JP5454146B2 - 逆導通半導体素子の駆動方法と半導体装置及び給電装置 - Google Patents
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Description
本発明は、逆導通半導体素子の駆動方法に関する。本発明はまた、逆導通半導体素子とその逆導通半導体素子を制御する回路を備えている半導体装置に関する。さらに本発明は、逆導通半導体素子の複数個が組み合わされて構成されている給電装置を駆動する方法に関する。
逆導通半導体素子20のIGBT素子領域22では、p型のボディ領域36とn−型のドリフト領域38とp型のコレクタ領域44が積層されている。ボディ領域36の表面には、n+型のエミッタ領域30が形成されている。エミッタ領域30が形成された範囲には、エミッタ領域30とドリフト領域38を分離しているボディ領域36を貫通して伸びる第1トレンチゲート電極26が形成されている。
またダイオード素子領域24では、p型のボディ領域36とn−型のドリフト領域38とn型のドリフトコンタクト領域40が積層されている。ダイオード素子領域24のボディ領域36とドリフト領域38は、IGBT素子領域22のボディ領域36とドリフト領域38と同一の領域によって構成されている。ボディ領域36の表面には、n+型の第1ボディコンタクト領域35とp+型の第2ボディコンタクト領域34が形成されている。第1ボディコンタクト領域35が形成された範囲には、第1ボディコンタクト領域35とドリフト領域38を分離しているボディ領域36を貫通して伸びる第2トレンチゲート電極46が形成されている。
逆導通半導体素子20では、コレクタ領域44にエミッタ領域30よりも高い正電圧が印加されている状態で第1トレンチゲート電極26に正電圧が印加されると、コレクタ領域44からエミッタ領域30に電流が流れる。一方、第2ボディコンタクト領域34にドリフトコンタクト領域40よりも高い正電圧が印加されると、第2ボディコンタクト領域34からドリフトコンタクト領域40に電流が流れる。
逆導通半導体素子を用いて例えばインバータ回路を構成すると、IGBTとして機能する半導体素子とダイオードとして機能する半導体素子を別々に用意する必要がない。
上記では、NPNP型のIGBT素子領域の場合を説明した。この場合には、第2ボディコンタクト領域34とボディ領域36がアノードとなり、ドリフト領域38とドリフトコンタクト領域40がカソードとなる。PNPN型のIGBT素子を用いする場合には、第2ボディコンタクト領域34とボディ領域36がカソードとなり、ドリフト領域38とドリフトコンタクト領域40がアノードとなる。
この場合、ボディ領域の不純物濃度は、IGBT素子領域に必要とされる特性を実現する不純物濃度に調整することが多い。すなわち、ダイオード素子領域のボディ領域の不純物濃度を、ダイオード素子領域に好ましい特性を実現する不純物濃度に調整することができないことが多い。そのため、ダイオード素子領域に流れる電子と正孔の注入効率を調整することができないことが多い。正孔の注入効率(正孔電流/(正孔電流+電子電流))が高すぎるとダイオードのスイッチング損失が増大する。ダイオード素子領域のボディ領域の不純物濃度を自由に調整することができれば、ダイオードのスイッチング損失を低減させることができる正孔の注入効率に調整することができる。しかしながら、その濃度がIGBT素子領域の都合で決定されると、ダイオード素子領域の特性を得るのに必要な濃度に調整することができない。
逆導通半導体素子のIGBT素子領域では、第2導電型のボディ領域と第1導電型のドリフト領域と第2導電型のコレクタ領域が積層されている。ボディ領域の表面に第1導電型のエミッタ領域が形成されている。エミッタ領域が形成されている範囲には、エミッタ領域とドリフト領域を分離しているボディ領域を貫通して伸びるトレンチゲート電極が形成されている。
逆導通半導体素子のダイオード素子領域では、第2導電型のボディ領域と第1導電型のドリフト領域と第1導電型のドリフトコンタクト領域が積層されている。ボディ領域の表面側に、第1導電型の第1ボディコンタクト領域と第2導電型の第2ボディコンタクト領域が形成されている。第1ボディコンタクト領域が形成されている範囲には、第1ボディコンタクト領域とドリフト領域を分離しているボディ領域を貫通して伸びる第2トレンチゲート電極が形成されている。ダイオード素子領域では、ボディ領域がアノード領域またはカソード領域として機能し、ドリフト領域がその反対の領域として機能する。ボディ領域がアノード領域であれば、ドリフト領域はカソード領域であり、ボディ領域がカソード領域であれば、ドリフト領域はアノード領域である。
IGBT素子領域のボディ領域とダイオード素子領域のボディ領域は、同一の不純物濃度を備えている。同様に、IGBT素子領域のドリフト領域とダイオード素子領域のドリフト領域も、同一の不純物濃度を備えている。
また本発明の半導体素子の駆動方法では、ダイオード素子領域に還流電流を流す間は、少なくとも第2トレンチゲート電極に第2電圧を印加する。このとき、第1トレンチゲート電極にも電圧を印加してもよいし、電圧を印加しなくてもよい。また印加される電圧の極性も限定されない。
本発明の半導体素子の駆動方法では、第1電圧がボディ領域の電圧よりも高ければ第2電圧もボディ領域の電圧よりも高くし、第1電圧がボディ領域の電圧よりも低ければ第2電圧もボディ領域の電圧よりも低くする。
本発明の半導体素子の駆動方法では、逆導通半導体素子のダイオード素子領域に還流電流が流れる間は、第2電圧を第2トレンチゲート電極に印加する。このときに印加する第2電圧は、第1電圧がボディ領域の電圧よりも高ければボディ領域の電圧よりも高く、第1電圧がボディ領域の電圧よりも低ければ第2電圧もボディ領域の電圧よりも低い。すなわち、ボディ領域がn型であれば第2電圧はボディ領域の電圧よりも低く、ボディ領域がp型であれば第2電圧はボディ領域の電圧よりも高い。
逆導通半導体素子のダイオード素子領域に還流電流が流れる間、第2電圧を第2トレンチゲート電極に印加すると、第2トレンチゲート電極に隣接するボディ領域に反転層が形成される。すなわち第2導電第型のボディ領域の一部が第1導電型に反転する。すると、第1導電型の第1ボディコンタクト領域と第1導電型のドリフト領域が、第1導電型に反転した反転層によって導通する。その結果、第1導電型のドリフト領域と第1導電型の第1ボディコンタクト領域の間を流れるキャリア量を増大させることができる。すなわち、ダイオード素子領域には、第1導電型の第1ボディコンタクト領域と第1導電型のドリフト領域の間に、第2トレンチゲート電極に電圧を加えると第1導電型の反転層を形成する第2導電型のボディ領域が形成されており、MOSトランジスタ構造を内蔵している。第2トレンチゲート電極に第2電圧を印加すると、第2トレンチゲート電極に隣接するボディ領域に反転層が形成され、ダイオード素子領域に内蔵されているMOSトランジスタ構造がオンする。
例えば、ボディ領域がp型であり、ドリフト領域がn型であるとする。この場合、ボディ領域のp型不純物濃度がIGBTに最適な不純物濃度に調整されていると、ダイオードのためのボディ領域としてはp型不純物濃度が高く過ぎることがある。この場合、ダイオードにおける正孔の注入効率が高すぎてスイッチング損失が増大する。
ボディ領域がn型である場合も同様の現象が得られる。この場合も、ボディ領域のn型不純物濃度がIGBTに最適な不純物濃度に調整されていると、ダイオードのためのボディ領域としてはn型不純物濃度が高く過ぎることがある。この場合、ダイオードにおける電子の注入効率が高すぎてスイッチング損失が増大する。
本発明の半導体素子の駆動方法では、逆導通半導体素子のダイオード素子領域に還流電流を流れる間は、n型のボディ領域の電圧よりも低い電圧を第2トレンチゲート電極に印加する。その結果、第2トレンチゲート電極に隣接するボディ領域にp型の反転層が形成される。すると、p型の第1ボディコンタクト領域とp型のドリフト領域がp型の反転層によって導通し、正孔が流れるようになる。その結果、ドリフト領域と第1ボディコンタクト領域の間を流れる正孔量を増大させることができる。電子の注入効率(電子電流/(正孔電流+電子電流))を下げることができ、スイッチング損失を抑制することが可能となる。
上記の場合、第1ゲート電圧印加回路が第1トレンチゲート電極に第1電圧を印加している間、第2ゲート電圧印加回路が第2トレンチゲート電極に電圧を印加していてもよいし、印加しなくてもよい。第2ゲート電圧印加回路が第2トレンチゲート電極に第2電圧を印加している間に、第1ゲート電圧印加回路が第1トレンチゲート電極に電圧を印加していてもよいし、印加していなくてもよい。
また、第1電圧と第2電圧の大きさは異なっていてもよいが、等しくてもよい。等しい場合には、ゲート電圧印加回路の構成が簡単となる。
この給電装置では、一方の逆導通半導体素子(以下、第1の逆導通半導体素子という。)のIGBT素子領域をオフ状態とし、他方の逆導通半導体素子(以下、第2の逆導通半導体素子という。)のIGBT素子領域をオン状態に切換えて給電する間は、第2の逆導通半導体素子の少なくとも第1トレンチゲート電極に第1電圧を印加する(第1工程)。続いて、第2の逆導通半導体素子のIGBT素子領域をオフ状態に切換えることによって第1の逆導通半導体素子のダイオード素子領域に還流電流を流す間は、第1の逆導通半導体素子の少なくとも第2トレンチゲート電極に第2電圧を印加する(第2工程)。上記の第1工程と第2工程を繰返すことによって、給電装置を駆動している。ここで、第1電圧が第2の逆導通半導体素子のボディ領域の電圧よりも高ければ第2電圧は第1の逆導通半導体素子のボディ領域の電圧よりも高く、第1電圧が第2の逆導通半導体素子のボディ領域の電圧よりも低ければ第2電圧も第1の逆導通半導体素子のボディ領域の電圧よりも低い。
上記の場合、第1工程において、第1、第2の逆導通半導体素子の第2トレンチゲート電極に電圧を印加していてもよいし、印加しなくてもよい。また、第2工程において、第2の逆導通半導体素子の第2トレンチゲート電極と第1の逆導通半導体素子の第1トレンチゲート電極に電圧を印加していてもよいし、印加しなくてもよい。
この給電装置の駆動方法では、第2の逆導通半導体素子のIGBT素子領域を再びオン状態に切換えるに先立って、つまり第2工程から第1工程へと切換えるに先立って、第1の逆導通半導体素子のIGBT素子領域を確実にオフ状態とする。そのため、第2の逆導通半導体素子のIGBT素子領域をオン状態に切換える際に、第1、第2の逆導通半導体素子のIGBT素子領域が共にオン状態となることが防止される。このため、逆導通半導体素子のIGBT素子領域を通して大きな貫通電流が流れることが防止され、給電装置を構成する逆導通半導体素子が損傷することを防止することができる。
この給電装置では、第3工程において第2の逆導通半導体素子がオフ状態であるので、第3工程においても、第1の逆導通半導体素子のダイオード素子領域には還流電流が流れている。この給電装置の駆動方法では、第3工程において、第1の逆導通半導体素子の第1トレンチゲート電極に隣接するボディ領域に反転層を形成する。そのため、第1の逆導通半導体素子のボディ領域に含まれる第2導電型の不純物が第1トレンチゲート電極に近接した領域に留まることが防止される。つまり、第1の逆導通半導体素子のダイオード素子領域に還流電流が流れる際に、第1の逆導通半導体素子のボディ領域に含まれる第2導電型の不純物濃度が低下することが防止される。第1の逆導通半導体素子のダイオード素子領域の抵抗が上昇してしまうことが防止される。
この給電装置の駆動方法では、第3工程において、第1の逆導通半導体素子の第2トレンチゲート電極に第3電圧を印加する。そのため、第1の逆導通半導体素子の第2トレンチゲート電極に隣接するボディ領域に反転層が形成され、第3工程においても還流電流が流れる第1の逆導通半導体素子のダイオード素子領域に生じる正孔あるいは電子の注入効率を調整することができる。これにより、逆導通半導体素子のダイオード素子領域に生じるスイッチング損失を、第3工程においても抑制することができる。
ボディ領域がn型である場合も同様の現象が得られる。この場合も、ボディ領域のn型不純物濃度がIGBTに最適な不純物濃度に調整されていると、ダイオードのためのボディ領域としてはn型不純物濃度が高過ぎることがある。この場合でも、大きな逆回復電流が発生し、スイッチング損失が増大してしまう。
(特徴1)第1トレンチゲート電極と第2トレンチゲート電極は、電気的に接続されている。
(特徴2)第1トレンチゲート電極と第2トレンチゲート電極が電気的に接続されている給電装置では、第3電圧は以下のように設定される。(1)第1電圧が第2の逆導通半導体素子のボディ領域の電圧よりも高ければ、第3電圧は第1の逆導通半導体素子のボディ領域の電圧よりも高く、かつ第1の逆導通半導体素子のIGBT領域の閾値電圧よりも低く設定される。(2)第1電圧が第2の逆導通半導体素子のボディ領域の電圧よりも低ければ、第3電圧は第1の逆導通半導体素子のボディ領域の電圧よりも低く、かつ第1の逆導通半導体素子のIGBT領域の閾値電圧よりも高く設定される。
図1に、本発明を具現化した半導体装置2を示す。半導体装置2は、第1ゲート電圧印加回路10と、第2ゲート電圧印加回路12と、逆導通半導体素子20を備えている。第1ゲート電圧印加回路10は、逆導通半導体素子20の第1トレンチゲート電極26と電気的に接続されている。第2ゲート電圧印加回路12は、逆導通半導体素子20の第2トレンチゲート電極46と電気的に接続されている。
逆導通半導体素子20は、同一の半導体基板内に、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下、IGBT)素子領域22と、ダイオード素子領域24が形成されている。図1は、IGBT素子領域22とダイオード素子領域24の境界近傍の断面図を示している。
逆導通半導体素子20は、1枚のn型不純物を低濃度に含む半導体基板から形成されている。半導体基板が未加工状態で残っている部分によって、ドリフト領域38が形成されている。ドリフト領域38の表面側に、p型不純物を含むボディ領域36が積層されている。ドリフト領域38とボディ領域36は、IGBT素子領域22とダイオード素子領域24の関わりなく、一様に伸びている。
IGBT素子領域22内では、ボディ領域36の表面に臨む位置に、n型不純物を高濃度に含んでいるエミッタ領域30が規則的間隔を隔てて形成されている。各々のエミッタ領域30は、ボディ領域36によって、ドリフト領域38から隔てられている。隣接するエミッタ領域30間においてボディ領域36の表面に臨む範囲には、p型不純物を高濃度に含んでいるボディコンタクト領域34が形成されている。
ダイオード素子領域24内では、n型不純物を高濃度に含んでいる第1ボディコンタクト領域35が規則的間隔を隔てて形成されている。各々の第1ボディコンタクト領域35は、ボディ領域36によって、ドリフト領域38から隔てられている。隣接する第1ボディコンタクト領域35間においてボディ領域36の表面に臨む範囲には、p型不純物を高濃度に含んでいる第2ボディコンタクト領域34が形成されている。図1の領域34は、IGBT素子領域22内のボディコンタクト領域34でもあり、ダイオード素子領域24内の第2ボディコンタクト領域34でもある。ダイオード素子領域24内のp型のボディ領域36とp型の第2ボディコンタクト領域34は、ダイオードのアノード領域を構成している。
IGBT素子領域22では、各々のエミッタ領域30の表面からエミッタ領域30とボディ領域36を貫通してドリフト領域38に達する第1トレンチ37が形成されている。各々の第1トレンチ37の壁面はゲート絶縁膜28で被覆されており、各々の第1トレンチ37の内側に第1トレンチゲート電極26が充填されている。
ダイオード素子領域24では、各々の第1ボディコンタクト領域35の表面から第1ボディコンタクト領域35とボディ領域36を貫通してドリフト領域38に達する第2トレンチ47が形成されている。各々の第2トレンチ47の壁面はゲート絶縁膜48で被覆されており、各々の第2トレンチ47の内側に第2トレンチゲート電極46が充填されている。
逆導通半導体素子20の表面には、エミッタ電極32が形成されている。エミッタ電極32は、IGBT素子領域22では、エミッタ領域30とボディコンタクト領域34に導通し、ダイオード素子領域24では、第1ボディコンタクト領域35と第2ボディコンタクト領域34に導通している。第1トレンチゲート電極26は図示しない断面で、逆導通半導体素子20の表面に露出し、第1ゲート電圧印加回路10に接続されている。また第2トレンチゲート電極46は図示しない断面で、逆導通半導体素子20の表面に露出し、第2ゲート電圧印加回路12に接続されている。
IGBT素子領域22では、ドリフト領域38の裏面側に、p型不純物を含むコレクタ領域44が形成されている。ダイオード素子領域24では、ドリフト領域38の裏面側に、n型不純物を含むドリフトコンタクト領域40が形成されている。ダイオード素子領域24内のn型のドリフト領域38とn型ドリフトコンタクト領域40は、ダイオードのカソード領域を構成している。
逆導通半導体素子20の裏面にはコレクタ電極42が形成されている。コレクタ電極42は、コレクタ領域44とドリフトコンタクト領域40と導通している。
図1に示すように、コレクタ電極42に正電圧を印加してエミッタ電極32を接地した状態で、第1トレンチゲート電極26に閾値電圧Vth以上の正電圧である第1電圧を印加すると、第1トレンチゲート電極26の周辺のボディ領域36にn型の反転層52が形成され、エミッタ領域30から反転層52を経てドリフト領域38に電子が注入される。すると、コレクタ領域44からドリフト領域38に正孔が注入される。ドリフト領域38に電子と正孔が注入され、伝導度変調現象が活発化する。これによって、コレクタ電極42とエミッタ電極32間が導通し、電流104が流れる。これをオン状態という。IGBTは、伝導度変調現象を利用するので、オン電圧が低い。
第1トレンチゲート電極26に閾値電圧Vth以上の正電圧を印加するのを中断すると、エミッタ領域30からドリフト領域38に電子が注入されなくなる。これをオフ状態という。IGBT素子領域22では、第1トレンチゲート電極26に閾値電圧Vth以上の正電圧を印加する間はオン状態に制御され、第1トレンチゲート電極26に閾値電圧Vth以上の正電圧を印加するのを中断するとオフ状態に制御される。
逆導通半導体素子20のダイオード素子領域24は、還流ダイオードとして作動する。すなわち、ドリフトコンタクト領域40が形成されている領域24では、逆導通半導体素子20が還流ダイオードとして作動する。
還流ダイオードとして作動する領域24では、p型のボディ領域36とn−型のドリフト領域38とn型のドリフトコンタクト領域40が積層されている。p型のボディ領域36の表面に、n+型の第1ボディコンタクト領域35とp+型の第2ボディコンタクト領域34が形成されている。第1ボディコンタクト領域35とドリフト領域38を分離しているボディ領域36を貫通して伸びる第2トレンチゲート電極46が形成されている。
エミッタ電極32にコレクタ電極42の電位よりも高い正電圧が印加されると、p型の第2ボディコンタクト領域34とp型のボディ領域36がアノードとして作動し、n−型のドリフト領域38とn型のドリフトコンタクト領域40がカソードとして作動するダイオードが形成される。
この場合、エミッタ電極32の電圧がコレクタ電極42の電圧よりも低くなった時に、図3に示すように、ドリフト領域38に蓄積していた正孔54がボディ領域36に戻り、逆回復電流108が流れる。大きな逆回復電流108が流れると、スイッチング損失が増大してしまう。スイッチング損失の大きさは、ドリフト領域38への正孔54の注入効率に依存する。スイッチング損失を抑制するためには、ドリフト領域38とボディ領域36の不純物濃度をダイオード素子領域24に要求される特性にあわせて調整し、正孔54の注入効率を調整することが必要である。しかしながら、逆導通半導体素子20では、ドリフト領域38とボディ領域36の不純物濃度が、IGBT素子領域22の特性にあわせて決定されており、ダイオード素子領域24の特性にあわせて調整することができない。そのためにダイオード素子領域24のスイッチング損失が大きくなってしまう。本実施例では、ダイオード素子領域24に存在する第2トレンチゲート電極26を利用して、ダイオード素子領域24のスイッチング損失を小さくする。
図5に、本発明の第2実施例の半導体装置102の断面図を示す。本実施例の半導体装置102は、ゲート電圧印加回路14と逆導通半導体素子20を備えている。本実施例の半導体装置102は、逆導通半導体素子20の第1トレンチゲート電極26と第2トレンチゲート電極46が電気的に接続されており、ゲート電圧印加回路14に共通して接続されている。
本実施例の半導体装置102では、エミッタ電極32にコレクタ電極42の電圧よりも高い正電圧が印加されてダイオード素子領域24に還流電流112が流れる場合に、第1トレンチゲート電極26と第2トレンチゲート電極46の両方にエミッタ電極32の電圧よりも高い正電圧である第2電圧を印加する。これによって、第1トレンチゲート電極26と第2トレンチゲート電極46の周辺のボディ領域36にn型の反転層60が形成され、それぞれの反転層60を通して電子58をコレクタ電極42からエミッタ電極32へ流すことができる。その為、ダイオード素子領域24における電子電流の割合をさらに増大することができ、ダイオード素子領域24で発生するスイッチング損失をさらに抑制することができる。
図6に、本発明の駆動方法を利用した給電装置202を示す。参照数字に続けてアルファベット記号が用いられており、以下の説明でアルファベット記号が省略されている場合は、同じ参照数字の部材に共通する説明であることを示す。
図6に示すように、給電装置202は、2つの逆導通半導体素子20aと20dが直列に接続されている直列回路62aと、2つの逆導通半導体素子20bと20cが直列に接続されている直列回路62bを備えている。直列回路62aと直列回路62bはそれぞれ単独で給電装置を構成しており、本実施例では、直列回路62aと直列回路62bを並列に接続した給電装置202を用いて説明を行う。
逆導通半導体素子20aのエミッタ電極32aは、接地されている。逆導通半導体素子20dのコレクタ電極42dは、直流電源68のプラス電源に接続されている。逆導通半導体素子20aのコレクタ電極42aと逆導通半導体素子20dのエミッタ電極32dは、直列回路62aの中間電位点64aに接続されている。直列回路62aの中間電位点64aは、モータコイル70の一方の端子に接続されている。逆導通半導体素子20bのエミッタ電極32bは、接地されている。逆導通半導体素子20cのコレクタ電極42cは、直流電源68のプラス電源に接続されている。逆導通半導体素子20bのコレクタ電極42bと逆導通半導体素子20cのエミッタ電極32cは、直列回路62bの中間電位点64bに接続されている。また、直列回路62bの中間電位点64bは、モータコイル70の他方の端子に接続されている。モータコイル70はインダクタンス成分を持っている電気的負荷である。
第2実施例と同様に、逆導通半導体素子20aの第1トレンチゲート電極26aと第2トレンチゲート電極46aは電気的に接続され、ゲート電圧印加回路72に共通して接続されている。同様に、逆導通半導体素子20bの第1トレンチゲート電極26bと第2トレンチゲート電極46bも電気的に接続され、ゲート電圧印加回路72に共通して接続されている。逆導通半導体素子20cの第1トレンチゲート電極26cと第2トレンチゲート電極46cも電気的に接続され、ゲート電圧印加回路72に共通して接続されている。逆導通半導体素子20dの第1トレンチゲート電極26dと第2トレンチゲート電極46dも電気的に接続され、ゲート電圧印加回路72に共通して接続されている。各々の逆導通半導体素子20では、第1トレンチゲート電極26と第2トレンチゲート電極46の電圧が等しい。ゲート電圧印加回路72は、各々の逆導通半導体素子20a,20b,20c,20dのトレンチゲート電圧を独立に制御する。
Lo電圧は、逆導通半導体素子20のIGBT素子領域22の閾値電圧と、ダイオード素子領域24に反転層が形成される電圧のいずれよりも低い電圧を示す。Lo電圧を印加することにより、IGBT素子領域22は非導通となり、ダイオード素子領域24には同一導電型の電流路が形成されない。本実施例では、Lo電圧は、ゲート電圧印加回路72が、第1トレンチゲート電極26と第2トレンチゲート電極46に電圧を印加しないときの電圧である。ゲート電圧印加回路72が、第1トレンチゲート電極26と第2トレンチゲート電極46にH1電圧、H2電圧又はH3電圧を印加するのを中断すると、第1トレンチゲート電極26と第2トレンチゲート電極46にLo電圧が印加される。
図8のIcは逆導通半導体素子20cを図6の矢印120の方向に流れる電流の大きさを示す。図8のIbは逆導通半導体素子20bを図6の矢印122の方向に流れる電流の大きさを示す。図8のIeはモータコイル70を図6の矢印124の方向に流れる電流の大きさを示す。
モータコイル70はリアクタンス成分を含むために、それまでオンしていた逆導通半導体素子20cのIGBT素子領域22cをオフ状態に切換えると、図7に示すように、モータコイル70には電流114と同じ向きに還流電流116を流そうとする起電力が発生する。第2期間では、電流114が流れていた逆導通半導体素子20aにH1電圧が印加されており、図7に示すように、電流114は逆導通半導体素子20aのIGBT素子領域22aを通って低電位側に流れる。その後、電流114は、逆導通半導体素子20bのダイオード素子領域24bを通ってモータコイル70へと流れる。モータコイル70に生じた起電力によって、逆導通半導体素子20bのエミッタ電極32bの電圧の方がコレクタ電極42bよりも高くなる。図2の逆導通半導体素子20に示すように、逆導通半導体素子20bのダイオード素子領域24bには、還流電流116が流れる。この場合、エミッタ電極32bがアノードとなり、コレクタ電極42bがカソードとなる。
逆導通半導体素子20bにH2電圧を印加することによって、図5に示すように、p型不純物を含むボディ領域36bのうち、第1トレンチゲート電極26bと第2トレンチゲート電極46bに対向する範囲に、n型の反転層60bが形成される。ボディ領域36bに反転層60bが形成されると、コレクタ電極42bからエミッタ電極32bに向かって電子を流す電流路が形成される。これにより、ドリフト領域38bに注入される正孔の注入効率を低下させることができる。そのため、図8に示すように、第2期間T2の経過後、第1期間T1の初期期間に、ドリフト領域38bからボディ領域36bに戻る正孔による逆回復電流Ir(図8参照)を抑制することができる。ダイオード素子領域24bに発生するスイッチング損失を抑制することができ、給電装置202で発生するスイッチング損失を抑制することができる。
逆導通半導体素子20bにH3電圧を印加することによって、図5に示すように、ボディ領域36bのうち、第1トレンチゲート電極26bと第2トレンチゲート電極46bに対向する範囲に、n型の反転層60bが形成される状態が維持される。また、逆導通半導体素子20bのIGBT素子領域22bがオフ状態となる。これにより、第3期間から第1期間に移る際に、逆導通半導体素子20bのIGBT素子領域22bが確実にオフ状態に維持される。このため、第3期間から第1期間に移り、逆導通半導体素子20cのIGBT素子領域22cをオン状態とした際に、逆導通半導体素子20bのIGBT素子領域22bと、逆導通半導体素子20cのIGBT素子領域22cが共にオン状態となることが防止される。これによって、逆導通半導体素子20bのIGBT素子領域22bと、逆導通半導体素子20cのIGBT素子領域22cを通して、直流電源68のプラス電源から接地電位へと巨大な貫通電流が流れ、逆導通半導体素子20が破損してしまうことを抑制することができる。
本実施例の駆動方法では、第3期間から第1期間に移行するのに遅れて、逆導通半導体素子20bに印加する電圧を、H3電圧からLo電圧へと切換える。また、H3電圧からLo電圧へと切換えるタイミングtwは、逆導通半導体素子20cのダイオード素子領域24cのカソード側の電圧がアノード側の電圧に比べて高くなるタイミングによって決定される。つまり、逆導通半導体素子20cのダイオード素子領域24cに逆方向電圧が印加されるとともに逆回復電流Irが流れ、逆方向電圧と逆回復電流Irによってスイッチング損失が発生するタイミングによって決定される。本実施例の駆動方法によれば、スイッチング損失が発生するタイミングまで逆導通半導体素子20bにH3電圧を印加しておくことで逆回復電流Irを抑制し、給電装置202で発生するスイッチング損失を抑制することができる。
例えば半導体装置2では、第1ゲート電圧印加回路10と第2ゲート電圧印加回路12を別々の回路として記載したが、1つのゲート電圧印加回路で構成されていても構わない。1つのゲート電圧印加回路から第1トレンチゲート電極26と第2トレンチゲート電極46にそれぞれ独立に接続されていれば、第1トレンチゲート電極26と第2トレンチゲート電極46を別々に制御することができる。
Claims (5)
- 逆導通半導体素子と、第1ゲート電圧印加回路と、第2ゲート電圧印加回路と、を備えた半導体装置であり、
前記逆導通半導体素子は、
同一の半導体基板内にIGBT素子領域とダイオード素子領域が混在しており、
前記IGBT素子領域では、第2導電型のボディ領域と第1導電型のドリフト領域と第2導電型のコレクタ領域が積層されており、前記ボディ領域の表面に第1導電型のエミッタ領域が形成されており、前記エミッタ領域と前記ドリフト領域を分離している前記ボディ領域を貫通して伸びる第1トレンチゲート電極が形成されており、
前記ダイオード素子領域では、第2導電型のボディ領域と第1導電型のドリフト領域と第1導電型のドリフトコンタクト領域が積層されており、前記ボディ領域の表面に第1導電型の第1ボディコンタクト領域と第2導電型の第2ボディコンタクト領域が形成されており、前記第1ボディコンタクト領域と前記ドリフト領域を分離している前記ボディ領域を貫通して伸びる第2トレンチゲート電極が形成されており、
前記第1ゲート電圧印加回路は、前記第1トレンチゲート電極に印加する電圧を制御し、
前記第2ゲート電圧印加回路は、前記第2トレンチゲート電極に印加する電圧を制御し、
前記第1ゲート電圧印加回路と前記第2ゲート電圧印加回路は、
前記IGBT素子領域をオン状態に制御する間は、前記第1トレンチゲート電極に第1電圧を印加する一方、前記第2トレンチゲート電極に前記ダイオード領域の前記ボディ領域に反転層が形成されない電圧を印加し、
前記ダイオード素子領域に還流電流を流す間は、前記第2トレンチゲート電極に第2電圧を印加する一方、前記第1トレンチゲート電極に前記第2電圧、又は、前記IGBT素子領域の前記ボディ領域に反転層が形成されない電圧を印加するように構成されており、
前記第1電圧が前記IGBT素子領域をオン状態に制御するときの前記ボディ領域の電圧よりも高ければ、前記第2電圧も前記ダイオード素子領域に還流電流を流すときの前記ボディ領域の電圧よりも高く、前記第1電圧が前記IGBT素子領域をオン状態に制御するときの前記ボディ領域の電圧よりも低ければ、前記第2電圧も前記ダイオード素子領域に還流電流を流すときの前記ボディ領域の電圧よりも低くされており、
前記第1ゲート電圧印加回路と前記第2ゲート電圧印加回路が1つのゲート電圧印加回路で構成されており、
前記IGBT素子領域のボディ領域と前記ダイオード素子領域のボディ領域は、同一の不純物濃度を有していることを特徴とする半導体装置。 - 前記第1電圧と前記第2電圧が等しいことを特徴とする請求項1の半導体装置。
- 同一の半導体基板内にIGBT素子領域とダイオード素子領域が混在しており、
前記IGBT素子領域では、第2導電型のボディ領域と第1導電型のドリフト領域と第2導電型のコレクタ領域が積層されており、前記ボディ領域の表面に第1導電型のエミッタ領域が形成されており、前記エミッタ領域と前記ドリフト領域を分離している前記ボディ領域を貫通して伸びる第1トレンチゲート電極が形成されており、
前記ダイオード素子領域では、第2導電型のボディ領域と第1導電型のドリフト領域と第1導電型のドリフトコンタクト領域が積層されており、前記ボディ領域の表面に第1導電型の第1ボディコンタクト領域と第2導電型の第2ボディコンタクト領域が形成されており、前記第1ボディコンタクト領域と前記ドリフト領域を分離している前記ボディ領域を貫通して伸びる第2トレンチゲート電極が形成されている逆導通半導体素子を少なくとも2つ備えている給電装置を駆動する方法であり、
一方の逆導通半導体素子のIGBT素子領域をオフ状態とし、他方の逆導通半導体素子のIGBT素子領域をオン状態に切換えて給電する間は、前記他方の逆導通半導体素子の少なくとも第1トレンチゲート電極に第1電圧を印加する第1工程と、
前記他方の逆導通半導体素子のIGBT素子領域をオフ状態に切換えることによって前記一方の逆導通半導体素子のダイオード素子領域に還流電流を流す間は、前記一方の逆導通半導体素子の少なくとも第2トレンチゲート電極に第2電圧を印加する第2工程を備えており、
前記第1工程と第2工程を繰返すことで給電装置を駆動し、
前記第1電圧が前記他方の逆導通半導体素子のボディ領域の電圧よりも高ければ前記第2電圧も前記一方の逆導通半導体素子のボディ領域の電圧よりも高く、前記第1電圧が前記他方の逆導通半導体素子のボディ領域の電圧よりも低ければ前記第2電圧も前記一方の逆導通半導体素子のボディ領域の電圧よりも低くされており、
前記他方の逆導通半導体素子のIGBT素子領域を再びオン状態に切換えるに先立って、少なくとも前記一方の逆導通半導体素子のIGBT素子領域を所定時間オフ状態とする第3工程をさらに備えていることを特徴とする駆動方法。 - 第3工程では、前記一方の逆導通半導体素子の第2トレンチゲート電極に第3電圧が印加されており、
前記第1電圧が前記他方の逆導通半導体素子のボディ領域の電圧よりも高ければ前記第3電圧も前記一方の逆導通半導体素子のボディ領域の電圧よりも高く、前記第1電圧が前記他方の逆導通半導体素子のボディ領域の電圧よりも低ければ前記第3電圧も前記一方の逆導通半導体素子のボディ領域の電圧よりも低いことを特徴とする請求項3の駆動方法。 - 第3工程終了後に前記他方の逆導通半導体素子のIGBT素子領域を再びオン状態に切換えて第1工程を実行する際には、
前記一方の逆導通半導体素子のダイオート素子領域に印加される電圧値を計測し、
前記一方の逆導通半導体素子のダイオート素子領域に印加される電圧値が前記一方の逆導通半導体素子のダイオート素子領域に逆回復電流が流れる閾値電圧を超えるタイミングまで、前記一方の逆導通半導体素子の少なくとも第2トレンチゲート電極に、第3電圧を印加し続けておくことを特徴とする請求項4の駆動方法。
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