[논문]Mixed-mode 시뮬레이션을 이용한 SiC DMOSFETs의 스위칭 특성 분석

강민석; 최창용; 방욱; 김상철; 김남균; 구상모

doi:10.4313/jkem.2009.22.9.737

Mixed-mode 시뮬레이션을 이용한 SiC DMOSFETs의 스위칭 특성 분석
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강민석 (광운대학교 전자재료공학과) , 최창용 (광운대학교 전자재료공학과) , 방욱 (한국전기연구원 에너지반도체연구센터) , 김상철 (한국전기연구원 에너지반도체연구센터) , 김남균 (한국전기연구원 에너지반도체연구센터) , 구상모 (광운대학교 전자재료공학과)

SiC power device possesses attractive features, such as high breakdown voltage, high-speed switching capability, and high temperature operation. In general, device design has a significant effect on the switching characteristics, In this paper, we demonstrated that the switching performance of DMOSFETs are dependent on the with Channel length ($L_{channel}$) and Current Spreading Layer thickness ($T_{CSL}$) by using 2-D Mixed-mode simulations. The 4H-SiC DMOSFETs with a JFET region designed to block 800 V were optimized for minimum loss by adjusting the parameters of the JFET region, CSL, and epilayer. It is found that improvement of switching speed in 4H-SiC DMOSFETs is essential to reduce the gate-source capacitance and channel resistance. Therefore, accurate modeling of the operating conditions are essential for the optimizatin of superior switching performance.

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문제 정의

본 연구에서는 4H-SiC DMOSFET 소자를 포함하는 스위칭 회로를 시뮬레이션하여 소자의 구조예 따른 transient 특성을 분석해보았다.

제안 방법

4H-SiC DMOSFET 소자를 포함하는 회로를 Mixed-mode를 사용하여 시뮬레이션을 통해 스위칭 특성을 확인하였다. 시뮬레이션을 수행하여 스위칭 특성을 echannel 와 ZcSL 변수로서 tUm~OnA] transient 특성을 조사하였다, _乙站屜가 1.
Echannel와 HSC tig과의 관계를 해석하기 위하여 Gate와 Source사이의 캐패시턴스와 온-저항을 계산하였다. 즉, 다음과 같이
Mixed-mode는 SPICE 넷리스트에 맞는 회로 서술에 따라 소자를 배치하고, Atlas 2D 모듈을 조합하여 물리적으로 설계된 소자의 회로 특성을 분석할 수 있는 시뮬레이터이다. 소자가 Off에서 On으로 동작할 때의 turn-on 특성을 분석하기 위하여, Vgs에 펄스를 인가하였다. 소자의 구조 중에서 Channel length (乙:hannei)와 CSL thickness(TCSL) 두 가지 변수에대 한 tum-on 시간을 기준으로 스위 칭 특성 의 변화를 분석하였다.
소자가 Off에서 On으로 동작할 때의 turn-on 특성을 분석하기 위하여, Vgs에 펄스를 인가하였다. 소자의 구조 중에서 Channel length (乙:hannei)와 CSL thickness(TCSL) 두 가지 변수에대 한 tum-on 시간을 기준으로 스위 칭 특성 의 변화를 분석하였다.
그리고 JFET 영역은 전력용 소자의 전체 온- 저항을 감소시키는 역할을 한다. 소자의 최적화를 위하여 2차원 수치해석 기반 소자 시뮬레이터를 이용하여 n~drift layer, CSL, JFET 영역의 두께와 도핑농도를 조절하여 시뮬레이션 하였다. 완성된 SiC DMOSFET의 정적인 특성을 분석하였다.
소자의 최적화를 위하여 2차원 수치해석 기반 소자 시뮬레이터를 이용하여 n~drift layer, CSL, JFET 영역의 두께와 도핑농도를 조절하여 시뮬레이션 하였다. 완성된 SiC DMOSFET의 정적인 특성을 분석하였다. 그림 2와 같이 소자의 항복전압은 800 V 이다.

이론/모형

그림 3과 같이 resistive load 회로를 구성하고, 스위칭 특성 시뮬레이션을 수행하기 위해서 소자를 포함하는 회로 시뮬레이터인 Silvaco 사의 Mixed-Mode 모듈을 사용하였다. Mixed-mode는 SPICE 넷리스트에 맞는 회로 서술에 따라 소자를 배치하고, Atlas 2D 모듈을 조합하여 물리적으로 설계된 소자의 회로 특성을 분석할 수 있는 시뮬레이터이다.

성능/효과

3 um 로 두꺼워질 때 소자의 온-저항이 57% 로 감소하는 것을 볼 수 있다. 따라서 CSL의 존재함에 따라소자의 온-저항을 감소시켜, On-state voltage drop을 낮추는 것을 알 수 있었다.
본 연구를 통하여 4H-SiC DMOSFET의 Drift 영역, CSL, JFET 영역, 채널 길이 등 소자의 구조를 변화시켜 스위칭 지연 시간으로 인한 손실을 최소화 할 수 있다고 판단된다.
5 pm 로 감소하였을 때 스위칭 속도는 10 ns 향상하였다. 소자의 정적인 특성을 2D 시뮬레이터을사용하여 확인하였는데, Lchannel 가 짧아짐에 따라 Gate와 Source사이의 캐패시턴스와 채널 저항에의하여 T 는 감소하였다. 따라서 Channel 변화는 온처 항과 캐패시턴스에 영향을 미치며, 소자의 스위칭 속도를 변화시킨다.
" data-ocr-fix="">수 있었다. 소자의 정적인 특성을 2D 시뮬레이터을사용하여 확인하였는데, tcsl가 0 um 에서 0.3 um 로 두꺼워질 때 소자의 온-저항이 57% 로 감소하는 것을 볼 수 있다. 따라서 CSL의 존재함에 따라소자의 온-저항을 감소시켜, On-state voltage drop을 낮추는 것을 알 수 있었다.
특성을 확인하였다. 시뮬레이션을 수행하여 스위칭 특성을 echannel 와 ZcSL 변수로서 tUm~OnA] transient 특성을 조사하였다, _乙站屜가 1.5 pm에서 0.5 pm 로 감소하였을 때 스위칭 속도는 10 ns 향상하였다. 소자의 정적인 특성을 2D 시뮬레이터을사용하여 확인하였는데, Lchannel 가 짧아짐에 따라 Gate와 Source사이의 캐패시턴스와 채널 저항에의하여 T 는 감소하였다.

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