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문제 정의
- 본 논문에서는 전력용 스위칭 소자로 널리 활용되고 있는 IGBT 소자 중에서 수평 게이트 구조보다 우수한 특성을 지닌 트렌치 게이트 IGBT(TIGBT) 구조를 채택하여, 기존의 TIGBT가 갖는 구조적 한계를 극복하고 좀 더 우수한 전기적 특성을 갖는 새로운 구조의 수직형 TIGBT를 제안하였다.
- 본 연구에서는 기존 TIGBT의 전기적 특성개선을 위한 새로운 구조의 TIGBT 소자를 제안하였다. 첫번째로 제안한 구조(그림 1.
제안 방법
- 첫번째로 제안한 구조(그림 1.(a))는 기존 TIGBT보다 낮은 순방향 전압강하 특성을 얻기 위해 소자 하단의 P+ 컬렉터 부분을 산화막으로 고립시켰으며, 순방향 전압강하에 따라 트레이드 오프 관계에 있는 턴 오프 손실의 영향을 줄이기 위헤 P+컬렉터 양쪽에 산화막을 경계로 하여 N+확산 영역을 형성하였다. 다음으로 제안한 구조(그림 1.
- 따라서 본 논문에서는 일반적인 수직형 TIGBT의 시뮬레이션을 수행하여 전기적 특성에 대한 분석 및 고찰 한 후, 기존의 TIGBT가 갖는 구조적 한계를 극복하고 좀 더 우수한 전기적 특성을 갖는 새로운 구조의 수직형 TIGBT를 제안 하였으며, 공정시뮬레이터 TSUPREM-4와 디바이스 분석 시뮬레이터 MEDICI를 이용하여 제안된 소자의 전기적 특성을 분석함으로서 고안된 소자의 개선된 특성을 검증하였다.
- 그림 5 는 제안된 소자들의 순방향 전도 특성을 보여주고 있다. 순방향 전도 특성은 게이트에 15V의 입력전압을 인가하여 채널을 형성한 다음, 컬렉터 전극에 전압을 점차 증가시켜 측정하였다. 그림에서 보이는 것처럼 기존의 IGBT는 100A/cm2의 동작전류에서 2.
- 제안된 A 구조에서 순방향 전압강하의 감소에 따른 턴-오프 특성의 영향을 줄이기 위해 설계한 컬렉터 쪽의 N+ 영역의 영향을 분석 하기 위해 N+ 도핑 농도를 1E18(atoms/cm3), 1E19 (atoms/cm3), 1E20(atoms/cm3)로 점차 증가 시키며 턴-오프 시간의 변화를 살펴 보았다. 그림 13은 시뮬레이션 결과를 보여주고 있으며, N+ 영역 농도가 증가함에 따라 턴-오프 특성이 다소 개선됨을 알 수 있다.
- 그림 8. 제안된 IGBT A구조의 컬렉터 부근 N+ 너비 변화에 따른 순방향 전도 특성.
- 제안된 IGBT들 중 순방향 전압강하가 가장 낮게 나타난 A구조의 특성을 좀 더 세밀히 분석하기 위해 P+ 컬렉터 영역의 너비와 N+ 영역의 너비, 그리고 농도 마지막으로 N+영역을 격리시킨 산화막의 두께의 변화에 따른 순방향 전압강하 특성을 분석하였다. 그림 7,8,9 는 각각의 변화에 따른 순방향 전도 특성 그래프를 보여주고 있다.
- 첫 번째로 제안한 IGBT 소자는 P+컬렉터를 산화막 으로 고립시킴으로서 N-드리프트 층으로의 정공 주입효율을 극대화하여 기존 구조보다 더 낮은 순방향 전압강하를 얻도록 설계된 구조이다. 두 번째 제안한 구조는 양 게이트 사이의 P-베이스 구조를 볼록하게 형성함으로서 게이트 쪽으로 집중되는 전계의 일부를 접합부 쪽으로 유도하여 기존 구조보다 더 높은 항복전압을 얻을 수 있다.
- 그림 10은 기존 TIGBT와 제안된 IGBT소자들의 턴-오프 특성을 보여주고 있다. 턴-오프 특성 분석을 위해 MEDICI 디바이스 시뮬레이션에서 전자와 정공의 수명시간을 1㎲로 고정시키고 시뮬레이션을 수행하였다. 제안된 IGBT A 구조를 제외한 IGBT B와 IGBT C는 기존 TIGBT 보다 우수한 턴 오프 특성을 보였다.
성능/효과
- 첫 번째로 제안한 IGBT 소자는 P+컬렉터를 산화막 으로 고립시킴으로서 N-드리프트 층으로의 정공 주입효율을 극대화하여 기존 구조보다 더 낮은 순방향 전압강하를 얻도록 설계된 구조이다. 두 번째 제안한 구조는 양 게이트 사이의 P-베이스 구조를 볼록하게 형성함으로서 게이트 쪽으로 집중되는 전계의 일부를 접합부 쪽으로 유도하여 기존 구조보다 더 높은 항복전압을 얻을 수 있다. 또한 P-베이스의 볼록한 구조가 턴-오프 시 정공의 흐름을 개선시켜 기존 구조보다 더 빠른 턴-오프 시간을 갖게 된다.
- 1V의 순방향 전압강하 특성을 나타냈으며, 두 번째 구조는 기존의 IGBT 보다 70V정도 높아진 항복전압 특성을 보였다. 또한 두 번째 구조에서 기존 구조와 비교해볼 때 9ns 정도 빠른 턴-오프 시간을 보였다.
- 마지막으로, 첫 번째 제안한 구조에서의 낮은 순방향 전압강하의 장점과 두 번째 제안한 소자의 높은 항복특성과 빠른 턴-오프 특성의 장점을 모두 갖도록두 구조를 결합(그림 1.(c))하였으며, 기존 TIGBT보다 우수한 순방향 전압강하와 더 빠른 턴-오프특성, 그리고 더 낮은 순방향 전압 특성을 갖고 있음을 확인하였다. 제안한 소자의 성능 검증을 위하여 T-SUPREM4 공정 시뮬레이션과 MEDICI 디바이스 분석 시뮬레이션 툴을 이용하였으며, 그 결과 순방향 전압강하, 항복전압, 턴-오프 시간, 모두 기존 TIGBT보다 우수한 특성을 확인 할 수 있었다.
- 제안된 A 구조의 항복전압이 다소 낮아지는 것은 다음 두 가지 기도로서 설명할 수 있다. 산화막이 실리콘보다 열전도율이 상대적으로 작기 때문에 (Si:1.32W/cm․K , SiO2: 0.0032W/cm․K) 제안된 A구조 내의 N+영역과 컬렉터 전극 사이에 형성되어 있는 산화막의 영향으로 소자로부터 발생되는 열의 방출이 기존의 TIGBT보다 상대적으로 적어지게 된다. 소자 내부 열의 증가는 식(1)에서와 같이, 실리콘 내부의 EHP(Electron-Hole Pair) 생성율을 증가시키게 된다.
- 또한 P-베이스의 볼록한 구조가 턴-오프 시 정공의 흐름을 개선시켜 기존 구조보다 더 빠른 턴-오프 시간을 갖게 된다. 시뮬레이션 결과 첫 번째 구조의 특징은 2.4V의 순방향 전압강하 특성을 갖는 기존의 IGBT 구조보다 상당히 낮은 2.1V의 순방향 전압강하 특성을 나타냈으며, 두 번째 구조는 기존의 IGBT 보다 70V정도 높아진 항복전압 특성을 보였다. 또한 두 번째 구조에서 기존 구조와 비교해볼 때 9ns 정도 빠른 턴-오프 시간을 보였다.
- 그림 2는 제안된 IGBT소자들의 항복 특성을 보여주고 있다. 앞서 설명한 것처럼 제안된 IGBT B구조가 대략 1220V 정도로 가장 우수한 항복특성을 보이고 있다. 제안된 IGBT A구조와 IGBT B구조를 결합한 IGBT C 구조도 기존 TIGBT보다 좀 더 우수한 항복 특성을 갖는 것이 확인되었다.
- 턴-오프 특성 분석을 위해 MEDICI 디바이스 시뮬레이션에서 전자와 정공의 수명시간을 1㎲로 고정시키고 시뮬레이션을 수행하였다. 제안된 IGBT A 구조를 제외한 IGBT B와 IGBT C는 기존 TIGBT 보다 우수한 턴 오프 특성을 보였다.
- 앞서 설명한 것처럼 제안된 IGBT B구조가 대략 1220V 정도로 가장 우수한 항복특성을 보이고 있다. 제안된 IGBT A구조와 IGBT B구조를 결합한 IGBT C 구조도 기존 TIGBT보다 좀 더 우수한 항복 특성을 갖는 것이 확인되었다.
- 제안된 IGBT B구조는 P-베이스 중앙을 볼록하게 하여 기존 IGBT의 게이트 모서리 쪽에 집중되는 전계의 일부를 베이스 중앙의 접합부(볼복한 부분 : 그림 1(c)내에 A 표기) 쪽으로 유도하여 전계를 효율적으로 분배시키기 위한 구조로서 기본 구조의 IGBT보다 더 높은 항복특성을 갖을 수 있다. 그림 4는 시뮬레이션을 통해 얻은 항복전압부근에서의 전계 벡터를 보여 준다.
- 제안된 IGBT B구조의 턴-오프 특성이 기존 IGBT 에 비하여 좋아진 이유는 B구조의 볼록한 P-베이스 영역의 구조와 관련이 있다. 턴-온 상태에서 P-베이스와 N-드리프트 층 사이의 얇은 공핍층이 턴-오프 과정에서 다시 컬렉터 단에 인가된 바이어스만큼 확장 될 때, 게이트 쪽에 전계가 집중되어 드리프트 층에 있던 정공들이 게이트 채널쪽으로만 통과하는데 비하여 제안된 IGBT B구조는 볼록한 P-베이스구조 때문에 전계의 집중이 게이트와 P-베이스의 볼록한 부분(그림 12)내 A 표기)쪽으로 분산되어 정공이 이미터로 좀더 효과적으로 빠질 수 있도록 한다.
- 4V의 포화전압(Vce,sat)을 갖는다. 제안된 소자들의 경우, 예상처럼 A구조가 2.1V의 가장 작은 순방향 전압강하 특성을 보였고, B구조가 2.8V의 다소 큰 순방향 전압강하 특성을 보였다. 한편 A와 B구조가 결합된 C구조의 제안된 소자는 낮은 순방향 전압강하 특성을 갖는 A구조의 적용으로 기존 IGBT 보다 우수한 2.
- (c))하였으며, 기존 TIGBT보다 우수한 순방향 전압강하와 더 빠른 턴-오프특성, 그리고 더 낮은 순방향 전압 특성을 갖고 있음을 확인하였다. 제안한 소자의 성능 검증을 위하여 T-SUPREM4 공정 시뮬레이션과 MEDICI 디바이스 분석 시뮬레이션 툴을 이용하였으며, 그 결과 순방향 전압강하, 항복전압, 턴-오프 시간, 모두 기존 TIGBT보다 우수한 특성을 확인 할 수 있었다.
- 최종적으로 제안된 새로운 구조의 TIGBT는 위 두 구조가 갖는 우수한 전기적 특성을 모두 갖도록 결합한 것이며, 시뮬레이션 결과 기본의 TIGBT 소자보다 순방향 전압강하, 항복특성, 그리고 턴 오프 특성이 모두 우수한 결과를 나타냈다.
- 8V의 다소 큰 순방향 전압강하 특성을 보였다. 한편 A와 B구조가 결합된 C구조의 제안된 소자는 낮은 순방향 전압강하 특성을 갖는 A구조의 적용으로 기존 IGBT 보다 우수한 2.25V의 낮은 순방향 전압강하 특성을 나타냈다.
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