今天聊一聊IGBT的发明，这个故事，涉及贾扬·巴利加（B. Jayant Baliga）、杰克·韦尔奇（Jack Welch）等著名大佬，非常有趣。
先简单介绍IGBT器件
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根据栅极结构的不同，将IGBT分为三种类型，如上图，
包括功率MOSFET发展初期流行的V-MOS结构（a）、1980年代成为主流的D-MOS结构（b），以及1990年代应用于产品的U-MOS结构（c），
通过V-MOS结构，GE首次验证了IGBT工作原理，
通过D-MOS结构，GE开发首款商用IGBT产品，
U-MOS结构样品由GE首次制备，后续在其他企业实现商业化。
接下来，以Baliga的第一人称视角，回顾这段历史。
1974年，我加入GE公司，首要任务是在2英寸硅片上开发耐压达到3000V的晶闸管，
这段经历使我意识到晶闸管设计的关键——耐压与门极驱动电流之间的trade-off，
简言之，晶闸管的耐压一旦提升，必会遇到高dV/dt、高dI/dt工况，必须具备更强的dV/dt、dI/dt耐受能力，
而欲达此目的，必须增大门极驱动电流，
本质上，晶闸管是电流驱动型器件，若设计者试图提升BV，不得不增大门极驱动电流。
这一现象促使我思考，能否设计一种电压驱动型器件，使其在保证高压能力的同时，摆脱对门极电流的依赖？
1977年7月26日，我在GE内部提交了关于MOS栅控晶闸管的idea，基于V型槽栅极结构，与上图（a）基本一致，
1978年11月9日，MOS栅控晶闸管的制备工作正式启动，并于1979年7月30日成功完成。
通过测试样品，我们观察到IGBT的两种关键工作模式：
1、MOS栅压控制下的电流饱和现象，
2、通过施加负栅压可以关断电流，证明PNPN四层结构可以不触发闩锁而工作，即非闩锁电流传输机制。
1979年9月27日，研究成果在《Electronics Letters》发表。
1980年9月，GE产品部门副总裁汤姆·布洛克到访研发中心，彼时该部门正在开发空调电机驱动器，
在该应用中，达林顿双极晶体管（Darlington bipolar transistors）的表现不如人意，
所谓达林顿双极晶体管，由两个NPN（或PNP）晶体管级联形成，特点是只需极小的驱动电流（mA级），便能控制很大的输出电流（几十A），
缺点是，饱和压降高、开关速度慢、热稳定性差。
布洛克提出开发更优器件的需求。
9月底，我提交一份文件，列出目标器件的核心特性，
1、具备正向和反向阻断能力，
2、正向压降与PIN整流器相当，
3、通过小栅极电压、低栅极电流实现开通与关断，
4、高关断增益，
5、高dV/dt和dI/dt承受能力，
6、可在高温环境下工作，
7、抗辐射能力。
我将该器件命名为“栅极增强型整流器（GERECT）”，以凸显其类似PIN整流器的通态特性，
此即IGBT的前身。
说到这，得先岔开话题，回顾1970年代场控晶闸管（FCT）的发展过程。
1975年，西泽润一提出静态感应晶体管（SIT）和静态感应晶闸管，GE对此始料未及，立即组织人力评估这两种新器件的潜力，
我于1976年开始这项工作，很快发现这些器件（在GE内部被称为FCT）属于耗尽型，需施加栅压才能关断，
GE内部认为，这种常开型器件在功率器件应用中存在较大风险，不能满足应用可靠性需求。
1979年，我尝试在FCT的阴极串联MOSFET，观察到该结构在大电流密度下，具备优异的通态特性，且正偏安全工作区（FBSOA）广阔，电流饱和特性良好。
这一研究使我得出结论——理想功率器件可通过MOSFET与PIN整流器的串联构建，
随后我开始探索MOSFET与FCT结构的集成方案，最终发现该结构与IGBT结构完全一致，
换言之，FCT的研究，使我从另一个方向再次构思出IGBT，将其与晶闸管电流驱动之缺点产生的灵感相互映证，得到最终的IGBT。
第二次构思至关重要，因其使我有信心宣称，IGBT将兼具高通态电流密度和低通态压降，这是该器件的核心优势。
在日本的SIT发明50周年庆典上，我也认可了这一idea对IGBT构思的重要启发。
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然而在1980年9月，GERECT方案遭到同事的质疑，主要论据有二，
1、此前关于PNPN四层结构的研究表明，晶闸管在小电流下会出现闩锁效应，
2、IGBT结构由N沟道MOSFET驱动宽基区PNP双极型晶体管构成，
而根据BJT的研究经验，窄基区NPN结构才能获得良好电流增益，因此IGBT器件的通态电流密度将低于20A/cm2，而不是我根据PIN二极管模型预测的100~200 A/cm2。
同一时期，我的同事维克多·坦普尔提出MOS控制晶闸管（MCT）结构，该器件通态时工作于闩锁模式，通过MOS短路发射结以实现关断，
坦普尔认为，MCT的通态压降更低、通态电流密度更大，适用于所有应用场景，优于我提出的IGBT。
我则指出，IGBT凭借广阔的正偏安全工作区（FBSOA），更适合替代双极型晶体管，而MCT因需要缓冲器控制开关过程，更适合替代门极可关断晶闸管（GTO），
面对两种技术路线，GE必须做出选择。
1980年10月，汤姆·布洛克又访研发中心，听取关于新器件需求的汇报。
会上，我正式提议开发商用IGBT产品，在汇报中指出，该产品可广泛应用于GE的家电、驱动器、照明等多种产品，
更重要的是，我提出可以优化IGBT产品制作工艺，使其能在现有功率MOSFET产线实现量产，这意味着GE可以快速实现IGBT的批量供货。
相比之下，MCT则需要在GE研发中心开发全新的五层制备工艺，必须经历更加漫长的开发周期。
布洛克对IGBT的商业化前景深表认可，向当时GE董事长，大名鼎鼎的杰克·韦尔奇汇报了这种新器件在GE各条业务线的应用潜力，
1980年11月，韦尔奇亲赴纽约，听取IGBT相关汇报，这是我职业生涯的关键机遇，
我向韦尔奇提交了IGBT的研发提案，解释其对GE产品的重要影响，
幸运的是，韦尔奇肯定了IGBT的研发价值，他不仅支持IGBT的快速开发，同时命令在GE各部门利用该技术抢占市场期间，暂停对IGBT技术的公开披露。
这次汇报结果令我感到振奋，我获得了公司对IGBT开发的大力支持，但这也意味着这项技术暂时无法在业界获得认可，
三十年后回看，这个项目于我而言是一次莫大的机遇，也是一次高风险赌博，
它使我得到了公司最高层的密切关注，但如果我未能按计划在功率MOSFET生产线开发IGBT制备工艺，或器件性能未达预测水平，我的GE生涯将就此结束。
韦尔奇意识到IGBT潜在的商业价值，因此IGBT的专利工作将由公司层面主导，而非研发中心，
1980年12月2日，GE提交IGBT专利，最终于1990年授权，如此漫长的授权过程并不常见，其间亦有诸多波折，不在此赘述（笔者注，可参考下文）。
总之，GE获得了对IGBT这一概念的法律保护，有效期直至2009年。
1981年1月，我前往加利福尼亚州，来到GE新收购的英特矽尔（Intersil）功率MOSFET生产线，洽谈IGBT制备事宜，
生产经理内森·佐默起初不愿中断功率MOSFET的生产，但我向他解释，只需增加一块掩膜版便可制备深P+区，同时阐述了抑制寄生晶闸管闩锁效应的工艺方法，
于是佐默同意，在我提供起始材料、掩膜设计和工艺流程的前提下，试产IGBT。
GE为我配备了一支团队，
迈克·阿德勒通过仿真验证了IGBT的通态特性，以及深P+区对闩锁效应的抑制效果，
彼得·格雷完成了我提出的方形元胞版图设计，以及我为600V器件设计的浮空场限环终端结构版图，
罗伯特·洛夫搭建了IGBT工艺平台，为后续器件优化做好准备，
我则通过调整N型漂移区的浓度和厚度，实现600V对称阻断能力。
从供应商处，我协调采购了起始材料（P+衬底上符合设计参数的N型漂移区），将其提供给英特矽尔，用于IGBT试产。
一切就绪，只等流片结果。
1981年8月，英特矽尔产出首批IGBT晶圆，幸运的是，芯片完全达到预期！
正向阻断电压稳定超过600V，通态特性与PIN整流器一致，在100~200 A/cm2电流密度下，通态压降仅1V，
器件可通过栅极电压脉冲实现开关控制，闩锁效应仅在远高于通态工作电流的条件下（＞1000 A/cm2）出现，为应用留足了裕量，
最大的问题是关断拖尾电流，这使得器件的开关损耗较大，
但我已提前预判这一问题，并基于对PIN整流器寿命控制研究和硅电子辐照缺陷的理解，开发了适用于MOS栅控器件的寿命控制工艺，
功率MOSFET的辐照实验显示，电子辐照会在栅氧化层产生电荷，使得阈值电压大幅负偏，
而我发现，通过140℃氮气环境退火，可消除功率MOSFET的阈值电压漂移，同时保留体区中降低寿命的缺陷，这一成果直到1982年才被GE允许公开。
1981年，这种电子辐照工艺成功应用于600V IGBT制备，器件关断时间达到0.2~17μs，适用于频率超过10kHz的应用场景，
这一关键工艺，使IGBT成为具备实际应用价值的创新技术。
同期测试表明，IGBT具备优异的高温工作特性，相关成果直至1983年年底才被GE允许公开。
在GE内部，IGBT的高温特性促使应用工程师将其用于电熨斗等产品，并开发了Triad-PAR灯。
布洛克收到经电子辐照工艺优化后的IGBT产品，将其用于空调调速电机驱动器，不久后推出5马力“智能开关”热泵调速电机驱动器。
鉴于我在IGBT发明、开发和量产中发挥的领导作用，1983年6月28日，GE授予我柯立芝研究员奖，
颁奖仪式上，GE研发中心高级副总裁罗兰·施密特表示，我们已确认，IGBT将影响近20亿美元的市场。
我赌对了。
1982年9月，我意外发现GE半导体产品部门的马文·史密斯向IEEE工业应用学会年会提交了一篇题为《绝缘栅晶体管》的论文，这不符合韦尔奇的保密指令，
这一事件导致IGBT技术不得不提前公开，
GE的应对措施是将我列为该文的第一作者，并允许我向IEDM（IEEE国际电子器件会议）提交相关论文。
1982年IEDM那篇论文是IGBT的首篇正式报道，包括600V对称阻断特性，以及带N型缓冲层的IGBT，
但我接到指令，不得展示器件在100A/cm2以上的工作特性。
配合这篇论文，GE发布了正式新闻稿，附有我的照片和说明文字，
“GE科学家宣布开发出一种新型功率半导体开关器件，名为绝缘栅整流器（insulated gate rectifier），该器件能在大电流密度下工作，所需驱动功率更低。图为器件发明者、GE高压器件经理B·贾扬·巴利加正在检查用于制备器件的光刻掩膜版。”
1983年6月20日，GE半导体产品部门基于我的前期工作，发布首款IGBT产品——功率MOS型IGT D94FQ4，R4，额定电压分别为400V、500V，额定电流18A，
1983年，GE凭此获得《Electronic Products Magazine》评选的“年度产品奖”。
首款IGBT产品推出后，我将目标转向开发高阻断电压器件和互补型器件，以拓展IGBT的应用范围。
1984年，我从GE超大规模集成电路团队招募保罗·周（Paul Chow），我们合作取得多项重要成果，包括P沟道IGBT器件、薄栅氧IGBT器件，以及IGBT的阻断电压缩放特性验证。
这一时期，我也指导薛荣昌（Hsueh-Rong Chang）成功制备了首款U-MOS IGBT样品。
发布IGBT产品后，GE研发中心向全球访客展示这项成果，包括日本富士电机、三菱、日立等公司代表团，
1984年，中川明夫报道了日本企业制造的首款IGBT，
1985年，东芝实现IGBT商业化生产，富士电机与三菱电机分别于1986年、1987年跟进。
此后，GE各部门开始从这些日本企业采购IGBT，用于自身产品。
1987年，杰克·韦尔奇决定退出半导体业务，
尽管GE为我提供了管理职位，我还是选择离开。
下一站是北卡罗来纳州立大学，我在那里创立功率半导体研究中心（PSRC）。
1990年代，PSRC成功开发首款高性能SiC SBD（肖特基二极管），以及反型/积累型沟道SiC功率MOSFET，为电力电子技术下一次跨越式发展奠定基础。
回顾三十年前这段往事，器件发明只是IGBT成为重要创新的一小步，
杰克·韦尔奇的远见与支持，我在功率MOSFET生产线基础上的改进，是实现量产的关键因素，
寄生晶闸管闩锁效应的解决、电子辐照寿命控制工艺的开发，则使IGBT能够适用于广泛的应用场景，
GE在消费、工业、照明等领域的多元产品布局，亦为推动IGBT技术的应用提供了重要推力。
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