V m v V X final.ppt)nakagawa-consult.main.jp/akioika2001/203X_final.pdf · Sat case Voltage 600V Current 800A/cm 2. 39339939 Nakagawa Consulting Office, LLC. Typical current-voltage

Nakagawa Consulting Office, LLC.1111

シリコンパワー素子IGBTの

現状と未来

中川明夫中川コンサルティング事務所

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1. Non-Latch-Up IGBTから

薄ウェハFS-IGBTへ

特許から見たIGBTの定義

2. nバッファとField Stop層の違い

3. IGBTのシリコン限界に向けた

今後の展開

内容


Non-Latch-Up IGBTからからからから

薄薄薄薄ウェハウェハウェハウェハFS-IGBTへへへへ

特許特許特許特許からからからから見見見見たたたたIGBTのののの定義定義定義定義


応用分野と主力パワー素子


IGBTの特許の特許の特許の特許

1972 Yamagami -- He invented the basic structure of IGBT

(He filed patent only in Japan)

1978 J.D. Plummer discovered “ IGBT mode operation in thyristor”

and was grated a patent.

1980 Hans Becke invented basic idea of IGBT.

He claimed “no thyristor action occurs

under any device operating conditions”

1984 Nakagawa invented the design concept of Non-Latch-Up IGBT.

Saturation current＜ Latch-up current


ISSCC 78


PlummerのラッチアップするIGBT特許


BeckeのIGBT特許


１９８３１９８３１９８３１９８３年年年年ＩＧＢＴは壊れやすく、ラッチアップを防ぐことは不可能に近いと考えられた!!!

GEの素子


Non-Latch-Up IGBT

ノンラッチアップＩＧＢＴ最初の論文IEDM Late News 1984年12月

1984年


First Non-Latch-Up IGBT in 1984.

2010 IEEE William E. Newell Power Electronics Award

For development of non-latch-up IGBTs


Saturation current(@ VG =20V)


IGBTの特許の特許の特許の特許

1978 J.D. Plummer discovered “ IGBT mode operation in thyristor”

and was grated a patent.

GE(バリガバリガバリガバリガ)ののののIGBTはラッチアップするはラッチアップするはラッチアップするはラッチアップするPlummer特許特許特許特許のののの範囲範囲範囲範囲

1980 Hans Becke invented basic idea of IGBT.

He claimed “no thyristor action occurs

under any device operating conditions”

Becke特許は特許は特許は特許はnon-latch-up IGBTsの出現での出現での出現での出現で

IGBTの基本特許に昇格の基本特許に昇格の基本特許に昇格の基本特許に昇格!!!

現在の現在の現在の現在のIGBTははははPlummer特許には抵触しない特許には抵触しない特許には抵触しない特許には抵触しない!!

1984 Nakagawa invented the design concept of Non-Latch-Up IGBT.

Saturation current＜ Latch-up current


Technical trend for 600-1200V IGBT

1st, 2nd, 3rd Gen. 4th Gen. 5th, 6th Gen.

NPT Tech.Trench Gate Thin waferPlanar

Fine design


薄薄薄薄ｳｪﾊｳｪﾊｳｪﾊｳｪﾊ薄薄薄薄ｳｪﾊｳｪﾊｳｪﾊｳｪﾊFSFSFSFSFSFSFSFS--------IGBTIGBTIGBTIGBTIGBTIGBTIGBTIGBT低注入低注入低注入低注入低注入低注入低注入低注入PPPPPPPPエミッタエミッタエミッタエミッタエミッタエミッタエミッタエミッタ

高高高高ライフタイムライフタイムライフタイムライフタイム高高高高ライフタイムライフタイムライフタイムライフタイム

PTPTPTPTPTPTPTPT--------IGBT IGBT IGBT IGBT IGBT IGBT IGBT IGBT NPTNPTNPTNPTNPTNPTNPTNPT--------IGBTIGBTIGBTIGBTIGBTIGBTIGBTIGBT高注入高注入高注入高注入高注入高注入高注入高注入PPPPPPPPエミッタエミッタエミッタエミッタエミッタエミッタエミッタエミッタ低注入低注入低注入低注入低注入低注入低注入低注入PPPPPPPPエミッタエミッタエミッタエミッタエミッタエミッタエミッタエミッタ

低低低低ライフタイムライフタイムライフタイムライフタイム低低低低ライフタイムライフタイムライフタイムライフタイム高高高高ライフタイムライフタイムライフタイムライフタイム高高高高ライフタイムライフタイムライフタイムライフタイム


nバッファとField Stop層の違い


Short Circuit Capability

[1] 0.3 MW/cm2 IEDM, Nakagawa, 1984: World first Short-circuit capability[2] 0.9 MW/cm2 PESC, Nakagawa, 1988: IGBT SOA > Bip. Tr. SOA[3] 2 MW/cm2 ISPSD, Hagino, 1996: Extremely large SOA

World First Demonstration of World First Demonstration of ShortShort Circuit CapabilityCircuit Capability in 1984.in 1984.


Space charge in N-base

Q =qND+ q(p – n) = qND + J{γ/vh - (1- γ )/ve}

Define JC=qND/{(1- γ)/ve - γ/vh}

J < JC: Space charge, Q is positive.

J = JC : Space charge, Q is zero!

J＞ JC : Space charge, Q is negative!

Electric

field

Carrier density

Effective junction

　he

h

vv

v 　　γwhen

+<

n-buffer

Electric

fieldp-base

J=Jc J >Jc

　J

J 　　γ　

qv

Jn 　

qv

Jp

p

e

n

h

p===


0

500

1000

1500

2000

2500

0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

注入効率γ

裏面

が高

電界

にな

る電

流密

度(A/cm

2)

1200V IGBT


負荷短絡耐量とアノード側の注入効率

A. Nakagawa et.al., ISPSD 2004, pp.103-106


nバッファの最適化3種類のｎバッファの違い

不純

物濃

度

低濃度pエミッタ

nバッファ

A

B

C


600V0電圧

電流

正孔電流

電子電流

飽和電流

nバッファ：Ａ

nバッファ：B


600Vの電界分布

nバッファ：A nバッファ：B

負荷短絡破壊

コレクタ側高電界


0 200 400 600 800

電圧(V)

リー

ク電

流＠175度

A

B


電流

電圧

電圧

電流

nバッファ：A

B

C

時間(us)

nバッファによるターンオフ波形の相違


nバッファ：A は負荷短絡で電流が振動しやすい!

VG=15V

VG=13V

VC


nバッファ：B はＯＫ

最大温度

IC

VC


振動を増幅しているのはゲート電圧の振動

VG*10

IC

VC

nバッファ：A


IC

VC

nバッファ：A Dummy gate構造は良好！


内部電界

nバッファ：A 電流が流れると高電界が裏面に移動!!

1e-7 step


nバッファ：A

電圧が低い時に溜まり、高くなって排出されて電流増大

1e-7 step


最大温度

IC

VC

nバッファ：A

裏面側の温度が急上昇！


nバッファ：A


IGBTのシリコン限界に向けた

今後の展開


Forward voltage can be greatly improved

by reducing mesa width.

Mesa width

Forward Voltage (V)

Current Density(A/cm

2)

0

2000

1 2 3

2000

0

40nm

0.5µµµµm

Conv.

1000

600V IGBT

500

100nm

200nm

2.2µµµµm


Induced inversion layer acts as N barrier for holes

→ high injection efficiency > 0.9

Very Narrow Mesa IGBT

Mesa width

n－－－－

nbuff

p

d

X

Collector

n－－－－

nbuff

p

Emitter

d

X

Y

15V

Ele

ctron D

ensity

20nm

10 17

10 18

10 19

0nm

10 17

10 18

10 19Gate Oxide

Gate Oxide


Theoretical limit of IGBT

IGBTsIGBTs can still be greatly improved in futurecan still be greatly improved in future

Breakdown Voltage Breakdown Voltage (V)

SJMOS

limit

0.1

1.0

10.0

100.0

1000.0

10 100 1000 10000

Si Lim

it

SiC

Lim

itGaN

Lim

it

Si IGBT

Si SJ -MOS

SiC MOS

GaN HEMT

Si IG

BT

SJ -

●●●●

Ideal IGBT Limit

0.1

1.0

10.0

100.0

1000.0

10 100 1000 10000

Si Lim

it

SiC

Lim

itGaN

Lim

it

Si IGBT

Si SJ -MOS

SiC MOS

GaN HEMT

Si IG

BT

●●●●

●●●●

SJMOS

RonA

(mΩΩ ΩΩcm

2)


Conditions:

Si thickness=100µm

Current density= 150A/cm2

Temp.=150C

Turn-off loss is fixed at 120µJ/A

Mesa width

1200V IGBT

Silicon Limit Analysis based on TCAD for 1200V IGBT

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Mesa width (µm)

On-state Voltage (V)

ISaturation= 800A/cm2

Large ISat case

600VVoltage

Curr

ent

800A/cm2


Typical current-voltage relation for optimized IGBTs

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 200 400 600

On-state voltage (V)

Current density (A/cm

2)

0.9V

1.16V

Saturation characteristics

1.4V


It is important to make use of

IGBT chips with large saturation current.

Modules should have short-circuit protection function

so that low on-state voltage chip can be

used for multi-purpose module.


IGBT Chip footprint as a function of year


1200V IGBT operating current density

Oper

ating

curre

nt de

nsity

100100100100

1980198019801980 1985198519851985 1990199019901990 1995199519951995 2000200020002000 2005200520052005 2010201020102010 2015201520152015

Dynamic Avalanche

50505050

500500500500

Operating current density

Year

HEV both side cooling

6th generation

1200V applied

600V applied

中川コンサルティング事務所中川コンサルティング事務所中川コンサルティング事務所中川コンサルティング事務所43434343

IGBT両面冷却両面冷却両面冷却両面冷却

ＨＥＶパワーコントロールユニット小型化小型実装：小型実装：小型実装：小型実装：両面冷却両面冷却両面冷却両面冷却で高出力化で高出力化で高出力化で高出力化

・１・１・１・１・１・１・１・１ChipChip当たりの電流を当たりの電流を当たりの電流を当たりの電流を当たりの電流を当たりの電流を当たりの電流を当たりの電流を200A200Aからからからからからからからから300A300Aに増大。に増大。に増大。に増大。に増大。に増大。に増大。に増大。

・チップ数を増やさず大容量化。・チップ数を増やさず大容量化。・チップ数を増やさず大容量化。・チップ数を増やさず大容量化。・チップ数を増やさず大容量化。・チップ数を増やさず大容量化。・チップ数を増やさず大容量化。・チップ数を増やさず大容量化。

汎用インバータ

両面冷却

従来HEV

出所：Semiconductor FPD World 2009.4

出典：出典：出典：出典：デンソーテクニカルレビューデンソーテクニカルレビューデンソーテクニカルレビューデンソーテクニカルレビュー Vol. 14Vol. 14Vol. 14Vol. 14 2009200920092009


Trends of 600V IGBT

IGBT On-resistance has been steadily improved In the past,

It is predicted that it will approach the IGBT limit in near future.

1994199419941994 1998199819981998 2002200220022002 2006200620062006 2020202010101010 20202020141414141111

11110000

IGBT

IGBT Limit

111100000000

RonA

(mΩΩ ΩΩcm

2)

ISPSD2011


ISPSD’’’’12


ISPSD’’’’13


浅浅浅浅いトレンチゲートでもいトレンチゲートでもいトレンチゲートでもいトレンチゲートでも良好良好良好良好

なななな特性特性特性特性。。。。

CMOS Fab.でででで IGBT生産生産生産生産

可能可能可能可能

ISPSD’’’’12


30cm CMOS Fab for Power Devicescontributes to better performance and low cost.


END

Documents

V m v V X final.ppt)nakagawa-consult.main.jp/akioika2001/203X_final.pdf · Sat case Voltage 600V Current 800A/cm 2. 39339939 Nakagawa Consulting Office, LLC. Typical current-voltage