JP6580545B2 - 半導体スイッチングデバイスおよびクランプダイオードを含む電気組立体 - Google Patents

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Description

モータ駆動装置および電力変換回路などの用途では、半導体スイッチは、変圧器コイルまたはモータ巻線などの誘導負荷を通した負荷電流を繰り返しオンおよびオフにする。通例、フリーホイーリングダイオードが、誘導負荷と並列に、または半導体スイッチと並列に電気接続される。負荷電流を遮断した後に、フリーホイーリングダイオードは順方向バイアスがかかり、誘導負荷が、その磁界内に蓄積されたエネルギーを散逸させることを可能にする。
例えば、モータ駆動装置用のＨ−ブリッジ内、または半ブリッジ変換器の１次側における半ブリッジ回路内では、ハイサイドスイッチがオフになると順方向バイアスがかかるフリーホイーリングダイオードが通例、ローサイドスイッチに並列に接続され、それと組み合わせられ、ローサイドスイッチがオフになると順方向バイアスがかかるフリーホイーリングダイオードが通例、ハイサイドスイッチに並列に接続され、それと組み合わせられている。フリーホイーリングダイオードの阻止能力および半導体スイッチの阻止能力などのデバイスパラメータは通例、一致しており、阻止電圧、オン状態抵抗、およびスイッチング損失などのデバイスパラメータは、例えば、阻止能力が高いほど半導体スイッチにおけるオン状態抵抗が高く、かつ／またはスイッチング損失が高いことを意味するように相互関係になっている。
半導体スイッチを含み、低いスイッチング損失と高い信頼性とを兼ね備える電気組立体を提供することが望まれている。
目的は独立請求項の主題によって達成される。従属請求項はさらなる実施形態に言及する。
一実施形態によれば、電気組立体は、オフ状態における２つの負荷端子間の最大定格降伏電圧に耐える半導体スイッチングデバイスを含む。クランプダイオードが、２つの負荷端子に、かつスイッチングデバイスと並列に電気接続される。クランプダイオードの半導体本体は炭化ケイ素製である。クランプダイオードのアバランシェ電圧はスイッチングデバイスの最大定格降伏電圧よりも低い。
別の実施形態によれば、電子組立体は、第１の電気組立体を有するローサイドスイッチと、第２の電気組立体を有するハイサイドスイッチとを含む。ローサイドスイッチおよびハイサイドスイッチは電気的に半ブリッジ構成で配置される。電気組立体のうちの少なくとも一方は、オフ状態における２つの負荷端子間の最大定格降伏電圧に耐える半導体スイッチングデバイスを含む。クランプダイオードが、２つの負荷端子に、かつスイッチングデバイスと並列に電気接続される。クランプダイオードの半導体本体は炭化ケイ素製である。クランプダイオードのアバランシェ電圧はスイッチングデバイスの最大定格降伏電圧よりも低い。
別の実施形態によれば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタモジュールは、ローサイドスイッチおよびハイサイドスイッチを含む半ブリッジ回路を含む。ローサイドスイッチは第１の電気組立体を含み、ハイサイドスイッチは第２の電気組立体を含む。第１および第２の電気組立体のうちの少なくとも一方は、オフ状態における２つの負荷端子間の最大定格降伏電圧に耐える半導体スイッチングデバイスを含む。クランプダイオードが、２つの負荷端子に、かつスイッチングデバイスと並列に電気接続される。クランプダイオードの半導体本体は炭化ケイ素製である。クランプダイオードのアバランシェ電圧はスイッチングデバイスの最大定格降伏電圧よりも低い。
さらなる実施形態によれば、電気組立体は、オフ状態における２つの負荷端子間の最大定格降伏電圧に耐える半導体スイッチングデバイスを含む。クランプダイオードが、２つの負荷端子に、かつスイッチングデバイスと並列に電気接続される。クランプダイオードのアバランシェ電圧はスイッチングデバイスの最大定格降伏電圧よりも低い。帰還回路がクランプダイオードのアノード電極をスイッチングデバイスのゲート電極と電気接続する。帰還回路は、逆方向バイアスがかかったクランプダイオードを通した電流の増大とともにゲート電極におけるゲート電圧を増大または低下させる。
当業者は、以下の詳細な説明を読み、添付の図面を見れば、追加の特徴および利点を認識するであろう。
添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。図面は本発明の実施形態を例示し、本明細書とともに、本発明の原理を説明する役割を果たす。本発明の他の実施形態および意図される利点は、以下の発明を実施するための形態を参照することによって、よりよく理解されるようになるため、容易に認識されるであろう。
図１Ａは、半導体スイッチングデバイスと、スイッチングデバイスの最大定格降伏電圧よりも低いアバランシェ電圧を有するクランプダイオードとを含む一実施形態に係る電気組立体の概略回路図である。図１Ｂは、図１Ａのクランプダイオードについてのアバランシェ耐久性の定義を示すための周期的負荷電流を示す概略図である。 図１Ａの電気組立体の動作モードを示す概略図である。 一実施形態に係る図１Ａのクランプダイオードにおける単発アバランシェ事象に関する安全動作区域を示す概略図である。 Ｓｉ−ＩＧＢＴ（シリコン絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）とＳｉＣ−ＭＰＳ（炭化ケイ素合併ｐｉｎショットキー）ダイオードとを含む一実施形態に係る電気組立体の電圧曲線および電流曲線を示す概略図である。 図３Ａは、Ｓｉ−ＩＧＢＴとＳｉＣクランプダイオードとを含む一実施形態に係る電気組立体の概略回路図である。図３Ｂは、Ｓｉ−ＩＧＢＴと、Ｓｉ−ＦＷＤ（シリコンフリーホイーリングダイオード）と、ＳｉＣクランプダイオードとを含む一実施形態に係る電気組立体の概略回路図である。 図３Ｂの実施形態の効果を説明するためのＳｉＣクランプダイオードおよびフリーホイーリングダイオードの電圧／電流特性を示す概略図である。 図３Ｄは、ＳｉＣクランプダイオードと、ボディダイオードを有するＳｉ−ＩＧＦＥＴ（シリコン絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）とを含む一実施形態に係る電気組立体の概略回路図である。図３Ｅは、ＳｉＣクランプダイオードとＲＣ−ＩＧＢＴ（逆導通ＩＧＢＴ）とを含む一実施形態に係る電気組立体の概略回路図である。 図３Ｆは、Ｓｉ−ＩＧＢＴと、Ｓｉ−ＦＷＤと、Ｓｉ−ＳＢＤ（シリコンショットキーバリアダイオード）と、ＳｉＣクランプダイオードとを含む一実施形態に係る電気組立体の概略回路図である。図３Ｇは、複数の半導体スイッチングデバイスと並列に電気接続されたＳｉＣクランプダイオードを含む一実施形態に係る電気組立体の概略回路図である。 図４Ａは、一実施形態に係る電気組立体のＳｉ−ＩＧＢＴおよびＳｉＣクランプダイオードについての電圧／電流特性を示す概略図である。図４Ｂは、実施形態の効果を説明するためのＳｉ−ＩＧＢＴおよびＳｉＣ−ＳＢＤ（炭化ケイ素ショットキーバリアダイオード）を含む参照例についての電圧／電流特性を示す概略図である。 図４Ｃは、実施形態の効果を説明するための異なる温度に対するシリコンクランプダイオードの電圧／電流特性を示す概略図である。図４Ｄは、実施形態の効果を説明するための異なる温度に対するＳｉＣクランプダイオードの電圧／電流特性を示す概略図である。 図５Ａは、一実施形態に係る、アバランシェ降伏が活性区域内で起こるＳｉＣクランプダイオードの概略垂直断面図である。図５Ｂは、アバランシェ降伏がＳｉＣクランプダイオードの中心領域内で起こる、一実施形態に係るＳｉＣクランプダイオードの概略水平断面図である。 図６Ａは、ＭＰＳ（合併ｐｉｎショットキー）ダイオードに基づく一実施形態に係るｐｎ接合を有するＳｉＣクランプダイオードの一部分の概略垂直断面図である。図６Ｂは、ＴＭＢＳ（トレンチＭＯＳバリアショットキー）ダイオードに基づく一実施形態に係るｐｎ接合を有しないＳｉＣクランプダイオードの一部分の概略垂直断面図である。 図６Ｃは、ＴＯＰＳ（トレンチ酸化物ｐｉｎショットキー）ダイオードに基づく一実施形態に係るｐｎ接合を有するクランプダイオードの一部分の概略垂直断面図である。図６Ｄは、ＩＤＥＥ（エミッタ効率−逆注入依存性）ダイオードに基づく一実施形態に係るクランプダイオードの一部分の概略垂直断面図である。 ピニング領域を除いて、横方向に均質であるデバイス領域内でアバランシェ降伏がピニングされる、ＳｉＣ ｐｉｎダイオードに基づく一実施形態に係るクランプダイオードの一部分の概略垂直断面図である。 実施形態の効果を説明するための寄生インダクタンスを有する電気組立体の概略回路図である。 図８Ａは、誘導性間の電圧降下を用いた帰還経路を含む一実施形態に係る電気組立体の概略回路図である。図８Ｂは、オーム抵抗間の電圧降下を用いた帰還経路を含む一実施形態に係る電気組立体の概略回路図である。 図９Ａは、ボンディングワイヤを含む帰還経路を有する一実施形態に係る電気組立体を有する直接銅接合基板の概略平面図である。図９Ｂは、ループを形成するストリップ導体を含む帰還経路を有する一実施形態に係る電気組立体を有する直接銅接合基板の概略平面図である。 さらなる実施形態に係る、半導体スイッチングデバイスと並列のＳｉＣクランプダイオードを含む半ブリッジ回路の概略図である。 さらなる実施形態に係る、半導体スイッチングデバイスと並列のＳｉＣクランプダイオードを含むスマートＩＧＢＴモジュールの概略図である。
以下の詳細な説明では、本明細書の一部をなし、本発明が実施されてもよい特定の実施形態が例として示される添付の図面を参照する。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が利用されてもよく、構造的変更または論理的変更が行われてもよいことを理解されたい。例えば、一実施形態のために図示または説明されている特徴は、なおさらなる実施形態を生み出すために、他の実施形態上で用いるか、またはそれらと併せて用いることができる。本発明はこのような変更形態および変形形態を含むことが意図されている。例は特定の言語を用いて説明されるが、その言語は添付の請求項の範囲を限定するものと解釈すべきでない。図面は原寸に比例しておらず、単に図解を目的とするものにすぎない。対応する要素は、特に明記しない限り、異なる図面において同じ参照符号によって指定されている。
用語「〜を有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「〜を包含する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「〜を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「〜を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および同様のものはオープンなものであり、用語は、述べられている構造、要素または特徴の存在を指示するが、追加の要素または特徴を除外しない。冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈が別途明確に指示しない限り、複数形も単数形も含むことが意図される。
図は、ドーピング型「ｎ」または「ｐ」の隣に「−」または「＋」を指示することによって相対的ドーピング濃度を示す。例えば、「ｎ−」は、「ｎ」ドーピング領域のドーピング濃度よりも低いドーピング濃度を意味し、その一方で、「ｎ＋」ドーピング領域は、「ｎ」ドーピング領域よりも高いドーピング濃度を有する。同じ相対ドーピング濃度のドーピング領域は必ずしも同じ絶対ドーピング濃度を有するわけではない。例えば、２つの異なる「ｎ」ドーピング領域は、同じまたは異なる絶対ドーピング濃度を有してもよい。
図１Ａ〜図１Ｄは、例として、シングルエンドスイッチング回路または半ブリッジ回路の一部であってもよい、電気組立体５００に言及する。半ブリッジ回路は、Ｈ−ブリッジ、モータコントローラ、または電力変換器、例えば、ＤＣ／ＡＣ電力変換器、ＡＣ／ＡＣ変換器もしくはＤＣ／ＤＣ変換器の一部であってもよい。電気組立体５００は、半ブリッジ回路のハイサイドスイッチを形成してもよいか、もしくはその一部であってもよいか、またはローサイドスイッチを形成してもよいか、もしくはその一部であってもよい。
図１Ａは、制御端子Ｃｔｒに印加された信号に応じて第１の負荷端子Ｌ１と第２の負荷端子Ｌ２との間の負荷電流をスイッチングする半導体スイッチングデバイス５１０を示す。スイッチングデバイス５１０は、ＩＧＦＥＴ、例えば、金属ゲートおよび半導体ゲートを含む通常の意味におけるＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）、またはＩＧＢＴであってもよい。第１および第２の負荷端子Ｌ１、Ｌ２の一方、例えば第１の負荷端子Ｌ１は、電源側にあり、電源に電気結合されてもよい。第１および第２の負荷端子Ｌ１、Ｌ２の他方、例えば第２の負荷端子Ｌ２は、負荷側にあり、電源によって給電される負荷に電気結合されてもよい。
オフ状態では、スイッチングデバイス５１０は、第１および第２の負荷端子Ｌ１、Ｌ２間に印加された正電圧を阻止する。オフ状態レベルから開始し、制御端子Ｃｔｒに印加された信号が上昇して閾値電圧を上回るか、または下降して閾値電圧を下回ると、スイッチングデバイス５１０はオンになり、スイッチングデバイス５１０および負荷を通した負荷電流のために第１および第２の負荷端子Ｌ１、Ｌ２の間の低抵抗経路を開く。制御端子ＣＴＲに印加された信号がオフ状態レベルに戻ると、スイッチングデバイス５１０はオフになる。
オンになったスイッチングデバイス５１０を通した負荷電流によって給電される負荷回路内の任意のインダクタンスは、追加的な電圧降下を発生させ得る。モータ巻線または変圧器巻線であってもよい負荷のインダクタンスの効果は、フリーホイーリングダイオードなどのさらなるデバイスを通して散逸させられてもよい。転流回路内の寄生インダクタンス、例えば、電気組立体５００内の導電路のインダクタンスまたは電気組立体５００への配線接続部のインダクタンスの効果は、通例、外部回路要素によって散逸させられない。電源側における寄生インダクタンスから生じる過電圧は、第１の負荷端子Ｌ１における電位が正の供給電圧を超えることができるという結果をもたらし得る。加えて、または代替的に、スイッチングされる側における寄生インダクタンスから生じる過電圧は、第２の負荷端子Ｌ２における電位が下降して負の供給電圧を下回ることができるという結果をもたらし得る。サージ事象およびグリッド過電圧が供給電圧に重畳し得、第１および第２の負荷端子Ｌ１、Ｌ２間の過電圧の代替的または追加的な発生源になり得る。
生じた過電圧の結果、スイッチングデバイス５１０が降伏し始め、スイッチングデバイスを通した結果的な降伏電流が十分に高い電流上昇率ｄｉ／ｄｔを有するか、または一般的に降伏岐路上において過度に高い電流が駆動された場合、過電圧はスイッチングデバイス５１０内における破壊機構、例えば、破壊アバランシェをトリガし得る。例えば、低オーム損失および低スイッチング損失のために設計されたＩＧＢＴは過電圧に敏感になり得る。これは、低損失のための設計は通例、過電圧耐久性のための制約と合致しないためである。
炭化ケイ素に基づく半導体本体、およびスイッチングデバイス５１０の最大定格降伏電圧よりも低いアバランシェ電圧を有するクランプダイオード５６０は、スイッチングデバイス５１０を破壊過電圧条件から確実に保護する。例えば、クランプダイオード５６０のアバランシェ電圧は、スイッチングデバイス５１０の完全な公称温度範囲内において、スイッチングデバイス５１０の最大定格降伏電圧よりも少なくとも１０％、例えば、少なくとも２０％低い。
クランプダイオード５６０が、その降伏岐路上において、スイッチングデバイス５１０の最大定格長期負荷電流の少なくとも５００％または４００％を少なくとも１μｓ、１００ｎｓまたは１０ｎｓにわたり耐えることができる場合、クランプダイオード５６０は、短絡条件の検出後にスイッチングデバイス５１０がオフにされたときに破壊される危険がない。
クランプダイオード５６０が、その降伏岐路上において、スイッチングデバイス５１０の最大定格長期負荷電流の少なくとも２００％または１００％を少なくとも１０ｎｓ、５００ｎｓ、１μｓまたは５μｓ秒にわたり耐えることができる場合、クランプダイオード５６０は、フライバック変換器などの用途における０．１Ｈｚよりも低い繰り返し率で生じる時折の過電圧条件によって破壊される危険がない。
クランプダイオード５６０が、その降伏岐路上において、スイッチングデバイス５１０の最大定格長期負荷電流の少なくとも２００％、１５０％または１００％を最大１６ｋＨｚの繰り返し率で、少なくとも２０ｓ、１ｓ、または１００ｍｓの総過負荷期間にわたり耐えることができる場合、クランプダイオード５６０は、通例、最大１６ｋＨｚのスイッチング周波数、および最大２０ｓの過負荷期間を有するサーボモータ内における過負荷条件下で生じる繰り返しの過電圧条件によって破壊される危険がない。
半ブリッジ回路における用途、およびハイサイドスイッチとローサイドスイッチとの間のネットワークノードに電気接続された誘導負荷を通した周期的負荷電流を考慮して、アバランシェ耐久性の別の定義が定義されてもよい。
図１Ｂは、周期Ｔおよびピーク電流ＩＰＫを有する周期的負荷電流ＩＬＤを示す。負荷電流ＩＬＤがピーク電流の５０％、８０％または９０％を超えると、クランピングは活性化し得る。クランピングの時間の間、クランプダイオード５６０が、その降伏岐路上において、スイッチングデバイス５１０の最大定格長期負荷電流の少なくとも１５０％、１２０％または１００％を少なくとも１０ｎｓ、１００ｎｓまたは１μｓの持続時間の繰り返しパルスにわたり耐えることができる場合、クランプダイオード５６０は、最大１０ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、または５０ｋＨｚのスイッチング周波数に典型的な繰り返し率で周期的負荷信号のピークの前後において生じる連続的過電圧条件によって破壊される危険がない。
炭化ケイ素の材料特性のために、クランプダイオード５６０は、アバランシェ降伏が終わった直後に阻止能力を失うことなく、最大、例えば５０００Ａ／ｃｍ２またはそれを超える比較的高い降伏電流に耐える。
シリコンに基づくクランプダイオード、例えば、Ｓｉ−ＴＶＳ（シリコン過渡電圧サプレッサ）ダイオード以外に、１つの単独のクランプダイオードは、６５０Ｖ、１２００Ｖ、１７００Ｖまたはそれを超える阻止電圧に耐えることができる。ＳｉＣダイオードでは、降伏電圧が温度に依存する程度はシリコンダイオードの場合よりも低い。その結果、負荷端子Ｌ１、Ｌ２間の電圧は、より安定した状態のままとどまる。ＳｉＣダイオードの急勾配のＩ／Ｖ特性の結果、降伏後に、電圧はわずかな程度増大するのみである。
ＳｉＣダイオードは通例、より高いバックグラウンドドーピングを有し、それにより、半導体本体がアバランシェ降伏時に電荷キャリアで満ちると、電荷キャリアおよび電流密度の分布はシリコンの場合よりも均一になる。局部過熱をより高度に回避することができ、それにより、アバランシェ耐久性がより高くなる。
電気組立体５００は片側スイッチの一部であってもよく、誘導負荷の磁界内に蓄積されたエネルギーを散逸させるためのフリーホイーリングダイオードが通例、半導体スイッチングデバイス５１０と並列に接続される。クランプダイオード５６０がフリーホイーリングダイオードとして有効であってもよいか、または主にフリーホイーリングダイオードとして用いられる別のダイオードがクランプダイオード５６０と並列に電気接続されてもよい。
他の実施形態によれば、電気組立体５００は半ブリッジ回路の一部である。半ブリッジ回路では、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチがそれらの負荷経路に対して直列に電気接続される。負荷は、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチとを接続する中間ネットワークノードに接続される。ゲートドライバ回路がハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチを二者択一的にオンおよびオフにする。
半ブリッジ回路のスイッチングデバイスがＩＧＦＥＴである場合、ローサイドスイッチがオフになった後に、通例、ハイサイドスイッチのボディダイオードが、スイッチングされる負荷側においてインダクタンス内に蓄積されたエネルギーを散逸させる電流が流れることを可能にする。ハイサイドスイッチがオフになった後に、ローサイドスイッチのボディダイオードが、スイッチングされる負荷側においてインダクタンス内に蓄積されたエネルギーを散逸させる電流が流れることを可能にする。
半ブリッジ回路のスイッチングデバイスがＩＧＢＴである場合、ローサイドスイッチがオフになった後に、ハイサイドスイッチと並列に電気接続されたフリーホイーリングダイオードが、スイッチングされる負荷側においてインダクタンス内に蓄積されたエネルギーを散逸させる電流が流れることを可能にする。ハイサイドスイッチがオフになった後に、ローサイドスイッチと並列に電気接続されたフリーホイーリングダイオードが、スイッチングされる負荷側においてインダクタンス内に蓄積されたエネルギーを散逸させる電流が流れることを可能にする。
いずれの場合でも、ボディダイオードおよびフリーホイーリングダイオードは順方向モードで動作する。ボディダイオードおよびフリーホイーリングダイオードは通例、アバランシェ耐久性がないため、ボディダイオードおよびフリーホイーリングダイオードの阻止能力は通例、それらが付与された半導体スイッチの阻止能力と同じであるか、またはより高い。対照的に、実施形態に係るクランプダイオード５６０は逆方向過電圧条件に対応する。クランプダイオード５６０は、スイッチングデバイス５１０を、最大定格降伏電圧を超える任意の電圧を受けることから保護する。クランプダイオード５６０は、スイッチングデバイス５１０の最大定格長期負荷電流の少なくとも８０％を少なくとも５００ｎｓ、１μｓまたは５μｓにわたり耐えることができるため、クランプダイオード５６０は、最大で５０ｋＨｚの繰り返し率を有するスイッチングサイクルにおいて生じる繰り返しの過電圧条件によって破壊される危険がない。
最高供給電圧をはるかに超える最大電圧阻止定格を有するスイッチングデバイスを選択することによって、すなわち、電力効率を犠牲にして、降伏電圧に関する高い安全マージンを考慮することによって破壊過電圧条件を回避する従来のアプローチと比べて、クランプダイオード５６０は、より低い電気損失を有するスイッチングデバイス５１０の使用を可能にする。
例えば、最大で６００Ｖの電圧を供給する用途のために、従来の半ブリッジ回路は通例、１２００Ｖの最大定格降伏電圧を有するスイッチングデバイスを含み得る。１２００Ｖのデバイスは通例、６００Ｖのデバイスよりも大幅に高い損失を有する。電気組立体５００の高い過電圧耐久性のために、本質的により低い損失を有する９００Ｖのスイッチングデバイスが、信頼性を失うことなく、１２００Ｖのスイッチングデバイスと置き換わり得る。
降伏耐久性のあるクランプダイオード５６０のために、電気組立体５００は寄生インダクタンスに対する感度がより低い。電気組立体５００の構成要素間の配線、および電気組立体５００を含む電気モジュールの配線は、高価な低インダクタンス配線接続部を用いずに済ますことができる。例えば、ＰＣＢ（プリント回路基板）などの構成要素支持体上の／構成要素支持体への配線のための設計要求はより緩和される。
図１Ｃにおいて、基準電圧曲線４１１および基準電流曲線４１２は、クランプダイオード５６０を有しない図１Ａのスイッチングデバイス５１０のスイッチング挙動を示している。ターンオフを開始した後に、第１および第２の負荷端子Ｌ１、Ｌ２間の電圧ＶＬ１Ｌ２はｔ＝ｔ０において急激に上昇する。いくらか経過した後、ＶＬ１Ｌ２＝ＶＳ（ＶＤＣ）において、負荷電流ＩＬは急激に下降し始める。スイッチングされる負荷側における寄生インダクタンス、または供給電圧ＶＳを供給する電圧源と電源側における負荷端子との間の寄生インダクタンスの磁界内に蓄積されたエネルギーは、散逸電流を誘導し、電源側における電位を増大させ、および／またはスイッチングデバイス５１０のスイッチングされる負荷側における電位を、供給電圧ＶＳの低い方の電位を下回るまで低下させる。著しい過電圧条件が生じ得る。半ブリッジ構成では、相補形スイッチング回路のフリーホイーリングダイオードのターンオン過電圧が、スイッチングされる側における電位に重畳し得る。電圧ＶＬ１Ｌ２は、図１Ａのスイッチングデバイス５１０の最大降伏電圧量ＶＢＲを超え得る。
電圧曲線４０１および電流曲線４０２は、クランプダイオード５６０を有する図１Ａの電気組立体５００のスイッチング挙動を示している。ｔ＝ｔ０におけるターンオフの開始後、電圧ＶＬ１Ｌ２は急激に上昇する。ｔ＝ｔ１において、電気組立体５００間の電圧がクランプダイオード５６０のアバランシェ電圧ＶＡＶを超えると、後者は導通を開始する。スイッチングデバイス５１０間の電圧は、供給電圧ＶＳよりも高く、スイッチングデバイス５１０の最大定格降伏電圧ＶＢＲよりも低いアバランシェ電圧ＶＡＶを超えない。
クランプダイオード５６０は、破壊されることなくアバランシェ現象を安全に操作するように設計されたアバランシェダイオードである。アバランシェダイオード内では、アバランシェ降伏は中心領域内で起こる。それに対して、他のダイオード内では、アバランシェ降伏は通例、中心領域と半導体本体の外側面との間の終端領域内で起こる。アバランシェダイオードは通例、０．１％のパルスのデューティサイクルにおいて、２μｓのパルスについては少なくとも０．５Ｊ／ｃｍ2もしくは少なくとも２Ｊ／ｃｍ２、または２０μｓのパルスについては少なくとも１０Ｊ／ｃｍ２の最大繰り返し面積アバランシェエネルギーＥＡＲ／Ａを指定する。対照的に、ショットキーダイオード内では、最大電界強度は金属−半導体界面の近くにあり、そのため、ショットキーダイオードは通例、好適なアバランシェダイオードにならない。
図１Ｄは、一実施形態に係る、時折のアバランシェ事象に対する図１Ａのクランプダイオード５６０の安全動作区域を示す。例えば、５ｍｍ２のダイサイズを有するＳｉＣクランプダイオードの場合、クランプダイオード５６０は、アバランシェ電流ＩＡＶが２５Ａを超えないことを条件として、２０μｓの間、不可逆的に損傷を受けることなくアバランシェ降伏状態であることができる。
図２は、スイッチングデバイスとしての最大定格降伏電圧ＶＢＲ＝１７００Ｖを有する１７００Ｖ Ｓｉ−ＩＧＢＴと並列に電気接続されたアバランシェ電圧ＶＡＶ＝１２００Ｖを有するクランプダイオードとしての１２００Ｖ ＳｉＣ−ＭＰＳダイオードを含む一実施形態に係る電子組立体に言及する。
ｔ＝ｔ０において、ゲート電圧ＶＧについてのＶＧ電圧曲線４２３は閾値レベル超から閾値レベル未満へ下降し、１７００Ｖ Ｓｉ−ＩＧＢＴをオフにする。第１および第２の負荷端子Ｌ１、Ｌ２間のコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥについてのＶＣＥ電圧曲線４２１は急激に上昇する。ＶＣＥ＝ＶＡＳにおいて、１２００Ｖ Ｓｉ−ＭＰＳダイオードは降伏し、それにより、ＶＣＥは約１６００Ｖを超えない。１７００Ｖ Ｓｉ−ＩＧＢＴは任意の過電圧条件から安全である。
電子組立体を通した負荷電流ＩＬについてのＩＬ電流曲線４２２は、クランプダイオードがアバランシェ状態になっている時間の間、より緩慢な下降を示す。散逸アバランシェエネルギーＥＡＲについてのＥＡＲ曲線４２４は、１つのアバランシェサイクルの間に約１５０ｍＪの最大値ＥＡＳまで上昇する。散逸アバランシェエネルギーＥＡＳは１２００Ｖ ＳｉＣ−ＭＰＳダイオードを加熱し、その結果、ＶＣＥの知覚可能な変更をもたらす。変更はシリコンダイオードの場合よりもよりも大幅に少ない。
炭化ケイ素内の真性電荷キャリア密度は、最大約１０００℃の比較的高い温度においてさえも低い。その結果、阻止用ＳｉＣ−ＭＰＳダイオードまたは任意の他の炭化ケイ素ダイオードの漏洩電流は、アバランシェ降伏から回復した直後でさえも低い。それに対して、シリコンダイオード、例えば、シリコンＴＶＳ（過渡電圧サプレッサ）は、アバランシェ降伏から回復した直後に大きい漏洩電流を示す。
図１Ａのスイッチングデバイス５１０は単一の半導体スイッチであってもよいか、または、互いに並列に電気接続された複数の半導体スイッチを含んでもよい。電気組立体５００は、さらなる構成要素、例えば、誘導負荷内に一時的に蓄積されたエネルギーを散逸させるための従来のＳｉ−ＦＷＤ、および／またはノイズと回復電流との間のより良好なトレードオフを達成するためのショットキーダイオードを含んでもよい。
図３Ａでは、電気組立体５００は、第１の負荷端子Ｌ１に電気接続されたコレクタ電極Ｃ、および第２の負荷端子Ｌ２に電気接続されたエミッタ電極Ｅを有するＳｉ−ＩＧＢＴ ５１１を含む。ゲート端子Ｇに印加された信号がＳｉ−ＩＧＢＴ ５１１をオンおよびオフにする。クランプダイオード５６０のカソード電極Ｋは、第１の負荷電極Ｌ１、コレクタ電極Ｃ、またはその両方に直接電気接続される。クランプダイオード５６０のアノード電極Ａは、第２の負荷端子Ｌ２、エミッタ電極Ｅ、またはその両方に直接電気接続される。クランプダイオード５６０は、ＳｉＣに基づく半導体本体、およびＳｉ−ＩＧＢＴ ５１１の最大定格降伏電圧を下回るアバランシェ電圧を有するアバランシェダイオードである。
図３Ｂでは、電気組立体５００はフリーホイーリングダイオード５１９をさらに含む。フリーホイーリングダイオード５１９は、クランプダイオード５６０のアバランシェ電圧よりも大きい降伏電圧を有するシリコンダイオードであってもよい。フリーホイーリングダイオード５１９は、電気組立体５００と電気的に直列に配置されたさらなる半導体スイッチを含んでもよい転流回路の一部であってもよい。
フリーホイーリングダイオード５１９のカソード電極ＫＦは、カソード電極Ｃ、クランプダイオード５６０のカソード電極Ｋ、および第１の負荷端子Ｌ１のうちの少なくとも１つに直接電気接続される。フリーホイーリングダイオード５１９のアノード端子ＡＦは、エミッタ電極Ｅ、クランプダイオード５６０のアノード電極Ａ、または第２の負荷端子Ｌ２のうちの少なくとも１つに直接電気接続される。
Ｓｉ−ＩＧＢＴ ５１１がオフ状態になっているときに、誘導負荷が第１および第２の負荷端子Ｌ１、Ｌ２間の電圧の極性を、Ｓｉ−ＩＧＢＴ ５１１がオン状態になっているときの第１および第２の負荷端子Ｌ１、Ｌ２間の電圧の極性に対して逆転させると、フリーホイーリングダイオード５１９は順方向モードで動作し得る。
フリーホイーリングダイオード５１９が導電性であるときには、転流電流はフリーホイーリングダイオード５１９とクランプダイオード５６０との間で分割されてもよい。
フリーホイーリングダイオード５１９は、電気組立体５００が、ＳｉＣクランプダイオード５６０の特性によって規定される、転流の間における低オーム損失および急激なクランピング挙動の両方を示すよう、低い順方向電圧を達成するように選択されてもよい。
加えて、通例、フリーホイーリングダイオード５１９は周期的に導通し、順方向電流はフリーホイーリングダイオード５１９を加熱する。その代わりに、クランプダイオード５６０は通例、まれに降伏するのみである。それゆえ、クランプダイオード５６０は、同じアバランシェ電流を耐えるために、より小さい活性区域を与えられてもよい。
クランプダイオード５６０を通したバイポーラ電流は、大幅な再結合が起こる高密度の電荷キャリアプラズマを発生させる。ＳｉＣでは、再結合の間に放出されたエネルギーが結晶格子に局部的に損傷を与える可能性があり、それにより、バイポーラ電流はＳｉＣクランプダイオードを徐々に劣化させる。フリーホイーリングダイオード５１９と組み合わせることで、ＳｉＣクランプダイオード５６０は、ＳｉＣクランプダイオード５６０を通したバイポーラ電流を回避することができるように選択することができる。
図３Ｃは、一実施形態に係る図３Ｂのフリーホイーリングダイオード５１９の順方向特性４５１およびＳｉＣクランプダイオード５６０の順方向特性４５２を示す。フリーホイーリングダイオード５１９の公称順方向電流は、結果として生じる順方向電圧ＶＦｎｏｍが、ＳｉＣクランプダイオードが、一方の電荷キャリアのみが流れるユニポーラ導通モードから、両方の種類の電荷キャリアが流れるバイポーラ導通モードへ変化する最小電圧ＶＦｍｉｎよりも低いように選択されている。ＳｉＣクランプダイオード５６０がバイポーラ導通モードへ変化するのを防止することで、ＳｉＣクランプダイオード５６０の劣化が同時に回避される。
図３Ｄでは、スイッチングデバイス５１０はＩＧＦＥＴ ５１２であり、ＩＧＦＥＴ ５１２の内部ボディダイオード５１２ａがフリーホイーリングダイオードとして有効になり得る。
図３Ｅでは、スイッチングデバイス５１０はＲＣ−ＩＧＢＴ ５１１であり、ＲＣ−ＩＧＢＴ ５１１の逆導通ダイオード５１１ａがフリーホイーリングダイオードとして有効になり得る。
図３Ｆでは、図３Ｂのフリーホイーリングダイオード５１９は、Ｓｉ−ＰＮＤ（シリコンｐｎダイオード）５１９ｘ、およびＳｉＣ−ＳＢＤ（炭化ケイ素ショットキーバリアダイオード）５１９ｙを含む。Ｓｉ−ＰＮＤ ５１９ｘは通例、順方向導通モードの間にダイオード内に蓄積され、Ｓｉ−ＩＧＢＴ ５１１がオンになると放電される電荷キャリアから生じる大きい回復電流を被る。大きい回復電流は高いスイッチング損失をもたらす。他方で、Ｓｉ−ＳＢＤ ５１９ｙは、非常に低い回復電流を有するユニポーラデバイスである。しかし、非常に低い回復電流は、キャパシタンス成分およびインダクタンス成分との組み合わせで負荷回路内にノイズを誘導し得る、負荷電流の急な変化をもたらし得る。Ｓｉ−ＰＮＤ ５１９ｘおよびＳｉＣ−ＳＢＤ ５１９ｙを含むフリーホイーリングダイオードは、ノイズと回復電流との間のトレードオフを最適化することを可能にする。トレードオフは、順方向導通モードのためのＳｉ−ＰＮＤ ５１９ｘとＳｉＣ−ＳＢＤ ５１９ｙとの間の好適な面積比を選択することによって調整することができる。ＳｉＣ−ＳＢＤ ５１９ｙは回復損失を低減する。対照的に、クランプダイオード５６０は、Ｓｉ−ＩＧＢＴ ５１１、ＳｉＣ−ＳＢＤ ５１９ｙおよびＳｉ−ＰＮＤ ５１９ｘを過電圧から保護する。
ＳｉＣ−ＳＢＤ ５１９ｙの阻止モードにおいて、最高電界は金属−半導体界面において有効になり、それにより、電荷キャリアは、電子／正孔対を発生させることなく、半導体本体１００内へ直接通過する。ＳｉＣ−ＳＢＤ ５１９ｙは、アバランシェ現象が生じることなく降伏する。その結果、逆方向電流は比較的低いままとどまり、ＳｉＣ−ＳＢＤ ５１９ｙは、たとえ、ＳｉＣ−ＳＢＤ ５１９ｙがより低い降伏電圧を有するとしても、Ｓｉ−ＩＧＢＴ ５１１を過電圧から保護することができない。その代わりに、クランプダイオード５６０内では、アバランシェ降伏が電子／正孔対を発生させ、それにより、逆方向電流は高くなり、クランプダイオード５６０はＳｉ−ＩＧＢＴ ５１１を過電圧から効果的に保護する。
図３Ｇでは、電気組立体５００は、互いに並列に電気接続された複数の半導体スイッチ、例えば２つ、３つまたはそれよりも多くのＳｉ−ＩＧＢＴ ５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃ、．．．を含む。各々のＳｉ−ＩＧＢＴ ５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃ、．．．には、フリーホイーリングダイオード５１９ａ、５１９ｂ、５１９ｃ、．．．が並列に電気接続されていてもよい。１つの単独のクランプダイオード５６０は、２つ、３つまたはそれよりも多くのＳｉ−ＩＧＢＴ ５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃ、．．．と並列に電気接続されていてもよい。電気組立体５００は、５００Ａ〜４ｋＡの負荷電流のために設計されたＩＨＭ（ＩＧＢＴ高電力モジュール）内に組み込まれていてもよい。ハウジング５９０は、単一のＳｉ−ＩＧＢＴ ５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃ、．．．に付与された負荷端子Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃ、．．．の第１のセット、および単一のＳｉ−ＩＧＢＴ ５１１ａ、５１１ｂ、５１１ｃ、．．．に付与された負荷端子Ｌ２ａ、Ｌ２ｂ、Ｌ２ｃ、．．．の第２のセットを含んでもよい。電気組立体５００は半ブリッジ回路のハイサイド部分またはローサイド部分であってもよい。
図４Ａでは、Ｓｉ−ＩＧＢＴのＩ／Ｖ特性４３１は最大定格降伏電圧ＶＢＲを示し、スイッチング組立体のＳｉＣクランプダイオードのＩ／Ｖ特性４３２は、Ｓｉ−ＩＧＢＴが使用されることが意図されている電流範囲内において、例えば、最大２０Ａ、１００Ａまたは２００Ａの電流のために、ＶＢＲよりも少なくとも１０％低いアバランシェ電圧ＶＡＶを示す。最大定格負荷電流Ｉｍａｘを通るＳｉＣクランプダイオードのＩ／Ｖ特性４３２の略線形部分内において、比ΔＶ／ΔＩは、Ｉ／Ｖ特性の急勾配部分内では、２．５ｍｍの活性ダイオード区域について、最大で２Ｖ／Ａである。ここで、急勾配部分は、４０Ａ／ｃｍ２の電流密度を超えるか、または少なくとも１ｍＡ／ｍｍ２／Ｖの電流密度毎ボルトの勾配を有するＩ／Ｖ特性の部分として定義されてもよい。
図４Ｂは、図４ＡのＳｉ−ＩＧＢＴのＩ／Ｖ特性４３１、およびＳｉＣ−ＳＢＤのＩ／Ｖ特性４３３を示す。Ｓｉ−ＳＢＤのＩ／Ｖ特性４３３は、本実施形態群に係るクランプダイオードのＩ／Ｖ特性４３２よりも大幅に浅い。たとえ、Ｓｉ−ＳＢＤが図４ＡのＶＡＶと同様の電圧において降伏し始めても、ＳｉＣ−ＳＢＤ間の電圧は、Ｓｉ−ＩＧＢＴの降伏電圧ＶＢＲを上回るまで上昇し得る。そのため、ＳｉＣ−ＳＢＤはＳｉ−ＩＧＢＴを過電圧事象による破壊から安全に保護することができない。これは、ＳｉＣ−ＳＢＤ内では、降伏が接合終端内で生じるか、またはショットキーバリアが降伏するためである。
クランプダイオード５６０は、アバランシェ降伏を利用してスイッチングデバイス５１０間の電圧を制限する。通例、ＳｉＣダイオードは、順方向抵抗およびスイッチング損失に関する要求を満たすように設計される。アバランシェ降伏が生じる場合、それはＳｉＣダイオードの半導体本体の縁部領域内で生じ、それにより、全アバランシェ電流は半導体本体の比較的小さい部分内で流れる。半導体結晶は局部的に過熱し得、不可逆的に損傷を受け得る。
図４Ｃでは、曲線４３１は、Ｔ＝摂氏２５度におけるシリコンクランプダイオードのＩ／Ｖ特性を示し、曲線４３２は、最大動作温度における同じダイオードのＩ／Ｖ特性を示す。シリコンクランプダイオードは、最大定格降伏電圧ＶＢＲＩＧＢＴ１を有するスイッチングデバイスを保護するために用いることができる。
図４Ｄは、Ｔ＝摂氏２５度および最大動作温度におけるＳｉＣクランプダイオードについての均等な曲線４４１、４４２を示す。温度の増大に伴うＩ／Ｖ特性のシフトがより少ない結果、スイッチングデバイスは、より低い最大定格降伏電圧ＶＢＲＩＧＢＴ２を有するものを選択することができる。通例、より低い最大定格降伏電圧を有するＩＧＢＴは、導通損失およびスイッチング損失がより低くなるように実現することができる。
図５Ａは、電力変換およびモータ駆動のための典型的な用途における繰り返しのアバランシェ降伏を耐えるように構成されたクランプダイオード５６０を示す。
金属アノード３１０が半導体本体１００の表側における第１の表面１０１に直接隣接している。金属アノード３１０は、第１の金属のショットキーバリア層３１１、および第２の金属のコンタクト層３１２を含んでもよい。金属アノード３１０はアノード端子Ａを形成するか、またはそれに電気接続されている。
カソード金属３２０が、第１の表面１０１と反対の裏側の第２の表面に直接隣接している。第１および第２の表面１０１、１０２に対して傾斜した側方外面１０３が、第１および第２の表面１０１、１０２を接続している。金属カソード３２０はカソード端子Ｋを形成するか、またはそれに電気接続され、金属カソード３２０とのオーム接点を形成する高濃度にｎ型にドープされたカソード領域１２９に直接隣接している。
第１の表面１０１とカソード領域１２９との間において、半導体本体１００は、低濃度または中濃度にｎ型にドープされたドリフト領域１２１、および電界形成構造体１３０を含んでもよい。金属アノード３１０と金属カソード３２０との間に逆方向電圧が印加された場合、電界形成構造体１３０は、最大電界強度が、第１の表面１０１から離れた領域内にあるように電界を形成する。半導体本体１００はまた、金属アノード３１０とオーム接触した高濃度にｐ型にドープされたアノード領域を含んでもよい。
中心領域６１０内では、金属アノード３１０および金属カソード３２０は両方とも半導体本体１００に直接隣接し、半導体本体１００は金属アノード３１０と金属カソード３２０との間に挟み込まれている。中心領域６１０内では、順方向電流ＩＦｗｄが半導体本体１００内を垂直方向に流れる。中心領域６１０を外面１０３から分離する終端領域６９０内では、層間絶縁膜２１０が金属アノード３１０を半導体本体１００から分離している。終端領域６９０内では、順方向電流ベクトルは第１の表面１０１と水平な成分を有し、電荷キャリアは第１の表面１０１を通過しない。
実施形態に係るクランプダイオード５６０はアバランシェ降伏を中心領域６１０内にクランプする。中心領域６１０は比較的均質であるため、アバランシェ電流は中心領域６１０全体にわたって迅速に広がることができる。局部過熱を回避することができ、クランプダイオード５６０は、繰り返しの周期的アバランシェ降伏に対する十分なアバランシェ耐久性を示す。
ＳｉＣ−ＳＢＤ内において、阻止電圧が、半導体本体１００内の電界が金属−半導体界面と重なる程度に十分高くなると、電界は金属アノード３１０から半導体本体１００内への電荷キャリアの移動を支援する。典型的なショットキーダイオード内では、最大電界強度はアノード側における金属−半導体界面にある。したがって、ＳｉＣ−ＳＢＤは比較的高い漏洩電流を被る。その代わりに、本実施形態群のクランプダイオード５６０の半導体本体１００内では、電界形成構造体１３０が、金属アノード３１０に対して距離をおいた場所に最大電界強度が生じるように電界を形成する。
図５Ｂは、中心領域６１０内において、規則的に配置された、分離した六角形フレームを形成するショットキー接点ＳＣを示す。ＭＰＳダイオードのアノード領域、またはその他の電界形成構造体１３０が、六角形フレーム同士の間、および／またはそれらの内部に形成されてもよい。終端領域６９０はショットキー接点ＳＣを持たず、ＪＴＥ（接合終端拡張部）６９１を含んでもよい。アノード領域を有するクランプダイオードのために、ＪＴＥ ６９１は、より低い正味ドーパント濃度を有する１つ以上の領域をアノード領域として含んでもよい。最大電界強度は中心領域６１０内で生じる。
図６Ａ〜図６Ｃの実施形態は、最大電界強度が、金属アノード３１０まで距離をおいた場所にある様態で電界を形成する、電界形成構造体１３０に言及する。
図６ＡはＭＰＳダイオード５６１の中心領域を示す。電界形成構造体１３０は、第１の表面１０１からドリフト領域１２１内へ延在する隔離されたアノード領域１３２である。アノード領域１３２はドリフト領域１２１とのｐｎ接合ｐｎ０を形成する。アノード領域１３２は、１つの水平寸法が、第１の水平寸法と直交する第２の水平寸法を大幅に超える縞形状であってもよいか、むしろ、両方の水平寸法が同程度の大きさの範囲内にある点形状であってもよいか、または六角格子を形成してもよい。隣り合うアノード領域１３２の間では、ドリフト領域１２１の部分が金属アノード３１０に直接隣接し、金属アノード３１０とのショットキー接点ＳＣを形成する。
順方向バイアスモードでは、ショットキー接点ＳＣはユニポーラ順方向電流をもたらし、その結果、逆回復電荷は低量になる。逆方向バイアスモードでは、ドリフト領域１２１とアノード領域１３２との間の垂直ｐｎ接合が、空乏領域１１５の形状によって指示されるように、ショットキー接点ＳＣを挟んでなくす。その結果、最大電界強度Ｅｍａｘは、第１の表面１０１まで距離ｄＡＶの場所に現れる。阻止電圧が増大するにつれて、最大電界強度Ｅｍａｘはアバランシェ電界強度に近づき、半導体本体１００内において、第１の表面１０１まで距離を置いた場所でアバランシェ降伏が始まる。
図６Ｂでは、ＴＭＢＳダイオード５６２の電界形成構造体１３０は、第１の表面１０１から半導体本体１００内へ延在する多結晶シリコンプラグ１３４を含む。ポリシリコンプラグ１３４の水平断面は点形状、縞形状であるか、または格子を形成してもよい。絶縁体層１３５がポリシリコンプラグ１３４を半導体本体１００から完全に絶縁する。隣り合うポリシリコンプラグ１３４の間においてショットキー接点ＳＣが形成される。
ＴＭＢＳダイオード５６２に逆方向バイアスがかかると、ポリシリコンプラグ１３４のアノード電位はドリフト領域１２１の隣接部分を空乏化させる。逆方向バイアスが増大するにつれて、隣り合うプラグ１３４の空乏領域は重なり合う。生じた空乏領域１１５はショットキー接点ＳＣを挟んでなくし、ショットキー接点ＳＣにおいて誘導される漏洩電流を抑制する。電界強度は、第１の表面１０１まで距離ｄＡＶの場所において最大値Ｅｍａｘを有する。
図６Ｃは、第１の表面１０１からドリフト領域１２１内へ延在する導電プラグ１３４を含む電界形成構造体１３０を有するＴＯＰＳダイオード５６３に言及する。絶縁体構造体１３５が導電プラグ１３４の垂直側壁の内側を覆っている。導電プラグ１３４の垂直突出部内において、分離した高濃度にｐ型にドープされたアノード領域１３２がドリフト領域１２１とのｐｎ接合ｐｎ０を形成する。絶縁体構造体１３５は横方向におけるｐ型ドーパントの拡散を防止し、第１の表面１０１まで距離を置いた場所におけるアノード領域１３２の形成を支援する。隣り合うポリシリコンプラグ１３４の間にショットキー接点ＳＣが形成される。最大電界強度Ｅｍａｘは、第１の表面１０１まで距離ｄＡＶの場所において生じる。
図６Ｄでは、クランプダイオードとして用いられるＳｉＣ ＩＤＥＥダイオード５６４の半導体本体１００は、アノード領域１３２、およびアノード領域１３２の間の反対にドープされたチャネル１３８を含む。チャネル１３８の導電型の高濃度にドープされたチャネル接点領域１３７が金属アノード３１０とのオーム接点を形成する。アノード領域１３２およびチャネル１３８のドーパント濃度および寸法は、クランプダイオード５６０の逆方向バイアス状態では、電界がチャネル１３８から可動電荷キャリアをなくして完全に空乏化させるように選択される。
図６Ｅでは、クランプダイオード５６０として用いられるＳｉＣ ｐｉｎダイオード５６５の半導体本体１００は、低濃度にｎ型にドープされたドリフト領域１２１とのｐｎ接合ｐｎ０を形成するアノード領域１３２を含む。ドリフト領域１２１内の平均正味ドーパント濃度の少なくとも５倍を超える正味ドーパント濃度を有するｎ型にドープされたフィールドストップ層１２８が、ドリフト領域１２１とカソード領域１２９との間に挟み込まれていてもよい。アノード領域１３２の側方延長がデバイス領域を画定する。デバイス領域内において、アノード領域１３２、フィールドストップ領域１２８およびドリフト領域１２１は、１つ以上のピニング領域１３９の外側では横方向に均質である。ピニング領域１３９内では、アバランシェ降伏電圧は局部的に低下させられている。例えば、ピニング領域１３９内では、アノード領域１３２は、より高濃度にドープされた部分を含んでもよく、ドリフト領域１２１は、より高濃度にドープされた部分を含んでもよく、および／またはフィールドストップ層１２８の垂直延長は変更されてもよい。アバランシェ降伏はピニング領域１３９内で始まり、デバイス領域内へ広がる。例えば、ピニング領域１３９内では、フィールドストップ層１２８および／またはアノード領域１３２は局部的に、ピニング領域１３９の外側よりもドリフト領域１２１内へ深く延在してもよい。
図７は、ＰＣＢであってもよい、構成要素支持体５９０を含む電気組立体５００に言及する。クランプダイオード５６０は、クランプダイオード５６０とＳｉ−ＩＧＢＴ ５１１およびフリーホイーリングダイオード５１９との間で有効な寄生インダクタンスができるだけ低くなるように、Ｓｉ−ＩＧＢＴ ５１１にできるだけ接近して配置される。例えば、クランプダイオード５６０のカソードＫ、フリーホイーリングダイオード５１９のカソードＫＦ、およびＳｉ−ＩＧＢＴ ５１１のコレクタＣは導電プレートを通じて直接接続され、それにより、クランプダイオード５６０のカソードＫとＳｉ−ＩＧＢＴ ５１１のコレクタＣとの間で有効なインダクタンスはほとんどない。基板上の導体がＳｉ−ＩＧＢＴ ５１１のコレクタ電極Ｃを第１の負荷端子Ｌ１と電気接続してもよく、第１の寄生インダクタンスＬｐａｒ１を形成する。ボンドワイヤがＳｉ−ＩＧＢＴ ５１１のエミッタ電極Ｅを第２の負荷端子Ｌ２と電気接続してもよく、第２の寄生インダクタンスＬｐａｒ２を形成し得る。
図８Ａおよび図８Ｂに示されるように、クランプダイオード５６０のアノード端子Ａと第２の負荷端子Ｌ２との間のボンドワイヤまたは別のコネクタ間の電圧降下が帰還回路５８０のために利用されてもよい。
図８Ａおよび図８Ｂでは、電気組立体５００は、オフ状態における２つの負荷端子Ｌ１、Ｌ２間の最大定格降伏電圧に耐える半導体スイッチングデバイス、例えば、Ｓｉ−ＩＧＢＴ ５１１を含む。クランプダイオード５６０が、２つの負荷端子Ｌ１、Ｌ２に、スイッチングデバイスと並列に電気接続されている。クランプダイオード５６０のアバランシェ電圧はスイッチングデバイスの最大定格降伏電圧よりも低い。フリーホイーリングダイオード５１９がクランプダイオード５６０と並列に電気接続されてもよい。
例えば、クランプダイオード５６０の半導体本体は結晶シリコン製であり、アノード領域、およびアノード領域の間の反対にドープされたチャネルを含んでもよい。アノード領域およびチャネルのドーパント濃度および寸法は、クランプダイオード５６０の逆方向バイアス状態では、チャネルが可動電荷キャリアをなくして完全に空乏化させられるように選択される。別の実施形態によれば、クランプダイオード５６０は、上述されたＳｉＣダイオードのうちの任意のものである。
図８Ａにおいて、クランプダイオード５６０がアバランシェ降伏時に導電性になった場合、ボンドワイヤまたは導電路間の電流の増大が、Ｓｉ−ＩＧＢＴ ５１１のゲート電極Ｇにおける電位を増大させるために利用されてもよい。Ｓｉ−ＩＧＢＴ ５１１は、過電圧から供給される電力の一部分がＳｉ−ＩＧＢＴ ５１１内で散逸させられるように、部分的に導電性になってもよい。
この目的のために、帰還経路５８２がクランプダイオード５６０のアノード電極Ａを、Ｓｉ−ＩＧＢＴ ５１１のゲート電極Ｇに電気接続された制御要素５８１と接続する。制御要素５８１は、アノード電極Ａと第２の負荷端子Ｌ２との間に接続された帰還インピーダンス５８５間の電位を受け取る。制御要素５８１は、帰還インピーダンス５８５のインダクタンス、抵抗、またはそれらの両方を考慮してもよい。制御要素５８１は、電圧制御された電圧、電流源、または制御入力に印加される信号によって制御することができるゲートドライバ回路であってもよい。帰還インピーダンス５８５は、ボンドワイヤ、基板上の導電路、別個の要素、またはそれらの任意の組み合わせであってもよい。クランピング電流の一部分はＳｉ−ＩＧＢＴ ５１１内で散逸させられるため、クランプダイオード５６０は、帰還回路５８０を有しない場合よりも低量のアバランシェ電流を搬送することで済み、小さい外形を有することができる。
図８Ｂでは、制御要素５８１は、オーム性帰還インピーダンス５８５間の電位を受け取り、評価する。
図９Ａおよび図９Ｂでは、電気組立体５００は支持体基板５９９、例えば、ＰＣＢ（プリント回路基板）またはＤＣＢ（直接銅接合）基板を含む。少なくとも第１の導体構造体５９１および第２の導体構造体５９２が支持体基板５９９の実装面上に形成されている。第１の導体構造体５９１は第１の負荷端子Ｌ１を形成するか、またはそれに電気接続されている。第２の導体構造体５９２は第２の負荷端子Ｌ２を形成するか、またはそれに電気接続されている。第１および第２の導体構造体５９１、５９２は銅パッドまたは銅ストリップであってもよい。
Ｓｉ−ＩＧＢＴ ５１１、フリーホイーリングダイオード５１９およびクランプダイオード５６０が第１の導体構造体５９１上に並んで実装される、例えば、はんだ付けまたは接着される。フリーホイーリングダイオード５１９およびクランプダイオード５６０のカソード、ならびにＳｉ−ＩＧＢＴ ５１１のコレクタは、第１の導体構造体５９１に直接接触している。接合配線５８６が、フリーホイーリングダイオード５１９の露出したアノード端子ＡＦ、およびクランプダイオード５６０の露出したアノード端子Ａを第２の導体構造体５９２と電気接続している。
図９Ａでは、クランプダイオード５６０と第２の導体構造体５９２との間の接合配線５８６が図８Ａの帰還インピーダンス５８５の一部を形成する。帰還インピーダンスは、クランプダイオード５６０と第２の導体構造体５９２との間の接合配線５８６内のボンドワイヤの数を低減することによって、またはボンドワイヤを長くすることによって増大させることができる。
図９Ｂでは、Ｓｉ−ＩＧＢＴ ５１１とクランプダイオード５６０との間の第２の導体構造体５９２内のループ５８７が帰還インピーダンス５８５を増大させることができる。
図１０は、例として、モータ駆動装置、スイッチングモード電源、スイッチングモード電源の１次段、同期整流器、ＤＣ−ＡＣ変換器の１次段、ＤＣ−ＡＣ変換器の２次段、ＤＣ−ＤＣ変換器の１次段、またはソーラーパワー変換器の一部分であってもよい電子組立体６００の一部分に言及する。
電子組立体６００は、半ブリッジ構成におけるローサイドスイッチおよびハイサイドスイッチとして配置された上述された通りの２つの同一の電気組立体５００を含んでもよい。電気組立体５００は、並列クランプダイオード５６０を有するＩＧＢＴ ５１１を含んでもよく、２つの電気組立体５００の負荷経路は第１の電源端子Ａと第２の電源端子Ｂとの間に直列に電気接続されている。電源端子Ａ、ＢはＤＣ（直流）電圧またはＡＣ（交流）電圧を供給してもよい。２つの電気組立体５００の間の中間ネットワークノードＮＮは、例として、変圧器の巻線もしくはモータ巻線であってもよい誘導負荷ＬＤに、または電子回路の基準電位に電気接続されてもよい。
電子組立体６００は、電気組立体５００が電気的に半ブリッジ構成で配置され、ネットワークノードＮＮがモータ巻線に電気接続され、電源端子Ａ、ＢがＤＣ電圧を供給するモータ駆動装置であってもよい。
別の実施形態によれば、電子組立体６００は、電源端子Ａ、Ｂが電子組立体６００に入力周波数のＡＣ電圧を供給する、スイッチングモード電源の１次側の段であってもよい。ネットワークノードＮＮは変圧器の１次巻線に電気接続される。
電子組立体６００は、電源端子Ａ、Ｂが変圧器の２次巻線に接続され、ネットワークノードＮＮがスイッチングモード電源の２次側における電子回路の基準電位に電気接続される、スイッチングモード電源の同期整流器であってもよい。
さらなる実施形態によれば、電子組立体６００は、光電池を含む用途のためのＤＣ−ＤＣ変換器、例えば、パワーオプティマイザまたはマイクロインバータの１次側の段であってもよい。電源端子Ａ、Ｂは電子組立体６００にＤＣ電圧を供給し、ネットワークノードＮＮが誘導性蓄積要素に電気接続される。
別の実施形態によれば、電子組立体６００は、光電池を含む用途のためのＤＣ−ＤＣ変換器、例えば、パワーオプティマイザまたはマイクロインバータの２次側の段であってもよい。電子組立体６００は電源端子Ａ、Ｂに出力電圧を供給し、ネットワークノードＮＮは誘導性蓄積要素に電気接続される。
図１１は、図９の電子組立体６００を含むＩＧＢＴモジュール７００に言及する。ＩＧＢＴモジュール７００は、電子組立体６００をオンおよびオフに交互に切り換えるための制御信号を供給するように構成された制御回路７１０、ならびに制御回路７１０によって制御され、電子組立体６００のゲート端子に電気接続されたゲートドライバ７２０をさらに含んでもよい。
本明細書においては、特定の実施形態が図示され、説明されているが、種々の代替のおよび／または均等な実装形態が、本発明の範囲から逸脱することなく、図示され、説明されている特定の実施形態と置き換えられ得ることが当業者によって理解されるであろう。本出願は、本明細書において説明されている特定の実施形態の任意の適応形態または変形形態を包括することを意図されている。したがって、本発明は請求項およびそれらの均等物によってのみ限定されることが意図されている。
１００ 半導体本体
１０１ 第１の表面
１０２ 第２の表面
１０３ 外面
１１５ 空乏領域
１２１ ドリフト領域
１２８ フィールドストップ層
１２９ カソード領域
１３０ 電界形成構造体
１３２ アノード領域
１３４ プラグ
１３５ 絶縁体層
１３７チャネル接点領域
１３８ チャネル
１３９ ピニング領域
２１０ 層間絶縁膜
３１０ 金属アノード
３１１ ショットキーバリア層
３１２ コンタクト層
３２０ 金属カソード
４０１ 電圧曲線
４０２ 電流曲線
４１１ 基準電圧曲線
４１２ 基準電流曲線
４２１ ＶＣＥ電圧曲線
４２２ ＩＬ電流曲線
４２３ ＶＧ電圧曲線
４２４ ＥＡＲ曲線
４３１ Ｖ特性
４３２ Ｖ特性
４３３ Ｖ特性
４５１ 順方向特性
４５２ 順方向特性
５００ 電気組立体
５１０ 半導体スイッチングデバイス
５１１ａ 逆導通ダイオード
５１２ａ 内部ボディダイオード
５１９ａ フリーホイーリングダイオード
５１９ｂ フリーホイーリングダイオード
５１９ｃ フリーホイーリングダイオード
５１９ｘ シリコンｐｉｎダイオード
５１９ｙ 炭化ケイ素ショットキーダイオード
５６０ クランプダイオード
５６１ ＭＰＳダイオード
５６２ ＴＭＢＳダイオード
５６３ ＴＯＰＳダイオード
５６４ ＩＤＥＥダイオード
５６５ ＳｉＣ ｐｉｎダイオード
５８０ 帰還回路
５８１ 制御要素
５８２ 帰還経路
５８５ 帰還インピーダンス
５８６ 接合配線
５８７ ループ
５９０ 第１の導体構造体
５９１ 第２の導体構造体
５９９ 支持体基板
６００ 電子組立体
６１０ 中心領域
６９０ 終端領域
７００ ＩＧＢＴモジュール
７１０ 制御回路
７２０ ゲートドライバ

Claims (25)

  1. オフ状態における２つの負荷端子（Ｌ１、Ｌ２）間の最大定格降伏電圧に耐えるように構成された半導体スイッチングデバイス（５１０）と、
    前記２つの負荷端子（Ｌ１、Ｌ２）に、かつ前記スイッチングデバイス（５１０）と並列に電気接続されたクランプダイオード（５６０）であって、前記クランプダイオード（５６０）の半導体本体（１００）は炭化ケイ素製であり、および前記クランプダイオード（５６０）のアバランシェ電圧は前記スイッチングデバイス（５１０）の前記最大定格降伏電圧よりも低い、クランプダイオード（５６０）と
    を備え、
    前記クランプダイオード（５６０）は、金属アノード（３１０）および金属カソード（３２０）の両方が前記半導体本体（１００）に直接隣接する中心領域（６１０）、ならびに前記中心領域（６１０）を包囲する終端領域（６９０）を備え、前記中心領域（６１０）内の降伏電圧は前記終端領域（６９０）内の降伏電圧よりも低く、
    前記クランプダイオード（５６０）は少なくとも６５０Ｖ以上の阻止電圧を有するＳｉＣダイオードである、電気組立体。
  2. 前記クランプダイオード（５６０）は、前記スイッチングデバイス（５１０）の最大定格長期負荷電流の少なくとも４００％を少なくとも１０ｎｓにわたり耐えるように構成されている、請求項１に記載の電気組立体。
  3. 前記クランプダイオード（５６０）は、金属アノード（３１０）と金属カソード（３２０）との間で有効なｐｎ接合（ｐｎ０）を備える、請求項１または２に記載の電気組立体。
  4. 前記クランプダイオード（５６０）は、前記クランプダイオード（５６０）の阻止モードにおいて、電界強度が、前記半導体本体（１００）と前記クランプダイオード（５６０）の金属アノード（３１０）との間の金属−半導体界面まで距離をおいて最大値を有するように構成された電界形成構造体（１３０）を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気組立体。
  5. 前記クランプダイオード（５６０）は、前記半導体本体（１００）と前記金属アノード（３１０）との間で有効なショットキー接点（ＳＣ）を備える、請求項４に記載の電気組立体。
  6. 前記クランプダイオード（５６０）は、合併ｐｉｎショットキー（ＭＰＳ）ダイオード（５６１）である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気組立体。
  7. 前記クランプダイオード（５６０）は、トレンチＭＯＳバリアショットキーダイオード（５６２）である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気組立体。
  8. 前記クランプダイオード（５６０）は、トレンチ酸化物ｐｉｎショットキー（ＴＯＰＳ）ダイオード（５６３）である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気組立体。
  9. 前記クランプダイオード（５６０）は、エミッタ効率−逆注入依存性（ＩＤＥＥ）ダイオード（５６４）である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気組立体。
  10. 前記クランプダイオード（５６０）は、ＳｉＣ ｐｉｎダイオード（５６５）である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気組立体。
  11. 前記２つの負荷端子（Ｌ１、Ｌ２）の間に、前記スイッチングデバイス（５１０）および前記クランプダイオード（５６０）と並列に接続されたフリーホイーリングダイオード（５１９）であって、前記クランプダイオード（５６０）のアバランシェ電圧は前記フリーホイーリングダイオードの降伏電圧よりも低い、フリーホイーリングダイオード（５１９）をさらに備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の電気組立体。
  12. 前記フリーホイーリングダイオード（５１９）は、シリコンｐｎダイオード（５１９ｘ）を含む、請求項１１に記載の電気組立体。
  13. 前記フリーホイーリングダイオード（５１９）は、炭化ケイ素ショットキーダイオード（５１９ｙ）を含む、請求項１１または１２に記載の電気組立体。
  14. 前記スイッチングデバイス（５１０）と電気的に並列に配置された少なくとも１つのさらなる半導体スイッチングデバイスをさらに備える、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の電気組立体。
  15. 前記スイッチングデバイス（５１０）は、シリコン絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｓｉ−ＩＧＢＴ）（５１１）を備える、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の電気組立体。
  16. 前記クランプダイオード（５６０）のアノード電極（Ａ）を前記スイッチングデバイス（５１０）のゲート電極（Ｇ）と電気接続する帰還回路（５８０）であって、前記クランプダイオード（５６０）を通した電流の増大とともに前記ゲート電極（Ｇ）におけるゲート電圧を増大させるように構成されている、帰還回路（５８０）をさらに備える、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の電気組立体。
  17. 前記クランプダイオード（５６０）の前記アノード電極（Ａ）と前記２つの負荷端子（Ｌ１、Ｌ２）のうちの第２の負荷端子（Ｌ２）との間に電気接続された帰還インピーダンス（５８５）をさらに備え、
    前記帰還回路（５８０）は、前記クランプダイオード（５６０）の前記アノード電極（Ａ）を、前記スイッチングデバイス（５１０）の前記ゲート電極（Ｇ）に電気接続された制御要素（５８１）と電気接続する帰還経路（５８２）を備え、前記制御要素（５８１）は、前記クランプダイオード（５６０）を通した電流の増大とともに前記ゲート電極（Ｇ）におけるゲート電圧を増大させるように構成されている、請求項１６に記載の電気組立体。
  18. 前記制御要素（５８１）は、電圧制御可能な電圧、電流源、およびゲートドライバ回路を含む群から選択される、請求項１７に記載の電気組立体。
  19. 前記クランプダイオード（５６０）の前記アバランシェ電圧は、全公称温度範囲について、および前記スイッチングデバイス（５１０）の最大定格電流について、前記スイッチングデバイス（５１０）の前記最大定格降伏電圧よりも低い、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の電気組立体。
  20. 前記クランプダイオード（５６０）の前記アバランシェ電圧は、少なくとも３００Ｖである、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の電気組立体。
  21. 第１の電気組立体（５００）を備えるローサイドスイッチと、第２の電気組立体（５００）を備えるハイサイドスイッチとを備える、電子組立体であって、前記ローサイドスイッチおよび前記ハイサイドスイッチは電気的に半ブリッジ構成で配置され、および前記電気組立体（５００）のうちの少なくとも一方は、
    オフ状態における２つの負荷端子（Ｌ１、Ｌ２）間の最大定格降伏電圧に耐えるように構成された半導体スイッチングデバイス（５１０）と、
    前記２つの負荷端子（Ｌ１、Ｌ２）に、かつ前記スイッチングデバイス（５１０）と並列に電気接続されたクランプダイオード（５６０）であって、前記クランプダイオード（５６０）の半導体本体（１００）は炭化ケイ素製であり、および前記クランプダイオード（５６０）のアバランシェ電圧は前記スイッチングデバイス（５１０）の公称温度範囲について前記スイッチングデバイス（５１０）の前記最大定格降伏電圧よりも低い、クランプダイオード（５６０）と
    を備え、
    前記クランプダイオード（５６０）は、金属アノード（３１０）および金属カソード（３２０）の両方が前記半導体本体（１００）に直接隣接する中心領域（６１０）、ならびに前記中心領域（６１０）を包囲する終端領域（６９０）を備え、前記中心領域（６１０）内の降伏電圧は前記終端領域（６９０）内の降伏電圧よりも低く、
    前記クランプダイオード（５６０）は少なくとも６５０Ｖ以上の阻止電圧を有するＳｉＣダイオードである、電子組立体。
  22. 第１の電気組立体（５００）を備えるローサイドスイッチと、第２の電気組立体（５００）を備えるハイサイドスイッチとを備える半ブリッジ回路を備える絶縁ゲートバイポーラトランジスタモジュールであって、前記電気組立体（５００）のうちの少なくとも一方は、
    オフ状態における２つの負荷端子（Ｌ１、Ｌ２）間の最大定格降伏電圧に耐えるように構成された半導体スイッチングデバイス（５１０）と、
    前記２つの負荷端子（Ｌ１、Ｌ２）に、かつ前記スイッチングデバイス（５１０）と並列に電気接続されたクランプダイオード（５６０）であって、前記クランプダイオード（５６０）の半導体本体（１００）は炭化ケイ素製であり、および前記クランプダイオード（５６０）のアバランシェ電圧は前記スイッチングデバイス（５１０）の公称温度範囲について前記スイッチングデバイス（５１０）の前記最大定格降伏電圧よりも低い、クランプダイオード（５６０）と
    を備え、
    前記クランプダイオード（５６０）は、金属アノード（３１０）および金属カソード（３２０）の両方が前記半導体本体（１００）に直接隣接する中心領域（６１０）、ならびに前記中心領域（６１０）を包囲する終端領域（６９０）を備え、前記中心領域（６１０）内の降伏電圧は前記終端領域（６９０）内の降伏電圧よりも低く、
    前記クランプダイオード（５６０）は少なくとも６５０Ｖ以上の阻止電圧を有するＳｉＣダイオードである、絶縁ゲートバイポーラトランジスタモジュール。
  23. 前記電気組立体（５００）のゲート端子に電気接続されたゲートドライバ（７２０）をさらに備える、請求項２２に記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタモジュール。
  24. オフ状態における２つの負荷端子（Ｌ１、Ｌ２）間の最大定格降伏電圧に耐えるように構成された半導体スイッチングデバイス（５１０）と、
    前記２つの負荷端子（Ｌ１、Ｌ２）に、かつ前記スイッチングデバイス（５１０）と並列に電気接続されたクランプダイオード（５６０）であって、前記クランプダイオード（５６０）のアバランシェ電圧は前記スイッチングデバイス（５１０）の前記最大定格降伏電圧よりも低く、前記クランプダイオード（５６０）は、金属アノード（３１０）および金属カソード（３２０）の両方が半導体本体（１００）に直接隣接する中心領域（６１０）、ならびに前記中心領域（６１０）を包囲する終端領域（６９０）を備え、前記中心領域（６１０）内の降伏電圧は前記終端領域（６９０）内の降伏電圧よりも低く、
    少なくとも６５０Ｖ以上の阻止電圧を有するＳｉＣダイオードである、クランプダイオード（５６０）と、
    前記クランプダイオード（５６０）のアノード電極（Ａ）を前記スイッチングデバイス（５１０）のゲート電極（Ｇ）と電気接続する帰還回路（５８０）であって、前記クランプダイオード（５６０）を通した電流の増大とともに前記ゲート電極（Ｇ）におけるゲート電圧を増大または低下させるように構成されている、帰還回路（５８０）と
    を備える、電気組立体。
  25. 前記クランプダイオード（５６０）の半導体本体（１００）が炭化ケイ素製である、請求項２４に記載の電気組立体。
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