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公開番号2025067676
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-24
出願番号2023177823
出願日2023-10-13
発明の名称電力変換装置
出願人株式会社豊田中央研究所,株式会社ミライズテクノロジーズ,豊田合成株式会社,国立大学法人東海国立大学機構,トヨタ自動車株式会社,株式会社デンソー
代理人弁理士法人快友国際特許事務所
主分類H10D 30/66 20250101AFI20250417BHJP()
要約【課題】リカバリー損失を抑制可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】
電力変換装置は、ワイドギャップ半導体層を有する縦型の半導体装置を備える。ワイドギャップ半導体層は、第1導電型のドリフト領域と、第2導電型の電界緩和領域と、一対の電界緩和領域の間に設けられている第1導電型のJFET領域と、第2導電型のボディ領域と、第1導電型のソース領域と、上面からJFET領域に到達しているトレンチ型のゲート電極と、を備える。ワイドギャップ半導体層には、電界緩和領域とドリフト領域とのpn接合によるボディダイオードが形成されている。ボディ領域の不純物濃度は、電界緩和領域の不純物濃度よりも低い。半導体装置は、ソース領域からドリフト領域へ向かう還流電流がボディダイオードを流れるときに、還流電流の少なくとも一部がチャネル領域を流れるように構成されている。
【選択図】図7
特許請求の範囲【請求項１】
半導体装置を備えた電力変換装置であって、
前記半導体装置は、ワイドギャップ半導体層を有する縦型の半導体装置であり、
前記ワイドギャップ半導体層は、
第１導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域上に一対に配置されている、第２導電型の電界緩和領域と、
前記一対の電界緩和領域のそれぞれとの間に設けられている第１導電型のＪＦＥＴ領域と、
一対の前記電界緩和領域上に一対に配置されている、第２導電型のボディ領域と、
一対の前記ボディ領域上に一対に配置されており、前記ワイドギャップ半導体層の上面に露出する位置に配置されており、前記ボディ領域によって前記ドリフト領域から隔てられている、第１導電型のソース領域と、
前記上面から前記ソース領域および前記ボディ領域を貫通して前記ＪＦＥＴ領域に到達するように深部に向けて伸びている、トレンチ型のゲート電極と、
を備えており、
前記ワイドギャップ半導体層には、前記電界緩和領域と前記ドリフト領域とのｐｎ接合によるボディダイオードが形成されており、
前記ボディ領域は、前記ボディ領域と前記ゲート電極との界面近傍に、反転層が形成されるチャネル領域を有しており、
前記ボディ領域の不純物濃度は、前記電界緩和領域の不純物濃度よりも低く、
前記半導体装置は、前記ソース領域から前記ドリフト領域へ向かう還流電流が前記ボディダイオードを流れるときに、前記還流電流の少なくとも一部が前記チャネル領域を流れるように構成されている、
電力変換装置。
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
前記半導体装置のゲート閾値電圧が、前記ワイドギャップ半導体層のバンドギャップの０．５倍に対応する第１閾値よりも大きく、前記バンドギャップの１．０倍に対応する第２閾値よりも小さい、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記ゲート電極は、トレンチの内壁に配置されているゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して前記トレンチ内に配置されている導電体と、を備えており、
前記ゲート絶縁膜は、前記ボディ領域と接触している第１領域と、前記ＪＦＥＴ領域と接触している第２領域と、を備えており、
前記ゲート絶縁膜の固定電荷密度は、前記第１領域の方が前記第２領域よりも高い、請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
半導体装置を備えた電力変換装置であって、
前記半導体装置は、ワイドギャップ半導体層を有する縦型の半導体装置であり、
前記ワイドギャップ半導体層は、
第１導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域上に一対に配置されている、第２導電型の電界緩和領域と、
一対の前記電界緩和領域のそれぞれの間に設けられている第１導電型のＪＦＥＴ領域と、
一対の前記電界緩和領域上に一対に配置されており、前記ワイドギャップ半導体層の上面に露出する位置に配置されている、第２導電型のボディ領域と、
一対の前記ボディ領域の配置領域内に一対に配置されており、前記ワイドギャップ半導体層の上面に露出する位置に配置されており、前記ボディ領域によって前記ドリフト領域および前記ＪＦＥＴ領域から隔てられている、第１導電型のソース領域と、
前記上面に配置されているプレーナ型のゲート電極であって、前記ＪＦＥＴ領域に対向するとともに、前記ＪＦＥＴ領域と前記ソース領域を隔てている部分の前記ボディ領域である特定ボディ領域にも対向するように配置されている、前記ゲート電極と、
を備えており、
前記特定ボディ領域は、前記特定ボディ領域と前記ゲート電極との界面近傍において、チャネル領域を有しており、
前記ボディ領域の不純物濃度は、前記電界緩和領域の不純物濃度よりも低く、
前記半導体装置は、還流電流が流れるときに、前記還流電流の少なくとも一部が前記チャネル領域を流れるように構成されている、
電力変換装置。
【請求項５】
前記半導体装置のゲート閾値電圧が、前記ワイドギャップ半導体層のバンドギャップの０．５倍に対応する第１閾値よりも大きく、前記バンドギャップの１．０倍に対応する第２閾値よりも小さい、請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記ワイドギャップ半導体層は、窒化ガリウムであり、
前記ゲート電極は、前記ＪＦＥＴ領域および前記特定ボディ領域に対向しているゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上面に配置されている導電体と、を備えており、
前記特定ボディ領域と前記ゲート絶縁膜との間には、窒化アルミニウムガリウム層が配置されている、請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記ゲート電極は、前記ＪＦＥＴ領域および前記特定ボディ領域に対向しているゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上面に配置されている導電体と、を備えており、
前記ゲート絶縁膜は、前記特定ボディ領域と対向している第１領域と、前記ＪＦＥＴ領域と対向している第２領域と、を備えており、
前記ゲート絶縁膜の固定電荷密度は、前記第１領域の方が前記第２領域よりも高い、請求項４－６の何れか１項に記載の電力変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、電力変換装置に関する。
続きを表示（約 2,400 文字）【背景技術】
【０００２】
電力変換装置のスイッチング制御に半導体装置を用いる場合、半導体装置がオフ状態であるときに、逆方向に還流電流を流す必要がある。この還流電流の電流経路として、半導体装置の内部に内在するｐｎ接合（ボディダイオード）を用いる場合がある。なお、関連する技術が、特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特許第４９１８６２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ボディダイオードを介して還流電流を流す場合、ｐｎ接合ダイオードのバイポーラ動作に起因して、ボディダイオードがオン状態からオフ状態に遷移するとき、逆回復電流が流れる。逆回復電流によってリカバリー損失が発生してしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書は、半導体装置を備えた電力変換装置を開示する。半導体装置は、ワイドギャップ半導体層を有する縦型の半導体装置である。ワイドギャップ半導体層は、第１導電型のドリフト領域を備える。ワイドギャップ半導体層は、ドリフト領域上に一対に配置されている、第２導電型の電界緩和領域を備える。ワイドギャップ半導体層は、一対の電界緩和領域のそれぞれとの間に設けられている第１導電型のＪＦＥＴ領域を備える。ワイドギャップ半導体層は、一対の電界緩和領域上に一対に配置されている、第２導電型のボディ領域を備える。ワイドギャップ半導体層は、一対のボディ領域上に一対に配置されており、ワイドギャップ半導体層の上面に露出する位置に配置されており、ボディ領域によってドリフト領域から隔てられている、第１導電型のソース領域を備える。ワイドギャップ半導体層は、上面からソース領域およびボディ領域を貫通してＪＦＥＴ領域に到達するように深部に向けて伸びている、トレンチ型のゲート電極を備える。ワイドギャップ半導体層には、電界緩和領域とドリフト領域とのｐｎ接合によるボディダイオードが形成されている。ボディ領域は、ボディ領域とゲート電極との界面近傍に、反転層が形成されるチャネル領域を有している。ボディ領域の不純物濃度は、電界緩和領域の不純物濃度よりも低い。半導体装置は、ソース領域からドリフト領域へ向かう還流電流がボディダイオードを流れるときに、還流電流の少なくとも一部がチャネル領域を流れるように構成されている。
【０００６】
上記の構成によると、電界緩和領域により半導体装置の耐圧を維持しながら、ボディ領域の不純物濃度を低下させることができる。ボディ領域の不純物濃度を低下させるほど、ゲート閾値電圧を低下させることができる。そして還流電流が発生した場合に、ゲート閾値電圧を低下させるほど、より多くの還流電流をチャネル領域に分流させることができる。これにより、ボディダイオードの逆回復電流を低減できるため、リカバリー損失を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
電力変換装置１の構成の概要を示す図である。
半導体装置Ｍ２の断面図である。
電力変換装置１の動作説明図である。
電力変換装置１の動作説明図である。
電力変換装置１の動作説明図である。
電力変換装置１の動作説明図である。
半導体装置Ｍ２での還流電流Ｉ２の流れ方を説明する図である。
不純物濃度とスイッチ損失の関係を示すグラフである。
ゲート閾値電圧Ｖｔｈとスイッチ損失の関係を示すグラフである。
半導体装置Ｍ２ａの断面図である。
固定電荷量とスイッチ損失の関係を示すグラフである。
ゲート閾値電圧Ｖｔｈとスイッチ損失の関係を示すグラフである。
半導体装置Ｍ２ｂの断面図である。
半導体装置Ｍ２ｃの断面図である。
アルミニウム組成ｘとスイッチ損失の関係を示すグラフである。
ゲート閾値電圧Ｖｔｈとスイッチ損失の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【０００８】
（電力変換装置１の構成）
図１に、電力変換装置１の構成の概要を示す。図１の電力変換装置１は、フルブリッジのインバータ回路である。電力変換装置１は、直流電源２の直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を負荷３に給電する。負荷３は、インダクタンスを有する負荷であり、例えば交流モータである。
【０００９】
電力変換装置１は、単相ユニット回路Ｕ１およびＵ２を備えている。単相ユニット回路Ｕ１は、ｎ型のＭＯＳＦＥＴである、半導体装置Ｍ１およびＭ２を備えている。半導体装置Ｍ１のドレイン電極Ｄ１は、高圧側配線４Ｈに接続されている。半導体装置Ｍ２のソース電極Ｓ２は、低圧側配線４Ｌに接続されている。半導体装置Ｍ１のソース電極Ｓ１と半導体装置Ｍ２のドレイン電極Ｄ２とは、接続ノードＮ１で接続されている。単相ユニット回路Ｕ２は、ｎ型のＭＯＳＦＥＴである、半導体装置Ｍ３およびＭ４を備えている。半導体装置Ｍ３のソース電極Ｓ３と半導体装置Ｍ４のドレイン電極Ｄ４とは、接続ノードＮ２で接続されている。負荷３の一方の給電点には接続ノードＮ１が接続されており、他方の給電点には接続ノードＮ２が接続されている。
【００１０】
半導体装置Ｍ１－Ｍ４の各々のゲート電極Ｇ１－Ｇ４は、制御回路５に接続されている。制御回路５は、ＰＷＭ制御を利用して、ゲート電極Ｇ１－Ｇ４に印加するゲート電圧のタイミング及び大きさを制御する。
（【００１１】以降は省略されています）

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