v m v v x final.ppt)nakagawa-consult.main.jp/akioika2001/203x_final.pdf · sat case voltage 600v...
TRANSCRIPT
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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
HOME PAGE: http://www.ne.jp/asahi/capri/ocean/
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Nakagawa Consulting Office, LLC.2222
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
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Nakagawa Consulting Office, LLC.3333
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
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Nakagawa Consulting Office, LLC.4444
応用分野と主力パワー素子
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Nakagawa Consulting Office, LLC.5555
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
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Nakagawa Consulting Office, LLC.6666
ISSCC 78
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Nakagawa Consulting Office, LLC.7777
PlummerのラッチアップするIGBT特許
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Nakagawa Consulting Office, LLC.8888
BeckeのIGBT特許
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Nakagawa Consulting Office, LLC.9999
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
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Nakagawa Consulting Office, LLC.10101010
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
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Nakagawa Consulting Office, LLC.11111111
First Non-Latch-Up IGBT in 1984.
2010 IEEE William E. Newell Power Electronics Award
For development of non-latch-up IGBTs
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Nakagawa Consulting Office, LLC.12121212
Saturation current(@ VG =20V)
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Nakagawa Consulting Office, LLC.13131313
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
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Nakagawa Consulting Office, LLC.14141414
Technical trend for 600-1200V IGBT
1st, 2nd, 3rd Gen. 4th Gen. 5th, 6th Gen.
NPT Tech.Trench Gate Thin waferPlanar
Fine design
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Nakagawa Consulting Office, LLC.15151515
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
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Nakagawa Consulting Office, LLC.16161616
nバッファとField Stop層の違い
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Nakagawa Consulting Office, LLC.17171717
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.
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Nakagawa Consulting Office, LLC.18181818
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===
-
Nakagawa Consulting Office, LLC.19191919
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
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Nakagawa Consulting Office, LLC.20202020
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
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Nakagawa Consulting Office, LLC.21212121
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
-
Nakagawa Consulting Office, LLC.22222222
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
-
Nakagawa Consulting Office, LLC.23232323
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
-
Nakagawa Consulting Office, LLC.24242424
0 200 400 600 800
電圧(V)
リー
ク電
流@175度
A
B
-
Nakagawa Consulting Office, LLC.25252525
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
-
Nakagawa Consulting Office, LLC.26262626
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
-
Nakagawa Consulting Office, LLC.27272727
nバッファ:B はOK
最大温度
IC
VC
-
Nakagawa Consulting Office, LLC.28282828
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
-
Nakagawa Consulting Office, LLC.29292929
IC
VC
nバッファ:A Dummy gate構造は良好!
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Nakagawa Consulting Office, LLC.30303030
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
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Nakagawa Consulting Office, LLC.31313131
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
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Nakagawa Consulting Office, LLC.32323232
最大温度
IC
VC
nバッファ:A
裏面側の温度が急上昇!
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Nakagawa Consulting Office, LLC.33333333
nバッファ:A
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Nakagawa Consulting Office, LLC.34343434
IGBTのシリコン限界に向けた
今後の展開
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Nakagawa Consulting Office, LLC.35353535
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
-
Nakagawa Consulting Office, LLC.36363636
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
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Nakagawa Consulting Office, LLC.37373737
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)
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Nakagawa Consulting Office, LLC.38383838
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
-
Nakagawa Consulting Office, LLC.39393939
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
-
Nakagawa Consulting Office, LLC.40404040
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.
-
Nakagawa Consulting Office, LLC.41414141
IGBT Chip footprint as a function of year
-
Nakagawa Consulting Office, LLC.42424242
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
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Nakagawa Consulting Office, LLC.44444444
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
-
Nakagawa Consulting Office, LLC.45454545
ISPSD’’’’12
-
Nakagawa Consulting Office, LLC.46464646
ISPSD’’’’13
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Nakagawa Consulting Office, LLC.47474747
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
-
Nakagawa Consulting Office, LLC.48484848
30cm CMOS Fab for Power Devicescontributes to better performance and low cost.
-
Nakagawa Consulting Office, LLC.49494949
END