JP6130863B2 - 半導体パワーモジュール及びデバイス - Google Patents

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Description

本発明は、半導体電子デバイスで形成された電子モジュールの構成に関する。
ブリッジ回路などのパワースイッチング回路は、一般に、様々な用途で使用されている。モータを駆動するように構成された三相ブリッジ回路１０の回路図が図１に示される。回路１０の三つの半ブリッジ１５、２５、及び３５はそれぞれ、二つのトランジスタ４１及び４２、４３及び４４、並びに４５及び４６をそれぞれ含み、それらのトランジスタは、第１の方向の電圧を阻止することができると共に、第１の方向の又は任意に両方向の電流を導通することができる。ブリッジ回路１０で用いられるトランジスタが一方向でのみ電流を導通することができる用途では、例えばシリコンＩＧＢＴが使用される場合、逆並列ダイオード（図示なし）がトランジスタ４１〜４６それぞれに接続されてもよい。トランジスタ４１〜４６はそれぞれ、バイアスをかけられオフ状態にあるとき、少なくとも回路１０の高電圧（ＨＶ）源１１程度の大きさの電圧を阻止することができる。即ち、トランジスタ４１〜４６のいずれかのゲート・ソース間電圧ＶＧＳがトランジスタ閾値電圧Ｖｔｈよりも低い場合、ドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ（即ち、ソースに対するドレインの電圧）が０Ｖ〜ＨＶであると、電流は実質的にトランジスタを流れない。バイアスをかけられオン状態にある（即ち、ＶＧＳがトランジスタ閾値電圧よりも高い）とき、トランジスタ４１〜４６はそれぞれ、それらが使用されている用途に対して十分な高電流を導通することができる。
トランジスタ４１〜４６は、エンハンスメントモード、即ちＥモードトランジスタ（ノーマリーオフ型、Ｖｔｈ＞０）、又はデプレッションモード、即ちＤモード（ノーマリーオン型、Ｖｔｈ＜０）トランジスタである。パワー回路では、エンハンスメントモードデバイスは、一般的に、デバイス又は他の回路部品に対する損傷を引き起こすことがある偶発的な作動を防ぐのに使用される。ノード１７、１８、及び１９は全て、誘導負荷を介して、即ちモータコイル（図１には図示なし）などの誘導部品を介して互いに連結される。
図２ａは、ノード１７と１８との間にあるモータの巻線（誘導部品２１によって表される）と共に、図１の三相モータ駆動部全体の半ブリッジ１５を示す。モータ電流が供給されるトランジスタ４４も示される。この電力相の場合、トランジスタ４４は継続的にオン（Ｖｇｓ４４＞Ｖｔｈ）、トランジスタ４２は継続的にオフ（Ｖｇｓ４２＜Ｖｔｈ、即ち、エンハンスメントモードトランジスタが使用される場合、Ｖｇｓ４２＝０Ｖ）であり、トランジスタ４１は、所望のモータ電流を実現するようにパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を用いて変調される。図２ｂは、トランジスタ４１がバイアスをかけられオンになる時間の電流２７の経路を示す。このバイアスの場合、モータ電流はトランジスタ４１及び４４を流れるが、トランジスタ４２はバイアスをかけられオフになっているため、トランジスタ４２には電流が流れず、ノード１７の電圧はＨＶに近いので、トランジスタ４２はＨＶに近い電圧を阻止する。
本明細書で使用されるとき、「電圧を阻止する」という用語は、トランジスタ、デバイス、又は部品の両端間に電圧が印加されたとき、標準的なオン状態の導通の間の平均動作電流の０．００１倍を超える電流などの、意味のある（影響がある）電流が、トランジスタ、デバイス、又は部品を流れないようにされた状態にあるトランジスタ、デバイス、又は部品を指す。換言すれば、トランジスタ、デバイス、又は部品がその両端間に印加されている電圧を阻止している間、トランジスタ、デバイス、又は部品を通過する全電流は、標準的なオン状態の導通時の平均動作電流の０．００１倍を超えない。
図２ｃを参照すると、トランジスタ４１がオフに切り換えられると、電流はトランジスタ４１を流れることができないので、モータ電流がトランジスタ４２を通って逆方向に流れるが、これはトランジスタ４２がバイアスをかけられオン又はオフのどちらになっているかに係わらず起こり得る。或いは、逆並列の環流ダイオード（図示なし）をトランジスタ４２の両端間に接続することができるが、その場合、逆電流が環流ダイオードを通って流れる。かかる動作中、誘導部品２１によってノード１７の電圧が十分に負の値になって、トランジスタ４２を通る逆導通を引き起こし、トランジスタ４１はＨＶに近い電圧を阻止する。
図３ａ〜３ｃは、図２ａ〜２ｃに示されるのとは逆方向で電流が誘電負荷を通過する条件下における半ブリッジ１５の動作を示しており、ノード１７の電圧はローサイドトランジスタ４２を切り換えることによって制御される。図３ａ〜３ｃに示される動作モードの場合、モータ電流２７は、トランジスタ４３を通って誘導モータ２１に供給される。この動作モード中、トランジスタ４３は継続的にオン（Ｖｇｓ４３＞Ｖｔｈ）、トランジスタ４１は継続的にオフ（Ｖｇｓ４１＜Ｖｔｈ、即ち、エンハンスメントモードトランジスタが使用される場合、Ｖｇｓ４１＝０Ｖ）であり、トランジスタ４２は、所望のモータ電流を実現するようにパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を用いて変調される。図３ｂは、トランジスタ４２がバイアスをかけられオンになっている時間の電流２７の経路を示す。このバイアスの場合、モータ電流はトランジスタ４３及び４２を流れるが、トランジスタ４１はバイアスをかけられオフになっているため、トランジスタ４１には電流が流れず、ノード１７の電圧は０Ｖに近いので、トランジスタ４１はＨＶに近い電圧を阻止する。
図３ｃを参照すると、トランジスタ４２がオフに切り換えられると、電流はトランジスタ４２を流れることができないので、モータ電流がトランジスタ４１を通って逆方向に流れるが、これはトランジスタ４１がバイアスをかけられオン又はオフのどちらになっているかに係わらず起こり得る。或いは、逆並列の環流ダイオード（freewheeling diode）（図示なし）はトランジスタ４１の両端間に接続することができるが、その場合、逆電流が環流ダイオードを通って流れる。かかる動作中、誘導部品２１によってノード１７の電圧が十分に高い値（ＨＶを僅かに上回る）になって、トランジスタ４１を通る逆導通を引き起こし、トランジスタ４２はＨＶに近い、又はそれよりも僅かに高い電圧を阻止する。
モータ駆動の用途における使用に加えて、半ブリッジ及びブリッジ回路は、他の多くの用途に、例えばブースト若しくはバックコンバータに、又は電源にも使用することができる。半ブリッジ１５を利用して電気負荷２８を駆動する例示的な回路が図４に示される。電気負荷２８は、例えば、容量性及び／又は抵抗性であることができ、或いは場合によっては、バッテリー又は直流電源であり得る。図４に更に示されるように、多くの用途では、誘導性素子２３及び／又は容量性素子２４を含むことができるフィルタ２２が、それぞれ、半ブリッジ１５と電気負荷２８との間に挿入される。
図２ａ〜２ｃ及び３ａ〜３ｃに示されるスイッチングのモードは、ハードスイッチングとして一般に知られている。ハードスイッチング回路構成は、オンに切り換えられるとすぐに高電流を通過させ、オフに切り換えられるとすぐに高電圧になるように、スイッチングトランジスタが構成されているものである。換言すれば、非ゼロの電流が誘導負荷を流れる期間の間、トランジスタがオンに切り換えられることにより、電流が徐々に上昇するのではなく、トランジスタがオンに切り換えられると直ちに又はそのすぐ後に、相当の高電流がトランジスタを流れる。同様に、高電圧をトランジスタによって阻止しなければならない期間の間、トランジスタがオフに切り換えられることにより、電圧が徐々に上昇するのではなく、トランジスタがオフに切り換えられると直ちに又はそのすぐ後に、相当の高電圧がトランジスタによって阻止される。これらの条件下で切り換えられるトランジスタは、「ハードスイッチング」されると言われる。
代替の回路構成は、トランジスタを「ソフトスイッチング」するのを可能にするため、追加の受動素子及び／又は能動素子、或いは信号タイミング技術を使用する。ソフトスイッチング回路構成は、ゼロ電流（若しくはほぼゼロ電流）条件の間はオンに切り換えられ、ゼロ電圧（若しくはほぼゼロ電圧）条件の間はオフに切り換えられるように、スイッチングトランジスタが構成されているものである。ソフトスイッチングの方法及び構成は、ハードスイッチング回路で、特に高電流及び／又は高電圧の印加において観測される、高レベルの電磁妨害（ＥＭＩ）及びそれに関連するリンギングに対処するために開発されてきた。ソフトスイッチングは多くの場合にこれらの問題を軽減することができるが、ソフトスイッチングに必要な回路類は、一般的に多くの追加部品を含み、結果的に全体のコスト及び複雑性が増大する。ソフトスイッチングはまた、一般的に、ゼロ電流又はゼロ電圧条件が満たされる特定の時間にのみ切り換わるように回路が構成されることを必要とし、その結果、適用することができる制御信号が限定され、多くの場合に回路性能が低減される。したがって、ＥＭＩを十分に低いレベルで維持するために、ハードスイッチング方式のパワースイッチング回路のための代替の構成及び方法が望ましい。
一つの態様では、第１のエリアを有する第１の導電性部分を含む第１のパッケージに入れられ、第１の導電性部分の上に実装される第１のトランジスタを含む、電子部品が記載される。電子部品は更に、第２のエリアを有する第２の導電性部分を含む第２のパッケージに入れられ、第２の導電性部分の上に実装される第２のトランジスタを含む。電子部品はまた、第１の金属層と第２の金属層との間に絶縁層を備える基板であって、第１の金属層が基板の第１の面上にあり、第２の金属層が基板の第２の面上にある、基板を含む。第１のパッケージは、第１の導電性部分が第１の金属層に電気的に接続された状態で、基板の第１の面上にあり、第２のパッケージは、第２の導電性部分が第２の金属層に電気的に接続された状態で、基板の第２の面上にあり、第１の導電性部分の第１のエリアの少なくとも５０％が第２の導電性部分の第２のエリアに対向した状態で、第１のパッケージが第２のパッケージに対向する。
別の態様では、ソース線及び第１の導電性部分を備える第１のパッケージに入れられ、第１の導電性部分の上に実装される第１のトランジスタを含む、電子部品が記載される。電子部品はまた、ドレイン線及び第２の導電性部分を備える第２のパッケージに入れられ、第２の導電性部分の上に実装される第２のトランジスタを含む。電子部品は更に、第１の金属層と第２の金属層との間に絶縁層を備える基板であって、第１の金属層が基板の第１の面上にあり、第２の金属層が基板の第２の面上にある、基板を含む。第１のパッケージは、第１の導電性部分が第１の金属層に電気的に接続された状態で、基板の第１の面上にあり、第２のパッケージは、第２の導電性部分が第２の金属層に電気的に接続された状態で、基板の第２の面上にあり、第１のパッケージのソース線が第２のパッケージのドレイン線と実質的に一直線上に配置された状態で、第１のパッケージが少なくとも部分的に第２のパッケージに対向する。
更に別の態様では、第１の導電層と第２の導電層との間に絶縁層を備えるコンデンサを含む、電子部品が記載される。電子部品はまた、第１の導電性部分を有する第１のパッケージに入れられた第１のトランジスタと、第２の導電性部分を有する第２のパッケージに入れられた第２のトランジスタとを含む。第１の導電性部分は第１の導電層の上に直接実装され、第２の導電性部分は第２の導電層の上に直接実装される。
更にまた別の態様では、電気負荷に接続されるように構成された半ブリッジが記載される。半ブリッジは、第１のパッケージに入れられた第１のスイッチ及び第２のパッケージに入れられた第２のスイッチを含み、第１のパッケージはソース線を有し、第２のパッケージはドレイン線を有し、第１のパッケージのソース線が第２のパッケージのドレイン線に電気的に接続されている。半ブリッジは、少なくとも３アンペアの電流が電気負荷を流れている状態で、少なくとも１００ボルト／ナノ秒のスイッチング速度で電気負荷の両端間における少なくとも３００ボルトの電圧をハードスイッチングするように動作可能である。
本明細書に記載する電子部品及び半ブリッジは、次の特徴の１以上を含むことができる。第１及び第２のトランジスタは半ブリッジ回路の一部であることができる。基板は、半ブリッジ回路の動作中における第１及び第２の金属層間の電圧を安定させる役割を果たすコンデンサを形成することができる。基板によって形成されたコンデンサは第１のコンデンサであることができ、電子部品は、第１のコンデンサと並列に接続される第２のコンデンサを更に備える。基板はビアホールを含むことができ、第２のコンデンサのリード線がビアホールを通り抜けることができる。第１のパッケージはソース線を有することができ、第２のパッケージはドレイン線を有することができ、ソース線及びドレイン線は互いに電気的に接続される。基板はビアホールを含むことができ、第１のパッケージのソース線を第２のパッケージのドレイン線に電気的に接続するコネクタは、ビアホールを通り抜けることができる。第１のトランジスタは、第１の導電性部分に電気的に接続される第１の電極を有することができ、第２のトランジスタは、第２の導電性部分に電気的に接続される第２の電極を有することができる。第１の電極は第１のトランジスタのドレイン電極であることができ、第２の電極は第２のトランジスタのソース電極であることができる。第１の導電性部分は、直接第１の金属層上にあって第１の金属層に接触していることができ、第２の導電性部分は、直接第２の金属層上にあって第２の金属層に接触していることができる。
第１のトランジスタ又は第２のトランジスタは、ＩＩＩ族窒化物のトランジスタ或いは横型デバイスであることができる。第１のパッケージはソース線を有することができ、第２のパッケージはドレイン線を有することができ、ソース線はドレイン線と実質的に一直線上に配置されている。電子部品は、第１のパッケージに入れられた第３のトランジスタを更に含むことができ、第１のトランジスタのソースは第３のトランジスタのドレインに電気的に接続され、第１のトランジスタのゲートは第２のトランジスタのソースに電気的に接続される。第１のトランジスタは高電圧デプレッションモードトランジスタであることができ、第３のトランジスタは低電圧エンハンスメントモードトランジスタであることができる。
基板は、二層プリント回路（ＰＣＢ）基板などのプリント回路（ＰＣＢ）基板であることができる。第１のトランジスタのドレイン電極は、第１の導電性部分に電気的に接続することができ、第２のトランジスタのソース電極は、第２の導電性部分に電気的に接続することができる。第１のパッケージはドレイン線を有することができ、第２のパッケージはソース線を有することができ、第１のパッケージのドレイン線は第１の導電性部分に電気的に接続され、第２のパッケージのソース線は第２の導電性部分に電気的に接続される。電子部品は、電気負荷に接続されるように構成することができる、半ブリッジモジュールを含むことができる。第１の導電性部分は第１の導電層に電気的に接続することができ、第２の導電性部分は第２の導電層に電気的に接続することができる。電気負荷を流れる電流は少なくとも６アンペアであることができ、第１のスイッチ及び第２のスイッチは基板の対向面上にあることができる。
更に別の態様では、第１のパッケージに入れられた第１のスイッチ及び第２のパッケージに入れられた第２のスイッチを備える半ブリッジ回路を動作させる方法が記載される。方法は、第１のスイッチのドレインを、第２のスイッチのソースに対して少なくとも３００ボルトの電圧でバイアスをかけるステップと、第１のスイッチにバイアスをかけてオンにすると共に第２のスイッチにバイアスをかけてオフにし、それによって、少なくとも３アンペアの電流を第１のスイッチに流すと共に、第２のスイッチによって電圧を阻止するステップとを含む。方法は更に、第１のスイッチをオフへと第１の時間でスイッチングする際に、電流を第２のスイッチに流すと共に、第１のスイッチによって電圧を阻止するステップを含む。第１のスイッチのスイッチングは、少なくとも１００ボルト／ナノ秒のスイッチング速度での第１のスイッチのハードスイッチングを含む。
本明細書に記載する方法はそれぞれ、次の特徴の１以上を含むことができる。第１のスイッチ及び第２のスイッチはそれぞれ、１以上のトランジスタを備えることができる。方法は更に、第１のスイッチをオフからオンへと第２の時間でスイッチングする際に、電流を第１のスイッチに流すと共に、第２のスイッチによって電圧を阻止するステップを更に含むことができる。前記第２の時間は前記第１の時間の後であることができる。方法は更に、半ブリッジ回路を電気負荷に接続するステップを含むことができ、電流は電気負荷を流れる。第２のスイッチのソースに対して、少なくとも４００ボルトの電圧で第１のスイッチのドレインにバイアスをかけることができる。
本明細書に記載される主題の１以上の実施形態の詳細は、添付図面及び以下の説明において記述される。主題の他の特徴、態様、及び利点は、説明、図面、及び請求項から明白になるであろう。
従来技術の三相ブリッジ回路を示す回路図である。 様々な動作条件下における図１の従来技術の三相ブリッジ回路の部分を示す図である。 様々な動作条件下における図１の従来技術の三相ブリッジ回路の部分を示す図である。 様々な動作条件下における図１の従来技術の三相ブリッジ回路の部分を示す図である。 様々な動作条件下における図１の従来技術の三相ブリッジ回路の部分を示す図である。 様々な動作条件下における図１の従来技術の三相ブリッジ回路の部分を示す図である。 様々な動作条件下における図１の従来技術の三相ブリッジ回路の部分を示す図である。 電気負荷を駆動するのに半ブリッジを利用する回路を示す図である。 ブリッジ回路の一部分を示す回路図である。 ブリッジ回路の一部分を示す回路図である。 半ブリッジモジュールとして機能するように構成された電子部品の概略断面図である。 図４の電子部品の斜視図である。 図４の電子部品の斜視図である。 半ブリッジモジュールのハイサイドスイッチを示す断面図である。 半ブリッジモジュールのローサイドスイッチを示す断面図である。 電子モジュールで使用することができる電子デバイスを示す図である。 電子モジュールで使用することができる電子デバイスを示す図である。 誘導負荷を駆動している半ブリッジ回路のハイサイドスイッチングに対する時間の関数としての電流及び電圧特性を示すプロット図である。 誘導負荷を駆動している半ブリッジ回路のローサイドスイッチングに対する時間の関数としての電流及び電圧特性を示すプロット図である。 電子部品の斜視図である。
様々な図面における同様の参照符号は同様の要素を示す。
本明細書において、パワースイッチング電子回路におけるＥＭＩを低レベルで維持し、それによって回路安定性をより向上させ、性能を改善できるようにするのに適した、電子部品及び方法を記載する。記載する電子部品はまた、従来の部品と比べてサイズを低減することができ、それによって生産コストを低下させることができる。
本明細書に記載する回路のトランジスタ又は他のスイッチング素子は、一般的に、上述したように、非常に高いスイッチング速度で（即ち、非常に短いスイッチング時間で）ハードスイッチングされるように構成される。本明細書の回路のうち一つの回路のトランジスタがオフ状態であって、そのトランジスタに実質的に電流が流れていないとき、一般的に、そのトランジスタは、その回路の高電圧に近い電圧をサポートする。本明細書の回路のうち一つの回路のトランジスタがオン状態のとき、一般的に、そのトランジスタに相当の電流が通っており、そのトランジスタをまたがる両端間の電圧は小さい。ハードスイッチング条件下で切り換えられるスイッチングトランジスタのスイッチング時間は、以下のように定義される。トランジスタが、上述のオフ状態から上述のオン状態へと切り換えられると、スイッチングの開始時にデバイスを通る電流が増加し始め、その増加速度は制御回路類の条件を調節することによって調節可能であり、そのデバイスの両端間の電圧はほぼ同じままである。デバイスの両端間の電圧は、ほぼ全ての負荷電流がトランジスタを通過する時点まで実質的に降下しない。スイッチングの開始とデバイスの両端間における電圧の降下との間に経過する時間は、トランジスタをオンにするための「スイッチング時間」と呼ばれる。切り換えられたデバイスの両端間の合計電圧をスイッチング時間で割ったもの（ｄＶ／ｄｔ）は、「電圧スイッチング速度（voltage switching rate）」又は単に「スイッチング速度」と呼ばれる。
オン状態からオフ状態へとトランジスタを切り換えると、デバイスの両端間の電圧は、ほぼスイッチングの開始時にオフ状態電圧へと増加するが、オン状態値からオフ状態値への電流の減少にはより長い時間が掛かり、減少速度はやはり、制御回路類の条件を調節することによって調節可能である。スイッチングの開始と、デバイスを通る電流がゼロに降下するまでの間に経過する時間は、トランジスタをオフにするための「スイッチング時間」と呼ばれる。切り換えられたデバイスを通る合計電流をスイッチング時間で割ったもの（ｄＩ／ｄｔ）は、「電流スイッチング速度（current switching rate）」又は単に「スイッチング速度」と呼ばれる。概して、より短いスイッチング時間（したがってより高いスイッチング速度）は、一般的により少ないスイッチング損失をもたらすが、一般的にはより高いレベルのＥＭＩも引き起こし、それによって回路部品が劣化するか、又は動作不能になるようなダメージが生じる場合がある。
図１〜２の回路の適切な動作を担保するために、直流高電圧ノード１１を交流アースとして維持しなければならない。即ち、図５ａに示されるように、コンデンサ５１の一方の端子を高電圧ノード１１に、且つコンデンサの他方の端子をアース１２に接続することによって、ノード１１を直流アース１２に容量結合することができる。したがって、トランジスタ４１又は４２のどちらをオン若しくはオフに切り換えると、コンデンサ５１が必要に応じて充電又は放電して、回路の高電圧側及び低電圧側における十分な定電圧を維持するのに必要な電流を供給することができる。より高いスイッチング速度によって生じたＥＭＩにより、一般的に、回路を安定させるためにコンデンサ５１がより高い電流レベルを供給することが必要になる。多くの場合、コンデンサ５１と回路との間の導電性コネクタは、図５ｂのインダクタ５２及び５３によって表される、大きな寄生インダクタンスを有する。この寄生インダクタンスによって、コンデンサ５１を通過する電流が十分に迅速に切り換わることができないようになり、それによって、トランジスタ４１若しくは４２のどちらかがオン又はオフに切り換わった後のトランジスタ４１若しくは４２の両端間の電圧変動を防ぐのに十分な高速で、コンデンサ５１が電流を供給することができなくなる。これによって、電圧振動（即ち、リンギング）及び過度に高レベルのＥＭＩなどの有害な影響がもたらされる場合がある。特に、回路中のトランジスタのうちいずれかの両端間における過度に大きい電圧振動は、トランジスタの故障を引き起こし、トランジスタが動作不能になる場合がある。
図６は、半ブリッジモジュールとして機能するように構成された電子部品の概略断面図である。電子部品は、寄生インダクタンスが最小限に抑えられるように構成され、それによって、後述するように、ＥＭＩ及びリンギングが容認可能な程低い、非常に高いスイッチング速度での大きな電流及び電圧のハードスイッチングが可能になる。電子部品は、図５ａの回路図に示される回路素子のそれぞれを含む。具体的には、電子部品は、図５ａのトランジスタ４１及び４２にそれぞれ対応する、ハイサイドスイッチ６０及びローサイドスイッチ７０を含む。スイッチ６０及び７０は、スイッチ６０及び７０を固定することができる剛性の表面を提供すると共に、図５ａのコンデンサ５１としても機能する、二層プリント回路（ＰＣＢ）基板８５の対向面に実装される。図７ａ及び７ｂは、図６の電子部品の斜視図であり、図８ａ及び８ｂはそれぞれ、ハイサイドスイッチ６０及びローサイドスイッチ７０の断面図であって、スイッチ６０及び７０の個々のパッケージ内に収容されたトランジスタを示している。
図８ａ及び８ｂに示されるように、スイッチ６０及び７０はそれぞれ、トランジスタを取り囲むパッケージに入れられ密閉されたトランジスタ９０を含む。スイッチ６０及び７０のパッケージはそれぞれ、電気絶縁部分６４及び７４、並びに導電性ベース部分６５及び７５を含む。上記パッケージはまた、それぞれ、ソース線（source lead）６１／７１、ゲート線（gate lead）６２／７２、及びドレイン線（drain lead）６３／７３を含み、リード線はそれぞれ、絶縁部分６４及び７４それぞれの側壁の一つに接続されると共に、そこから延在する。いくつかの実現例では、ベース部分６５及び７５それぞれの一部分のみが導電性であり、他の実現例では、ベース部分６５及び７５それぞれの全体が導電性である。図６〜８に示される代替実現例では、パッケージの部分６４及び７４は導電性材料で形成され、ソース線、ゲート線、及びドレイン線は、リード線を部分６４及び７４から電気的に隔離するために、絶縁材料によって部分６４及び７４から分離される。
トランジスタ９０（図８ａ及び８ｂに示される）は、Ｅモード又はＤモードトランジスタであることができるが、多くの用途では、Ｅモードトランジスタが好ましい。トランジスタ９０は、一般的に、高電圧スイッチングトランジスタである。本明細書で使用されるとき、高電圧スイッチングトランジスタなどの「高電圧スイッチングデバイス」は、高電圧スイッチング用途向けに最適化された電子デバイスである。即ち、トランジスタがオフのときは、約３００Ｖ以上、約６００Ｖ以上、約１２００Ｖ以上、又は約１７００Ｖ以上などの高電圧を阻止することができ、トランジスタがオンのときは、トランジスタが使用される用途に対して十分に低いオン抵抗（ＲＯＮ）を有し、即ち、十分な電流がデバイスを通過するときに起こる導通損失が十分に低い。高電圧デバイスは少なくとも、高電圧源に等しい電圧、又はデバイスが使用される回路における最高電圧を阻止することができる。高電圧デバイスは、３００Ｖ、６００Ｖ、１２００Ｖ、１７００Ｖ、又は用途によって求められる他の適切な阻止電圧を阻止することが可能であってもよい。換言すれば、高電圧デバイスは、０Ｖ〜少なくともＶｍａｘの間の任意の電圧を阻止することができ、ここで、Ｖｍａｘは、回路又は電源によって供給することができる最大電圧である。いくつかの実現例では、高電圧デバイスは、０Ｖ〜少なくとも２＊Ｖｍａｘの任意の電圧を阻止することができる。本明細書で使用するとき、低電圧トランジスタなどの「低電圧デバイス」は、０Ｖ〜Ｖｌｏｗ（ＶｌｏｗはＶｍａｘよりも低い）などの低電圧を阻止することができるが、Ｖｌｏｗよりも高い電圧は阻止することができない、電子デバイスである。いくつかの実現例では、Ｖｌｏｗは、約｜Ｖｔｈ｜、｜Ｖｔｈ｜よりも大きい値、約２＊｜Ｖｔｈ｜、約３＊｜Ｖｔｈ｜、又は、約｜Ｖｔｈ｜と３＊｜Ｖｔｈ｜との間の値、に等しく、ここで、｜Ｖｔｈ｜は、図７ａ及び７ｂに示され、より詳細に後述されるような、ハイブリッド部品内に収容される、高電圧デプレッションモードトランジスタなど、高電圧トランジスタの閾値電圧の絶対値である。他の実現例では、Ｖｌｏｗは、約１０Ｖ、約２０Ｖ、約３０Ｖ、約４０Ｖ、又は約５Ｖと５０Ｖとの間の値、例えば約１０Ｖ〜４０Ｖである。更に他の実現例では、Ｖｌｏｗは、約０．５＊Ｖｍａｘ未満、約０．３＊Ｖｍａｘ未満、約０．１＊Ｖｍａｘ未満、約０．０５＊Ｖｍａｘ未満、又は約０．０２＊Ｖｍａｘ未満である。
図８ａ及び８ｂを参照すると、いくつかの実現例では、トランジスタ９０は、横型電界効果トランジスタ（lateral field-effect transistor）などの横型デバイスである。即ち、トランジスタチャネルは、トランジスタ９０の半導体層９４内に収容され、ソース電極９１、ゲート電極９２、及びドレイン電極９３は、それぞれ、図示されるように、半導体層９４の同じ面にある。具体的には、層９４内のチャネルに対するオーム接点を形成するソース電極９１及びドレイン電極９３の部分、並びにチャネル内の電流を変調するゲート電極９２の部分はそれぞれ、半導体層９４の同じ面にある。
いくつかの実現例では、トランジスタ９０は、ＩＩＩ族窒化物高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）などのＩＩＩ族窒化物トランジスタである。ＩＩＩ族窒化物トランジスタは、高いスイッチング速度でハードスイッチングされたときに被るスイッチング損失が最小限に抑えられるという能力により、図６〜７の電子部品が使用される用途の多くに適している。本明細書で使用するとき、ＩＩＩ族窒化物又はＩＩＩ−Ｎ材料、層、デバイス、構造などの用語は、化学量論式ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚは約１）に従った化合物半導体材料から成る材料、層、デバイス、又は構造を指す。ＩＩＩ族窒化物材料はまた、ＩＩＩ族元素のホウ素（Ｂ）を含むことができる。トランジスタ若しくはＨＥＭＴなどのＩＩＩ族窒化物又はＩＩＩ−Ｎデバイスでは、導電性チャネルは、部分的又は全体的にＩＩＩ−Ｎ材料層内に収容することができる。
やはり図８ａを参照すると、トランジスタ９０は、以下のようにハイサイドスイッチ６０のパッケージに接続される。トランジスタ９０は、パッケージベース部分６５の上方に、又はその上に直接実装される。電気絶縁性又は半絶縁性である層９５は、半導体層９４とパッケージベース部分６５との間にあり、半導体層９４をパッケージベース部分６５から電気的に隔離する役割を果たす。いくつかの実現例では、層９５は絶縁性又は半絶縁性基板であり、その上にトランジスタ９０の半導体層９４をエピタキシャル成長させる。ソース電極９１は、ワイヤ接合部３４によってソース線６１に電気的に接続される。ゲート電極９２は、別のワイヤ接合部３４によってゲート線６２に電気的に接続される。ドレイン電極９３（別のワイヤ接合部３４を経由）及びドレイン線６３はそれぞれ、パッケージベース６５の導電性部分に電気的に接続される。トランジスタ電極９１〜９３間の電気的接続は、図８ａに示されるようにワイヤ接合部３４によって、或いは他のタイプの電気コネクタによって形成することができる。
本明細書で使用するとき、導電性の層若しくは部品など、２以上の接点又は他の部材は、バイアス条件に係わらず、接点又は他の部材それぞれにおける電位が実質的に同じ又はほぼ同じであることを担保するのに十分な導電性をもつ材料によって接続されている場合、「電気的に接続」されていると言われる。
図８ｂを参照すると、トランジスタ９０は、以下のようにローサイドスイッチ７０のパッケージに接続される。トランジスタ９０は、パッケージベース部分７５の上方に、又はその上に直接実装される。電気絶縁性又は半絶縁性である層９５は、半導体層９４とパッケージベース部分７５との間にあり、半導体層９４をパッケージベース部分７５から電気的に隔離する役割を果たす。いくつかの実現例では、層９５は絶縁性又は半絶縁性基板であり、その上にトランジスタ９０の半導体層９４をエピタキシャル成長させる。ドレイン電極９３は、ワイヤ接合部３４によってドレイン線７３に電気的に接続される。ゲート電極９２は、別のワイヤ接合部３４によってゲート線７２に電気的に接続される。ソース電極９３（更に別のワイヤ接合部３４を経由）及びソース線７３はそれぞれ、パッケージベース７５の導電性部分に電気的に接続される。トランジスタ電極９１〜９３間の電気的接続は、図６ｂに示されるようにワイヤ接合部３４によって、或いは他のタイプの電気コネクタによって形成することができる。
図６及び７ａ〜７ｂを再び参照すると、ハイサイドスイッチ６０及びローサイドスイッチ７０は、基板８５の対向面上に実装され、互いに対して反転される。寄生インダクタンスを最小限に抑えるために、図６に示されるように、ハイサイドスイッチ６０の導電性ベース部分６５のエリアの少なくとも５０％がローサイドスイッチ７０の導電性ベース部分７５の反対側にあるようにして、ハイサイドスイッチ６０及びローサイドスイッチ７０を互いに対向させて実装することができる。例えば二層プリント回路（ＰＣＢ）基板であることができる基板８５は、図示されるように構成された、電気絶縁性材料８３の対向面上にある導電性金属層８１及び８２を含む。図６及び７ａ〜７ｂで分かるように、ハイサイドスイッチ６０のパッケージの導電性ベース部分６５は導電性金属層８１に電気的に接続されるが、これは、図示されるように、導電性ベース部分６５を導電性金属層８１上に直接実装することによって実現することができる。同様に、ローサイドスイッチ７０のパッケージの導電性ベース部分７５は導電性金属層８２に電気的に接続されるが、これは、図示されるように、導電性ベース部分７５を導電性金属層８２上に直接実装することによって実現することができる。いくつかの実現例では、導電性ベース部分６５及び７５を導電性金属層８１及び８２にそれぞれ固定するため、導電性及び／又は熱伝導性接着剤が使用される。
スイッチ６０及び７０を固定することができる剛性の表面を提供することに加えて、基板８５は、図５ａ及び５ｂの回路図におけるコンデンサ５１の機能も果たす。即ち、基板８５は、導電性ベース部分６５及び７５がそれぞれ接続される金属層８１及び８２の表面の面積に静電容量が比例する、平行板コンデンサであるように構成される。そのため、更に後述するように、ハイサイドスイッチ６０のドレイン９３は導電性金属層８１に電気的に接続され、ローサイドトランジスタ７０のソース９１は導電性金属層８２に電気的に接続される。
図６、７ａ、及び８ａを参照すると、ハイサイドスイッチ６０のパッケージの導電性ベース部分６５は、導電性金属層８１（その上に実装される）と、ハイサイドスイッチ６０のトランジスタ９０のドレイン電極９３（ワイヤ接合部３４を介する）の両方に電気的に接続されるので、ハイサイドスイッチ６０のドレイン電極９３は金属層８１に電気的に接続される。導電性ベース部分６５と導電性金属層８１との間が直接接続されること、並びにドレイン電極９３と導電性ベース部分６５との間のワイヤ接合部３４の長さが短いことによって、ハイサイドスイッチ６０のドレイン電極９３と金属層８１との間の電気的接続が低インダクタンス接続であることが担保され、それによって、ハイサイドスイッチ６０のトランジスタのドレイン９３と導電性金属８１との間の寄生インダクタンスが最小限に抑えられる。この寄生インダクタンスは、図５ｂのインダクタ５２によって表される。
同様に、図６、７ｂ、及び８ｂを参照すると、ローサイドスイッチ７０のパッケージの導電性ベース部分７５は、導電性金属層８２（その上に実装される）と、ローサイドスイッチ７０のトランジスタ９０のソース電極９１（ワイヤ接合部３４を介する）の両方に電気的に接続されるので、ローサイドスイッチ７０のソース電極９１は金属層８２に電気的に接続される。導電性ベース部分７５と導電性金属層８２との間が直接接続されること、並びにソース電極９１と導電性ベース部分７５との間のワイヤ接合部３４の長さが短いことによって、ローサイドスイッチ７０のソース電極９１と金属層８２との間の電気的接続が低インダクタンス接続であることが担保され、それによって、ローサイドスイッチ７０のトランジスタのソース９１と導電性金属８１との間の寄生インダクタンスが最小限に抑えられる。この寄生インダクタンスは、図５ｂのインダクタ５３によって表される。
金属層８１は、図５ａ及び５ｂのコンデンサ５１のプレートの一つであることに加えて、高電圧面としての役割を果たすこともできる。即ち、回路の高電圧源に直接接続されるように構成することができる。そのため、金属層８１は、金属層８１を回路の高電圧源に接続する手段、例えばボンディングパッド（図示なし）を含むことができる。好ましくは、回路の高電圧源と金属層８１との間の接続は、寄生インダクタンスを最小限に抑えるために、ハイサイドスイッチ６０にできるだけ接近して形成される。同様に、金属層８２も、低電圧又はアース面としての役割を果たすことができる。即ち、回路の低電圧源又は直流アースに直接接続されるように構成することができる。そのため、金属層８２は、金属層８２を回路の低電圧源又は直流アースに接続する手段、例えばボンディングパッド（図示なし）を含むことができる。好ましくは、金属層８２と回路の低電圧源又は直流アースとの間の接続は、寄生インダクタンスを最小限に抑えるために、ローサイドスイッチ７０にできるだけ接近して形成される。
図５ａ及び５ｂで分かるように、半ブリッジ回路では、ハイサイドスイッチ４１のソース電極はローサイドスイッチ４２のドレイン電極に電気的に接続される。図６及び７ａ〜７ｂの電子部品では、これは、ハイサイドスイッチ６０のソース線６１をローサイドスイッチ７０のドレイン線７３に接続することによって達成される。この接続における寄生インダクタンスは、コネクタ２２をできるだけ短くすることによって最小限に抑えることができる。これは、図示されるように、ハイサイドスイッチ６０のソース線６１がローサイドスイッチのドレイン線７３とほぼ一直線上に配置される（align）のを担保することによって、また、コネクタ２２を基板８５の穴２３に通すことによって達成することができる。次に、回路によって駆動されている電気負荷（図示なし）は、ハイサイドスイッチ６０のソース線６１、ローサイドスイッチのドレイン線７３、又はコネクタ２２のうち任意の一つに電気的に接続される。
多くの場合、基板８５の静電容量は、安定した回路動作に十分な程大きくないことがある。これらの場合、図６及び７ｂに示される１以上の追加のコンデンサ３１を、基板８５によって形成されるコンデンサに並列に接続することができる。即ち、各コンデンサ３１の一方の側は金属層８１に接続され、各コンデンサ３１の反対側は金属層８２に接続される。寄生インダクタンスを最小限に抑えるために、コンデンサ３１はスイッチ６０及び７０にできるだけ接近して配置され、コンデンサ３１と金属層８１及び８２との間のコネクタはできるだけ短くされる。図６及び７ａ〜７ｂで分かるように、コンデンサ３１は、各コンデンサをビアホール３３に接近させて、基板８５の一方の面に実装することができる。次に、各コンデンサ３１の一方の側は、基板８５のコンデンサ３１が実装されるのと同じ金属層に電気的に接続され、各コンデンサの反対側にあるコネクタは、ビアホール３３を通り抜け、基板８５のコンデンサとは反対側にある金属層に電気的に接続される。いくつかの実現例では、図示されるように、コンデンサ３１と金属層８１及び８２との間の電気接続は、はんだ接合部３２によって形成される。
図８ａ及び８ｂでは、スイッチ６０及び７０はそれぞれ、パッケージに入れられた単一の横型トランジスタ９０で形成されるものとして示されているが、他のデバイスを代わりに使用することができる。例えば、図９ａ及び９ｂに示されるハイブリッドデバイス１０７を、トランジスタ９０の代わりにスイッチ６０及び７０で使用することができる。高電圧エンハンスメントモードトランジスタは、高い信頼性で作製することが困難な場合があるので、単一の高電圧Ｅモードトランジスタに代わるものとして、図９ａ及び９ｂの構成で、高電圧Ｄモードトランジスタ１０８を低電圧Ｅモードトランジスタ１０９と組み合わせて、ハイブリッドデバイス１０７を形成する。ハイブリッドデバイス１０７は、単一の高電圧Ｅモードトランジスタと同じように動作させることができ、多くの場合、単一の高電圧Ｅモードトランジスタと同じ又は同様の出力特性を実現する。図９ａは、ハイブリッドデバイス１０７の概略平面図を示し、図９ｂは、ハイブリッドデバイス１０７の回路図を示す。ハイブリッドデバイス１０７は、高電圧Ｄモードトランジスタ１０８及び低電圧Ｅモードトランジスタ１０９を含む。図９ａ及び９ｂに示される構成では、Ｅモードトランジスタ１０９は縦型トランジスタ（vertical transistor）であって、そのドレイン電極１１３が、そのソース電極１１１及びゲート電極１１２とはデバイスの反対側にあり、Ｄモードトランジスタ１０８は横型トランジスタであって、そのソース電極１１４、ゲート電極１１５、及びドレイン電極１１６が全てデバイスの同じ側にある。しかし、トランジスタ１０８及び１０９のそれぞれについて他の構成が同様に可能である。
低電圧Ｅモードトランジスタ１０９のソース電極１１１及び高電圧Ｄモードトランジスタ１０８のゲート電極１１５は、例えばワイヤ接合部３４によって互いに電気的に接続され、共にハイブリッドデバイス１０７のソース１２１を形成する。低電圧Ｅモードトランジスタ１０９のゲート電極１１２は、ハイブリッドデバイス１０７のゲート１２２として機能する。高電圧Ｄモードトランジスタ１０８のドレイン電極１１６は、ハイブリッドデバイス１０７のドレイン１２３として機能する。高電圧Ｄモードトランジスタ１０８のソース電極１１４は、低電圧Ｅモードトランジスタ１０９のドレイン電極１１３に電気的に接続される。図７ａで分かるように、Ｅモードトランジスタ１０９のソース電極１１１及びドレイン電極１１２とは反対側にあるドレイン電極１１３は、例えば導電性のはんだ又は樹脂を使用することにより、ドレイン電極１１３をソース電極１１４に直接接触させて、低電圧Ｅモードトランジスタ１０９をソース電極１１４の上に直接実装することによって、ソース電極１１４に電気的に接続することができる。そのため、低電圧Ｅモードトランジスタ１０９のフットプリント（且つしたがって、断面積）は高電圧Ｄモードトランジスタ１０８よりも小さいものであることができ、特に、低電圧Ｅモードトランジスタ１０９のフットプリントは、高電圧Ｄモードトランジスタ１０８のソース電極１１４よりも小さいものであることができる。
本明細書で使用するとき、「ハイブリッドエンハンスメントモード電子デバイス又は部品」、或いは単に「ハイブリッドデバイス又は部品」は、デプレッションモードトランジスタがエンハンスメントモードトランジスタに比べて高い動作電圧及び／又は破壊電圧に対応可能であり、ハイブリッドデバイス又は部品が、デプレッションモードトランジスタとほぼ同じ破壊電圧及び／又は動作電圧で、単一のエンハンスメントモードトランジスタと同様に動作するように構成される、デプレッションモードトランジスタ及びエンハンスメントモードトランジスタで形成される電子デバイス又は部品である。即ち、ハイブリッドエンハンスメントモードデバイス又は部品は、次の性質を有する少なくとも三つのノードを含む。第１のノード（ソースノード）及び第２のノード（ゲートノード）が同じ電圧で保たれているとき、ハイブリッドエンハンスメントモードデバイス又は部品は、ソースノードに対して第３のノード（ドレインノード）に印加される高い正電圧（即ち、エンハンスメントモードトランジスタが阻止することができる最大電圧よりも高い電圧）を阻止することができる。ゲートノードがソースノードに対して十分な正電圧（即ち、エンハンスメントモードトランジスタの閾値電圧よりも高い）で保たれているとき、ソースノードに対して十分な正電圧がドレインノードに印加されると、電流は、ソースノードからドレインノードへ、又はドレインノードからソースノードへと移動する。エンハンスメントモードトランジスタが低電圧デバイスであり、デプレッションモードトランジスタが高電圧デバイスであるとき、ハイブリッド部品は、単一の高電圧エンハンスメントモードトランジスタと同様に動作することができる。デプレッションモードトランジスタは、エンハンスメントモードトランジスタの少なくとも二倍、少なくとも三倍、少なくとも五倍、少なくとも十倍、若しくは少なくとも二十倍の破壊電圧及び／又は最大動作電圧を有することができる。
高電圧スイッチングトランジスタが使用される一般的なパワースイッチング用途では、ほとんどの時間、トランジスタは二つのうち一つの状態にある。一般に「オン状態」と呼ばれる第１の状態では、ソース電極に対するゲート電極の電圧はトランジスタの閾値電圧よりも高く、十分な電流がトランジスタを流れる。この状態では、ソースとドレインとの間の電圧差は一般的に低く、通常、約０．１〜５ボルトなど、数ボルト以下である。一般に「オフ状態」と呼ばれる第２の状態では、ソース電極に対するゲート電極の電圧はトランジスタの閾値電圧よりも低く、オフ状態の漏れ電流を除くと、実質的に電流はトランジスタを全く流れていない。この第２の状態では、ソースとドレインとの間の電圧は、約０Ｖから回路の高電圧源の値までの範囲であることができ、場合によっては、１００Ｖ、３００Ｖ、６００Ｖ、１２００Ｖ、１７００Ｖ、又はそれ以上であり得るが、トランジスタの破壊電圧未満でもあり得る。いくつかの用途では、回路中の誘導素子によって、ソースとドレインとの間の電圧が回路の高電圧源よりも更に高くなる。それに加えて、ゲートがオン又はオフに切り換えられた直後に短い時間があり、その間、トランジスタは上述した二つの状態の間の遷移モードにある。トランジスタがオフ状態のとき、それは、ソースとドレインとの間の「電圧を阻止する」と言われる。本明細書で使用するとき、「電圧を阻止する」とは、トランジスタ、デバイス、又は部品の両端間に電圧が印加されたとき、標準的なオン状態の導通の間の平均動作電流の０．００１倍を超える電流などの、意味のある（影響がある）電流が、トランジスタ、デバイス、又は部品を流れないようにする、トランジスタ、デバイス、又は部品の能力を指す。換言すれば、トランジスタ、デバイス、又は部品がその両端間に印加されている電圧を阻止している間、トランジスタ、デバイス、又は部品を通過する合計電流は、標準的なオン状態の導通の間の平均動作電流の０．００１倍を超えない。
本明細書に記載する電子部品は、スイッチ及びスイッチに含まれるトランジスタが、電子部品が使用される回路を不安定にすることなく、又は回路部品に損傷を与えることなく、高いスイッチング速度で高電圧及び／又は高電流を切り換えることができるように構成される。各スイッチが１以上のトランジスタで形成され、個別にパッケージ化される（即ち、ハイサイドスイッチのトランジスタが全て第１のパッケージに入れられ、ローサイドスイッチのトランジスタが全て第２のパッケージに入れられる）、ハイサイド及びローサイドスイッチで形成される従来の半ブリッジ回路では、寄生インダクタンスが一般的に大きすぎるため、電子部品が使用される回路を不安定にすることなく、高いスイッチング速度で高電圧及び／又は高電流を切り換えることが、困難若しくは不可能であるのが一般的である。図６及び７ａ〜７ｂに示される半ブリッジの構成を利用することによって、更に後述するように、切り換えられる電圧が少なくとも３００ボルトであり、切り換えられる電流が少なくとも３アンペアである条件下で、少なくとも１００ボルト／ナノ秒の速度でのスイッチングの成功が実証されている。追加の試験では、切り換えられる電圧が少なくとも４００ボルトであり、切り換えられる電流が少なくとも６アンペアである条件下で、少なくとも１００ボルト／ナノ秒の速度でのスイッチングの成功が実証された。３アンペアという高い電流を切り換える場合、個別にパッケージ化されたスイッチを利用する半ブリッジ回路の従来の実現例では、少なくとも１００ボルト／ナノ秒のスイッチング速度で少なくとも３００ボルトの電圧を切り換えることには成功していなかった。
図１０ａは、誘導負荷を駆動している半ブリッジ回路のハイサイドスイッチングに対する時間の関数としての電流及び電圧特性のプロットを示す。回路は、図２ａ〜２ｃのように構成されるが、図６の電子部品が半ブリッジ１５の代わりに使用されている。図１０ａ、２ａ〜２ｃ、及び６を参照すると、半ブリッジのハイサイド及びローサイドスイッチはそれぞれ、図９ａ及び９ｂのハイブリッドデバイス１０７を含む。図１０ａにプロットされている電流は、誘導負荷２１を通過する電流２７であり、図１０ａにプロットされている電圧はノード１７（誘導負荷２１、ハイサイドスイッチのソース線６１、及びローサイドスイッチのドレイン線７３によって共有されている共通ノード）の電圧である。
図１０ａの電圧及び電流測定中の回路の動作条件は以下の通りであった。駆動されていた半ブリッジとは反対側の誘導負荷２１のノードである、ノード１８は、アース又はその付近で保持した。ローサイドスイッチ７０のソースに電気的に接続される、図６に示される電子部品の金属層８２は、直流アースに電気的に接続した。ハイサイドスイッチ６０のドレインに電気的に接続される、図６に示される電子部品の金属層８１は、４００ボルトの直流電圧源に電気的に接続した。ローサイドスイッチ７０をバイアスをかけられオフ状態にするように、ローサイドスイッチ７０のソース線７１に対して、ローサイドスイッチ７０の閾値電圧よりも低い電圧でローサイドスイッチ７０のゲート線７２にバイアスをかけた。
時限１４１の間、ハイサイドスイッチ６０にバイアスをかけてオンにして（即ち、ソース線６１に対するゲート線６２の電圧はスイッチ６０の閾値電圧よりも高かった）、図２ｂのように、ハイサイドスイッチ６０及び誘電負荷２１の両方を電流が流れるようにし、ローサイドスイッチ７０は約４００ボルトの電圧を阻止した。図１０ａで分かるように、時限１４１の間、負荷電流１３１は時限１４１の終了時には７アンペアよりも高い値になるまでほぼ線形的に増加し、ノード１７の電圧は約４００ボルトでほぼ一定のままであった。
やはり図１０ａを参照すると、時間１４４で、ハイサイドスイッチ６０をオフに切り換えて、ハイサイドスイッチ６０が約４００ボルトの電圧を阻止すると共に、図２ｃのように、負荷電流がローサイドスイッチ７０を通って逆方向に流れるようにした。時間１４４におけるスイッチングの直後の時限１４２の間、負荷電流１３１は７アンペアよりも高い値でほぼ一定のままであり、ノード１７の電圧は約０ボルトでほぼ一定のままであった。小さいリップル電流（即ち、電流変動）のみがスイッチング時間１４４の直後に観測され、時限１４２の間の電流は、この時限の間の平均電流値の１．１倍を上回ることはなかった。スイッチング時間１４４の直後の電圧変動も非常に低かった。
時間１４５で、ハイサイドスイッチ６０を再びオンに切り換えて、図２ｂのように、負荷電流がハイサイドスイッチ６０及び誘電負荷２１の両方を再び流れるようにし、ローサイドスイッチは約４００ボルトの電圧を阻止した。図１０ａで分かるように、スイッチング時間１４５の直後の時限１４３の間、負荷電流１３１は時限１４３の終了時には７アンペアよりも高い値（ほぼ８アンペア）になるまでほぼ線形的に増加し、ノード１７の電圧は約４００ボルトでほぼ一定のままであった。スイッチング時間１４５の直後、電流１３１及び電圧１３２の両方に多少のリンギングが観測された。しかし、電圧が５００ボルト（即ち、回路の高電圧の１．２５倍）を上回ることはなく、電流変動の振幅は、時限１４２の間の平均電流値の０．１倍を上回ることはなかった。
図１０ｂは、図３ａのように構成され、但し図６の電子部品が半ブリッジ１５の代わりに使用されている、誘導負荷を駆動している半ブリッジ回路のローサイドスイッチングに対する時間の関数としての電流及び電圧特性のプロットを示す。半ブリッジのハイサイド及びローサイドスイッチはそれぞれ、図９ａ及び９ｂのハイブリッドデバイス１０７を含む。図１０ｂ、６、及び３ａを参照すると、図１０ｂにプロットされている電流は、誘導負荷２１を通過する電流２７であり、図１０ｂにプロットされている電圧はノード１７（誘導負荷２１、ハイサイドスイッチのソース線６１、及びローサイドスイッチのドレイン線７３によって共有されている共通ノード）の電圧である。
図１０ｂの電流及び電圧測定中の回路の動作条件は以下の通りであった。駆動されていた半ブリッジとは反対側の誘導負荷２１のノードである、ノード１８は、４００ボルト直流又はその付近で保持した。ローサイドスイッチ７０のソースに電気的に接続される、図６に示される電子部品の金属層８２は、直流アースに電気的に接続した。ハイサイドスイッチ６０のドレインに電気的に接続される、図６に示される電子部品の金属層８１は、４００ボルトの直流電圧源に電気的に接続した。ハイサイドスイッチ６０にバイアスをかけてオフ状態にするように、ハイサイドスイッチ６０のソース線６１に対して、ハイサイドスイッチ６０の閾値電圧よりも低い電圧でハイサイドスイッチ６０のゲート線６２にバイアスをかけた。
時限１５１の間、ローサイドスイッチ７０にバイアスをかけてオフにして（即ち、ソース線７１に対するゲート線７２の電圧はスイッチ７０の閾値電圧よりも低かった）、図３ｃのように、ハイサイドスイッチ６０及び誘電負荷２１の両方を電流が流れるようにし、ローサイドスイッチ７０は約４００ボルトの電圧を阻止した。図１０ｂで分かるように、時限１５１の間、負荷電流１３３は約８アンペア以上の値でほぼ一定のままであり、ノード１７の電圧は約４００ボルトでほぼ一定のままであった。
やはり図６、３ａ〜ｃ、及び１０ｂを参照すると、時間１５４で、ローサイドスイッチ７０をオンに切り換えて、ハイサイドスイッチ６０が約４００ボルトの電圧を阻止すると共に、図３ｂのように、負荷電流がローサイドスイッチ６０を通って流れるようにした。時間１５４におけるスイッチングの直後の時限１５２の間、負荷電流１３３は９アンペアよりも高い値までほぼ線形的に増加し、ノード１７の電圧は約０ボルトでほぼ一定のままであった。小さいリップル電流（即ち、電流変動）のみがスイッチング時間１５４の直後に観測され、時限１５２の間の電流変動の振幅は、時限１５１の間の平均電流値の１．１倍を上回ることはなかった。スイッチング時間１５４の直後の電圧変動も非常に低かった。
時間１５５で、ローサイドスイッチ６０を再びオフに切り換えて、図３ｃのように、負荷電流がハイサイドスイッチ６０及び誘導負荷２１の両方を再び流れるようにし、ローサイドスイッチ６０は約４００ボルトの電圧を阻止した。図１０ｂで分かるように、スイッチング時間１５５の直後の時限１５３の間、負荷電流１３３は９アンペアよりも高い値でほぼ一定のままであり、ノード１７の電圧は約４００ボルトでほぼ一定のままであった。スイッチング時間１５５の直後、電流１３３及び電圧１３４の両方に多少のリンギングが観測された。しかし、電圧が４６０ボルト（即ち、回路の高電圧の１．１５倍）を上回ることはなく、電流変動の振幅は、時限１５３の間の平均電流値の０．１倍を上回ることはなかった。
図１１は、図６及び７ｂのローサイドスイッチ７０に対する代替の構成を示す。図１１で分かるように、図６及び７ｂのようにローサイドスイッチ７０を金属層８２上に直接実装する代わりに、金属マウント７６が金属層８２に取り付けられ、ローサイドスイッチ７０は、導電性部分７５が金属マウント７６に電気的に接続された状態で、金属マウント７６に取り付けられる。図１１に示される実現例では、金属マウント７６のローサイドスイッチ７０が取り付けられる部分が、金属マウント７６の金属層８２に取り付けられる部分に対してほぼ垂直であるように、金属マウント７６はＬ字形の屈曲を含む。そのため、ローサイドスイッチ７０は、図示されるように、リード線７１〜７３が金属層８２の表面に直交する方向に延在し、その方向にほぼ平行であるようにして実装される。ソース線７１は、リード線７２及び７３よりも短くすることができ、例えば、図示されるように、はんだ接合部３２’によって、金属層８２に電気的に接続することができる。ゲート線７２及びドレイン線７３は、図１１に示されるように、ビアホール２３を通り抜けて、基板８５の厚さ全体を通して延在することができる。基板８５の図１１に示されるのと反対側（即ち、基板８５のハイサイドスイッチ６０が実装される側）では、ローサイドスイッチ７０のドレイン線７２をハイサイドスイッチ６０のソース線６１に電気的に接続することができ（接続は図示なし）、ゲート線７１をゲート駆動回路（やはり図示なし）に接続することができる。金属マウント７６は、任意にヒートシンク（図示なし）に接続することができる。
図１１に示されるローサイドスイッチ７０の構成は、ローサイドスイッチ７０のリード線７１〜７３をいずれも屈曲させる必要なく、電子部品を組み立てることが可能になるという点で有利であり得る。ハイサイドスイッチ６０は依然として、ハイサイドスイッチ６０のソース線６１がローサイドスイッチ７０のドレイン線７３とほぼ一直線上に配置された（align）状態で、図６及び７ａに示されるように構成することができる。或いは、ローサイドスイッチ７０を、図６及び７ｂのように、導電性ベース７５の表面を金属層８２の表面と平行にして実装することができ、ハイサイドスイッチ６０を、ハイサイドスイッチからのソース線６１及びゲート線６２（図示なし）が基板８５に形成されたビアホール２３の一つを別々に通過し、ドレイン線６３（図示なし）が金属層８１に電気的に接続された状態で、図１１の構成と同様に、Ｌ字形の金属マウント７６（図示なし）上に実装することができる。
多数の実現例について記載してきた。しかしながら、本明細書に記載する技術及びデバイスの趣旨並びに範囲から逸脱することなく、様々な修正が成されてもよいことが理解されるであろう。例えば、図２ａ〜ｃ及び３ａ〜ｃにおいて電流をシンク又は供給するのに使用される、トランジスタ４４及び４３はそれぞれ、ソフトスイッチングされるように構成することができる。又は、図２〜３のトランジスタ４３〜４４を排除し、各トランジスタのソース及びドレインがそれぞれ接続されたリード線を短絡する導電性材料と置き換えることができる。更に、本明細書に記載するブリッジ回路それぞれの低電圧側を、低電圧側をアースに接続する代わりに、場合によっては負であり得る、高電圧ＨＶよりも低い直流電圧に接続することができる。また、パッケージのリード線６１〜６３及び７１〜７３は、図７ａ〜ｂ及び８ａ〜ｂではパッケージの側面から延在するように示されているが、代替のリード線構成を有する他のパッケージ構成を使用することができる。例えば、ＱＦＮパッケージなどの表面実装パッケージを使用することができるが、その場合、リード線はパッケージの底部に隣接し、それらが接続される構造にはんだ付けするように構成される。それに加えて、図６及び７ａ〜７ｂの電子部品では、金属マウントを、基板８５とスイッチ６０及び７０の一方又は両方との間に含めることができ、金属マウントを任意にヒートシンクに接続することができる。したがって、他の実現例は以下の請求項の範囲内である。

Claims (55)

  1. 第１のエリアを有する第１の導電性部分を備える第１のパッケージに入れられ、前記第１の導電性部分の上に実装される第１のトランジスタと、
    第２のエリアを有する第２の導電性部分を備える第２のパッケージに入れられ、前記第２の導電性部分の上に実装される第２のトランジスタと、
    第１の金属層と第２の金属層との間に絶縁層を備える基板であって、前記第１の金属層が前記基板の第１の面上にあり、前記第２の金属層が前記基板の第２の面上にある、基板とを備え、
    前記第１のパッケージが、前記第１の導電性部分が前記第１の金属層に電気的に接続された状態で、前記基板の前記第１の面上にあり、
    前記第２のパッケージが、前記第２の導電性部分が前記第２の金属層に電気的に接続された状態で、前記基板の前記第２の面上にあり、
    前記第１の導電性部分の前記第１のエリアの少なくとも５０％が前記第２の導電性部分の前記第２のエリアに対向した状態で、前記第１のパッケージが前記第２のパッケージに対向しており、
    前記第１のパッケージがソース線を有し、前記第２のパッケージがドレイン線を有し、前記ソース線及び前記ドレイン線が互いに電気的に接続される、電子部品。
  2. 前記第１及び第２のトランジスタが半ブリッジ回路の一部である、請求項１に記載の電子部品。
  3. 前記基板が、前記半ブリッジ回路の動作中における前記第１及び第２の金属層間の電圧を安定させる役割を果たすコンデンサを形成する、請求項２に記載の電子部品。
  4. 前記基板によって形成された前記コンデンサが第１のコンデンサであり、前記電子部品が、前記第１のコンデンサと並列に接続される第２のコンデンサを更に備える、請求項３に記載の電子部品。
  5. 前記基板がビアホールを含み、前記第２のコンデンサのリード線が前記ビアホールを通り抜ける、請求項４に記載の電子部品。
  6. 前記基板がビアホールを含み、前記第１のパッケージの前記ソース線を前記第２のパッケージの前記ドレイン線に電気的に接続するコネクタが前記ビアホールを通り抜ける、請求項１に記載の電子部品。
  7. 前記第１のトランジスタが、前記第１の導電性部分に電気的に接続される第１の電極を有し、前記第２のトランジスタが、前記第２の導電性部分に電気的に接続される第２の電極を有する、請求項１に記載の電子部品。
  8. 前記第１の電極が前記第１のトランジスタのドレイン電極であり、前記第２の電極が前記第２のトランジスタのソース電極である、請求項７に記載の電子部品。
  9. 前記第１の導電性部分が前記第１の金属層上に直接位置し、かつ前記第１の金属層に接触しており、前記第２の導電性部分が前記第２の金属層上に直接位置し、かつ前記第２の金属層に接触している、請求項１に記載の電子部品。
  10. 前記第１のトランジスタ又は前記第２のトランジスタがＩＩＩ族窒化物トランジスタである、請求項１に記載の電子部品。
  11. 前記第１のトランジスタ又は前記第２のトランジスタが横型デバイスである、請求項１に記載の電子部品。
  12. 前記第１のパッケージがソース線を有し、前記第２のパッケージがドレイン線を有し、前記ソース線が前記ドレイン線と実質的に一直線上に配置されている、請求項１に記載の電子部品。
  13. 前記第１のパッケージに入れられた第３のトランジスタを更に備え、前記第１のトランジスタのソースが前記第３のトランジスタのドレインに電気的に接続され、前記第１のトランジスタのゲートが前記第２のトランジスタのソースに電気的に接続される、請求項１に記載の電子部品。
  14. 前記第１のトランジスタが高電圧デプレッションモードトランジスタであり、前記第３のトランジスタが低電圧エンハンスメントモードトランジスタである、請求項１３に記載の電子部品。
  15. ソース線及び第１の導電性部分を備える第１のパッケージに入れられ、前記第１の導電性部分の上に実装される第１のトランジスタと、
    ドレイン線及び第２の導電性部分を備える第２のパッケージに入れられ、前記第２の導電性部分の上に実装される第２のトランジスタと、
    第１の金属層と第２の金属層との間に絶縁層を備える基板であって、前記第１の金属層が前記基板の第１の面上にあり、前記第２の金属層が前記基板の第２の面上にある、基板とを備え、
    前記第１のパッケージが、前記第１の導電性部分が前記第１の金属層に電気的に接続された状態で、前記基板の前記第１の面上にあり、
    前記第２のパッケージが、前記第２の導電性部分が前記第２の金属層に電気的に接続された状態で、前記基板の前記第２の面上にあり、
    前記第１のパッケージの前記ソース線が前記第２のパッケージの前記ドレイン線と実質的に一直線上に配置された状態で、前記第１のパッケージが少なくとも部分的に前記第２のパッケージに対向しており、前記第１のパッケージの前記ソース線及び前記第２のパッケージの前記ドレイン線が互いに電気的に接続される、電子部品。
  16. 前記基板が二層プリント回路（ＰＣＢ）基板である、請求項１５に記載の電子部品。
  17. 前記第１のトランジスタのドレイン電極が前記第１の導電性部分に電気的に接続され、前記第２のトランジスタのソース電極が前記第２の導電性部分に電気的に接続される、請求項１５に記載の電子部品。
  18. 前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタがＩＩＩ族窒化物トランジスタである、請求項１５に記載の電子部品。
  19. 前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタが横型デバイスである、請求項１５に記載の電子部品。
  20. 第１の導電層と第２の導電層との間に絶縁層を備えるコンデンサと、
    第１の導電性部分を有する第１のパッケージに入れられた第１のトランジスタと、
    第２の導電性部分を有する第２のパッケージに入れられた第２のトランジスタとを備え、
    前記第１の導電性部分が前記第１の導電層の上に直接実装され、前記第２の導電性部分が前記第２の導電層の上に直接実装されており、
    前記第１のパッケージがソース線を有し、前記第２のパッケージがドレイン線を有し、前記ソース線及び前記ドレイン線が互いに電気的に接続される、電子部品。
  21. 前記コンデンサがプリント回路（ＰＣＢ）基板を含む、請求項２０に記載の電子部品。
  22. 前記第１のパッケージがドレイン線を有し、前記第２のパッケージがソース線を有し、前記第１のパッケージの前記ドレイン線が前記第１の導電性部分に電気的に接続され、前記第２のパッケージの前記ソース線が前記第２の導電性部分に電気的に接続される、請求項２０に記載の電子部品。
  23. 前記電子部品が半ブリッジモジュールを含む、請求項２０に記載の電子部品。
  24. 前記半ブリッジモジュールが電気負荷に接続されるように構成される、請求項２３に記載の電子部品。
  25. 前記第１の導電性部分が前記第１の導電層に電気的に接続され、前記第２の導電性部分が前記第２の導電層に電気的に接続される、請求項２０に記載の電子部品。
  26. 第１のパッケージに入れられた第１のスイッチ及び第２のパッケージに入れられた第２のスイッチを備え、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチが基板の対向面上にある、半ブリッジ回路を動作させる方法であって、
    前記第２のスイッチのソースに対して、少なくとも３００ボルトの電圧で前記第１のスイッチのドレインにバイアスをかけるステップと、
    前記第１のスイッチにバイアスをかけてオンにし、前記第２のスイッチにバイアスをかけてオフにし、それによって、少なくとも３アンペアの電流を前記第１のスイッチに流すと共に、前記第２のスイッチによって電圧を阻止するステップと、
    前記第１のスイッチをオフへと第１の時間でスイッチングする際に、前記電流を前記第２のスイッチに流すと共に、前記第１のスイッチによって電圧を阻止するステップとを含み、
    前記第１のスイッチをスイッチングする前記ステップが、少なくとも１００ボルト／ナノ秒のスイッチング速度での前記第１のスイッチをハードスイッチングすることを含む、方法。
  27. 前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチがそれぞれ１以上のトランジスタを備える、請求項２６に記載の方法。
  28. 前記第１のスイッチをオフからオンへと第２の時間でスイッチングする際に、前記電流を前記第１のスイッチに流すと共に、前記第２のスイッチによって電圧を阻止するステップを更に含む、請求項２６に記載の方法。
  29. 前記第２の時間が前記第１の時間の後である、請求項２８に記載の方法。
  30. 前記半ブリッジ回路を電気負荷に接続するステップを更に含み、前記電流が前記電気負荷を流れる、請求項２６に記載の方法。
  31. 前記第２のスイッチの前記ソースに対して、少なくとも４００ボルトの電圧で前記第１のスイッチの前記ドレインがバイアスをかけられる、請求項２６に記載の方法。
  32. 第１のエリアを有する第１の導電性部分を備える第１のパッケージに入れられた第１のスイッチであって、前記第１のスイッチが前記第１の導電性部分の上に実装される、第１のスイッチと、
    第２のエリアを有する第２の導電性部分を備える第２のパッケージに入れられ、前記第２の導電性部分の上に実装される第２のスイッチと、
    絶縁層及び金属層を備える基板とを備え、
    前記第１のパッケージが前記基板の第１の面上にあり、前記第２のパッケージが前記基板の第２の面上にあり、
    前記第１の導電性部分の前記第１のエリアの少なくとも５０％が前記第２の導電性部分の前記第２のエリアに対向した状態で、前記第１のパッケージが前記第２のパッケージに対向しており、
    前記第１のパッケージがソース線を有し、前記第２のパッケージがドレイン線を有し、前記ソース線及び前記ドレイン線が互いに電気的に接続される、半ブリッジ。
  33. 前記第１のスイッチが、前記第１の導電性部分に電気的に接続される第１の電極を有し、前記第２のスイッチが、前記第２の導電性部分に電気的に接続される第２の電極を有する、請求項３２に記載の半ブリッジ。
  34. 前記第２の電極が前記第２のスイッチのソース電極である、請求項３３に記載の半ブリッジ。
  35. 前記第１の電極が前記第１のスイッチのドレイン電極である、請求項３４に記載の半ブリッジ。
  36. 前記第１のスイッチ又は前記第２のスイッチがＩＩＩ族窒化物トランジスタを含む、請求項３２に記載の半ブリッジ。
  37. 前記第１のスイッチ又は前記第２のスイッチが横型トランジスタを含む、請求項３２に記載の半ブリッジ。
  38. 前記第１のスイッチが第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを含み、前記第１のトランジスタのソースが前記第２のトランジスタのドレインに電気的に接続され、前記第１のトランジスタのゲートが前記第２のトランジスタのソースに電気的に接続される、請求項３２に記載の半ブリッジ。
  39. 前記第１のトランジスタが高電圧デプレッションモードトランジスタであり、前記第２のトランジスタが低電圧エンハンスメントモードトランジスタである、請求項３８に記載の半ブリッジ。
  40. 前記低電圧エンハンスメントモードトランジスタが前記高電圧デプレッションモードトランジスタの前記ソースの上に直接実装される、請求項３９に記載の半ブリッジ。
  41. 前記第１のトランジスタが横型トランジスタであり、前記第２のトランジスタが縦型トランジスタである、請求項３８に記載の半ブリッジ。
  42. 前記金属層が金属マウントを含む、請求項３２に記載の半ブリッジ。
  43. 前記金属マウントがヒートシンクに接続されるか又はヒートシンクの一部である、請求項４２に記載の半ブリッジ。
  44. 第１の導電性部分と第２の導電性部分との間に絶縁層を備え、前記第１の導電性部分が第１のエリアを有し、前記第２の導電性部分が第２のエリアを有するコンデンサと、
    前記第１の導電性部分を備える第１のパッケージに入れられた第１のトランジスタと、
    前記第２の導電性部分を備える第２のパッケージに入れられた第２のトランジスタとを備え、
    前記第１のパッケージが前記絶縁層の第１の面上にあり、前記第２のパッケージが前記絶縁層の第２の面上にあり、
    前記第１のパッケージがソース線を有し、前記第２のパッケージがドレイン線を有し、前記ソース線及び前記ドレイン線が互いに電気的に接続される、半ブリッジ。
  45. 前記第１の導電性部分の前記第１のエリアの少なくとも５０％が前記第２の導電性部分の前記第２のエリアに対向した状態で、前記第１のパッケージが前記第２のパッケージに対向する、請求項４４に記載の半ブリッジ。
  46. 前記第１のパッケージがドレイン線を有し、前記第２のパッケージがソース線を有し、前記第２のパッケージの前記ソース線が前記第２の導電性部分に電気的に接続される、請求項４４に記載の半ブリッジ。
  47. 前記第１のパッケージの前記ドレイン線が前記第１の導電性部分に電気的に接続される、請求項４６に記載の半ブリッジ。
  48. 電気負荷に接続されるように構成された半ブリッジであって、
    第１のパッケージに入れられた第１のスイッチ及び第２のパッケージに入れられた第２のスイッチであって、前記第１のスイッチが第１のソースを含み、前記第２のスイッチが第２のドレインを含み、前記第１のソースが前記第２のドレインに電気的に接続された、第１のスイッチ及び第２のスイッチを備え、
    前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチが金属マウントの対向面上にあり、
    前記半ブリッジが、少なくとも３アンペアの電流が前記電気負荷を流れている状態で、少なくとも１００ボルト／ナノ秒のスイッチング速度で前記電気負荷の両端間における少なくとも３００ボルトの電圧をハードスイッチングするように動作可能である、半ブリッジ。
  49. 前記電流が少なくとも６アンペアである、請求項４８に記載の半ブリッジ。
  50. 前記金属マウントがヒートシンクに接続されるか又はヒートシンクの一部である、請求項４８に記載の半ブリッジ。
  51. 絶縁層を更に備え、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチが前記絶縁層の対向面上にある、請求項４８に記載の半ブリッジ。
  52. 前記第１のスイッチが第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを含み、前記第１のソースが前記第２のトランジスタのソースであり、前記第１のトランジスタのソースが前記第２のトランジスタのドレインに電気的に接続され、前記第１のトランジスタのゲートが前記第２のトランジスタの前記ソースに電気的に接続される、請求項４８に記載の半ブリッジ。
  53. 前記第１のトランジスタが高電圧デプレッションモードトランジスタであり、前記第２のトランジスタが低電圧エンハンスメントモードトランジスタである、請求項５２に記載の半ブリッジ。
  54. 前記低電圧エンハンスメントモードトランジスタが前記高電圧デプレッションモードトランジスタの前記ソースの上に直接実装される、請求項５３に記載の半ブリッジ。
  55. 前記第１のトランジスタが横型トランジスタであり、前記第２のトランジスタが縦型トランジスタである、請求項５２に記載の半ブリッジ。

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