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문제 정의
- 하지만 트랜치 IGBT에 있어서 항복전압은 트랜치 게이트 하단에 집중되는 전계에 큰 영향을 받는다. 본 논문에서는 이러한 트랜치 게이트에 집 중되는 전계를 분산시킬 수 있도록 에미터 전극을 트랜치로 형성시켜 향상된 순방향 항복전압과 온- 상태 전압을 2D 소자 시뮬레이터인 MEDICI를 이용하여 그 타당성을 검증하였다.
제안 방법
- c『3으로 일정하게 하고 두께를 변화시켜가 면서 시뮬레이션을 수행하여 각각의 항복전압과 온-상태 전압을 구해 보았으며, 게이트 전압에 따른 출력특성도 살펴보았다. 또한 높은 항복전압과 낮은 온-상태전압을 갖는 최적의 N-drift층의 두께 를 기준으로 하여 일반적인 구조와 제안된 구조 3 가지의 항복전압, 온-상태 전압, 턴-오프 특성을 시뮬레이션 하였다.
- 그림 8에 턴-오프 특성곡선을 나타내었다. 소수 캐리어의 수명은 1 俊로 하였으며 콜렉터 단자에 저항성 부하를 달아서 소자 모두 100 A/cm2s] 전 류가 흐르게 한 다음 게이트를 오프 시킨 상태에서 콜렉터 전류의 흐름을 비교하였다. 게이트에 입 력신호로 진입시간 3x1(/ sec, 진폭 15 V의 구형 파를 인가시켰을 때 일반적인 구조의 경우 턴-오 프 시간(턴-오프 지연시간)+Tf(턴-오프 하강시간)]이 52 ns, 제안구조1은 52 ns, 제안구조2는 53 ns 그리고 제안구조3은 60 ns 였다.
- 트랜치 구조를 사용하면 온 저항의 대부분을 차지하는 JFET 영역의 저항을 상당히 감소시킬 수가 있다[3]. 우선 일반적인 IGBT 구조에 있어서 원하는 항 복전압에 최적화시키기 위하여 N-drift층의 두께와 도핑농도에 따른 시뮬레이션을 수행하였다. N- drift 층의 두께 (d) 는 대략 최대 동작 전압 (Vmax) 에 서의 공핍층 너비와 소수캐리어 확산거리(Lp)의 합 으로 정할 수 있다.
- N-drift 영역의 두께가 150 ㎛ 이상인 경우 항복전 압의 증가추세가 둔화되어 높은 항복전압과 낮은 온-상태 전압을 얻기 위한 최적점으로 N-drift 층 의 두께가 150 ㎛인 구조를 선택하였다. 이러한 최적의 N-drift 영역의 두께로 제안한 IGBT 구조를 시뮬레이션하여 특성을 비교하여 보았다. 그림 4는 N-drift층의 두께가 150 ㎛인 일반적인 IGBT 구조 의 게이트 전압에 따른 출력특성 곡선을 나타낸다.
- 일반적인 구조에서의 N-drift 층의 도핑농도는 lxlO14 c『3으로 일정하게 하고 두께를 변화시켜가 면서 시뮬레이션을 수행하여 각각의 항복전압과 온-상태 전압을 구해 보았으며, 게이트 전압에 따른 출력특성도 살펴보았다. 또한 높은 항복전압과 낮은 온-상태전압을 갖는 최적의 N-drift층의 두께 를 기준으로 하여 일반적인 구조와 제안된 구조 3 가지의 항복전압, 온-상태 전압, 턴-오프 특성을 시뮬레이션 하였다.
- 그러므로 IGBT 에서 좋은 특성을 나타내려면 JFET과 채널 저항을 낮추는 설계가 중요한 요소 이다. 채널에서의 전압강하는 채널 길이, 게이트 산화막 두께에 비례하고 채널 너비, 전자이동도 그리고 게이트 바이어스에 반비례한다. 채널 너비는 각각의 단위 셀의 크기를 줄여 회로 직접도를 높 임으로써 크게 할 수 있으나 이렇게 되면 JFET 저항이 크게.
- 표 2에 시뮬레이션을 위한 설계파라미터를 정리 하여 놓았으며, 트랜치의 깊이는 4 ㎛, N-drift층의 두께는 150 fim, 게이트 산화막의 두께는 0.1 /zm 등으로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
- 표 2와 같은 조건하에서 일반적인 IGBT 구조와 제안한 IGBT구조의 항복전압을 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 5에서 나타낸 것처럼 기존구조의 순방향 항복전압은 1036 V, 제안된 구조의 순방향 항복전압은 각각 BVpi=1128 V, BVP2=1194 V, BVp3=1230 ''/이다.
- 항복발생시 트랜치 게이트 하단에 인가되는 전 계의 서)기를 알아보기 위하여 전계분포를 그림 6 과 같이 3D로 알아보았다. 일반적인 구조에서는 그림 6(a)와 같이 게이트 하단에 강한 전계가 인가 되어 항복전압에 영향을 미치는 것으로 나타났으 며 그림 6(b), (c), ⑹와 같이 제안한 구조에서는 게이트 하단에 미치는 전계의 세기가 트랜치 에미 터 구조로 분산되어 점점 약해지는 것을 시뮬레이션 결과를 통하여 알 수 있었다.
성능/효과
- 항복발생시 트랜치 게이트 하단에 인가되는 전 계의 서)기를 알아보기 위하여 전계분포를 그림 6 과 같이 3D로 알아보았다. 일반적인 구조에서는 그림 6(a)와 같이 게이트 하단에 강한 전계가 인가 되어 항복전압에 영향을 미치는 것으로 나타났으 며 그림 6(b), (c), ⑹와 같이 제안한 구조에서는 게이트 하단에 미치는 전계의 세기가 트랜치 에미 터 구조로 분산되어 점점 약해지는 것을 시뮬레이션 결과를 통하여 알 수 있었다.
- 약 19 % 정도 항복전압이 향상되었는데 그림 6에서 보는 바와 같이 이는 트랜치 하단의 양쪽 끝부분에 걸리는 전계가 에미터 트랜치 전극 으로 분산되어 항복전압이 증가한 것으로 사료된다. 또한 게이트 트랜치 전극과 에미터 트랜치 전 극이 가까울수록 항복전압이 더 높아짐을 알 수 있었고 N* 에미터의 폭도 줄어들어 래치업 발생이 늦게 일어난다. 에미터 트랜치 전극으로 인해 P-base층이 플로팅되는 것을 막기 위하여 에미터 트랜치 전극을 그림 1(b), (c)와 같이 형성하여 N* 에미터 아래의 정공 경로를 줄여 온 저항을 낮추 었기 때문으로 생각된다.
- 이와 같은 결과로 제안한 구조에서 소비전력을 크게 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다. 래치업 전류는 일반적인 트랜치 구조 IGBT의 경우 IiatchuP=2168 A/cm2, 제안한 구조 는 각각 Iiatchup, pi=2229 A/cm2, Iiatchup, p2=2420 A/cm2 그리고 Iiatchup, p3=2518 A/ci『으로 일반적인 트랜치 구조 IGBT에 비하여 제안구조3에서 최대 16 %정도 증가함을 알 수 있었다.
- 본 논문의 결과와 같이 트랜치 구조에 있어서 항복전압은 펀치스루가 일어나지 않도록 N 드리프 층의 폭을 충분히 길게 해주면 트랜치 하단의 전 계로 인하여 순방향 항복전압이 결정된다. 항복전 압을 증가시키기 위하여 전계를 분산시킬 수 있는 에미터 트랜치 전극 구조를 제안하여 일반적인 트 랜치 IGBT 구조에 비하여 항복전압은 1230 V로 19 %정도 증가, 온-상태 전압은 1.
- 일반적인 트랜치 구조 IGBT보다 제안구조3에서 25 % 정도의 온-상태 전압이 낮아짐을 알 수 있다. 온-상태 전압강하도 일반적인 트랜치 구조 IGBT보다 제안한 구조에서 더 작아짐을 알 수 있었다. 이와 같은 결과로 제안한 구조에서 소비전력을 크게 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 그림 5에서 나타낸 것처럼 기존구조의 순방향 항복전압은 1036 V, 제안된 구조의 순방향 항복전압은 각각 BVpi=1128 V, BVP2=1194 V, BVp3=1230 ''/이다. 제안구조3의 경우 일반적인 트 랜치 구조 IGBT 보다 194 V의 항복전압 향상이 있었다. 약 19 % 정도 항복전압이 향상되었는데 그림 6에서 보는 바와 같이 이는 트랜치 하단의 양쪽 끝부분에 걸리는 전계가 에미터 트랜치 전극 으로 분산되어 항복전압이 증가한 것으로 사료된다.
- 본 논문의 결과와 같이 트랜치 구조에 있어서 항복전압은 펀치스루가 일어나지 않도록 N 드리프 층의 폭을 충분히 길게 해주면 트랜치 하단의 전 계로 인하여 순방향 항복전압이 결정된다. 항복전 압을 증가시키기 위하여 전계를 분산시킬 수 있는 에미터 트랜치 전극 구조를 제안하여 일반적인 트 랜치 IGBT 구조에 비하여 항복전압은 1230 V로 19 %정도 증가, 온-상태 전압은 1.5 V로 25 %정도 감소, 턴-오프 시간은 큰 변화가 없었다. 향후 트랜치 깊이와 너비에 따른 정량적인 시뮬레이션 이 더 필요할 것으로 생각되며 트랜치 게이트 하 단의 모양을 변경하여 전계의 분포가 집중되지 않 도록 한다면 IGBT의 특성을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 5 V로 25 %정도 감소, 턴-오프 시간은 큰 변화가 없었다. 향후 트랜치 깊이와 너비에 따른 정량적인 시뮬레이션 이 더 필요할 것으로 생각되며 트랜치 게이트 하 단의 모양을 변경하여 전계의 분포가 집중되지 않 도록 한다면 IGBT의 특성을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
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