號，將時間錯開地驅動第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)。這種情況下，與第I實施方式的情況相同，減少了關斷損耗，改善了輸出電壓的時間變化率dv/dt的控制性。另外，改善輸出電壓的時間變化率dv/dt的控制性的理由與第4實施方式的情況相同，都是因為，通過在接通時對第2柵極電極13(G2)施加閾值以下的電壓，集電極電流的時間變化率dic/dt降低，開關速度受到抑制。
[0120](第6實施方式)
[0121]圖17是示意表示本發明的第6實施方式所涉及的電力變換用開關元件150的結構的示例的圖。
[0122]如圖15所示那樣，在第5實施方式所涉及的電力變換用開關元件150中，n_型的半導體基板I的表面側大致等間隔地配置平坦型的第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13(G2)。并且，在該溝槽型的第I柵極電極6(G1)以及第2柵極電極13 (G2)間的η-型的半導體基板I形成P型集電極層4、η型發射極區域3以及ρ型發射極區域12，進而，該η型發射極區域3以及ρ型發射極區域12與設于其上部的表面側的發射極電極7連接。另外，在本實施方式中，不設有與第I實施方式所涉及的電力變換用開關元件100中所說的ρ型浮空層15對應的層或區域。
[0123]另外，在電力變換用開關元件140的背面側的η-型的半導體基板I形成ρ型集電極層4，ρ型集電極層4與集電極電極8連接。
[0124]并且，在該第6實施方式中，使用圖2?圖5所示的驅動信號，將時間錯開地驅動第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)。在這種情況下，與第I實施方式的情況相同，減少了關斷損耗，改善了輸出電壓的時間變化率dv/dt的控制性。另外，改善輸出電壓的時間變化率dv/dt的控制性的理由與第4實施方式的情況相同，都是因為，通過在接通時對第2柵極電極13 (G2)施加閾值以下的電壓，集電極電流的時間變化率dic/dt降低，開關速度受到抑制。
[0125](第7實施方式)
[0126]圖18是表示運用本發明的第I?第6實施方式所涉及的電力變換用開關元件100、110、120、130、140、150的電力變換裝置1000的電路構成的示例的圖。這樣的電力變換裝置1000 —般被稱作逆變器裝置，例如將來白直流電源960的電能變換成所期望的頻率的交流電流，用在對電動機950的轉速進行可變速控制的用途等中。
[0127]如圖18所示那樣，直流電源960的正極與電力變換裝置1000的P端子900連接，負極與N端子901連接。另外，從U端子910、V端子911、W端子912輸出3相的交流電流，與電動機950連接。
[0128]在P端子900與N端子901間，并聯設置有3個將2個電力變換用開關元件700串聯連接的電路。并且，該各個電路中的將2個電力變換用開關元件700串聯連接的連接點分別與U端子910、V端子911、W端子912連接。另外，在此所說的電力變換用開關元件700是指第I?第6實施方式所涉及的電力變換用開關元件100、110、120、130、140、150的任意者。
[0129]在此，所謂的上臂側的電力變換用開關元件700，其各自的集電極電極8與P端子900連接，發射極電極7與U端子910、V端子911、W端子912連接。另外，所謂的下臂側的電力變換用開關元件700，其各自的發射極電極7與N端子901連接，集電極電極8與U端子910、V端子911、W端子912連接。
[0130]并且，通過由各個柵極驅動電路800改變各個電力變換用開關元件700的通路/斷路的定時的相位地進行控制，從U端子910、V端子911、W端子912輸出3相的交流電流。另外，在此所說的柵極驅動電路800與圖9所示的柵極驅動電路37對應。
[0131]進而，在各個電力變換用開關元件700逆并聯連接續流二極管600。續流二極管600在例如上臂側的電力變換用開關元件700為斷路的情況下，通過將流過該電力變換用開關元件700的電流換向到與下臂側的電力變換用開關元件700逆并聯連接的續流二極管600，來釋放貯存在電動機950的線圈的能量。另外，在下臂側的電力變換用開關元件700在斷路的情況下也相同。
[0132]在以上那樣構成的電力變換裝置1000中，雖然在各個電力變換用開關元件700的導通時產生導通損耗，在通路/斷路時產生開關損耗，但在本實施方式中，由于作為電力變換用開關元件700使用第I?第6實施方式中說明的電力變換用開關元件100、110、120、130、140、150，因此減少了作為電力變換裝置1000的導通損耗以及開關損耗。
[0133]另外，圖18所示的電力變換裝置1000的構成是一例，即使是輸出2相的交流電流的構成，另外，即使是將交流電流變換成直流電流的構成，也能得到與本實施方式相同的效果O
[0134]另外，在本說明書中，在電力變換用開關元件100、110、120、130、140、150中的柵極部分使用了 η型溝道的MOSFET，但也可以是ρ型溝道的MOSFET。
[0135]另外，本發明并不限定于以上說明的實施方式所限定的構成，還包含各種變形例。例如，所述的實施方式為了易于理解本發明地進行說明而詳細地做出了說明，但并不一定限定于包含說明的全部構成。另外，能用其他實施方式的構成的一部分置換某實施方式的構成的一部分，進而，還能用在某實施方式的構成中加入其它實施方式的構成的一部分或全部。
[0136]標號的說明
[0137]I η-型的半導體基板(第I導電型的半導體基板)
[0138]Id η-型漂移層(第I導電型半導體層)
[0139]2 ρ型溝道層(第2導電型溝道層)
[0140]3 η型發射極區域(第I導電型發射極區域)
[0141]4 P型集電極層(第2導電型集電極層)
[0142]5柵極絕緣膜
[0143]6第I柵極電極(Gl)
[0144]7發射極電極
[0145]8集電極電極
[0146]10 η型空穴勢皇層(第I導電型的空穴勢皇層)
[0147]12 ρ型發射極區域
[0148]13第2柵極電極(G2)
[0149]14 η型緩沖層(第I導電型的緩沖層)
[0150]15 ρ型浮空層
[0151]16層間絕緣膜
[0152]21 電阻
[0153]22 電容器
[0154]31 IGBT
[0155]32可變電阻
[0156]33、34緩沖電路
[0157]35控制電路
[0158]36個人計算機
[0159]37柵極驅動電路
[0160]40第I金屬布線
[0161]41第2金屬布線
[0162]42接觸孔
[0163]100、101、102、103電力變換用開關元件
[0164]110、120、130、140、150 電力變換用開關元件
[0165]600續流二極管(二極管)
[0166]700電力變換用開關元件
[0167]800柵極驅動電路
[0168]900 P 端子
[0169]901 N 端子
[0170]910 U 端子
[0171]911 V 端子
[0172]912 W 端子
[0173]950 電動機
[0174]960直流電源
【權利要求】
1.一種電力變換用開關元件，其特征在于，具備: 第I導電型的半導體層，其形成在半導體基板； 第2導電型的溝道層，其與所述第I導電型的半導體層相接，形成在所述半導體基板的第I表面側； 柵極電極的組，其由第I柵極電極以及第2柵極電極構成，該第I柵極電極以及第2柵極電極，按照隔著柵極絕緣膜與所述半導體層以及所述溝道層相接的方式，在所述半導體基板的所述第I表面側設置在貫穿所述溝道層而形成的多個溝槽的相互相鄰的每2個溝槽的各自中； 第I導電型的發射極區域，其按照隔著所述柵極絕緣膜與所述第I柵極電極以及所述第2柵極電極各自相接的方式，形成在被夾在屬于所述柵極電極的組的同一組的所述第I柵極電極以及所述第2柵極電極間的所述溝道層的表面的一部分； 發射極電極，其將所述第I導電型的發射極區域以及所述第2導電型的溝道層電連接; 第2導電型的浮空層，其被屬于所述柵極電極的組的互不相同的組、且相互相鄰的2個柵極電極所夾，是與所述發射極電極絕緣的所述溝道層； 第2導電型的集電極層，其與所述第I導電型的半導體層相接，形成在所述半導體基板的第2表面側；和 集電極電極，其與所述第2導電型的集電極層電連接， 將屬于所述同一組的所述第I柵極電極與所述第2柵極電極的間隔設為a，將屬于所述互不相同的組、且相互相鄰的2個柵極電極彼此的間隔為b，滿足b > a地配置各個柵極電極， 并且，對所述第I柵極電極以及所述第2柵極電極分別提供在驅動定時有時間差的第I驅動信號以及第2驅動信號。
2.根據權利要求1所述的電力變換用開關元件，其特征在于， 所述第I驅動信號被關斷的定時與所述第2驅動信號被關斷的定時的時間差為3 μ秒以上。
3.根據權利要求1所述的電力變換用開關元件，其特征在于， 所述第I驅動信號被接通的定時和所述第2驅動信號被接通的定時的時間差為3 μ秒以上。
4.根據權利要求2或3所述的電力變換用開關元件，其特征在于， 屬于所述同一組的所述第I柵極電極與所述第2柵極電極的間隔a為I μπι以下。
5.根據權利要求1所述的電力變換用開關元件，其特征在于， 所述第I柵極電極和所述第2柵極電極經由電阻而連接，驅動所述第I柵極電極的所述第I驅動信號是通過所述電阻使驅動所述第2柵極電極的所述第2驅動信號延遲后的信號。
6.根據權利要求1所述的電力變換用開關元件，其特征在于， 所述第I柵極電極和所述第2柵極電極經由電阻連接，且所述第I柵極電極和所述發射極電極經由電容器連接，驅動所述第I柵極電極的所述第I驅動信號是通過所述電阻以及所述電容器使驅動所述第2柵極電極的所述第2驅動信號延遲后的信號。
7.根據權利要求1所述的電力變換用開關元件，其特征在于， 在所述第I導電型的半導體層與所述第2導電型的集電極層間形成雜質的濃度高于所述第I導電型的半導體層的雜質的濃度的第I導電型的緩沖層。
8.根據權利要求1所述的電力變換用開關元件，其特征在于， 在夾在屬于所述第I柵極電極以及所述第2柵極電極的組的同一組的所述第I柵極電極以及所述第2柵極電極間的所述溝道層與所述第I導電型的半導體層的邊界部分，形成雜質的濃度高于所述第I導電型的半導體層的雜質的濃度的第I導電型的空穴勢皇層。
9.一種電力變換用開關元件，其特征在于，具備: 第I導電型的半導體層，其形成在半導體基板； 第2導電型的溝道區域，其與所述第I導電型的半導體層相接，形成在所述半導體基板的第I表面側； 柵極電極，其隔著柵極絕緣膜分別與所述第2導電型的溝道區域以及所述第I導電型的半導體層相接地設置； 第I導電型的發射極區域，其一部分隔著所述柵極絕緣膜而與所述柵極電極相接地設置在與所述溝道區域內的所述第I導電型的半導體層分開的位置； 發射極電極，其將所述第I導電型的發射極區域以及所述第2導電型的溝道區域電連接; 第2導電型的集電極層，其與所述第I導電型的半導體層相接，形成在所述半導體基板的第2表面側；和 集電極電極，其與所述第2導電型的集電極層電連接， 所述柵極電極被分離成被分別提供在驅動定時有時間差的第I驅動信號以及第2驅動信號的第I柵極電極和第2柵極電極，所述第I柵極電極和所述第2柵極電極交替配置在所述半導體基板的第I表面側。
10.根據權利要求9所述的電力變換用開關元件，其特征在于， 所述第I驅動信號被關斷的定時和所述第2驅動信號被關斷的定時的時間差為3 μ秒以上。
11.根據權利要求9所述的電力變換用開關元件，其特征在于， 所述第I驅動信號被接通的定時和所述第2驅動信號被接通的定時的時間差為3 μ秒以上。
12.一種電力變換裝置，包含如下要素而構成: 一對直流端子； 直交流變換電路，其將使電流通路/斷路的2個電流開關元件串聯連接在所述直流端子間而構成；和 交流端子，其連接在所述直交流變換電路的所述2個電流開關元件所連接的部位， 所述電力變換裝置的特征在于， 所述電流開關元件是權利要求1或權利要求9所述的電力變換用開關元件。
【文檔編號】H01L29/739GK104488085SQ201280074588
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2012年9月7日 優先權日:2012年9月7日
【發明者】橋本貴之, 森睦宏, 增永昌弘 申請人:株式會社日立制作所