電力變換用開關(guān)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(guān)元件(100)在n-型的半導(dǎo)體基板(1)的表面?zhèn)纫来畏磸?fù)配置第1柵極電極(6)、具有n型發(fā)射極區(qū)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(gè)柵極(6、13)的間隔a構(gòu)成得小于夾著p型浮空層(15)的2個(gè)柵極(13、6)的間隔b，對(duì)第1柵極電極(6)、第2柵極電極(13)分別提供在驅(qū)動(dòng)定時(shí)有時(shí)間差的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
【專利說明】電力變換用開關(guān)元件以及電力變換裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力變換用開關(guān)元件以及使用該電力變換用開關(guān)元件的電力變換裝置。
【背景技術(shù)】
[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(guān)元件從家庭用的空調(diào)和微波爐等小功率設(shè)備到鐵道和鋼鐵廠的大功率設(shè)備，得到廣泛的應(yīng)用。并且，由于為了促進(jìn)可再生的新能源的利用和節(jié)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(guān)元件逐漸成為用于實(shí)現(xiàn)今后的低碳社會(huì)的重要的關(guān)鍵組成。
[0003]然而，在將IGBT等的電力變換用開關(guān)元件應(yīng)用在電力變換的逆變器等的情況下，在導(dǎo)通時(shí)會(huì)產(chǎn)生與通路電阻相伴的導(dǎo)通損耗，在開關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生與開關(guān)動(dòng)作相伴的開關(guān)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(dǎo)通損耗以及開關(guān)損耗。
[0004]在專利文獻(xiàn)I中公開了 IGBT的示例，等間隔配置多個(gè)溝槽型的柵極，并且對(duì)相互相鄰的溝槽型的柵極提供關(guān)斷的定時(shí)錯(cuò)開的控制信號(hào)，由此能在不有損低導(dǎo)通損耗的特性的同時(shí)擴(kuò)大關(guān)斷時(shí)的安全動(dòng)作區(qū)域。
[0005]另外，在專利文獻(xiàn)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(gè)溝槽型的柵極，在被該柵極間隔窄的2個(gè)柵極所夾的半導(dǎo)體層的上部形成溝道層(基極區(qū)域)以及發(fā)射極區(qū)域，在被柵極間隔寬的2個(gè)柵極所夾的半導(dǎo)體層形成不與發(fā)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(dǎo)通損耗、即通路電壓。
[0006]但是，根據(jù)本申請的
【發(fā)明者】們的研討，獲知專利文獻(xiàn)2公開的結(jié)構(gòu)的IGBT有如下問題:關(guān)斷損耗大，并且在接通時(shí)，IGBT和對(duì)臂的二極管的輸出電壓的時(shí)間變化率dv/dr的控制性低。
[0007]關(guān)于這些問題當(dāng)中的接通時(shí)的輸出電壓的時(shí)間變化率(dv/dr)的控制性低的問題，在專利文獻(xiàn)3如下那樣說明了該問題產(chǎn)生的理由。
[0008]在IGBT成為通路狀態(tài)時(shí)，由于空穴過渡地流入形成在2個(gè)柵極間的P型的浮空層，因此該浮空層的電位變高。此時(shí)，位移電流經(jīng)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(jié)果，由MOS (Metal Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導(dǎo)體)FET (Field Effect Transistor場效應(yīng)晶體管)結(jié)構(gòu)的跨導(dǎo)(gm)和柵極-發(fā)射極間電壓(vge)的時(shí)間變化率(dvge/dt)之積決定的集電極電流(ic)的時(shí)間變化率(die/dt)增加，開關(guān)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(dǎo)體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)決定，因此難以用外部的柵極電阻進(jìn)行控制。因此，不能用外部的柵極電阻控制加速的dic/dt，其結(jié)果，產(chǎn)生不能用柵極電阻控制IGBT和對(duì)臂的二極管的電壓的時(shí)間變化率dv/dt的期間。
[0010]考慮這些，在專利文獻(xiàn)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(chǎn)生的結(jié)構(gòu)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(shí)的輸出電壓的時(shí)間變化率(dv/dt)的控制性。
[0011]先行技術(shù)文獻(xiàn)
[0012]專利文獻(xiàn)
[0013]專利文獻(xiàn)1:JP特開2000-101076號(hào)公報(bào)
[0014]專利文獻(xiàn)2:JP特開2006-222455號(hào)公報(bào)
[0015]專利文獻(xiàn)3:JP特開2011-119416號(hào)公報(bào)
[0016]發(fā)明的概要
[0017]發(fā)明要解決的課題
[0018]于是，在如專利文獻(xiàn)2所示的IGBT那樣在η型的漂移層內(nèi)設(shè)置P型的浮空層的情況下，在導(dǎo)通時(shí)空穴積蓄在漂移層內(nèi)而減少了通路電壓。另一方面，在關(guān)斷時(shí)，由于將該積蓄的空穴排出的時(shí)間變長，因此不管怎樣關(guān)斷損耗都會(huì)增加。在專利文獻(xiàn)3中，未充分考慮關(guān)斷時(shí)的損耗。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0019]鑒于以上的現(xiàn)有技術(shù)的問題點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于，提供使關(guān)斷時(shí)的損耗減少、并能提升接通時(shí)的輸出電壓的時(shí)間變化率(dv/dt)的控制性的電力變換用開關(guān)元件以及電力變換裝置。
[0020]用于解決課題的手段
[0021]本發(fā)明所涉及的電力變換用開關(guān)元件特征在于，第I導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層，其形成在半導(dǎo)體基板；第2導(dǎo)電型的溝道層，其與所述第I導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層相接，形成在所述半導(dǎo)體基板的第I表面?zhèn)?；柵極電極的組，其由第I柵極電極以及第2柵極電極構(gòu)成，其中第I柵極電極以及第2柵極電極在所述半導(dǎo)體基板的所述第I表面?zhèn)仍O(shè)置在貫穿所述溝道層而形成的多個(gè)溝槽的相互相鄰的2個(gè)2個(gè)的溝槽的各自中，隔著柵極絕緣膜與所述半導(dǎo)體層以及所述溝道層相接；第I導(dǎo)電型的發(fā)射極區(qū)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(fā)射極電極，其將所述第I導(dǎo)電型的發(fā)射極區(qū)域以及所述第2導(dǎo)電型的溝道層電連接；第2導(dǎo)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(gè)柵極電極所夾，是與所述發(fā)射極電極絕緣的所述溝道層；第2導(dǎo)電型的集電極層，其與所述第I導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層相接，形成在所述半導(dǎo)體基板的第2表面?zhèn)?；和集電極電極，其與所述第2導(dǎo)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(shè)為a，將屬于所述相互不同的組、相互相鄰的2個(gè)柵極電極彼此的間隔設(shè)為b，滿足b > a地配置各個(gè)柵極電極，并對(duì)所述第I柵極電極以及所述第2柵極電極分別提供在驅(qū)動(dòng)定時(shí)有時(shí)間差的第I驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及第2驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0022]發(fā)明的效果
[0023]根據(jù)本發(fā)明，提供能使關(guān)斷時(shí)的損耗減少、并使接通時(shí)的輸出電壓的時(shí)間變化率(dv/dt)的控制性提升的電力變換用開關(guān)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(fā)明的第I實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件的結(jié)構(gòu)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(guān)元件關(guān)斷時(shí)分別驅(qū)動(dòng)第I柵極電極(Gl)以及第2柵極電極(G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)次序的示例的圖。
[0026]圖3是表示在使電力變換用開關(guān)元件接通時(shí)分別驅(qū)動(dòng)第I柵極電極(Gl)以及第2柵極電極(G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)次序的示例的圖。
[0027]圖4是表示在使電力變換用開關(guān)元件關(guān)斷時(shí)分別驅(qū)動(dòng)第I柵極電極(Gl)以及第2柵極電極(G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)次序的第2例的圖。
[0028]圖5是表示在使電力變換用開關(guān)元件接通時(shí)分別驅(qū)動(dòng)第I柵極電極(Gl)以及第2柵極電極(G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)次序的第2例的圖。
[0029]圖6是表示電力變換用開關(guān)元件的輸出特性的示例的圖。
[0030]圖7是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的效果的示例的圖。
[0031]圖8是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的另外的效果的示例的圖。
[0032]圖9是表示實(shí)現(xiàn)圖2?圖5所示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)次序的驅(qū)動(dòng)電路的方塊構(gòu)成的示例的圖。
[0033]圖10是表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件的結(jié)構(gòu)的第I變形例的圖。
[0034]圖11是表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件的結(jié)構(gòu)的第2變形例的圖。
[0035]圖12是表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件的結(jié)構(gòu)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(fā)明的第2實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件的結(jié)構(gòu)的示例的圖。
[0037]圖14是示意表示本發(fā)明的第3實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件的結(jié)構(gòu)的示例的圖。
[0038]圖15是示意表示本發(fā)明的第4實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件的結(jié)構(gòu)的示例的圖。
[0039]圖16是示意表示本發(fā)明的第5實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件的結(jié)構(gòu)的示例的圖。
[0040]圖17是示意表示本發(fā)明的第6實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件的結(jié)構(gòu)的示例的圖。
[0041]圖18是表示運(yùn)用本發(fā)明的第I?第6實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件的電力變換裝置的電路構(gòu)成的示例的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]以下參考附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。另外，在用于說明實(shí)施方式的全部附圖中，對(duì)同一構(gòu)成要素標(biāo)注同一標(biāo)號(hào)，省略其重復(fù)的說明。
[0043](第I實(shí)施方式)
[0044]圖1是示意表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件100的結(jié)構(gòu)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(diǎn)劃線A-A’部分對(duì)應(yīng)的截面圖。
[0045]如圖1 (a)所示那樣，電力變換用開關(guān)元件100，能指具有2個(gè)獨(dú)立的控制柵極的IGBT，具有在硅等的η-型的半導(dǎo)體基板I的表面?zhèn)龋屢蚤g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(fù)配置的結(jié)構(gòu)。
[0046]在此，例如在η-型的半導(dǎo)體基板I的表面?zhèn)刃纬沙蔀镻型溝道層2或ρ型浮空層15的P型的半導(dǎo)體層，在該P(yáng)型的半導(dǎo)體層形成比該P(yáng)型的半導(dǎo)體層深的溝槽，在該溝槽的內(nèi)壁形成柵極絕緣膜5，在形成了該柵極絕緣膜5的溝槽內(nèi)嵌入導(dǎo)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(guān)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(fā)射極區(qū)域3 (也稱作源極區(qū)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(fā)射極區(qū)域3的部分，形成ρ型發(fā)射極區(qū)域12。
[0049]在柵極電極6、13、η型發(fā)射極區(qū)域3、ρ型發(fā)射極區(qū)域12以及ρ型浮空層15的上部(外側(cè))形成層間絕緣膜16，進(jìn)而在其上部(外側(cè))形成由導(dǎo)電性的金屬等構(gòu)成的發(fā)射極電極7。這時(shí)，在η型發(fā)射極區(qū)域3以及ρ型發(fā)射極區(qū)域12的上部的層間絕緣膜16形成開口部，η型發(fā)射極區(qū)域3以及ρ型發(fā)射極區(qū)域12與發(fā)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(fā)射極電極7絕緣。
[0050]在本實(shí)施方式中，夾著ρ型溝道層2、形成了 η型發(fā)射極區(qū)域3以及ρ型發(fā)射極區(qū)域12的區(qū)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(qū)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(shè)為間隔a <間隔b的情況下，能得到高速開關(guān)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(xiàn)2)。
[0051]另外，在η-型的半導(dǎo)體基板I的背面?zhèn)刃纬蒔型集電極層4，并與ρ型集電極層4接觸地形成由導(dǎo)電性的金屬等構(gòu)成的集電極電極8。
[0052]另外，在圖1 (a)中，η-型的半導(dǎo)體基板I當(dāng)中的除了 P型溝道層2、η型發(fā)射極區(qū)域3、ρ型發(fā)射極區(qū)域12以及ρ型集電極層4以外的區(qū)域是η-型的半導(dǎo)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(dú)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(gòu)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(gòu)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(fā)明的第I實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件100的特征在于，具有能從外部經(jīng)由第I柵極端子以及第2柵極端子獨(dú)立進(jìn)行驅(qū)動(dòng)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(guān)元件100關(guān)斷時(shí)分別驅(qū)動(dòng)第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13(G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)次序的示例的圖。在此，已經(jīng)對(duì)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(guān)元件100的開關(guān)狀態(tài)為“通路”狀態(tài)。
[0056]另外，在此所說的閾值電壓Vth是指，在對(duì)第I柵極電極6 (Gl)或第2柵極電極13 (G2)施加電壓時(shí)，在ρ型溝道層2內(nèi)形成將η型發(fā)射極區(qū)域3和η-型漂移層Id連系的導(dǎo)通路(溝道)的最低的電壓。
[0057]在本實(shí)施方式中，如圖2所示，在使電力變換用開關(guān)元件100關(guān)斷時(shí)，首先使第I柵極電極6(G1)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)從高于閾值電壓Vth的狀態(tài)向低于閾值電壓Vth的狀態(tài)變化(關(guān)斷)。另外，同時(shí)，先于該關(guān)斷的定時(shí)的給定的時(shí)間(例如3 μ秒)，使第2柵極電極13 (G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)從高于閾值電壓Vth的狀態(tài)向低于閾值電壓Vth的狀態(tài)變化(關(guān)斷)。
[0058]如以上那樣，通過在分別驅(qū)動(dòng)第I柵極電極6(G1)以及第2柵極電極13 (G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)中，使進(jìn)行關(guān)斷的定時(shí)錯(cuò)開給定的時(shí)間(例如3μ秒)，能得到減少電力變換用開關(guān)元件100的關(guān)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(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓高于閾值電壓Vth的狀態(tài)使第2柵極電極13(G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓從高于閾值電壓Vth的狀態(tài)向低于閾值電壓Vth狀態(tài)變化(關(guān)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(fā)射極區(qū)域3和η-型漂移層Id連系的溝道消失。由此，由于不再經(jīng)由形成在該第2柵極電極13 (G2)側(cè)的溝道向η-型漂移層Id注入電子，因此，對(duì)應(yīng)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(tài)下時(shí)，若使第I柵極電極6 (Gl)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓從高于閾值電壓Vth的狀態(tài)向低于閾值電壓Vth的狀態(tài)變化(關(guān)斷)，則形成在第I柵極電極6 (Gl)側(cè)的溝道也消失，也不再有經(jīng)由該溝道的向η-型漂移層Id的電子注入。其結(jié)果，電力變換用開關(guān)元件100的開關(guān)狀態(tài)成為“斷路”狀態(tài)。即，電力變換用開關(guān)元件100關(guān)斷。
[0061]這種情況下，由于在使第I柵極電極6 (Gl)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓從高于閾值電壓Vth的狀態(tài)向低于閾值電壓Vth的狀態(tài)變化(關(guān)斷)時(shí)，積蓄在η-型漂移層Id的空穴的量減少，與此相應(yīng)縮短了空穴的排出時(shí)間。其結(jié)果，電力變換用開關(guān)元件100的關(guān)斷時(shí)間變短，關(guān)斷損耗減少。
[0062]另外，由于若第I柵極電極6(G1)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及第2柵極電極13(G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)各自進(jìn)行關(guān)斷的定時(shí)的時(shí)間差td變長，則通路電壓增加的期間變長，因此導(dǎo)通損耗增加。另一方面，若該時(shí)間差td過短，則關(guān)斷損耗減少的效果變小。因此，為了得到充分的關(guān)斷損耗減少的效果，期望時(shí)間差^為3 μ s以上。
[0063]圖3是表示在使電力變換用開關(guān)元件100接通時(shí)分別驅(qū)動(dòng)第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13(G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)次序的示例的圖。在此，已經(jīng)對(duì)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(guān)元件100的開關(guān)狀態(tài)為“斷路”狀態(tài)。
[0064]在本實(shí)施方式中，如圖3所示，在使電力變換用開關(guān)元件100接通時(shí)，首先使第I柵極電極6(G1)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)從低于閾值電壓Vth的狀態(tài)向高于閾值電壓Vth的狀態(tài)變化(接通)。另外，同時(shí)，從該接通的定時(shí)延遲給定的時(shí)間(例如3 μ秒)來使第2柵極電極13 (G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)從低于閾值電壓Vth的狀態(tài)向高于閾值電壓Vth的狀態(tài)變化(接通)。
[0065]如以上那樣，在分別驅(qū)動(dòng)第I柵極電極6(G1)以及第2柵極電極13 (G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)中，通過使進(jìn)行接通的定時(shí)錯(cuò)開給定的時(shí)間(例如3μ秒)，能得到改善電力變換用開關(guān)元件100的輸出電壓的時(shí)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(jìn)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(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓超過閾值電壓Vth(接通)時(shí)第2柵極電極13(G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓尚處在低于閾值電壓Vth的狀態(tài)，因此未在第2柵極電極13 (G2)側(cè)形成將η型發(fā)射極區(qū)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(jīng)由形成在第I柵極電極6(G1)偵J的溝道進(jìn)行，因此集電極電流的時(shí)間變化率dic/dt不會(huì)變得太大，抑制了開關(guān)速度。作為其結(jié)果，改善了電力變換用開關(guān)元件100的輸出電壓的時(shí)間變化率dv/dt的控制性。
[0067]另外，若第I柵極電極6(G1)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及第2柵極電極13(G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)各自進(jìn)行接通的定時(shí)的時(shí)間差td過短，則改善輸出電壓的時(shí)間變化率dv/dt的控制性的效果變小。因此，期望該時(shí)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(qū)動(dòng)信號(hào)先于第I柵極電極6 (Gl)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)斷的定時(shí)成為關(guān)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(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)為從第I柵極電極6 (Gl)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的接通的定時(shí)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(guān)元件100關(guān)斷時(shí)分別驅(qū)動(dòng)第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13(G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)次序的第2例的圖。該驅(qū)動(dòng)次序與圖2所示的驅(qū)動(dòng)次序相異點(diǎn)在于，將使第2柵極電極13(G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的柵極斷路時(shí)的電壓設(shè)為負(fù)電壓(-Vcc)ο
[0070]在使電力變換用開關(guān)元件100關(guān)斷的情況下，若將使第2柵極電極13(G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的柵極斷路時(shí)的電壓設(shè)為負(fù)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(jié)果，促進(jìn)了關(guān)斷時(shí)的空穴的排出，減少了關(guān)斷損耗。
[0071]圖5是表示在使電力變換用開關(guān)元件100接通時(shí)分別驅(qū)動(dòng)第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13(G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)次序的第2例的圖。該驅(qū)動(dòng)次序與圖3所示的驅(qū)動(dòng)次序的相異點(diǎn)在于，將使第2柵極電極13(G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的柵極斷路時(shí)的電壓設(shè)為接地電位(Gnd)。
[0072]在使電力變換用開關(guān)元件100接通的情況下，若將使第2柵極電極13(G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的柵極斷路時(shí)的電壓下降到負(fù)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(shí)，通過接通時(shí)的P型浮空層15的電位變動(dòng)，P型溝道層2的電位也變動(dòng)，輸出電壓的時(shí)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(qū)動(dòng)信號(hào)的柵極斷路時(shí)的電壓設(shè)為接地電位(Gnd)。另外，在此，設(shè)接地電位(Gnd)是與發(fā)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(guān)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(shí)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(shí)，通路電壓成為最小，在電壓Vg2為-15V時(shí)，通路電壓成為最大。
[0074]為此，在此，通過在電力變換用開關(guān)元件100的導(dǎo)通時(shí)將第2柵極電極13 (G2)的電壓Vg2設(shè)為+15V，降低其通路電壓，另外，通過在電力變換用開關(guān)元件100的關(guān)斷時(shí)將第2柵極電極13(G2)的電壓Vg2設(shè)為-15V，提高其通路電壓。這種情況下，如圖4中說明的那樣，關(guān)斷損耗減少。即，通過在時(shí)間軸上動(dòng)態(tài)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(guān)斷損耗這樣的效果。
[0075]圖7是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的效果的示例的圖。圖7所示的通路電壓和關(guān)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(shí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)圖1所示的電力變換用開關(guān)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(shí)施方式是指，用圖2中示出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)圖1所示的電力變換用開關(guān)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(biāo)記表征的各點(diǎn)的通路電壓以及關(guān)斷損耗的值，表征以P型集電極層4的雜質(zhì)濃度為參數(shù)并使其變化時(shí)得到的通路電壓以及關(guān)斷損耗的值。根據(jù)該比較例的折衷曲線，若提高P型集電極層4的雜質(zhì)濃度，雖然通路電壓變低，但關(guān)斷損耗會(huì)變大，另外，若降低P型集電極層4的雜質(zhì)濃度，則雖然通路電壓會(huì)變高，但關(guān)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(zhì)濃度，不能實(shí)現(xiàn)讓通路電壓降低且減小關(guān)斷損耗。
[0078]另一方面，在本實(shí)施方式中，即使ρ型集電極層4的雜質(zhì)濃度是與位于比較例的折衷曲線最左上的黑色的方塊標(biāo)記對(duì)應(yīng)的濃度，其關(guān)斷損耗也被改善到黑色的三角標(biāo)記所示的位置。即，在本實(shí)施方式中，可知在電力變換用開關(guān)元件100中，能實(shí)現(xiàn)降低通路電壓且減小接通損耗。
[0079]進(jìn)而，若擴(kuò)展開來進(jìn)行判斷，則通過錯(cuò)開時(shí)間地對(duì)圖1所示的電力變換用開關(guān)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(qū)動(dòng)信號(hào)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制，與比較例相比，能大幅改善通路電壓和關(guān)斷損耗的折衷。
[0080]圖8是表示本發(fā)明的實(shí)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(shí)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(duì)比較例示出2條通路電壓和關(guān)斷損耗的折衷曲線。這當(dāng)中，以包含黑色的方塊標(biāo)記的實(shí)線描繪的折衷曲線，是將圖1所示的電力變換用開關(guān)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(shè)為3 μ μ m時(shí)的折衷曲線。另外，以包含白色的方塊標(biāo)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(guān)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(shè)為I μπι時(shí)的折衷曲線。
[0082]根據(jù)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(guān)斷損耗增加。由此，折衷曲線本身不太變化。這時(shí)因?yàn)?，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(guān)斷損耗增加。
[0083]另一方面，在本實(shí)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(shí)，各個(gè)通路電壓以及關(guān)斷損耗從用圖8的黑色的三角標(biāo)記表征的點(diǎn)向用白色的三角標(biāo)記表征的點(diǎn)移動(dòng)。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(guān)斷損耗增加。但是，該關(guān)斷損耗的增加量小于比較例的情況。
[0084]因此，在本實(shí)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(guān)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(shí)施方式(圖1所示的電力變換用開關(guān)元件100)中，將間隔a設(shè)為I μπι以下。
[0086]圖9是表示實(shí)現(xiàn)圖2?圖5所示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)次序的驅(qū)動(dòng)電路的方塊構(gòu)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(gè)不同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的電力變換用開關(guān)元件100。另外，可變電阻32，是在電路上表現(xiàn)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(qū)動(dòng)電路37包含如下要素而構(gòu)成:控制電路35，其基于從個(gè)人計(jì)算機(jī)36輸出的控制信號(hào)，來生成圖2?圖5所示那樣的定時(shí)錯(cuò)開的2個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；和緩沖電路33、34，其接受從控制電路35輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的一者，分別生成驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件30的第I驅(qū)動(dòng)信號(hào)38以及第2驅(qū)動(dòng)信號(hào)39。
[0088]即，將從緩沖電路33輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)38輸入到IGBT31的柵極端子，另外，將從緩沖電路33輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(qū)動(dòng)信號(hào)38與第I柵極電極6 (Gl)連接，驅(qū)動(dòng)信號(hào)39與第2柵極電極13 (G2)連接。
[0089]圖10是表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件的結(jié)構(gòu)的第I變形例的圖。在圖1所示的電力變換用開關(guān)元件100中，為了輸入分別驅(qū)動(dòng)第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13(G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，需要2個(gè)獨(dú)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(guān)元件101中，將2個(gè)獨(dú)立的柵極端子匯總成I個(gè)。然后，從該匯總成I的柵極端子輸入驅(qū)動(dòng)第2柵極電極13 (G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而將用電阻20使該驅(qū)動(dòng)信號(hào)延遲的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(guān)元件101的接通以及關(guān)斷時(shí)將其定時(shí)錯(cuò)開的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(guān)元件101中，也改善了輸出電壓的時(shí)間變化率dv/dt的控制性，并能得到減少關(guān)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(guān)元件101這樣的半導(dǎo)體裝置中而實(shí)現(xiàn)，因此能簡化設(shè)于外部的柵極驅(qū)動(dòng)電路37。因此，能實(shí)現(xiàn)使用了電力變換用開關(guān)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(fā)明的第I實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件的結(jié)構(gòu)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(guān)元件102中，與第I變形例相同，將2個(gè)獨(dú)立的柵極端子匯總成I個(gè)。然后，從該匯總成I個(gè)的柵極端子輸入驅(qū)動(dòng)第2柵極電極13 (G2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而將用電阻20以及電容器21使該驅(qū)動(dòng)信號(hào)延遲的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入到第I柵極電極6 (G1)。
[0094]如以上那樣，驅(qū)動(dòng)電力變換用開關(guān)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(jī)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(guān)元件102這樣的半導(dǎo)體裝置中而實(shí)現(xiàn)。因此，在第2變形例所涉及的電力變換用開關(guān)元件102中，能得到與第I變形例所涉及的電力變換用開關(guān)元件101同樣的效果。
[0096]圖12是表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件的結(jié)構(gòu)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(diǎn)劃線A-A’部分對(duì)應(yīng)的截面圖。
[0097]圖12所示的電力變換用開關(guān)元件103與圖1所示的電力變換用開關(guān)元件100的相異點(diǎn)在于，反復(fù)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(guān)元件100中，成為按照(G1-G2)-(G1-G2)_...這樣平行移動(dòng)且反復(fù)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(guān)元件103中，成為按照(G1-G2)-(G2-G1)-..?這樣彼此翻轉(zhuǎn)其位置并反復(fù)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(guān)元件103中，如此相互翻轉(zhuǎn)其位置并反復(fù)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(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(guān)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(cè)，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(qū)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(qū)域中的各個(gè)柵極電極區(qū)域的面積較大，因此能在該柵極電極區(qū)域設(shè)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(qū)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(guān)元件103中，能對(duì)第I柵極電極6 (Gl)以及第2柵極電極13 (G2)輸入更穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0101](第2實(shí)施方式)
[0102]圖13是示意表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件110的結(jié)構(gòu)的示例的圖。
[0103]如圖13所示，第2實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件110的結(jié)構(gòu)與圖1所示的第I實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件100的結(jié)構(gòu)幾乎相同，但在第2實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件110中，在P型集電極層4與η-型漂移層Id的界面設(shè)置有η型緩沖層14，在這一點(diǎn)上相異。
[0104]η型緩沖層14起到的作用是:在電力變換用開關(guān)元件110為斷路狀態(tài)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(dá)P型集電極層4。將該η型緩沖層14的雜質(zhì)濃度形成得高于η-型漂移層Id的雜質(zhì)濃度。
[0105]并且，在該第2實(shí)施方式中，使用圖2?圖5所示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將時(shí)間錯(cuò)開地驅(qū)動(dòng)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(shí)施方式同樣的效果。即，在電力變換用開關(guān)元件110中也減少了關(guān)斷損耗，改善了輸出電壓的時(shí)間變化率dv/dt的控制性。
[0106](第3實(shí)施方式)
[0107]圖14是示意表示本發(fā)明的第3實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件120的結(jié)構(gòu)的示例的圖。
[0108]如圖14所示，第3實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件120的結(jié)構(gòu)與圖1所示的第I實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件100的結(jié)構(gòu)幾乎相同，但在第3實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件120中，在P型溝道層2與η-型漂移層Id的界面設(shè)置有η型空穴勢皇層10，在這一點(diǎn)上相異。
[0109]η型空穴勢皇層10承擔(dān)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(shí)施方式中，使用圖2?圖5所示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將時(shí)間錯(cuò)開地驅(qū)動(dòng)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(shí)施方式同樣的效果。即，在電力變換用開關(guān)元件140中也減少了關(guān)斷損耗，改善了輸出電壓的時(shí)間變化率dv/dt的控制性。
[0111](第4實(shí)施方式)
[0112]圖15是示意表示本發(fā)明的第4實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件130的結(jié)構(gòu)的示例的圖。
[0113]如圖15所示那樣，第4實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件130的結(jié)構(gòu)與圖1所示的第I實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件100的結(jié)構(gòu)幾乎相同，但在第3實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件130中，不設(shè)有第I實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件100中設(shè)置的P型浮空層15，在這一點(diǎn)上相異。
[0114]并且，在該第4實(shí)施方式中，使用圖2?圖5所示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將時(shí)間錯(cuò)開地驅(qū)動(dòng)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(shí)施方式的情況相同，減少了關(guān)斷損耗，改善了輸出電壓的時(shí)間變化率dv/dt的控制性。另外，改善輸出電壓的時(shí)間變化率dv/dt的控制性的理由在于，通過在接通時(shí)對(duì)第2柵極電極13 (G2)施加閾值以下的電壓，集電極電流的時(shí)間變化率dic/dt降低，開關(guān)速度受到抑制。
[0115](第5實(shí)施方式)
[0116]圖16是示意表示本發(fā)明的第5實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件140的結(jié)構(gòu)的示例的圖。
[0117]如圖15所示那樣，在第5實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件140中，在η-型的半導(dǎo)體基板I的表面?zhèn)却笾碌乳g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(dǎo)體基板I形成P型集電極層4、η型發(fā)射極區(qū)域3以及P型發(fā)射極區(qū)域12，進(jìn)而，該η型發(fā)射極區(qū)域3以及P型發(fā)射極區(qū)域12與設(shè)于其上部的表面?zhèn)鹊陌l(fā)射極電極7連接。另夕卜，在本實(shí)施方式中，不設(shè)有與第I實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件100中所說的P型浮空層15對(duì)應(yīng)的層或區(qū)域。
[0118]另外，在電力變換用開關(guān)元件140的背面?zhèn)鹊摩?型的半導(dǎo)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(shí)施方式中，使用圖2?圖5所示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將時(shí)間錯(cuò)開地驅(qū)動(dòng)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(shí)施方式的情況相同，減少了關(guān)斷損耗，改善了輸出電壓的時(shí)間變化率dv/dt的控制性。另外，改善輸出電壓的時(shí)間變化率dv/dt的控制性的理由與第4實(shí)施方式的情況相同，都是因?yàn)?，通過在接通時(shí)對(duì)第2柵極電極13(G2)施加閾值以下的電壓，集電極電流的時(shí)間變化率dic/dt降低，開關(guān)速度受到抑制。
[0120](第6實(shí)施方式)
[0121]圖17是示意表示本發(fā)明的第6實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件150的結(jié)構(gòu)的示例的圖。
[0122]如圖15所示那樣，在第5實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件150中，n_型的半導(dǎo)體基板I的表面?zhèn)却笾碌乳g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(dǎo)體基板I形成P型集電極層4、η型發(fā)射極區(qū)域3以及ρ型發(fā)射極區(qū)域12，進(jìn)而，該η型發(fā)射極區(qū)域3以及ρ型發(fā)射極區(qū)域12與設(shè)于其上部的表面?zhèn)鹊陌l(fā)射極電極7連接。另外，在本實(shí)施方式中，不設(shè)有與第I實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件100中所說的ρ型浮空層15對(duì)應(yīng)的層或區(qū)域。
[0123]另外，在電力變換用開關(guān)元件140的背面?zhèn)鹊摩?型的半導(dǎo)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(shí)施方式中，使用圖2?圖5所示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將時(shí)間錯(cuò)開地驅(qū)動(dòng)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(shí)施方式的情況相同，減少了關(guān)斷損耗，改善了輸出電壓的時(shí)間變化率dv/dt的控制性。另外，改善輸出電壓的時(shí)間變化率dv/dt的控制性的理由與第4實(shí)施方式的情況相同，都是因?yàn)椋ㄟ^在接通時(shí)對(duì)第2柵極電極13 (G2)施加閾值以下的電壓，集電極電流的時(shí)間變化率dic/dt降低，開關(guān)速度受到抑制。
[0125](第7實(shí)施方式)
[0126]圖18是表示運(yùn)用本發(fā)明的第I?第6實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件100、110、120、130、140、150的電力變換裝置1000的電路構(gòu)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(duì)電動(dòng)機(jī)950的轉(zhuǎn)速進(jìn)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(fù)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(dòng)機(jī)950連接。
[0128]在P端子900與N端子901間，并聯(lián)設(shè)置有3個(gè)將2個(gè)電力變換用開關(guān)元件700串聯(lián)連接的電路。并且，該各個(gè)電路中的將2個(gè)電力變換用開關(guān)元件700串聯(lián)連接的連接點(diǎn)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(guān)元件700是指第I?第6實(shí)施方式所涉及的電力變換用開關(guān)元件100、110、120、130、140、150的任意者。
[0129]在此，所謂的上臂側(cè)的電力變換用開關(guān)元件700，其各自的集電極電極8與P端子900連接，發(fā)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(cè)的電力變換用開關(guān)元件700，其各自的發(fā)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(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路800改變各個(gè)電力變換用開關(guān)元件700的通路/斷路的定時(shí)的相位地進(jìn)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(qū)動(dòng)電路800與圖9所示的柵極驅(qū)動(dòng)電路37對(duì)應(yīng)。
[0131]進(jìn)而，在各個(gè)電力變換用開關(guān)元件700逆并聯(lián)連接續(xù)流二極管600。續(xù)流二極管600在例如上臂側(cè)的電力變換用開關(guān)元件700為斷路的情況下，通過將流過該電力變換用開關(guān)元件700的電流換向到與下臂側(cè)的電力變換用開關(guān)元件700逆并聯(lián)連接的續(xù)流二極管600，來釋放貯存在電動(dòng)機(jī)950的線圈的能量。另外，在下臂側(cè)的電力變換用開關(guān)元件700在斷路的情況下也相同。
[0132]在以上那樣構(gòu)成的電力變換裝置1000中，雖然在各個(gè)電力變換用開關(guān)元件700的導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，在通路/斷路時(shí)產(chǎn)生開關(guān)損耗，但在本實(shí)施方式中，由于作為電力變換用開關(guān)元件700使用第I?第6實(shí)施方式中說明的電力變換用開關(guān)元件100、110、120、130、140、150，因此減少了作為電力變換裝置1000的導(dǎo)通損耗以及開關(guān)損耗。
[0133]另外，圖18所示的電力變換裝置1000的構(gòu)成是一例，即使是輸出2相的交流電流的構(gòu)成，另外，即使是將交流電流變換成直流電流的構(gòu)成，也能得到與本實(shí)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(guān)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(fā)明并不限定于以上說明的實(shí)施方式所限定的構(gòu)成，還包含各種變形例。例如，所述的實(shí)施方式為了易于理解本發(fā)明地進(jìn)行說明而詳細(xì)地做出了說明，但并不一定限定于包含說明的全部構(gòu)成。另外，能用其他實(shí)施方式的構(gòu)成的一部分置換某實(shí)施方式的構(gòu)成的一部分，進(jìn)而，還能用在某實(shí)施方式的構(gòu)成中加入其它實(shí)施方式的構(gòu)成的一部分或全部。
[0136]標(biāo)號(hào)的說明
[0137]I η-型的半導(dǎo)體基板(第I導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基板)
[0138]Id η-型漂移層(第I導(dǎo)電型半導(dǎo)體層)
[0139]2 ρ型溝道層(第2導(dǎo)電型溝道層)
[0140]3 η型發(fā)射極區(qū)域(第I導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)域)
[0141]4 P型集電極層(第2導(dǎo)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(fā)射極電極
[0145]8集電極電極
[0146]10 η型空穴勢皇層(第I導(dǎo)電型的空穴勢皇層)
[0147]12 ρ型發(fā)射極區(qū)域
[0148]13第2柵極電極(G2)
[0149]14 η型緩沖層(第I導(dǎo)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(gè)人計(jì)算機(jī)
[0159]37柵極驅(qū)動(dòng)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(guān)元件
[0164]110、120、130、140、150 電力變換用開關(guān)元件
[0165]600續(xù)流二極管(二極管)
[0166]700電力變換用開關(guān)元件
[0167]800柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)
[0174]960直流電源
【權(quán)利要求】
1.一種電力變換用開關(guān)元件，其特征在于，具備: 第I導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層，其形成在半導(dǎo)體基板； 第2導(dǎo)電型的溝道層，其與所述第I導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層相接，形成在所述半導(dǎo)體基板的第I表面?zhèn)龋? 柵極電極的組，其由第I柵極電極以及第2柵極電極構(gòu)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(dǎo)體層以及所述溝道層相接的方式，在所述半導(dǎo)體基板的所述第I表面?zhèn)仍O(shè)置在貫穿所述溝道層而形成的多個(gè)溝槽的相互相鄰的每2個(gè)溝槽的各自中； 第I導(dǎo)電型的發(fā)射極區(qū)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(fā)射極電極，其將所述第I導(dǎo)電型的發(fā)射極區(qū)域以及所述第2導(dǎo)電型的溝道層電連接; 第2導(dǎo)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(gè)柵極電極所夾，是與所述發(fā)射極電極絕緣的所述溝道層； 第2導(dǎo)電型的集電極層，其與所述第I導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層相接，形成在所述半導(dǎo)體基板的第2表面?zhèn)?；? 集電極電極，其與所述第2導(dǎo)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(shè)為a，將屬于所述互不相同的組、且相互相鄰的2個(gè)柵極電極彼此的間隔為b，滿足b > a地配置各個(gè)柵極電極， 并且，對(duì)所述第I柵極電極以及所述第2柵極電極分別提供在驅(qū)動(dòng)定時(shí)有時(shí)間差的第I驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及第2驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換用開關(guān)元件，其特征在于， 所述第I驅(qū)動(dòng)信號(hào)被關(guān)斷的定時(shí)與所述第2驅(qū)動(dòng)信號(hào)被關(guān)斷的定時(shí)的時(shí)間差為3 μ秒以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換用開關(guān)元件，其特征在于， 所述第I驅(qū)動(dòng)信號(hào)被接通的定時(shí)和所述第2驅(qū)動(dòng)信號(hào)被接通的定時(shí)的時(shí)間差為3 μ秒以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電力變換用開關(guān)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(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換用開關(guān)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(jīng)由電阻而連接，驅(qū)動(dòng)所述第I柵極電極的所述第I驅(qū)動(dòng)信號(hào)是通過所述電阻使驅(qū)動(dòng)所述第2柵極電極的所述第2驅(qū)動(dòng)信號(hào)延遲后的信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換用開關(guān)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(jīng)由電阻連接，且所述第I柵極電極和所述發(fā)射極電極經(jīng)由電容器連接，驅(qū)動(dòng)所述第I柵極電極的所述第I驅(qū)動(dòng)信號(hào)是通過所述電阻以及所述電容器使驅(qū)動(dòng)所述第2柵極電極的所述第2驅(qū)動(dòng)信號(hào)延遲后的信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換用開關(guān)元件，其特征在于， 在所述第I導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層與所述第2導(dǎo)電型的集電極層間形成雜質(zhì)的濃度高于所述第I導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層的雜質(zhì)的濃度的第I導(dǎo)電型的緩沖層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換用開關(guān)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(dǎo)電型的半導(dǎo)體層的邊界部分，形成雜質(zhì)的濃度高于所述第I導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層的雜質(zhì)的濃度的第I導(dǎo)電型的空穴勢皇層。
9.一種電力變換用開關(guān)元件，其特征在于，具備: 第I導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層，其形成在半導(dǎo)體基板； 第2導(dǎo)電型的溝道區(qū)域，其與所述第I導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層相接，形成在所述半導(dǎo)體基板的第I表面?zhèn)龋? 柵極電極，其隔著柵極絕緣膜分別與所述第2導(dǎo)電型的溝道區(qū)域以及所述第I導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層相接地設(shè)置； 第I導(dǎo)電型的發(fā)射極區(qū)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(shè)置在與所述溝道區(qū)域內(nèi)的所述第I導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層分開的位置； 發(fā)射極電極，其將所述第I導(dǎo)電型的發(fā)射極區(qū)域以及所述第2導(dǎo)電型的溝道區(qū)域電連接; 第2導(dǎo)電型的集電極層，其與所述第I導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層相接，形成在所述半導(dǎo)體基板的第2表面?zhèn)?；? 集電極電極，其與所述第2導(dǎo)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(qū)動(dòng)定時(shí)有時(shí)間差的第I驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及第2驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dǎo)體基板的第I表面?zhèn)取?br>
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電力變換用開關(guān)元件，其特征在于， 所述第I驅(qū)動(dòng)信號(hào)被關(guān)斷的定時(shí)和所述第2驅(qū)動(dòng)信號(hào)被關(guān)斷的定時(shí)的時(shí)間差為3 μ秒以上。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電力變換用開關(guān)元件，其特征在于， 所述第I驅(qū)動(dòng)信號(hào)被接通的定時(shí)和所述第2驅(qū)動(dòng)信號(hào)被接通的定時(shí)的時(shí)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(gòu)成: 一對(duì)直流端子； 直交流變換電路，其將使電流通路/斷路的2個(gè)電流開關(guān)元件串聯(lián)連接在所述直流端子間而構(gòu)成；和 交流端子，其連接在所述直交流變換電路的所述2個(gè)電流開關(guān)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(guān)元件是權(quán)利要求1或權(quán)利要求9所述的電力變換用開關(guān)元件。
【文檔編號(hào)】H01L29/739GK104488085SQ201280074588
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月7日
【發(fā)明者】橋本貴之, 森睦宏, 增永昌弘 申請人:株式會(huì)社日立制作所