[논문]대용량 전력변환용 초접합 IGBT 개발에 관한 연구

정헌석; 강이구

doi:10.4313/jkem.2015.28.8.496

[국내논문] 대용량 전력변환용 초접합 IGBT 개발에 관한 연구
The Develop of Super Junction IGBT for Using Super High Voltage 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.28 no.8, 2015년, pp.496 - 500

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This paper was proposed the theoretical research and optimal design 3000V super junction NPT IGBT for using electrical automotive and power conversion. Because super junction IGBT was showed ultra low on resistance, it was structure that can improve the thermal characteristics of conventional NPT IGBT. The electrical characteristics of super junction NPT IGBT were 2.52 V of on state voltage drop, 4.33 V of threshold voltage and 2,846 V breakdown voltage. We did not obtaing 3,000 V breakdown voltage but we will obtain 3,000 V breakdown voltage through improving p pillar layer. If we are carried this research, This device will be used electrical automotive, power conversiton and high speed train.

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문제 정의

본 논문에서는 대용량 전력산업에 스위치로 사용되는 3,000 V급 초접합 NPT IGBT 소자를 제안하였으며, 소자 및 공정 시뮬레이터를 이용하여 최적의 설계 방안을 제시하였다. 초접합 구조는 일반적인 구조에 비해 현저히 낮은 온 저항을 갖기 때문에 대용량에서 발생할 수 있는 낮은 열 특성을 충분히 보완할 수 있는 구조이다.

제안 방법

본 논문에서는 초고압(3,000 V 이상)을 유지하면서 온 상태 전압강하를 낮출 수 있으며, 열적 특성이 우수한 대용량 초접합(super junction, SJ) IGBT 구조를 제안하였으며, 소자 및 공정 시뮬레이터를 이용하여 전기적인 특성을 분석하였다.
이 때 면적이 같게하는 초접합 IGBT의 드리프트 길이는 일반 NPT IGBT 드리프트 길이보다 그림 2에 나타낸 것과 같이 P pillar 깊이만큼 짧게 설계할 수 있고, 결과적으로 N-드리프트 저항을 작게 설계하여 온 상태 전압 강하 특성을 개선할 수 있고 이에 따라 열 특성 또한 개선할 수 있다. 따라서 최적화된 플래너 게이트 NPT-IGBT의 온 상태 전압강하 특성과 열 특성을 개선하기 위해 초접합 구조를 적용한 초접합 IGBT을 설계하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 그 전기적인 특성을 분석하였다.
기존의 NPT-IGBT의 구조에서 온 상태 전압강하는 더 이상 개선될 수 없지만 동일한 항복전압대비 온 상태 저항을 획기적으로 개선할 수 있는 초접합 구조를 이용함으로써 항복전압의 강하 없이 온 상태 저항을 감소시킬 수 있다. 초접합 MOSFET과 달리 N-drift 층의 길이가 매우 긴 NPT-IGBT에 초접합을 적용하기 위해 N-드리프트 영역 중 상단 약 60 ㎛ 깊이로 P-pillar를 형성하여 초접합 NPT IGBT구조를 설계하였다.
그리고 표 1에서는 해당 구조의 설계 파라미터를 나타내고 있다. 초접합을 적용하기 위해 NPT IGBT의 N-드리프트 영역 상단 중 P-pillar영역을 60 ㎛만큼 에칭한 뒤 P-pillar를 에피텍셜 성장시키고, 다시 8㎛ 두께를 CMP 공정으로 제거한 뒤 게이트와 P-베이스 및 N+이미터 기존 공정 과정을 통해 52 ㎛ 깊이의 N pillar와 P pillar를 형성하여 시뮬레이션을 진행하였다.
이 때 동일한 항복전압을 갖는 SJ NPT IGBT를 설계하기 위해서는 그림 2의 NPT IGBT와 SJ NPT IGBT의 전계의 드리프트 길이에 대한 적분값이 같아야 하며, 해당 공핍층의 크기는 343 ㎛이며, 여유 길이 27㎛를 고려하여 N-드리프트 길이 설계 조건은 370 ㎛로 시뮬레이션을 진행하였다. 이러한 조건으로 설계하여 시뮬레이션을 진행한 결과 항복전압은 2,777 V로 온 상태 전압 강하는 2.

성능/효과

이 때 면적이 같게하는 초접합 IGBT의 드리프트 길이는 일반 NPT IGBT 드리프트 길이보다 그림 2에 나타낸 것과 같이 P pillar 깊이만큼 짧게 설계할 수 있고, 결과적으로 N-드리프트 저항을 작게 설계하여 온 상태 전압 강하 특성을 개선할 수 있고 이에 따라 열 특성 또한 개선할 수 있다. 따라서 최적화된 플래너 게이트 NPT-IGBT의 온 상태 전압강하 특성과 열 특성을 개선하기 위해 초접합 구조를 적용한 초접합 IGBT을 설계하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 그 전기적인 특성을 분석하였다.
이 때 동일한 항복전압을 갖는 SJ NPT IGBT를 설계하기 위해서는 그림 2의 NPT IGBT와 SJ NPT IGBT의 전계의 드리프트 길이에 대한 적분값이 같아야 하며, 해당 공핍층의 크기는 343 ㎛이며, 여유 길이 27㎛를 고려하여 N-드리프트 길이 설계 조건은 370 ㎛로 시뮬레이션을 진행하였다. 이러한 조건으로 설계하여 시뮬레이션을 진행한 결과 항복전압은 2,777 V로 온 상태 전압 강하는 2.47 V로 확인되었다.
전하 균형을 고려하여 P-pillar 농도를 102.6 Ω․cm로 하고, N-pillar 농도를 39 Ω․cm로 설계하여 시뮬레이션을 진행한 결과 그림 5에서 나타낸 것처럼 수평축 전계분포로부터 P-pillar와 N-pillar의 전하균형이 이루어진 것을 확인하였다.
그림 5의 수직 전계분포에서 P-pillar 하단 부분인 60 ㎛와 에피택셜층의 끝 부분인 70 ㎛ 사이에서 고농도 N-도핑영역으로 인해 전계가 급격하게 떨어져서 드리프트 영역에 충분히 공핍층이 형성되지 못하는 것을 알 수 있다. 이를 보완하기 위해 P-pillar 하단의 에피택셜층의 여유 길이를 최소로 하여 항복전압을 증가시킬 수 있었다.
다시 개선하여 시뮬레이션 한 결과 그림 6과 같이 전계의 분포가 변화하여 N-드리프트 영역으로의 공핍층이 확장되고 최종적으로 항복전압이 2,830 V까지 증가한 것을 확인하였다.
본 연구에서 제시한 SJ NPT IGBT는 항복전압은 2,846 V, 온 전압 강하는 2.52 V, 문턱전압은 4.33 V의 특성을 나타내고 있다. 3,000 V의 항복전압을 달성하지 못했지만, pillar층의 개선으로 3,000 V 이상은 충분히 달성할 수 있을 것으로 판단되며, 본 연구가 지속적이고 성공적으로 수행된다면, 전기자동차 및 고속전철 등에도 활용이 가능할 것으로 판단된다.

후속연구

33 V의 특성을 나타내고 있다. 3,000 V의 항복전압을 달성하지 못했지만, pillar층의 개선으로 3,000 V 이상은 충분히 달성할 수 있을 것으로 판단되며, 본 연구가 지속적이고 성공적으로 수행된다면, 전기자동차 및 고속전철 등에도 활용이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3,000 V급 초접합 NPT IGBT 소자는 추후에 어느 분야에서 활용이 가능할 것인가?	33 V의 특성을 나타내고 있다. 3,000 V의 항복전압을 달성하지 못했지만, pillar층의 개선으로 3,000 V 이상은 충분히 달성할 수 있을 것으로 판단되며, 본 연구가 지속적이고 성공적으로 수행된다면, 전기자동차 및 고속전철 등에도 활용이 가능할 것으로 판단된다.
	IGBT 소자가 사용되고 있는 분야는?	IGBT (insulated gate bipolar transistor) 소자는 전류전도 능력이 뛰어난 소자이며, 큰 전력을 처리하기 위해 설계된 스위칭 디바이스로서 전원공급 장치, 변환기, 태양광인버터, 가전제품 등에 널리 사용되고 있다[1,2]. 이러한 IGBT는 파워 반도체 소자인 만큼 항복 전압과 온-상태 전압 강하, 스위칭 속도, 신뢰성의 이상적인 파워 반도체 소자의 요구사항을 목표로 하고 있다.
	전력 반도체에서 초접합 구조는 어떤 구조인가?	전력 반도체에서 이와 같은 항복전압, 온 상태 저항간의 트레이드 오프를 개선하는 방법으로 초접합 구조가 개발되었으며, 초접합 구조는 트렌치 공정을 이용하여 P-베이스 영역 아래에 P pillar를 삽입한 구조이며 공핍층을 수직방향으로 뿐만 아니라 수평방향으로도 확장시켜서 온 상태 저항 특성 저하 없이 항복전압 특성을 혁신적으로 개선한 구조이다. P pillar 구조를 형성하기 위해 N-드리프트 층의 에칭공정 혹은 멀티 에피택셜 성장 공정이 추가로 요구된다.

참고문헌 (5)

MOSFET Basics - Fairchild Semiconductor, 2000
G. P. Sim, B. S. Ann, Y. H. Kang, Y. S. Hong, and E. G. Kang, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 26, 190 (2013).
H. S. Lee, E. G. Kang, A. Shin, H. H. Shin, and M. Y. Sung, KIEE, 7 (2006).
Y. S. Hang, E. S. Jung, and E. Y. Kang, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 25, 276 (2012).
J. H. Lee, E. S. Jung, and E. Y. Kang, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 25, 270 (2012).

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