特集MOSFET と IGBT を中心としたパワー半導体デバイスの最新動向と課題
筑波大学

岩室 憲幸 Iwamuro Noriyuki

はじめにパワー半導体デバイスの主役：
MOSFET と IGBT

昨年 2月に始まったロシアによるウクライナ侵

まずパワー半導体デバイス共通の特徴として、攻、さらには米国をはじめとする主要各国の金利電極が半導体をはさんで素子の上と下に配置され引き上げ政策ならびに日本銀行の金融緩和政策継ている縦型デバイス構造であることが挙げられ続に伴う円安の進行で、資源価格が大きく上昇しる。これは、パワー半導体デバイスはより大電流ている。これらのことが、従来にも増して再生可を流し、かつ高電圧印加に耐えなければならない能エネルギーを活用し、かつ環境にやさしい安全・ので、半導体素子全体に縦方向に電流を流すこと安心なエネルギーの確保が喫緊の課題となっていが可能で、半導体の厚みで高電圧を維持できる縦る。またエネルギー消費の分野においても、従来型デバイス構造にする必要があるためである。こは電気エネルギーが使われていなかった領域で、こが、横型デバイス構造が主流であるIC/LSIと電気エネルギーの利用がますます増えている。特大きく異なる点である。にCO2 削減による地球温暖化防止の観点からも、次に、パワー半導体デバイス中の制御電極に注自動車の電動化（xEV化）が世界各国で急速に進目する。制御電極であるゲート電極の配置を見る展している。このような状況において、パワー半と、MOSFETならびにIGBTはゲート電極が絶導体デバイスの特性向上ならびに新規パワー半導縁膜であるシリコン酸化膜（SiO2）上に形成されて体デバイス開発への期待は近年ますます高くなっいるのに対し、GTOサイリスタやバイポーラトてきている。

ランジスタはゲート電極（バイポーラトランジス

パワー半導体デバイスの世界市場は、2023年

タではベース電極）が直接p型半導体に接触して以降も産業分野ならびに自動車分野がけん引し、いる。MOSFETならびにIGBTのオン・オフ動

その市場規模は 2022年の約 2.7兆円から 2035年に作はこのゲート電極とSiO2、さらにはシリコン半はおよそ 13.4兆円にまで急拡大するとの報告があ導体で構成される「コンデンサ」に少量の電荷を充る 1）。本報では、市場の主役であり続けるシリコ電・放電させることで行う。つまりゲート電極かンパワー半導体デバイス、特にシリコンIGBTのら絶縁膜であるSiO2 を介してシリコンパワー半導最近の状況についてふれた後、数ある次世代パワ体デバイスを制御する構造となっている。

ー半導体デバイスの中でも最近急激に市場規模が一方GTOサイリスタやバイポーラトランジス拡大しているSiC MOSFETを取り上げ、その最タはp型半導体に直接多くの電荷（電流）を、一定新開発状況ならびに市場拡大に向けた課題につい期間常に供給、または引き抜くことでパワー半導て述べる。

体デバイス内のpn接合をオン・オフさせてスイッチング動作を行う。このオン・オフ動作の違い

数理物質系 教授
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により、MOSFETならびにIGBTはそのスイッチング動作に必要な電力（駆動電力）が極めて小さくなるため、駆動回路がGTOサイリスタやバイ特集

ポーラトランジスタに比べ小型化できるという特注目の材料技術 最新動向と展望RCIGBT : IGBT とpinダイオードの統合（IGBT＋pin diode⇒1 chip）

徴を有する。これはパワエレ装置の小型化、高機RC IGBTのご利益能化に非常にメリットをもたらすこととなった。
さらにこのMOSFETならびにIGBTは高ドレイン−ソース間電圧（VDS）印加時〔IGBTの場合は高コレクタ−エミッタ間電圧（VCE）印加時〕に電流

必要素子数

直流電源

Motor

IGBT6, pin Diode 6⇒RC IGBT6①小型化②コスト低減インバータ回路

飽和特性を示すという特筆すべき特徴を有してい

IGBT + pin diode⇒ RC IGBTた。これは、VDS（IGBTはVCE）
が高くなるとMOS-

図1

FETチャネル部の反転層に直接VDS（VCE）の影響

逆導通IGBT（RC IGBT）の特徴が及ばなくなり、VDS（VCE）電圧上昇分が空乏層を広げるだけに費やされるという「ピンチオフ」
とい

電圧かつ超高速スイッチングという低損失性能をう現象が生じるためである。もしパワー半導体デ示しながら、高破壊耐量をも併せて持った素子でバイスが、GTOサイリスタのような電流飽和特ある。

性を示さない素子であった場合、負荷短絡（ショ最近になり、IGBTの特性改善を支えてきた技ート）が発生し高電圧が素子に直接印加された時術の 1つである極薄ウェハ技術にブレーキがかか点で瞬時に大電流が流れ、半導体デバイスはすぐりつつありIGBTの特性改善がそろそろ限界に近に破壊してしまう。しかしながら、電流飽和特性づいてきた、と一部で言われてきた。しかし近年を示す素子であれば、高電圧が素子に印加されてのIGBT技術動向を見ると、素子表面構造の改良も飽和電流値以上の電流は流れず、その結果瞬時によるオン電圧−ターンオフ損失のトレードオフ破壊を避けることができる。素子が瞬時破壊をせ特性の一層の向上や、最大接合温度（Tjmax）175℃ずにある一定の時間（数μ 〜 10 μsec程度）破壊を

保 証 のIGBTモ ジ ュ ー ル 技 術 の 開 発 2）、 直 径防ぐことができれば、パワエレ装置内の保護機能300mm大口径ウェハを用いた量産技術開発 3）、さが働き、安全に装置を停止することが可能となる。

らにはIGBTとpinダイオードを 1チップにまとめつまり数あるパワー半導体デバイスの中でMOS-た逆導通IGBT（RC-IGBT）4）の開発など、その開FETとIGBTのみが、駆動回路の小型化ができ、発スピードは一向に衰えていない。

なおかつ電流飽和特性を示すため瞬時破壊しな

もともとIGBTモジュールの中には、IGBTとい、 と い う 特 徴 を 有 し て い る。 こ の こ と が、インバータ還流動作時に電流を導通させるpinダ

MOSFETとIGBTが現在のシリコンパワー半導イオードが別々に接続され、インバータ回路に適体デバイス市場を席巻している理由である。

用されている。したがってIGBTモジュール内の次章以降、再生可能エネルギー用パワエレ装置

半導体素子数は、たとえばIGBT 6個、pinダイオやxEVインバータ装置などの適用領域である中・ー ド 6個 の 計 12個 が 必 要 に な る。RC IGBTは、高耐圧領域で市場を席巻し、かつ今後その市場規逆並列に接続されたIGBTとpinダイオードが 1素模の拡大が期待されるシリコンIGBT、ならびに子に集積されたという特徴を有するデバイスであ

新材料パワー半導体デバイスであるSiC MOS-

るため、インバータ回路を構成する場合に必要なFETの最新技術動向について述べる。

半導体数が通常IGBTモジュールの半分の 6個でシリコン IGBT の最新技術
現在、最先端のIGBT構造であるトレンチゲーすむこととなる。そのためRC IGBTモジュールは、モジュールサイズの小型化とコスト削減が可能となる（図 1 参照）。このRC IGBTの設計の難しさは、素子設計の最適化手法の異なるIGBTとト型フィールドストップ（FS）
IGBTは、IGBT特pinダイオードを 1素子に統合し、RC IGBTとし有の極薄ウェハ（1200 V耐圧素子で 100μm程度）ての素子特性を最適化するところにある。たとえとトレンチゲート構造と融合することで超低オン

ばxEV向けRC IGBTの場合、トレンチゲートFS

2023年夏号（Vol.71 No.4）

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