[논문]Deep Trench Filling 기술을 적용한 600 V급 Super Junction Power MOSFET의 최적화 특성에 관한 연구

이정훈; 정은식; 강이구

doi:10.4313/jkem.2012.25.4.270

[국내논문] Deep Trench Filling 기술을 적용한 600 V급 Super Junction Power MOSFET의 최적화 특성에 관한 연구
A Study on 600 V Super Junction Power MOSFET Optimization and Characterization Using the Deep Trench Filling 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.25 no.4, 2012년, pp.270 - 275

이정훈 (극동대학교 태양광공학과) , 정은식 (메이플 세미컨턱터(주)) , 강이구 (극동대학교 태양광공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Power MOSFET(metal oxide silicon field effect transistor) operate voltage-driven devices, design to control the large power switching device for power supply, converter, motor control, etc. But on-resistance characteristics depending on the increasing breakdown voltage spikes is a problem. So 600 V planar power MOSFET compare to 1/3 low on-resistance characteristics of super junction MOSFET structure. In this paper design to 600 V planar MOSFET and super junction MOSFET, then improvement of comparative analysis breakdown voltage and resistance characteristics. As a result, super junction MOSFET improve on about 40% on-state voltage drop performance than planar MOSFET.

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문제 정의

Super junction 구조의 p/n pillar의 비저항 조건을 split하여 전하균형을 이루는 최적 조건을 통해 최적의 온-저항 특성을 찾고자 하였다.
본 논문에서는 낮은 온 저항과 높은 항복전압을 얻기 위해 600 V급 planar MOSFET과 super junction MOSFET을 설계하여 동작 특성을 비교 분석하였다.

제안 방법

본 논문에서는 고전압 power MOSFET에서 super junction MOSFET의 단위 셀의 상단부 구조가 일반적인 planar MOSFET의 게이트 구조와 거의 동일하므로 설계에 앞서 단위 cell 크기가 동일한 600 V급 planar MOSFET를 설계하고 이 구조를 기반으로 600 V급 super junction MOSFET에 초점을 맞추어 설계하여 600 V급 planar MOSFET과 super junction MOSFET의 항복전압과 온 저항 상태의 특성 향상을 비교 분석하였다.
이에 항복전압과 온-저항 특성 간의 trade-off 관계를 극복하기 위해 그림 1의 오른쪽 그림과 같은 구조의 super junction MOSFET 구조가 제시되었다. 제시한 super junction 구조는 deep trench filling 기술을 이용하여 구현한데서 비롯되었다.
기본적인 planar power MOSFET 구조에서 시뮬레이션을 통하여 목표로 한 항복전압 600 V급 이상을 갖는 구조를 최종 설계하였으며 최적 파라미터 값을 표 1에 나타내었다.
Super junction MOSFET는 단위 셀의 상단부 구조가 일반적인 planar MOSFET의 구조와 거의 동일하므로 super junction MOSFET의 설계에 앞서 super junction MOSFET와 단위 cell 크기가 동일한 600 V급 planar MOSFET를 설계하였다.
이와 같이 600 V급 planar power MOSFET를 설계하여 임계전압 (threshold voltage) 3.9 V, RDS(on) = 78.5 mΩcm2@40 A/cm2, 항복전압 654 V의 성능을 가지는 소자를 설계하였다.
600 V super junction MOSFET의 최종 설계 구조는 앞서 설계한 planar power MOSFET의 구조에 deep trench filling 기술을 적용하여 진행하였다.
공정 조건 중에서 super junction 구조의 p/n pillar의 비저항 조건을 split하여 전하균형을 이루는 최적 조건을 통해 최적화 시뮬레이션을 진행하여 p/n pillar의 비저항 (도즈량)에 따른 항복전압, 온-저항, 임계전압 (Vth)를 확인하였으며 600 V급 super junction MOSFET 설계를 위한 p/n pillar 비저항의 최적 조건을 도출하였다.
동작특성에 끼치는 영향을 평가하기 위해서 N-pillar 농도와 P-pillar 농도를 표 3과 같이 p/n pillar 비저항 변화와 BV (breakdown voltage) 및 전기적 특성 변화를 시뮬레이션하였다.

데이터처리

시뮬레이션을 통해 p/n pillar의 비저항 (도즈량)에 따른 항복전압, 온-저항, 임계전압 (Vth)를 확인하였으며 600 V급 super junction MOSFET 제작을 위한 p/n pillar 비저항의 최적 조건 결과 값과 앞서 설계했던 600 V급 planar power MOSFET의 breakdown voltage, on-state voltage drop, Vth 결과 값을 비교하였다.

성능/효과

최종적으로 설계한 600 V급 super junction MOSFET과 앞서 설계했던 600 V급 planar power MOSFET의 동작 특성을 비교한 결과 super junction MOSFET이 breakdown voltage은 약 104 V, on-state voltage drop이 약 56.25 mΩcm2, Vth는 약 0.3 V 차이의 높은 동작특성을 보이는 것을 알 수 있다.
공정 조건 중에서 super junction 구조의 p/n pillar의 비저항 조건을 split하여 전하균형을 이루는 최적 조건을 통해 최적화 시뮬레이션을 진행하여 p/n pillar의 비저항 (도즈량)에 따른 항복전압, 온-저항, 임계전압 (Vth)를 확인하였으며 600 V급 super junction MOSFET 설계를 위한 p/n pillar 비저항의 최적 조건을 도출하였다. 결과적으로 600 V급 planar MOSFET 보다 super junction MOSFET 소자로 저전력 구현이 가능하고 전압 인가 시, 보다 더 높은 동작특성을 보이는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Power MOSFET은 어디에 사용되는가?	Power MOSFET (metal oxide silicon field effect transistor) 소자는 전압 구동 방식으로 동작하는 소자이며, 큰 전력을 처리하기 위해 설계된 스위칭 디바이스로써 전원 공급 장치, 변환기, 모터 제어기 등에 널리 사용된다. 산업용 모터 구동에 사용되는 power MOSFET은 동작 상태에서 낮은 온 저항은 전력 공급의 손실은 줄여줌으로 효율을 높이고 결과적으로 저전력 구현을 가능하게 한다.
	Power MOSFET은 무슨 방식으로 동작하는가?	Power MOSFET (metal oxide silicon field effect transistor) 소자는 전압 구동 방식으로 동작하는 소자이며, 큰 전력을 처리하기 위해 설계된 스위칭 디바이스로써 전원 공급 장치, 변환기, 모터 제어기 등에 널리 사용된다. 산업용 모터 구동에 사용되는 power MOSFET은 동작 상태에서 낮은 온 저항은 전력 공급의 손실은 줄여줌으로 효율을 높이고 결과적으로 저전력 구현을 가능하게 한다.
	항복전압과 온-저항 특성 간의 trade-off 관계를 극복하기 위해 본 논문에서 제시한 power MOSFET의 구조는?	제시한 super junction 구조는 deep trench filling 기술을 이용하여 구현한데서 비롯되었다. 단위 셀의 상단부 구조는 일반적인 planar MOSFET의 구조와 거의 동일하지만 super junction의 특성을 얻기 위한 구조가 P-well 하단부의 드리프트 영역 내에 형성되어 있음을 알 수 있다.

참고문헌 (7)

E. G. Kang and M. Y. Sung, J. KIEEME, 15, 758 (2002).

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T. J. Nam, H. S. Chung, and E. G. Kang, J. KIEEME, 24, 713 (2011).

원문보기 상세보기
M. Alvino, A. Paul, Bates, and David, Electronic Principles (McGraw-Hill College, 2006) p. 551.
Gates, Earl D., Introduction to Electronics (Delmar, California, 2001) p. 314.
S. S. Kyoung, J. H. Seo, Y. H. Kim, J. S. Lee, E. G. Kang, and M. Y. Sung, J. KIEEME, 22, 12 (2009).

원문보기 상세보기
H. S. Lee, E. G. Kang, A. R. Shin, H. H. Shin, and M. Y. Sung, KIEE, 7, 1406 (2006).
W. H. Hayt Jr., Engineering Electromagnetics, (McGraw-Hill, USA, 2005) p. 230.

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