在日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的科研项目中，以东京大学生产技术研究所为中心的研究小组，全球首次利用电压为原来三分之一的5V栅极驱动电压，成功验证了3,300V级硅绝缘栅双极晶体管（IGBT）的开关控制。
图：在直径为3英寸的基板上试制的绝缘栅双极晶体管（IGBT）
半导体功率晶体管是功率电子领域的关键器件，是用来进行电力转换的开关晶体管。尤其是绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT），因其具备高耐压性、基于MOS栅极的高速性以及基于双极动作的大电流特性，得到了家电产品、电动汽车、铁路及工业设备等的广泛利用，是最重要的半导体功率晶体管之一。一般来说，这些硅IGBT的性能被认为正在接近极限，但研究人员模拟确认，通过实施“IGBT Scaling”，即按比例缩小IGBT的功率MOS晶体管部分，并以相同的比例降低栅极电压，能提高电子增注（Injection Enhancement,IE）效果，同时提高电流密度。
因此，在日本国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的项目下，国立大学法人东京大学生产技术研究所与北九州市环境电子研究所、学校法人明治大学、三菱电机公司、东芝Device & Storage公司、国立大学法人东京工业大学、国立大学法人九州大学及国立大学法人九州工业大学合作，设计并试制了比例系数k为k=3（长度为原来的三分之一）的硅IGBT，全球首次利用电压由原来的15V降至5V的低栅极驱动电压，成功验证了3,300V级硅IGBT的开关控制。另外，与利用正常尺寸（k=1）试制的硅IGBT相比，提高了电流密度（导通损耗减少），关断时的开关损耗可降低35％。
另一方面，以往的栅极控制电路利用高栅极电压驱动，因此采用高耐压IC工艺制造，由大面积模拟电路构成。此次研究的硅IGBT由于控制电压能降至5V，可以将栅极驱动所需的电力降至约十分之一。另外，栅极控制电路可以采用标准的CMOS工艺制造，能集成各种数字电路技术，因此，有望融合人工智能（AI）等尖端数字技术和功率电子技术，实现更高级的功率控制，从而进一步降低功耗。
相关研究成果已在2019年5月19日至23日于上海举行的IEEE国际功率半导体器件与集成电路会议（International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs）上发表。论文题目为“3300V Scaled IGBTs Driven by 5V Gate Voltage”。
利用此次的研究成果，可以在栅极控制电路中嵌入逻辑电路。因此，有望融合人工智能（AI）等尖端数字技术和功率电子技术，实现更高级的功率控制，从而进一步降低电动汽车和工业设备等的功耗。（日文发布原文)
文：JST客观日本编辑部
