1984年 ノン・ラッチ・アップIGBTの発明（東芝） 〜個別半導体・他〜

1984年東芝（株）の中川明夫が、ノンラッチアップ形IGBTを発明、これを発表した。　東芝は、1986年、このデバイスを商品化、実用的、ノンラッチアップ型IGBTとして発売した。 IGBTは高耐圧パワーMOSFETのオン抵抗値の低減を目的に、1980年RCAのH.W. Backe, C.F. Wheatlyが基本的IGBTの構造を示し、次いで、GEのBaligaが最初に試作して、その結果を、1982年に発表したデバイスである。MOSFETは、ゲートドライブが容易であり、破壊し難く、スイッチング周波数を高く設定できるので、システムの小型化が容易である。しかし、MOSFETはユニポーラ形デバイスである為、高耐圧化に伴い、オン抵抗値が急速に増加する欠点を持ち、大電力化に制約があった。この欠点を改善したのがIGBTである。 図1にパワーMOSFETの断面図、図2にIGBTのそれを示す。通常のMOSFETがチップ裏面のドレイン側にｎ+層を持つのに対し、IGBTはｐ+層を持つ。NチャンネルMOSFETがキャリアとして、電子のみを利用するのに対し、IGBTは、ｐ+層からｎ-層に正孔を注入する事で、電子、正孔の両キャリアを利用した伝導変調効果が利用出来、ｎ-層の抵抗値を低下させる事が出来る。この様にして高耐圧MOSFETのオン抵抗値の低減が可能となった。 但し、図2に示す様に、このデバイスはサイリスタと同様、pnpnの4層構造である。この為、ラッチアップ現象を容易に引き起こし、破壊するので、実際に応用するのは難しかった。この問題を解決して、応用範囲を驚異的に広げたのが、中川の発明によるノンラッチアップ型IGBTである。図3の様に、IGBTのエミッタをストライフﾟ構造とし、エミッタのｎ+領域の一部を周期的に削除し、かつ、チャンネル長を適正化する事で、過大な飽和電流を抑え、加えて、正孔の流出経路の拡大とにより、ラッチアップ耐量を大幅に向上し、大電流化に成功した。IGBTはその後、世代を重ね、トレンチゲート、薄ウエハーPT（Punch Through）、FS (Field Stop) 構造などの採用で、オン抵抗の低減と、スイッチング速度のトレードオフを更に向上させる。スイッチング周波数の高周波化により、システムの静音化、小型化が可能となった。更に、並列動作が容易である為、モジュール構造：PM（パワーモジュール）を利用する事で、大電力化を達成。1989年には、制御･保護機能を持つIC チップを搭載した、IGBT-IPM（インテリジェントパワーモジュール）を三菱が開発し、更に、破壊し難く、使い易いデバイスへと発展した。 現在、IGBTはインバータ用に最適なデバイスとして、エアコン、洗濯機、冷蔵庫、IH調理器などの白物家電、エレベータ、ロボット、工作機等の産業用、さらに電気自動車など、広範囲に利用されている。

図１ MOSFETの等価回路と構造図

図2 IGBTの等価回路と構造図

図3　ノンラッチアップIGBT構造図

写真1　東芝が最初に発売した、ノンラッチアップ形IGBT（東芝提供）

【参考文献】 （1）　A. Nakagawa et al., “Non-Latch-Up 1200V, 75A Bipolar-Mode MOSFET with Large SOA", IEEE IEDM Digest of Technical Papers, pp. 860-861 (1984) （2）　“バイポーラ形MOS　FET（IGBT）”東芝レビュー（41巻4号）p. 341 (1986) （3）　B.J. Bariga et al. “The Insulated Gate Rectifier: A New Power Switching Device,” IEEE IEDM Digest of Technical Papers, pp.264-267 (1982) （4）　G. Majumdol, et al. “A New Series of Smart Controllers”, IEEE-IAS, pp. 1356-1362 (1989) （5）　B. Jayant Baliga, Fundamentals of Power Semiconductor Devices, Springer, (2008) （6）　IGBT 図書企画編集委員会編“世界を動かすパワー半導体”電気学会, (2008年12月) （7）　大野栄一編“パワーエレクトロニクス入門” オーム社, (1984年5月)

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【最終変更バージョン】 rev.001 2015/7/6