在日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）的科研專案中，以東京大學生產技術研究所爲中心的研究小組，全球首次利用電壓爲原來三分之一的5V柵極驅動電壓，成功驗證了3,300V級硅絕緣柵雙極電晶體（IGBT）的開關控制。
圖：在直徑爲3英寸的基底層上試製的絕緣柵雙極電晶體（IGBT）
半導體功率電晶體是功率電子領域的關鍵器件，是用來進行電力轉換的開關電晶體。尤其是絕緣柵雙極電晶體（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT），因其具備高耐壓性、基於MOS柵極的高速性以及基於雙極動作的大電流特性，得到了家電產品、電動車、鐵路及工業設備等的廣泛利用，是最重要的半導體功率電晶體之一。一般來說，這些硅IGBT的性能被認爲正在接近心極限，但研究人員類比應答，透過實施「IGBT Scaling」，即按比例等比縮小IGBT的功率MOS電晶體部分，並以相同的比例降低柵極電壓，能提高電子增注（Injection Enhancement,IE）效果，同時提高電流密度。
因此，在日本國立研究開發法人新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）的專案下，國立大學法人東京大學生產技術研究所與北九州市環境電子研究所、學校法人明治大學、三菱電機公司、東芝Device & Storage公司、國立大學法人東京工業大學、國立大學法人九州大學及國立大學法人九州工業大學合作，設計並試製了比例係數k爲k=3（長度爲原來的三分之一）的硅IGBT，全球首次利用電壓由原來的15V降至5V的低柵極驅動電壓，成功驗證了3,300V級硅IGBT的開關控制。另外，與利用正常尺寸（k=1）試製的硅IGBT相比，提高了電流密度（導電的損耗減量），關斷時的開關損耗可降低35％。
另一方面，以往的柵極控制電路利用高柵極電壓驅動，因此採用高耐壓IC工藝製造，由大面積類比電路構成。此次研究的硅IGBT由於控制電壓能降至5V，可以將柵極驅動所需的電力降至約十分之一。另外，柵極控制電路可以採用標準的CMOS工藝製造，能整合各種數位電路技術，因此，有望融合人工智慧（AI）等尖端數位技術和功率電子學，實施更高級的功率控制，從而進一步降低功耗。
相關研究成果已在2019年5月19日至23日於上海舉行的IEEE國際功率半導體元件與積體電路會議（International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs）上發表。論文題目爲「3300V Scaled IGBTs Driven by 5V Gate Voltage」。
利用此次的研究成果，可以在柵極控制電路中嵌入邏輯電路。因此，有望融合人工智慧（AI）等尖端數位技術和功率電子學，實施更高級的功率控制，從而進一步降低電動車和工業設備等的功耗。（日文發佈原文)
文：JST客觀日本編輯部
