Siの限界を突破する！ 3300V IGBTの5Vゲート駆動に成功：損失も低減（2/2 ページ）

2019年5月、東京大学生産技術研究所の更屋拓哉助手、平本俊郎教授を中心とする研究グループは、耐圧3300VクラスのシリコンによるIGBT（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を、ゲート駆動電圧5Vで動作させることに成功したと発表。2019年5月28日に、東京都内で記者会見を開催し、開発技術の詳細を説明した。

[竹本達哉，EE Times Japan]

「ターンオフ時のスイッチング損失を35％も低減」

　ゲート駆動電圧の低電圧化、MOSトランジスタのスケーリングにより、IGBTとしての電力損失の低減も実現されたという。

　東大生研クリーンルームで3インチウエハーを用い試作した定格電圧3300V、定格電流4AのIGBTと、同じチップサイズで同じ定格でゲート駆動電圧が15V（MOSトランジスタサイズ3倍）の従来IGBTと比較したところ、試作したゲート駆動電圧5VのIGBTの方が、立ち下がり特性が優れることを確認。

スイッチング試験の結果 （クリックで拡大） 出典：東京大学生産技術研究所

　さらにMOSトランジスタのスケーリングにより、IGBT特有の電子注入促進（Injection Enhancement／IE）効果が高まり、電流密度を向上させオン損失の低減にも成功した。研究グループでは、「ターンオフ時のスイッチング損失を35％も低減することを実証した」としている。

オン損失とスイッチング損失（クリックで拡大） 出典：東京大学生産技術研究所

シリコンでのブレークスルー目指す

　平本氏は「パワーデバイス領域において、シリコン関連技術は成熟し、限界に近いとされている。それに伴い、Si-IGBTメーカーから研究開発を行うための試作ラインが姿を消した。その結果、Si-IGBTの研究開発を行うには量産ラインを使わざるを得ず、よりSi-IGBTの研究開発が難しくなり、Si-IGBTはコスト競争の時代に突入しつつある」と現状のSi-IGBTが置かれている状況を分析する。

東京大学生産技術研究所 教授の平本俊郎氏

　その上で平本氏は、「現在、パワーデバイス開発の中心はSiC（炭化ケイ素）やGaN（窒化ガリウム）に移っているが、調査会社（＝富士経済）の予測によれば、2030年時点でもパワー半導体市場における主流はシリコンであり、その市場規模は現状の1.5倍以上に相当する4兆円を上回るとされている。すなわち、シリコンでブレークスルーを起こせば、インパクトは非常に大きい。だからこそ、シリコンでのブレークスルーに挑戦している。われわれ大学が、シリコンパワーデバイスの研究開発することに対して（国内IGBTメーカーからの）需要があり、研究開発拠点としての役割を果たしたい」とする。

　今回の低電圧ゲート駆動IGBT研究には、三菱電機、東芝デバイス＆ストレージの2社も参画し、実用化を強く意識した研究開発が実施されている。今回開発したIGBTの実用化時期について、平本氏は「企業次第になる。推測になるが、企業側は既に、開発した技術に関心を持ち、実用化に向けて動き出しているだろう」とした。

　なお、本研究は、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）「低炭素社会を実現するパワーエレクトロニクスプロジェクト」の「新世代Siパワーデバイス技術開発の一環として実施。研究グループには、東大生研、三菱電機、東芝デバイス＆ストレージの他、北九州市環境エレクトロニクス研究所、明治大学、東京工業大学、九州大学、九州工業大学が参加している。