開発秘話:igbt insulated gate bipolar transistor:絶縁ゲート型 ... · 2015-12-19 ·...
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■高速大電力スイッチング素子の黎明期
1980年ごろ米国では、バイポーラトランジスタとMOSFET(金
属酸化膜型電界効果トランジスタ)を組み合わせ、電圧駆動の大
電流スイッチ半導体素子の開発が始まっていた。1983年年末に、
私自身初めて海外での学会発表の機会を得て、デトロイトで開
催されたモーターコンファレンスに参加した。そこで初めてGE
社のIGT(Insulated Gate Transistor)の発表を聞くことができた。
当時、IGBTの原型のひとつであるIGTは、サイリスタ設計から
発展したようであり、逆耐圧を有する設計であった。
帰国後、当社半導体事業部のトップから、このIGBT開発に着
手するよう命が下った。正確に言えば、出張の直前にIGBT開発
の命が下されていた。当時、半導体事業部では、モータ制御用途
の半導体素子として、数百Vかつ数百Aをスイッチする大電流バ
イポーラダーリントントランジスタを量産していた。スイッチン
グに伴い駆動回路の消費電力が非常に大きいため、電流駆動
から電圧駆動にして駆動回路簡素化を図るべく、バイポーラト
ランジスタのベース駆動入力部に、MOSFETをカスケード接続
した製品の開発を行っていた。この代替として、高速大電力スイ
ッチング半導体素子としてより適したIGBTに白羽の矢が立っ
たのである。
他方、当時、総合研究所では、1983年の2月に留学先米国から
帰国した中川氏(現所属:中川コンサルティング事務所)が、既に
IGBTの開発に着手していた。中川氏は、以前GTO(Gate Turn Off
サイリスタ)の開発研究者で、パワー半導体の動作原理に精通
していることは元より、パワー素子シミュレータも自ら開発をし
てしまうほどの実力者であった。半導体事業部と総合研究所の
関係は、総合研究所が先端の研究開発を行い、目途が得られて
後、半導体事業部に技術移管をして製品開発、量産化を行う役
割分担であった。通常、半導体事業部は暫くおとなしく開発を見
守っているのが暗黙のルールであったが、当時の半導体事業部
トップはIGBTの将来性を高く評価し、最善の開発加速をするべ
く、事業部のリソースを割いて、敢えて並行して開発を行う決断
をしたのである。私が30歳のときであった。
■開発着手、破壊しないIGBT実現に向けて
1984年の初め、総合研究所から設計指針の伝授を受けた。総
合研究所としては、前述GE社に加え、RCA社、モトローラ社と技
術開発競争に鎬しのぎ
を削っていた。各社から、それぞれのペットネ
ームでIGBTの原型ともいうべき素子が発売された。即座に買い
求め調査した。中にはVth(MOSFETの閾値電圧)測定時にラ
ッチアップ現象を起こすものもあり、いずれも完成度は低かっ
た。かかる状況下、当社のIGBTの設計コンセプトは非常に明確
であった。すなわち、ノンラッチアップ構造という全く新しい概念
の導入であった。IGBTは、内部に寄生サイリスタ構造を有す。
この寄生サイリスタは、IGBTをオンさせ電流を流すとターンオ
ンしてしまうことがあり、ゲートではターンオフ制御ができなく
なる。これが寄生サイリスタのラッチアップ現象であり、それ
によりIGBTは破壊に至ってしまう。IGBTの開発は、いかにこの
寄生サイリスタをノンラッチアップの性能にできるかにあった。
当時、総合研究所も半導体事業部も、IGBTのアプリケーショ
ンはモータ制御であると認識していた。社内システム事業部か
ら開発要請があったからである。モータ制御用途の大電力スイ
ッチング半導体素子として、大電流、高速(高周波)、電圧駆動の
スイッチング素子の誕生が切望されていた。これによって、従来
のバイポーラトランジスタに比べ、高周波動作時、駆動電力損失
の大幅な削減が期待される。開発するIGBTの目標耐圧は、500V
と1,000Vに設定された。100V入力、200V入力のモータ制御用
途に必要な定格である。
■ノンラッチアップIGBT製品化に成功
当時、半導体事業部で私が所属していた個別半導体開発課で
は、隣のグループでパワーMOSFETを開発していた。900V耐
圧のMOSFETの開発であった。当時の製品開発技術者は、自分
で設計したパターンマスクと製造プロセスで、自ら試作を行って
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Innovation Stories
SEMI News • 2010, No.4
開発秘話:IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)
株式会社東芝セミコンダクター社ディスクリート半導体事業部 秀島 誠
国際会議で発表したノンラッチアップIGBTの構造(1984年)Non-Latch-Up 1200V75A Bipolar Mode MOSFET with Large ASO Tech.
Digest IEDM-1984, 16.8, A. Nakagawa, et. al
P24-25_26-04/43L 10.10.19 6:36 PM ページ 24
いた。試作ラインが全くなかったという訳ではないが、ディスク
リート(個別)半導体では、独自プロセス設計をするため、自ら
試作することが多かった。試作をしながら、隣のグループの先輩
の話を聞く機会がきわめて多かったと記憶している。半導体素
子試作でウェーハを拡散炉の中に入れる前の洗浄工程では、10
分おきに薬品を入れ替えることが多く、この10分間に会話が弾
むのである。900V耐圧のMOSFET開発者はいつも愚痴を言っ
ていた。試作しても耐圧性能が出ないのである。MOSFETは、
必要な耐圧にぎりぎりに設計する必要がある。耐圧に余裕を持
たせると、MOSFETを流れる電流に対する抵抗成分が増えて
しまい、性能が著しく低下する。
この耐圧の問題を解決するには、抵抗成分が増えてしまうが、
ある部分の不純物拡散を深くするしかないと、いつもぼやいて
いた。拡散を深くすると表面の反転チャネル部分が長くなって
しまうので、そこを電気が流れるときの抵抗が増えてしまうの
である。したがって、普通のMOSFET設計は拡散を浅く作り、チ
ャネル長を短くするのが常識である。
IGBTは、MOSFETと基本的に同じような構造である。
MOSFETの裏面にもう一つP-N接合を加えた構造である。チャ
ネル部分が抵抗になるのも、MOSFETと同一である。中川氏の基
本設計も、MOSFET設計の常識に習った設計であった。中川氏の
基本設計指針を受けて、パターンマスクを設計した。500V耐圧に
適したパターンと1,000V耐圧に適したパターンを作成した。そ
れぞれに適したパターンとするために、拡散領域の間の距離を
変える必要がある。1,000V耐圧用には広い間隔が必要とされ
る。プロセスの設計も基本は中川氏の指針に従った。
実際に試作をする段になると、MOSFET開発をしていた先輩
の愚痴が思い出された。試作をして耐圧がまともにできないと、
評価もままならない。この思いが私を動かした。試作のプロセ
スに常識的な拡散深さのプロセスと別に、非常識な深い拡散の
プロセスも用意した。500V耐圧、1,000V耐圧、それぞれに適し
た設計のウェーハを二種類、パターンも二種類、プロセスも二種類。
これを混ぜていっぺんに試作する。少ない試作で要領よく結果
を出そうとしたのであった。
最初の試作の結果、深い拡散のプロセスの中にきわめてラッ
チアップしにくい素子が見つかった。モータ制御用途の場合、負
荷が短絡しても保護を掛ける一定期間は、素子が破壊しないこ
とが非常に重要である。その短絡耐量もある程度得られるとこ
ろまで実証できてしまった。学会で発表を聞いてからわずか半
年後のことであった。IGBTの高速スイッチ性能を実現するには、
製造プロセスの中で、キャリアライフタイム制御を行うが、この
技術として当時既に電子線照射技術を有していたことも、短期
間での開発の助けになった点も、忘れてはいけない事実である。
■雑学・雑知識(雑音)と自由な開発環境
私の開発者としての経験の中で、周りから得られる知識(雑
音)が助けになったことは数多くある。しかし、当時のIGBT開
発ほどに役立ったことは記憶にない。この後、IGBT開発も順調
に進み、後刻、大河内記念技術賞を受賞させていただいた。また、
今年、電気学会から電気の礎として表彰をいただいた。もちろん
前述の偶然の助けもあったが、若手技術者に、自由に開発させ
ることを可能にした環境があったからこそ成果に結び付いた、と
今振り返って思う。
この後、一年の間で、メンバーは3人であったが、ウェーハ接着
技術を使ったIGBT、拡散型ウェーハを使ったIGBT、アノードシ
ョート型IGBT、高放熱モジュール外囲器開発、等々、何でも挑
戦させてくれた開発環境を提供してもらったことには、とても感
謝している。
最後になるが、これらIGBT製品開発の上で必要不可欠な、ウ
ェーハ気相成長技術開発、ウェーハ直接接合技術開発、高熱伝
導セラミックス技術開発、そして本製品の応用機器であるパワー
エレクトロニクス製品開発、これらの部隊が全て社内に存在し
ていたことが、短期間にIGBTを世に送り出せる成果に結び付い
た非常に大きな要因であることを記しておきたい。
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Innovation Stories
No.4, 2010 • SEMI News
市場に出た最初のノンラッチアップIGBT(1985年)500V25A定格の1in1 IGBTモジュール
SEMI News「開発秘話」について
本ページでは、半導体業界において、技術革新や商品開発の
さまざまな場面でご苦労された方々の体験を共有する中から、
この業界に関係する方 を々少しでも勇気付け、ともに成長するき
っかけを作れたらよいのではないかと、記事のご提供をお願い
しています。
P24-25_26-04/43L 10.10.19 6:36 PM ページ 25