両面ゲートIGBT、スイッチング損失を6割低減：シリコンIGBTの性能向上を実証

東京大学生産技術研究所は、シリコンIGBTの表裏両面にMOSトランジスタのゲートを設けた「両面ゲートIGBT」を作製し、表面だけの従来構造に比べ、スイッチング損失を62％低減できることを実証した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

両面リソグラフィプロセスを用いて試作に成功

　東京大学生産技術研究所の更屋拓哉助手と平本俊郎教授らによる研究グループは2020年12月、シリコンIGBTの表裏両面にMOSトランジスタのゲートを設けた「両面ゲートIGBT」を作製し、表面だけの従来構造に比べ、スイッチング損失を62％低減できることを実証したと発表した。

　IGBTは、高耐圧で大電流にも対応でき、比較的高速のスイッチング特性を有するパワートランジスタ。家電製品や自動車、鉄道、産業機器などに搭載されている。最近は、電力変換の効率を高めるため、シリコンに代わる材料としてSiC（炭化ケイ素）やGaN（窒化ガリウム）が注目されている中、研究グループはシリコンをベースとしたIGBTの性能改善に取り組んでいる。

　MOSトランジスタのゲート部をシリコン基板の表面のみに設けた従来のIGBTは、電流をオフにするときも一定時間は電流が流れ続けるため、その分が損失となっていた。この対策として、シリコン基板の裏面にもMOSトランジスタのゲート部を設ければ、スイッチング損失を低減できることが、シミュレーション結果などにより明らかとなっている。しかし、実チップでの検証は行われていなかったという。

　今回、東京大学の研究グループは、三菱電機や東芝デバイス＆ストレージ、東京工業大学、明治大学、九州大学、九州工業大学と共同で、両面リソグラフィプロセスを用い、シリコン基板の裏面にもMOSゲート部を設けた、耐圧3300V級の両面ゲートIGBTを試作することに成功した。

シリコン基板の表裏両面にMOSトランジスタゲートを設けた「両面ゲートIGBT」チップの外観 出典：東京大学

　試作したIGBTを用い、表面と裏面に設けたMOSトランジスタが正常に動作することを確認した。さらに、表面のゲートと裏面のゲートに入力するタイミングを調整したところ、従来構造のIGBTに比べ、スイッチング損失を62％も低減できることを確認した。

　今回の研究成果により、シリコンを材料としながらもデバイスの構造を変えるだけでIGBTの性能向上が可能なことを明らかにした。しかも、両面ゲートIGBTの損失低減効果は、耐圧が高いほど大きいため、耐圧1万V以上のパワートランジスタに対するシリコン応用の可能性を示した。