【自動車・モビリティ】EVの電費を劇的改善！トヨタの「超低損失パワー半導体」技術

【課題】損失を減らすと、漏れ電流が増える「トレードオフ」

インバータには、スイッチの役割を果たす「IGBT」と、電流の逆流を防ぐ「還流ダイオード」という2つのパワー半導体がセットで使われます。これらを1つのシリコンチップ上に作る「RC-IGBT」は、モジュールの小型化に不可欠です。

しかし、ダイオード部分の性能を上げよう（＝電気を流す時の抵抗「オン電圧」を下げよう）とすると、内部に電子や正孔（キャリア）を溜め込みやすい構造にする必要があります。

ところが、キャリアが溜まりやすい構造にすると、今度はスイッチをオフにして逆方向に高い電圧がかかった際に、「リーク電流（漏れ電流）」が増加してしまい、最悪の場合は素子が破壊されてしまうという、あちらを立てればこちらが立たない「トレードオフ」の壁がありました。

【解決策】トレンチの底に設けた「フローティングp層」の魔法

この矛盾を根本から解決したのが、本特許で開発された特殊な「トレンチ（溝）」構造です。

1. トレンチ底部の「p型領域」が鍵

図2の断面図をご覧ください。ダイオード領域には縦に深く掘られた溝（トレンチ48）があり、その中に絶縁膜を介して電極が埋め込まれています。

本特許の最大の特徴は、このトレンチの底面を包み込むように、周囲から独立した「p型の半導体領域（36）」を設けた点にあります。

2. 電気の振る舞いを自動で切り替える

この「底部のp型領域（36）」が、電流の向きによって魔法のような働きをします。

• 順方向（電気を流す時）： トレンチとp型領域が「壁」となってキャリアの通り道を狭め、ダイオード内部にキャリアを密集させます。これにより電気抵抗が劇的に下がり、低損失（低オン電圧）を実現します。（専門用語でIE効果と呼びます）
• 逆方向（電気を止める時）： 高い電圧がかかると、底部のp型領域（36）から「空乏層」と呼ばれる電気を通さないバリアが横方向に一気に広がります。これが電界の集中を和らげ、リーク電流を強力にシャットアウトするのです。

3. トレードオフの打破を実証

以下の図3は、高温環境下（200℃）における逆方向電圧とリーク電流の関係を示したグラフです。

【効果】インバータの小型化でEVの航続距離を伸ばす

このRC-IGBT技術が実用化されることで、自動車社会に多大な恩恵をもたらします。

• インバータの劇的な小型化： 2つのチップ（IGBTとダイオード）を1つに統合できるため、インバータモジュール全体を大幅に小型化・低コスト化できます。
• 省エネ（電費向上）： 電力変換時のロス（熱になる無駄）が減るため、同じバッテリー容量でもEVやHVの航続距離が確実に延びます。

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