特許 7486599 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、モータ制御ユニット、及び車両

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-09

(45)【発行日】2024-05-17

(54)【発明の名称】絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、モータ制御ユニット、及び車両

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/78 20060101AFI20240510BHJP

   H01L 29/739 20060101ALI20240510BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 652H

H01L29/78 653A

H01L29/78 655D

H01L29/78 657D

H01L29/78 655G

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2022556190

(86)(22)【出願日】2020-03-17

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-05-01

(86)【国際出願番号】 CN2020079555

(87)【国際公開番号】W WO2021184172

(87)【国際公開日】2021-09-23

【審査請求日】2022-10-14

(73)【特許権者】

【識別番号】503433420

【氏名又は名称】華為技術有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＨＵＡＷＥＩ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＣＯ．，ＬＴＤ．

【住所又は居所原語表記】Ｈｕａｗｅｉ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ， Ｂａｎｔｉａｎ， Ｌｏｎｇｇａｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ， Ｓｈｅｎｚｈｅｎ， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５１８１２９， Ｐ．Ｒ． Ｃｈｉｎａ

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100135079

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 修

(72)【発明者】

【氏名】ホワーン，ボーニーン

(72)【発明者】

【氏名】ジャーン，チュエン

(72)【発明者】

【氏名】ヤーン，ウエンタオ

【審査官】岩本 勉

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－１４２５３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１７９３７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－１４９４３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２５１７９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３４４７７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１５３３４８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１２９９３０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０１１４９８５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０２５６９３５４（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０７７６８４２９（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

Ｈ０１Ｌ ２９／７３９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁ゲートバイポーラトランジスタであって、ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層と、ＳＪデバイス構造フィーチャ層と、ＲＣ－ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層とを有し、
前記ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層と、前記ＳＪデバイス構造フィーチャ層と、前記ＲＣ－ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層とが積層され、前記ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層及び前記ＲＣ－ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層が前記ＳＪデバイス構造フィーチャ層の両側のそれぞれの側に配置され、
前記ＲＣ－ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層は、同じ層に配置されたコレクタ及びドレインを有し、
当該絶縁ゲートバイポーラトランジスタは更に、前記コレクタと積層され且つ前記コレクタに電気的に接続された第１の金属電極と、前記ドレインと積層され且つ前記ドレインに電気的に接続された第２の金属電極とを有し、
前記第１の金属電極及び前記第２の金属電極の両方に電力を供給することと、前記第２の金属電極のみに電力を供給することとの間で切り替えることを可能にするために、前記第１の金属電極は前記第２の金属電極から電気的に絶縁されている、
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。

【請求項2】

前記ＳＪデバイス構造フィーチャ層は、積層された、ドリフト層と、スーパージャンクション構造層と、バッファ層とを有し、該スーパージャンクション構造層が該ドリフト層と該バッファ層との間に位置し、
前記ドリフト層が、前記ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層に接続され、
前記バッファ層が、前記コレクタと前記ドレインとに接続されている、
請求項１に記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。

【請求項3】

前記バッファ層はＮ型バッファ層である、請求項２に記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。

【請求項4】

前記ドリフト層はＮドリフト層である、請求項２又は３に記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。

【請求項5】

前記スーパージャンクション構造層は、複数のＮドリフト層と複数のＰドリフト層とを有し、該複数のＮドリフト層と該複数のＰドリフト層とが第１方向に交互に配置され、該第１方向は第２方向に対して垂直であり、
前記第２方向は、前記ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層が前記ＳＪデバイス構造フィーチャ層と積層される方向である、
請求項２乃至４のいずれか一項に記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。

【請求項6】

前記ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層は、
前記ドリフト層と積層されたＰベース層、及び該Ｐベース層と積層されたフロントエミッタと、
前記Ｐベース層を貫通して前記ドリフト層に挿入された複数のゲート、各ゲートを包む絶縁ゲート膜、各ゲートを前記フロントエミッタから絶縁する層間絶縁膜、並びに前記Ｐベース層の表面に配置されたＮエミッタ層及びＰ＋コンタクト層と、
を有する、請求項２乃至５のいずれか一項に記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。

【請求項7】

前記第１の金属電極は前記コレクタとオーミック接触している、及び／又は
前記第２の金属電極は前記ドレインとオーミック接触している、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。

【請求項8】

前記第１の金属電極は、前記第２の金属電極から所定の距離だけ離隔されている、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。

【請求項9】

複数のコレクタ及び複数のドレインがあり、該複数のコレクタと該複数のドレインとが交互に配置されている、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。

【請求項10】

複数の第１の金属電極が前記複数のコレクタと一対一に対応し、複数の第２の金属電極が前記複数のドレインと一対一に対応し、隣接する第１の金属電極と第２の金属電極とが互いに電気的に絶縁されている、請求項９に記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。

【請求項11】

パワーモジュールと、該パワーモジュールに接続された、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタと、を有するモータ制御ユニット。

【請求項12】

モータと、該モータに接続された、請求項１１に記載のモータ制御ユニットと、を有する車両。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この出願は、電気技術の分野に関し、特に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、モータ制御ユニット、及び車両に関する。

【背景技術】

【0002】

電気自動車のＭＣＵ（Motor Control Unit、モータ制御ユニット）は、通常、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を用いて、バッテリによって出力される直流（ＤＣ）を、モータを駆動するための交流（ＡＣ）に変換する。バッテリの使用時間を長くするためにインバータの変換効率をどのようにして向上させるかが、常に、インバータ及びパワー半導体デバイスの開発者が努力を為す方向である。

【0003】

ＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）及びＢＪＴ（バイポーラ接合トランジスタ）を含んだ、複合的な完全制御の電圧駆動パワー半導体デバイスである。ＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴの高入力インピーダンスとＢＪＴの低い導通電圧降下との両方の利点を持ち、ミデアムパワー及びハイパワーの用途に適したパワー半導体デバイスである。電気自動車のインバータでは、ＩＧＢＴをＦＲＤと一緒に使用する必要がある。ＭＣＵの変換効率を向上させるべくスイッチング素子の全損失を低減させるために、デバイス設計者は、デバイスがより高い遮断速度及びより良いＶｃｅｓａｔ－Ｅｏｆｆトレードオフ関係を持つように、ＩＧＢＴ及びＦＲＤについてチップインテグレーションを行い、ＲＣ－ＩＧＢＴ（Reverse-Conduction Insulated Gate Bipolar Transistor、逆導通ＩＧＢＴ）構造を提案している。しかしながら、電気自動車のＭＣＵは、殆どの時間、軽負荷状態で動作する。スイッチング素子としてＲＣ－ＩＧＢＴ又はＳＪ－ＲＣ－ＩＧＢＴが使用されるかにかかわらず、制御チップがＭＣＵの動作状態に基づいてスイッチング素子の動作モードを正確に制御することができず、ＭＣＵの変換効率の更なる向上に影響を及ぼしている。

【発明の概要】

【0004】

この出願は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタの制御効果を改善するための、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、モータ制御ユニット、及び車両を提供する。

【0005】

第１の態様によれば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタが提供される。当該絶縁ゲートバイポーラトランジスタはモータ制御ユニットに適用される。当該絶縁ゲートバイポーラトランジスタの積層多層構造は、例えば、ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層と、ＳＪデバイス構造フィーチャ層と、ＲＣ－ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層とを含み、ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層及びＲＣ－ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層がＳＪデバイス構造フィーチャ層の両側のそれぞれの側に配置される。ＲＣ－ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層は、同じ層に配置されたコレクタ及びドレインを含む。当該絶縁ゲートバイポーラトランジスタは更に、コレクタと積層され且つコレクタに電気的に接続された第１の金属電極と、ドレインと積層され且つドレインに電気的に接続された第２の金属電極とを有し、第１の金属電極は第２の金属電極から電気的に絶縁される。上述のソリューションでは、第１の金属電極及び第２の金属電極をそれぞれコレクタ及びドレインに接続して、コレクタとドレインに別々に電力を供給することができ、それ故に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタの電力供給方式が追加され、それにより絶縁ゲートバイポーラトランジスタの制御方式を改善する。

【0006】

特定の実装可能な一ソリューションにおいて、ＳＪデバイス構造フィーチャ層は、積層された、ドリフト層と、スーパージャンクション構造層と、バッファ層とを含み、スーパージャンクション構造層がドリフト層とバッファ層との間に位置する。ドリフト層は、ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層に接続される。バッファ層は、コレクタとドレインとに接続される。

【0007】

特定の実装可能な一ソリューションにおいて、バッファ層はＮ型バッファ層である。

【0008】

特定の実装可能な一ソリューションにおいて、ドリフト層はＮドリフト層である。

【0009】

特定の実装可能な一ソリューションにおいて、スーパージャンクション構造層は、複数のＮドリフト層と複数のＰドリフト層とを含み、該複数のＮドリフト層と該複数のＰドリフト層とが第１方向に交互に配置され、該第１方向は第２方向に対して垂直である。

【0010】

第２方向は、ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層がＳＪデバイス構造フィーチャ層と積層される方向である。

【0011】

特定の実装可能な一ソリューションにおいて、ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層は、
ドリフト層と積層されたＰベース層、及び該Ｐベース層と積層されたフロントエミッタと、
Ｐベース層を貫通してドリフト層に挿入された複数のゲート、各ゲートを包む絶縁ゲート膜、各ゲートをフロントエミッタから絶縁する層間絶縁膜、並びにＰベース層の表面に配置されたＮエミッタ層及びＰ＋コンタクト層と、
を含む。

【0012】

特定の実装可能な一ソリューションにおいて、第１の金属電極はコレクタとオーミック接触している、及び／又は
第２の金属電極はドレインとオーミック接触している。

【0013】

特定の実装可能な一ソリューションにおいて、第１の金属電極は、第２の金属電極から所定の距離だけ離隔される。

【0014】

特定の実装可能な一ソリューションにおいて、複数のコレクタ及び複数のドレインがあり、該複数のコレクタと該複数のドレインとが交互に配置される。

【0015】

特定の実装可能な一ソリューションにおいて、複数の第１の金属電極が複数のコレクタと一対一に対応し、複数の第２の金属電極が複数のドレインと一対一に対応し、隣接する第１の金属電極と第２の金属電極とが互いに電気的に絶縁される。

【0016】

第２の態様によれば、モータ制御ユニットが提供される。当該モータ制御ユニットは、パワーモジュールと、該パワーモジュールに接続された、上述のソリューションのうちのいずれか一に記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタと、を含む。上述のソリューションでは、第１の金属電極及び第２の金属電極をそれぞれコレクタ及びドレインに接続して、コレクタとドレインに別々に電力を供給することができ、それ故に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタの電力供給方式が追加され、それにより絶縁ゲートバイポーラトランジスタの制御方式を改善する。

【0017】

第３の態様によれば、車両が提供される。当該車両は、モータと、該モータに接続された、上述のソリューションのうちのいずれか一に記載のモータ制御ユニットと、を含む。上述のソリューションでは、第１の金属電極及び第２の金属電極をそれぞれコレクタ及びドレインに接続して、コレクタとドレインに別々に電力を供給することができ、それ故に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタの電力供給方式が追加され、それにより絶縁ゲートバイポーラトランジスタの制御方式を改善する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】この出願の一実施形態に従った絶縁ゲートバイポーラトランジスタの断面図である。

【図2】この出願の一実施形態に従った絶縁ゲートバイポーラトランジスタの動作モードに対応する駆動電圧である。

【図3】図２中のＡの部分拡大図である。

【図4】この出願の一実施形態に従った絶縁ゲートバイポーラトランジスタの別の上面図である。

【図5】この出願の一実施形態に従ったモータ制御ユニットの構成のブロック図である。

【図6】この出願の一実施形態に従った車両におけるモータ制御の構成のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

この出願の目的、技術的ソリューション、及び利点をいっそう明瞭にするため、以下にて更に、添付の図面を参照してこの出願を詳細に説明する。

【0020】

先ず、この出願の一実施形態で提供される絶縁ゲートバイポーラトランジスタの一適用シナリオを説明する。この出願のこの実施形態で提供される絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、モータ制御ユニットに適用される。例えば、電気自動車のＭＣＵ（Motor Control Unit、モータ制御ユニット）は、通常、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を用いて、バッテリによって出力される直流（ＤＣ）を、モータを駆動するための交流（ＡＣ）に変換する。ＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）及びＢＪＴ（バイポーラ接合トランジスタ）を含んだ、複合的な完全制御の電圧駆動パワー半導体デバイスである。ＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴの高入力インピーダンスとＢＪＴの低い導通電圧降下との両方の利点を持ち、ミデアムパワー及びハイパワーの用途に適したパワー半導体デバイスである。電気自動車のインバータでは、ＩＧＢＴをＦＲＤと一緒に使用する必要がある。ＭＣＵの変換効率を向上させるべくスイッチング素子の全損失を低減させるために、デバイス設計者は、デバイスがより高い遮断速度及びより良いＶｃｅｓａｔ－Ｅｏｆｆトレードオフ関係を持つように、ＩＧＢＴ及びＦＲＤについてチップインテグレーションを行い、ＲＣ－ＩＧＢＴ構造を提案している。しかしながら、従来技術においては、スイッチング素子としてＲＣ－ＩＧＢＴ又はＳＪ－ＲＣ－ＩＧＢＴが使用されるかにかかわらず、制御チップがＭＣＵの動作状態に基づいてスイッチング素子の動作モードを正確に制御することができない。これに鑑み、この出願の一実施形態は絶縁ゲートバイポーラトランジスタを提供する。以下、具体的な添付図面を参照して当該絶縁ゲートバイポーラトランジスタを説明する。

【0021】

図１は、この出願の一実施形態に従った絶縁ゲートバイポーラトランジスタの断面図である。

【0022】

この出願のこの実施形態で提供される絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、主に、ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層１０と、ＳＪデバイス構造フィーチャ層２０と、ＲＣ－ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層３０との３つの構造を含む。ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層１０、ＳＪデバイス構造フィーチャ層２０、及びＲＣ－ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層３０は、図１の縦方向に積層され、ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層１０及びＲＣ－ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層３０が、ＳＪデバイス構造フィーチャ層２０の両側のそれぞれの側に配置される。

【0023】

説明を容易にするため、第１方向ａ及び第２方向ｂを定義する。第２方向ｂは、ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層１０とＳＪデバイス構造フィーチャ層２０とが積層される方向であり、第１方向ａは、第２方向ｂに対して垂直である。

【0024】

なおも図１を参照するに、ＳＪデバイス構造フィーチャ層２０は主に、積層された、ドリフト層３と、スーパージャンクション構造層と、バッファ層１１とを含み、スーパージャンクション構造層がドリフト層３とバッファ層１１との間に位置する。バッファ層１１はＮ型バッファ層である。準備において、バッファ層１１の第１表面上にスーパージャンクション構造及びドリフト層３が形成される。スーパージャンクション構造は、複数のＮドリフト層１及び複数のＰドリフト層２を含み、複数のＮドリフト層１と複数のＰドリフト層２とが第１方向ａに交互に配置される。Ｎドリフト層１及びＰドリフト層２は、注入、拡散、エピタキシャル成長のプロセスを用いて形成され、Ｎドリフト層１の厚さ及びＰドリフト層２の厚さはどちらもＬ１に設定される。スーパージャンクション構造上のドリフト層３はＮドリフト層であり、ドリフト層３は、バッファ層１１に面しない側のスーパージャンクション構造の表面上に形成される。

【0025】

ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層１０は、ドリフト層３に接続される。ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層１０は、第１方向ａにドリフト層３と積層されたＰベース層４、及びＰベース層４と積層されたフロントエミッタ１０と、Ｐベース層４を貫通してＮドリフト層３に挿入された複数のゲート８、各ゲート８を包む絶縁ゲート膜７、各ゲート８をフロントエミッタ１０から絶縁する層間絶縁膜９、並びにＰベース層４の表面に配置されたＮエミッタ層５及びＰ＋コンタクト層６と、を含む。特定の準備において、ドリフト層３上にＰベース層４が形成され、Ｐベース層４の表面にＮエミッタ層５及びＰ＋コンタクト層６が形成される。また、Ｎエミッタ層５の表面からＰベース層４を貫いてドリフト層３の中ほど近くまでトレンチが形成され、該トレンチ内にゲート８が、ゲート８と該トレンチとの間に絶縁ゲート膜７を介在させて形成される。絶縁ゲート膜７はゲート酸化物層であり、ゲート８として多結晶シリコンゲートが用いられ得る。Ｐ＋コンタクト層６上にフロントエミッタ１０が形成され、ゲート８は、層間絶縁膜９を用いることによってフロントエミッタ１０から絶縁される。

【0026】

なおも図１を参照するに、ＲＣ－ＩＧＢＴデバイス構造フィーチャ層３０は、同じ層に配置されたコレクタ１２及びドレイン１３を含む。特定の準備において、コレクタ１２及びドレイン１３は、図１の第１方向ａに、バッファ層１１の第２表面上に形成される。コレクタ１２及びドレイン１３の裏面上に、第１の金属電極１５及び第２の金属電極１４が形成される。第１の金属電極１５は、コレクタ１２と積層され且つコレクタ１２に電気的に接続され、第２の金属電極１４は、ドレイン１３と積層され且つドレイン１３に電気的に接続され、第１の金属電極１５は第２の金属電極１４から電気的に絶縁される。

【0027】

特定の準備において、第１の金属電極１５は、コレクタ１２とオーミック接触して、第１の金属電極１５とコレクタ１２との間の電気的接続効果を確実にする。具体的には、第１の金属電極１５とコレクタ１２との間の電気的接続は、はんだ付けを通じて、又はコレクタ１２上に直に第１の金属電極１５を形成することによって実現され得る。第２の金属電極１４は、ドレイン１３とオーミック接触して、第２の金属電極１４とドレイン１３との間の電気的接続効果を確実にする。具体的には、第２の金属電極１４とドレイン１３との間の電気的接続は、はんだ付けを通じて、又はドレイン１３上に直に第２の金属電極１４を形成することによって実現され得る。

【0028】

第１の金属電極１５と第２の金属電極１４との間の電気的絶縁を確実にするため、第１の金属電極１５と第２の金属電極１４との間の絶縁度を確保するように、第１の金属電極１５は第２の金属電極１４から所定の距離だけ離隔される。図１に示すように、所定の距離は、互いに近接する第１の金属電極１５の端部と第２の金属電極１４の端部との間の、第１方向ａにおける水平距離Ｌ２を指す。Ｌ２の値は、実際の設計に基づいて決定されることができ、第１の金属電極１５と第２の金属電極１４との間の絶縁度を確保することができる限り、この出願で特に限定されるものではない。

【0029】

第１の金属電極１５は具体的に、複数の異なるやり方で第２の金属電極１４から絶縁され得る。例えば、第１の金属電極１５が、コレクタ１２の面積と等しい面積を有してコレクタ１２を覆うとともに、第２の金属電極１４が、ドレイン１３の面積よりも小さい面積を有してドレイン１３を覆い得る；第１の金属電極１５が、コレクタ１２の面積よりも小さい面積を有してコレクタ１２を覆うとともに、第２の金属電極１４が、ドレインの面積と等しい面積を有してドレイン１３を覆い得る；あるいは、第１の金属電極１５が、コレクタ１２の面積よりも小さい面積を有してコレクタ１２を覆うとともに、第２の金属電極１４が、ドレイン１３の面積よりも小さい面積を有してドレイン１３を覆い得る。

【0030】

当該絶縁ゲートバイポーラトランジスタの動作を説明する。閾値Ｖｔｈ以上の正電圧がゲート８に印加されると、Ｎエミッタ層５とＮドリフト層３との間に位置するＰベース層４の領域がＮ型に反転されて、Ｎエミッタ層５からドリフト層３に電子が注入され、当該絶縁ゲートバイポーラトランジスタが順方向に導通されるようになる。導通状態において、コレクタ１２とバッファ層１１との間のＰＮ接合に少なくとも順バイアス電圧を持たせるコレクタ１２の電圧が第１の金属電極１５及び第２の金属電極１４に印加されると、第１の金属電極１５からドリフト層３に正孔が注入されて伝導度変調を生じさせ、スーパージャンクション構造のＮドリフト層１及びＰドリフト層２の抵抗値が急激に減少し、当該絶縁ゲートバイポーラトランジスタが十分な導通能力を持つようになる。

【0031】

また、ゲート８に負のバイアス電圧が印加され、且つフロントエミッタ１０と金属電極（第１の金属電極１５及び第２の金属電極１４）との間に所定の電圧（フロントエミッタ１０の電圧＜背面コレクタ１２の電圧）が印加されると、この実施形態の絶縁ゲートバイポーラトランジスタの空乏層（スーパージャンクション構造）が、表面のＰベース層４からドリフト層３並びにＮドリフト層１／Ｐドリフト層２へと延び、スーパージャンクション構造が完全に空乏化されることで耐圧を維持することができる。

【0032】

絶縁ゲートバイポーラトランジスタは主に、ＦＲＤモードと、ＭＯＳＦＥＴモードと、ＩＧＢＴモードとの３つの動作モードを持つ。図２及び図３を参照して、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのそれら３つの動作モードを説明する。図２は、動作中の絶縁ゲートバイポーラトランジスタに対応する３つの動作モードを示し、図３は、図２中のＡの部分拡大図であり、（１）はＦＲＤモードを表し、（２）はＭＯＳＦＥＴモードを表し、（３）はＩＧＢＴモードを表す。図２及び図３から見てとれることには、第１の金属電極１５及び第２の金属電極１４の両方に電力が供給されているとき、ゲートチャネルが開いた後、開始段階では絶縁ゲートバイポーラトランジスタの裏面側に正孔は注入されない。従って、絶縁ゲートバイポーラトランジスタは先ずＭＯＳＦＥＴモードで動作する。電圧がＶ_ＳＢに達した後、絶縁ゲートバイポーラトランジスタはＭＯＳＦＥＴモードから迅速にＩＧＢＴモードに入る。ここで、絶縁ゲートバイポーラトランジスタがＭＯＳＦＥＴモードにとどまるのは非常に短い時間である。ＭＣＵは殆どの時間、軽負荷状態で動作するので、ＭＣＵは、インバータのスイッチング素子（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が、より多くの時間、ＭＯＳＦＥＴモードで動作することを期待する。さらに、ＭＣＵがフル負荷にあるとき、ＭＣＵは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタが迅速にＩＧＢＴモードに切り替われることを期待する。従って、ＭＣＵ効率を向上させる観点から、ＭＣＵは、スイッチング素子の動作モードをより正確に制御できることを期待する。

【0033】

これに鑑み、この出願のこの実施形態で提供される絶縁ゲートバイポーラトランジスタは更に、第１の金属電極１５又は第２の金属電極１４のみに電力を供給するという別の電力供給モードを提供する。当該絶縁ゲートバイポーラトランジスタの上述の構造から分かることには、第１の金属電極１５がコレクタ１２のみに電気的に接続され、第２の金属電極１４がドレイン１３のみに電気的に接続され、且つ第１の金属電極１５が第２の金属電極１４から電気的に絶縁されている構造が用いられる場合、絶縁ゲートバイポーラトランジスタの裏面が、第１の金属電極１５と第２の金属電極１４との間の電気的絶縁を介して、ＩＧＢＴ領域とＭＯＳＦＥＴ領域との２つの領域に分割される。使用時に、ＩＧＢＴ領域とＭＯＳＦＥＴ領域とに別々に電力を供給して絶縁ゲートバイポーラトランジスタを制御し得る。例えば、第１の金属電極１５のみに電力が供給されるとき、コレクタ１２のみが導通され、ドレイン１３は導通されない。この場合、当該絶縁ゲートバイポーラトランジスタはＩＧＢＴモード及びＭＯＳＦＥＴモードを実装することができる。第２の金属電極１４のみに電力が供給されるとき、ドレイン１３のみが導通され、コレクタ１２は導通されない。この場合、当該絶縁ゲートバイポーラトランジスタはＦＲＤモード及びＭＯＳＦＥＴモードを実装することができる。ＭＣＵが軽負荷にあるとき、第２の金属電極１４のみに電力を供給し得る。この場合、ＭＣＵは長い時間にわたってＭＯＳＦＥＴモードで動作することができる。ＭＣＵが重負荷にあるとき、第１の金属電極１５及び第２の金属電極１４の両方に電力を供給し得る。この場合、ＭＣＵは、ＭＯＳＦＥＴモードとＩＧＢＴモードとの間で切り替わることができる。上述の説明から分かることには、ＭＣＵは、ゲート８と共に背面の２つの金属電極を使用することにより、デバイスの動作モードを正確に制御することができる。ＭＣＵの電力出力要求に基づいて、当該絶縁ゲートバイポーラトランジスタがＭＯＳＦＥＴモードで動作するのか、それともＩＧＢＴモードで動作するのかが決定され得る。従って、モータをいっそう正確に制御することができる。

【0034】

オプションの一実装として、コレクタ１２から容易に電子ホールを注入することができるよう、コレクタ１２の幅がドレイン１３の幅よりも大きくされる。従って、低い高速リカバリ電圧及び低い導通抵抗を実現することができる。高速リカバリ電圧を低くする条件として、高速リカバリピーク電圧での電流密度で、図１の水平方向においてＮバッファ層１１に、コレクタ１２の中間点とドレイン１３との間の電位差が０．５Ｖ以上、好ましくは０．７Ｖ以上、になるように電圧降下を生じさせる必要がある。上述の条件を満たすために、第１の金属電極１５から容易に正孔を注入することができるように、（図１の第１方向ａにおいて）より大きい幅のコレクタ１２が得られる。従って、比較的低い高速リカバリ電圧及び比較的低い導通抵抗というＭＯＳＦＥＴ特性が実現される。また、比較的大きいＭＯＳＦＥＴ動作範囲を得ることができる。

【0035】

さらに、コレクタ１２とドレイン１３との繰り返し間隔を大きくすることは、高速リカバリ電圧を低くすることを可能にする。好ましくは、コレクタ１２とドレイン１３との繰り返し間隔は、Ｎドリフト層１とＰドリフト層２との繰り返し間隔の５倍以上であり、且つＮドリフト層１とＰドリフト層２との繰り返し間隔の２万倍未満である。

【0036】

一変形実施形態として、上述のトレンチゲート構造に加えて、この出願のこの実施形態で提供される絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、ＩＧＢＴのデバイス特性を実現することができる限りにおいて、プレーナゲート構造のものであってもよい。

【0037】

図４は、別の絶縁ゲートバイポーラトランジスタを示している。複数のコレクタ及び複数のドレインがあり、該複数のコレクタと該複数のドレインとが交互に配置される。これに対応して、第１の金属電極１５がコレクタ１２と一対一に対応し、第２の金属電極１４がドレインと一対一に対応し、そして、隣接する第１の金属電極１５と第２の金属電極１４とが互いに電気的に絶縁される。図４に示すように、第１の金属電極１５と第２の金属電極１４とが第１方向ａに交互に配置される。

【0038】

図５に示すように、この出願の一実施形態は更にモータ制御ユニットを提供する。当該モータ制御ユニットは、パワーモジュール２００と、該パワーモジュール２００に接続された、上述の実施形態のうちのいずれか一に記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１００と、を含む。当該モータ制御ユニットは、モータを動作させるべく制御するように構成され得る。ＭＣＵは殆どの時間、軽負荷状態で動作するので、ＭＣＵは、インバータのスイッチング素子（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１００）が、より多くの時間、ＭＯＳＦＥＴモードで動作することを期待する。さらに、ＭＣＵがフル負荷にあるとき、ＭＣＵは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１００が迅速にＩＧＢＴモードに切り替われることを期待する。従って、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１００の裏面が、第１の金属電極と第２の金属電極との間の電気的絶縁を介して、ＩＧＢＴ領域とＭＯＳＦＥＴ領域との２つの領域に分割される。使用時に、ＩＧＢＴ領域とＭＯＳＦＥＴ領域とに別々に電力を供給して絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１００を制御し得る。例えば、第１の金属電極のみに電力が供給されるとき、コレクタのみが導通され、ドレインは導通されない。この場合、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１００はＩＧＢＴモード及びＭＯＳＦＥＴモードを実装することができる。第２の金属電極のみに電力が供給されるとき、ドレインのみが導通され、コレクタは導通されない。この場合、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１００はＦＲＤモード及びＭＯＳＦＥＴモードを実装することができる。ＭＣＵが軽負荷にあるとき、第２の金属電極のみに電力を供給し得る。この場合、ＭＣＵは長い時間にわたってＭＯＳＦＥＴモードで動作することができる。ＭＣＵが重負荷にあるとき、第１の金属電極及び第２の金属電極の両方に電力を供給し得る。この場合、ＭＣＵは、ＭＯＳＦＥＴモードとＩＧＢＴモードとの間で切り替わることができる。上述の説明から分かることには、ＭＣＵは、ゲートと共に背面の２つの金属電極を使用することにより、デバイスの動作モードを正確に制御することができる。ＭＣＵの電力出力要求に基づいて、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１００がＭＯＳＦＥＴモードで動作するのか、それともＩＧＢＴモードで動作するのかが決定され得る。従って、モータをいっそう正確に制御することができる。

【0039】

図６に示すように、この出願の一実施形態は車両を提供する。図６中の同じ参照符号については、図５における説明を参照されたい。当該車両は、モータ４００と、モータ４００に接続された、上述の実施形態のうちのいずれか一に記載のモータ制御ユニット３００と、を含む。モータ制御ユニット３００は、モータ４００を動作させるべく制御するように構成され得る。ＭＣＵは殆どの時間、軽負荷状態で動作するので、ＭＣＵは、インバータのスイッチング素子（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１００）が、より多くの時間、ＭＯＳＦＥＴモードで動作することを期待する。さらに、ＭＣＵがフル負荷にあるとき、ＭＣＵは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１００が迅速にＩＧＢＴモードに切り替われることを期待する。従って、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１００の裏面が、第１の金属電極と第２の金属電極との間の電気的絶縁を介して、ＩＧＢＴ領域とＭＯＳＦＥＴ領域との２つの領域に分割される。使用時に、ＩＧＢＴ領域とＭＯＳＦＥＴ領域とに別々に電力を供給して絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１００を制御し得る。例えば、第１の金属電極のみに電力が供給されるとき、コレクタのみが導通され、ドレインは導通されない。この場合、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１００はＩＧＢＴモード及びＭＯＳＦＥＴモードを実装することができる。第２の金属電極のみに電力が供給されるとき、ドレインのみが導通され、コレクタは導通されない。この場合、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１００はＦＲＤモード及びＭＯＳＦＥＴモードを実装することができる。ＭＣＵが軽負荷にあるとき、第２の金属電極のみに電力を供給し得る。この場合、ＭＣＵは長い時間にわたってＭＯＳＦＥＴモードで動作することができる。ＭＣＵが重負荷にあるとき、第１の金属電極及び第２の金属電極の両方に電力を供給し得る。この場合、ＭＣＵは、ＭＯＳＦＥＴモードとＩＧＢＴモードとの間で切り替わることができる。上述の説明から分かることには、ＭＣＵは、ゲートと共に背面の２つの金属電極を使用することにより、デバイスの動作モードを正確に制御することができる。ＭＣＵの電力出力要求に基づいて、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１００がＭＯＳＦＥＴモードで動作するのか、それともＩＧＢＴモードで動作するのかが決定され得る。従って、モータ４００をいっそう正確に制御することができる。

【0040】

明らかなことには、当業者は、この出願の精神及び範囲から逸脱することなく、この出願に様々な変更及び変形を為すことができる。この出願は、この出願のそれら変更及び変形を、以下の請求項及びそれらの均等技術によって定められる保護の範囲に入る限りにおいてカバーすることを意図している。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】