[논문]고내압 SiC-IGBT 소자 소형화에 관한 연구

김성수; 구상모

doi:10.4313/jkem.2013.26.11.785

[국내논문] 고내압 SiC-IGBT 소자 소형화에 관한 연구
A Study on High Voltage SiC-IGBT Device Miniaturization 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.26 no.11, 2013년, pp.785 - 789

김성수 (광운대학교 전자재료공학과) , 구상모 (광운대학교 전자재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Silicon Carbide (SiC) is the material with the wide band-gap (3.26 eV), high critical electric field (~2.3 MV/cm), and high bulk electron mobility (~900 $cm^2/Vs$). These electronic properties allow attractive features, such as high breakdown voltage, high-speed switching capability, and high temperature operation compared to Si devices. In general, device design has a significant effect on the switching and electrical characteristics. It is known that in this paper, we demonstrated that the switching performance and breakdown voltage of IGBT is dependent with doping concentration of p-base region and drift layer by using 2-D simulations. As a result, electrical characteristics of SiC-IGBT deivce is higher breakdown voltage ($V_B$= 1,600 V), lower on-resistance ($R_{on}$= 0.43 $m{\Omega}{\cdot}cm^2$) than Si-IGBT. Also, we determined that processing time and cost is reduced by the depth of n-drift region of IGBT was reduced.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 Si-IGBT와 SiC-IGBT를 설계하여 두 소자의 전기적 특성을 비교 분석하였다.

제안 방법

IGBT 소자 제작 시, Si과 SiC를 이용하였을 때의 전기적 특성을 비교하였다. IGBT 소자의 전기적 큰 영향을 미치는 요소인 n-drift 영역의 도핑농도는 2×10¹⁵ cm^-3으로 하였으며, p-base 영역의 도핑농도는 3×10¹⁷ cm^-3으로 하여 시뮬레이션을 진행하였다.
IGBT 소자의 전기적 큰 영향을 미치는 요소인 n-drift 영역의 도핑농도는 2×1015 cm-3으로 하였으며, p-base 영역의 도핑농도는 3×1017 cm-3으로 하여 시뮬레이션을 진행하였다.
그 후, SiC-IGBT 소자의 항복 전압을 Si-IGBT 소자의 항복 전압과 비슷한 값으로 맞추면서 소자의 소형화를 시키기 위해 SiC-IGBT 소자내의 n-drift 영역의 두께를 28 μm로 축소하여 시뮬레이션을 진행하였다.
본 연구에서는 1,600 V급 SiC-IGBT 소자를 설계하여 Si-IGBT 소자와 동작 특성을 비교 분석하였다. 1,400 V급 Si-IGBT 소자의 파라메터와 동일한 구조의 SiC-IGBT의 항복전압이 약 9,600 V임을 확인하였다.
본 연구에서는 4H-SiC IGBT 구조를 설계하기 위해 2차원 전산모사 (Atlas Inc., Silvaco tool)를 사용하여 그림 1의 구조로 IGBT를 설계하였다. p형 콜렉터 (1×10¹⁹cm^-3) 영역 위에 상대적으로 낮은 도핑 농도를 갖는 n-drift (2×10¹⁵cm^-3)은 두께 88 μm로 형성하여, 항복 전압 (V_B) 강하를 막았다.
)이 약 7배 정도 크다. 이때, SiC-IGBT 소자 내의 n-drift 두께를 줄여 항복 전압 (V_B)은 Si-IGBT 소자의 항복 전압 (V_B)과 비슷한 값을 얻으며, SiC-IGBT 소자의 소형화하기 위하여 시뮬레이션을 진행하였다.

성능/효과

본 연구에서는 1,600 V급 SiC-IGBT 소자를 설계하여 Si-IGBT 소자와 동작 특성을 비교 분석하였다. 1,400 V급 Si-IGBT 소자의 파라메터와 동일한 구조의 SiC-IGBT의 항복전압이 약 9,600 V임을 확인하였다. 또한, SiC-IGBT 소자 내의 n-drift 두께를 줄여 시뮬레이션을 진행하였을 때, 항복전압 (V_B= 1,600 V), 문턱 전압 (V_th= 6.
)은 약 9,600 V이었다. Si-IGBT와 SiC-IGBT 소자의 항복 전압을 비교해본 결과, SiC-IGBT 소자의 항복 전압이 약 7배 정도 증가한 것을 확인하였다. 물리적 성질 중 임계전압 (E_C)을 비교해보면 Si의 경우 0.
SiC-IGBT 소자의 항복 전압이 약 1,600 V일 때의 n-drift 두께는 약 28 μm로 진행하였다. SiC-IGBT 소자의 총 depth가 약 1/3로 축소되어도 Si-IGBT 소자의 항복전압인 1,400 V보다 큰 것을 확인하였다.
또한, SiC-IGBT 소자 내의 n-drift 두께를 줄여 시뮬레이션을 진행하였을 때, 항복전압 (VB= 1,600 V), 문턱 전압 (Vth= 6.4 V), 온-저항 (0.42 mΩ·cm2)을 확인하였다.
본 실험의 결과로 SiC-IGBT 소자의 문턱전압은 6.4 V, Si-IGBT 소자는 4 V (그림 6)로 측정되었다. 소자의 문턱전압을 낮추기 위해서는 p-base 영역의 doping concentration을 낮게 하거나, 게이트 산화막 두께를 얇게 제작하는 방법이 있다.
2×10⁶ V/cm 일 때, SiC-IGBT 소자는 항복 특성을 보이지 않는다. 이를 통하여, SiC-IGBT 소자의 n-driftdepth를 줄여도 Si-IGBT 소자의 항복전압보다 큰 것을 확인하였다. 채널이 형성되기 위해서는 p-base 영역에서 inversion이 형성되어야 한다.

후속연구

42 mΩ·cm²)을 확인하였다. SiC을 이용하여 IGBT 소자를 제작할 경우 Si-IGBT 소자에 대비하여 높은 항복전압을 가질 수 있으며, 소형화가 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력 반도체 소자는 어디에 사용되는가?	전력 반도체 소자는 전압 구동 방식으로 동작하는 소자이며, 응용 분야로서 전원 공급 장치, 변환기, 모터 제어기, 국방, 우주항공 등에 널리 사용된다. 최근 전력 반도체 소자의 소재로 기존의 실리콘 (Si) 보다 넓은 에너지 갭을 가진 반도체인 실리콘 카바이드 (SiC), 질화 갈륨 (GaN) 등 화합물 반도체를 이용하려는 노력이 활발히 이루어지고 있다.
	기존의 실리콘 (Si) 보다 넓은 에너지 갭을 가진 반도체에는 어떤 것들이 있는가?	전력 반도체 소자는 전압 구동 방식으로 동작하는 소자이며, 응용 분야로서 전원 공급 장치, 변환기, 모터 제어기, 국방, 우주항공 등에 널리 사용된다. 최근 전력 반도체 소자의 소재로 기존의 실리콘 (Si) 보다 넓은 에너지 갭을 가진 반도체인 실리콘 카바이드 (SiC), 질화 갈륨 (GaN) 등 화합물 반도체를 이용하려는 노력이 활발히 이루어지고 있다. 그 중 실리콘 카바이드는 고에너지 갭 반도체 재료 (SiC, AlN, GaN, ZnSe, diamond 등) 중에서도 4족 원소 중 원자번호가 작은 Si과 C가 강한 공유결합을 이루고 있는 화합물이다.
	실리콘 카바이드의 장점은?	그 중 실리콘 카바이드는 고에너지 갭 반도체 재료 (SiC, AlN, GaN, ZnSe, diamond 등) 중에서도 4족 원소 중 원자번호가 작은 Si과 C가 강한 공유결합을 이루고 있는 화합물이다. 따라서 SiC 는 가벼우면서도 우수한 기계적 성질, 열적 안정성, 내산화성 및 부식저항성 등을 가지고 있다. 실리콘에 비해 약 10배 높은 전계강도 (∼2.

참고문헌 (4)

B. J. Baliga, Silicon Carbide Power Devices (World Scientific, USA, 2005)
S. H. Ryu, L. Cheng, S. Dhar, C. Capell, C. Jonas, J. Clayton, M. Donofrio, M. O'Loughlin, A. Burk, A. Agarwal, and J. Palmour, Materials Science Forum, 717, 1135 (2012).
X. Wang and J. A. Cooper, IEEE Tran. Elec. Dev., 57, 511 (2010).

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F. Zhang, L. Shi, L. Zhang, C. Li, W. Wangm, W. Yu, and X. Sun, Solid-State Electronics, 50, 813 (2006).

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