문턱전압 조절 이온주입에 따른 MCT (MOS Controlled Thyristor)의 스위칭 특성 연구 Effects of Vth adjustment ion implantation on Switching Characteristics of MCT(MOS Controlled Thyristor)원문보기
MCT (MOS Controlled Thyristor)의 전류 구동능력은 도통상태의 MCT를 턴-오프 시킬 수 있는 능력, 즉 off-FET의 성능에 의해 결정되고, MCT의 주된 응용분야인 펄스파워 분야에서는 턴-온 시의 피크전류($I_{peak}$)와 전류상승기울기(di/dt) 특성이 매우 중요하다. 이러한 요구사항을 만족시키기 위해서는 MCT의 on/off-FET 성능 조절이 중요하지만, 깊은 접합의 P-웰과 N-웰을 형성하기 위한 삼중 확산공정과 다수의 산화막 성장공정은 이온주입 불순물의 표면농도를 변화시키고 on/off-FET의 문턱전압($V_{th}$) 조절을 어렵게 한다. 본 논문에서는 on/off-FET의 $V_{th}$를 개선하기 위한 채널영역 문턱전압 이온주입에 대하여 시뮬레이션을 진행하고 이를 토대로 제작한 MCT의 전기적 특성을 비교 평가하였다. 그 결과 문턱전압 이온주입을 진행한 MCT의 경우(활성영역=$0.465mm^2$) $100A/cm^2$ 전류밀도에서의 전압손실($V_F$)은 1.25V, 800V의 어노드 전압에서 $I_{peak}$ 및 di/dt는 290A와 $5.8kA/{\mu}s$로 문턱전압 이온주입을 진행하지 않은 경우와 유사한 특성을 나타낸 반면, $100A/cm^2$의 구동전류에 대한 턴-오프 게이트전압은 -3.5V에서 -1.6V로 감소하여 MCT의 전류 구동능력을 향상시킴을 확인하였다.
MCT (MOS Controlled Thyristor)의 전류 구동능력은 도통상태의 MCT를 턴-오프 시킬 수 있는 능력, 즉 off-FET의 성능에 의해 결정되고, MCT의 주된 응용분야인 펄스파워 분야에서는 턴-온 시의 피크전류($I_{peak}$)와 전류상승기울기(di/dt) 특성이 매우 중요하다. 이러한 요구사항을 만족시키기 위해서는 MCT의 on/off-FET 성능 조절이 중요하지만, 깊은 접합의 P-웰과 N-웰을 형성하기 위한 삼중 확산공정과 다수의 산화막 성장공정은 이온주입 불순물의 표면농도를 변화시키고 on/off-FET의 문턱전압($V_{th}$) 조절을 어렵게 한다. 본 논문에서는 on/off-FET의 $V_{th}$를 개선하기 위한 채널영역 문턱전압 이온주입에 대하여 시뮬레이션을 진행하고 이를 토대로 제작한 MCT의 전기적 특성을 비교 평가하였다. 그 결과 문턱전압 이온주입을 진행한 MCT의 경우(활성영역=$0.465mm^2$) $100A/cm^2$ 전류밀도에서의 전압손실($V_F$)은 1.25V, 800V의 어노드 전압에서 $I_{peak}$ 및 di/dt는 290A와 $5.8kA/{\mu}s$로 문턱전압 이온주입을 진행하지 않은 경우와 유사한 특성을 나타낸 반면, $100A/cm^2$의 구동전류에 대한 턴-오프 게이트전압은 -3.5V에서 -1.6V로 감소하여 MCT의 전류 구동능력을 향상시킴을 확인하였다.
Current driving capability of MCT (MOS Controlled Thyristor) is determined by turn-off capability of conducting current, that is off-FET performance of MCT. On the other hand, having a good turn-on characteristics, including high peak anode current ($I_{peak}$) and rate of change of curre...
Current driving capability of MCT (MOS Controlled Thyristor) is determined by turn-off capability of conducting current, that is off-FET performance of MCT. On the other hand, having a good turn-on characteristics, including high peak anode current ($I_{peak}$) and rate of change of current (di/dt), is essential for pulsed power system which is one of major application field of MCTs. To satisfy above two requirements, careful control of on/off-FET performance is required. However, triple diffusion and several oxidation processes change surface doping profile and make it hard to control threshold voltage ($V_{th}$) of on/off-FET. In this paper, we have demonstrated the effect of $V_{th}$ adjustment ion implantation on the performance of MCT. The fabricated MCTs (active area = $0.465mm^2$) show forward voltage drop ($V_F$) of 1.25 V at $100A/cm^2$ and Ipeak of 290 A and di/dt of $5.8kA/{\mu}s$ at $V_A=800V$. While these characteristics are unaltered by $V_{th}$ adjustment ion implantation, the turn-off gate voltage is reduced from -3.5 V to -1.6 V for conducting current of $100A/cm^2$ when the $V_{th}$ adjustment ion implantation is carried out. This demonstrates that the current driving capability is enhanced without degradation of forward conduction and turn-on switching characteristics.
Current driving capability of MCT (MOS Controlled Thyristor) is determined by turn-off capability of conducting current, that is off-FET performance of MCT. On the other hand, having a good turn-on characteristics, including high peak anode current ($I_{peak}$) and rate of change of current (di/dt), is essential for pulsed power system which is one of major application field of MCTs. To satisfy above two requirements, careful control of on/off-FET performance is required. However, triple diffusion and several oxidation processes change surface doping profile and make it hard to control threshold voltage ($V_{th}$) of on/off-FET. In this paper, we have demonstrated the effect of $V_{th}$ adjustment ion implantation on the performance of MCT. The fabricated MCTs (active area = $0.465mm^2$) show forward voltage drop ($V_F$) of 1.25 V at $100A/cm^2$ and Ipeak of 290 A and di/dt of $5.8kA/{\mu}s$ at $V_A=800V$. While these characteristics are unaltered by $V_{th}$ adjustment ion implantation, the turn-off gate voltage is reduced from -3.5 V to -1.6 V for conducting current of $100A/cm^2$ when the $V_{th}$ adjustment ion implantation is carried out. This demonstrates that the current driving capability is enhanced without degradation of forward conduction and turn-on switching characteristics.
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문제 정의
본 논문에서는 1400V MCT 제작을 위한 시뮬레이션과 실험결과에 대해 분석하였으며, 특히 on-FET과 off-FET의 문턱전압 조절 이온주입의 영향에 대하여 분석하였다. 문턱전압 이온주입을 진행하지 않은 경우 고온의 확산공정과 다수의 산화막 성장공정에 의하여 불순물의 표면농도 변화를 야기하여, on-FET의 Vth가 음의 값을 가지고, off-FET은 -3.
본 논문에서는 MCT 제작의 확산과 산화공정에 의한 on/off-FET 채널영역 doping profile의 변화와 전기적 특성을 시뮬레이션으로 예측하고, on/off-FET의 Vth를 개선하기 위한 채널영역 문턱전압 이온주입 여부에 따른 전기적인 특성 변화를 분석하였다. 또한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 MCT 소자를 제작하고 전기적 특성을 측정함으로써 문턱전압 이온주입에 따른 순방향전류와 턴-오프 전류 구동능력을 평가하였으며, 펄스파워용 소자의 주요 특성인 Ipeak와 di/dt 특성을 비교 평가하였다.
제안 방법
그림 12(a)는 턴-온 스위칭 특성에 대한 측정 시스템의 회로 모식도를 나타낸 것이다. 800V의 외부 전원을 인가하여 커패시터를 충전시킨 후 -5V에서 5V의 펄스를 MCT의 게이트에 인가하였으며 이때의 어노드전류 변화를 current sensing resistor를 이용하여 평가한다[6]. 그림 12(b)는 제작한 MCT(활성영역 면적=0.
를 개선하기 위한 채널영역 문턱전압 이온주입 여부에 따른 전기적인 특성 변화를 분석하였다. 또한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 MCT 소자를 제작하고 전기적 특성을 측정함으로써 문턱전압 이온주입에 따른 순방향전류와 턴-오프 전류 구동능력을 평가하였으며, 펄스파워용 소자의 주요 특성인 Ipeak와 di/dt 특성을 비교 평가하였다.
문턱전압 이온주입은 P-웰 표면의 B out-diffusion을 보상하기 위한 B 이온주입(Vth1)과 N-웰 표면의 P pile-up을 보상하기 위한 추가적인 B 이온주입(Vth2)을 각각 1.0×1012 cm-2의 dose로 진행하였다.
문턱전압 이온주입이 MCT의 특성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 역방향 항복전압, 순방향 온-특성 및 게이트전압에 따른 온-오프 특성을 측정하였다.
본 연구에서는 1400V MCT 제작을 위하여 P+/N-버퍼/N-드리프트/P-베이스 평판접합(planar junction)의 항복전압을 시뮬레이션 하였으며, 두께 10µm, 비저항 0.1Ωxcm의 N-버퍼층과 두께 130µm, 비저항 50Ωxcm의 N-드리프트 층을 선정하였다(평판접합 항복전압=1800V).
활성영역 정의 후 on-FET과 off-FET의 문턱전압을 조절하기 위한 Vth1, Vth2 이온주입과 케소드 영역의 P+와 N+를 형성하기 위한 이온주입을 진행한다. 이때 문턱전압 이온주입을 진행하지 않은 소자를 같이 제작하여 특성을 비교 평가하였다. 이후 게이트산화막과 폴리실리콘을 성장시키고 게이트를 패터닝한 후 층간절연막으로 CVD 산화막을 증착한다.
다음 N-웰을 형성하기 위한 이온주입과 확산공정을 진행하고, 필드산화막(field oxide)를 성장시킨 후 활성영역(active region)을 정의한다. 활성영역 정의 후 on-FET과 off-FET의 문턱전압을 조절하기 위한 Vth1, Vth2 이온주입과 케소드 영역의 P+와 N+를 형성하기 위한 이온주입을 진행한다. 이때 문턱전압 이온주입을 진행하지 않은 소자를 같이 제작하여 특성을 비교 평가하였다.
성능/효과
465㎟)의 턴-온 스위칭 특성을 평가한 결과이다. +5V의 게이트 펄스가 인가된 후 약 2.74ns에서 MCT가 도통상태로 동작하며, 피크 어노드전류는 문턱전압 이온주입을 진행한 경우 290A, 진행하지 않은 경우 289A로 거의 동일한 결과를 나타내었다. 또한 최대 전류의 10%까지 도달하는 시간은 두 경우 모두 3ns로 동일하였고, 50%도달 시간은 23ns와 24ns로 문턱전압 이온주입을 진행한 MCT가 다소 빨랐다.
그림 5는 문턱전압 이온주입을 진행하지 않은 경우 MCT의 2차원(2-D) 접합 profile과 게이트 전압에 따른 on/off-FET의 전달특성(transfer characteristics) 시뮬레이션 결과이다. P-웰 표면의 B out-diffusion과 N-웰 표면의 P pile-up 현상이 심하게 일어나 off-FET의 채널길이가 길어지고 도핑농도는 높아진 반면, on-FET은 채널길이가 짧아지고 도핑농도는 낮아짐을 확인할 수 있다. 이는 on/off-FET의 Vth를 전체적으로 음의 값으로 이동시키고, 특히 off-FET의 Vth가 큰 음의 값을 가져 MCT의 턴-오프 성능이 나빠짐을 예측할 수 있다.
6V로 크게 감소하여 MCT의 전류 구동능력을 향상시킴을 확인하였다. 또한 문턱전압 이온주입에 의한 on-FET의 Vth 증가에도 불구하고 온-상태의 전압손실과 펄스파워용 스위칭 소자의 주요특성인 턴-온 시의 피크 어노드전류(Ipeak) 및 전류상승기울기(di/dt)는 변화가 없어 MCT 소자의 전체적인 전기적 특성을 향상시키는 결과를 나타내었다.
사이리스터 계열의 소자인 MCT의 전류 구동능력은 도통상태의 전류를 턴-오프시킬 수 있는 능력에 의해 결정되기 때문에 문턱전압 이온주입을 진행한 경우 턴-오프 게이트전압이 작은 것은 MCT의 구동 전류능력을 향상시킴을 의미한다. 또한 전술한 바와같이 문턱전압 이온주입이 on-FET의 Vth 증가에도 불구하고 정격전류에서의 순방향 전압손실에 영향을 주지않고 MCT의 구동 전류능력을 향상시키는 것으로 판단된다.
74ns에서 MCT가 도통상태로 동작하며, 피크 어노드전류는 문턱전압 이온주입을 진행한 경우 290A, 진행하지 않은 경우 289A로 거의 동일한 결과를 나타내었다. 또한 최대 전류의 10%까지 도달하는 시간은 두 경우 모두 3ns로 동일하였고, 50%도달 시간은 23ns와 24ns로 문턱전압 이온주입을 진행한 MCT가 다소 빨랐다. 또한, MCT의 가장 중요한 특성중 하나인 di/dt는 문턱전압 이온주입을 진행한 경우 5.
8V의 큰 Vth 값을 가짐을 확인하였다. 반면, 문턱전압 이온주입을 진행한 경우 on-FET의 Vth 및 MCT의 턴-온 게이트전압이 각각 0.6V와 1.2V의 값을 나타내었고, off-FET의 동작에 의한 MCT의 턴-오프 전압이 -1.6V로 크게 감소하여 MCT의 전류 구동능력을 향상시킴을 확인하였다. 또한 문턱전압 이온주입에 의한 on-FET의 Vth 증가에도 불구하고 온-상태의 전압손실과 펄스파워용 스위칭 소자의 주요특성인 턴-온 시의 피크 어노드전류(Ipeak) 및 전류상승기울기(di/dt)는 변화가 없어 MCT 소자의 전체적인 전기적 특성을 향상시키는 결과를 나타내었다.
이 경우 N-웰 표면의 off-FET의 채널길이가 짧아지고 농도는 낮아진 반면, on-FET은 채널길이가 길어지고 표면농도는 높아졌으며, Vth가 전체적으로 양의 방향으로 이동하였음을 알 수 있다. 이러한 결과는 off-FET의 동작 시점을 앞당김으로써 MCT의 턴-오프 특성을 향상시켜 전류 구동능력을 향상시킬 것으로 판단된다.
한편 MCT가 턴-온된 후 게이트전압을 on-FET의 Vth 이하로 감소시켜도 MCT는 온-상태를 유지하고 있으며, 게이트전압을 off-FET의 Vth 이하로 더 감소시킬 경우 MCT가 턴-오프됨을 확인할 수 있다. MCT의 턴-오프 특성은 문턱전압 이온주입 진행 유무에 따라 큰 차이를 보이고 있다.
후속연구
결과적으로 on/off-FET의 동작이 MCT의 턴-온/턴오프에 주된 영향을 미치며, 안정적인 동작을 위해서는 PNPN 접합구조와 함께 on/off-FET에 대한 정밀한 소자 및 공정설계가 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
MCT (MOS Controlled Thyristor)의 전류 구동능력은 무엇에 의해 결정되는가?
MCT (MOS Controlled Thyristor)의 전류 구동능력은 도통상태의 MCT를 턴-오프 시킬 수 있는 능력, 즉 off-FET의 성능에 의해 결정되고, MCT의 주된 응용분야인 펄스파워 분야에서는 턴-온 시의 피크전류($I_{peak}$)와 전류상승기울기(di/dt) 특성이 매우 중요하다. 이러한 요구사항을 만족시키기 위해서는 MCT의 on/off-FET 성능 조절이 중요하지만, 깊은 접합의 P-웰과 N-웰을 형성하기 위한 삼중 확산공정과 다수의 산화막 성장공정은 이온주입 불순물의 표면농도를 변화시키고 on/off-FET의 문턱전압($V_{th}$) 조절을 어렵게 한다.
MCT은 도통상태의 전기적 특성이 어떠한가?
MCT는 일반적인 사이리스터의 스위칭손실을 개선 하기 위해 제안된 소자로 게이트 입력단에 MOS 구조를 적용하여 높은 입력 임피던스를 가지며, 전압으로 소자 제어가 가능하고, 높은 di/dt 특성을 얻을 수 있다[3]. 또한 도통상태의 메카니즘이 기존 사이리스터와 동일하기 때문에 높은 구동 전류용량과 낮은 온-상태 전압손실 등 우수한 전기적 특성을 나타낸다[4].
MCT의 주된 응용분야는 무엇인가?
MCT (MOS Controlled Thyristor)의 전류 구동능력은 도통상태의 MCT를 턴-오프 시킬 수 있는 능력, 즉 off-FET의 성능에 의해 결정되고, MCT의 주된 응용분야인 펄스파워 분야에서는 턴-온 시의 피크전류($I_{peak}$)와 전류상승기울기(di/dt) 특성이 매우 중요하다. 이러한 요구사항을 만족시키기 위해서는 MCT의 on/off-FET 성능 조절이 중요하지만, 깊은 접합의 P-웰과 N-웰을 형성하기 위한 삼중 확산공정과 다수의 산화막 성장공정은 이온주입 불순물의 표면농도를 변화시키고 on/off-FET의 문턱전압($V_{th}$) 조절을 어렵게 한다.
참고문헌 (6)
B. E. Fridman, A. A. Drozdov, V. G. Kuchinski, V. Th. Prokopenko, and V. V. Vesnin, "5 KV, 300 KJ Capacitive Energy Storage," IEEE Pulsed Power Conference, pp. 704-707, Monterey Conference Center Monterey, USA, Jul. 2005.
C. Fahrni, A. Rufer, F. Bordry, and JP. Burnet, "A novel 60 MW Pulsed Power System based on Capacitive Energy Storage for Particle Accelerators" Proceeding of European Conference on Power Electronics and Applications, pp. 1, Aalborg, Denmark, Sep. 2007.
S. Huang, G. A. J. Amaratunga, and F. Udrea, "A Novel Single Gate MOS Controlled Current Saturated Thyristor" IEEE Electron Device Letters, Vol. 22, No. 9, pp. 438-440, 2001.
Q. Huang, G. A. J. Amaratunga, E. M. Sankara Narayanan, and W. I. Milne, "Analysis of n-Channel MOS-Controlled Thyristors" IEEE Electron Device Letters, Vol. 38, No. 7, pp. 1612-1618, 1991.
W.-J. Chen, R.-Z. Sun, C.-F. Peng, and B. Zhang, "High dV/dt immunity MOS Controlled Thyristor using a Double Variable Lateral Doping Technique for Capacitor Discharge Applications" Chinese Physics, Vol. 23, No. 7, pp. 1-6, 2014.
Malay Trivedi, S. Pendharkar, and K. Shenai, "Switching Characteristics of MCT's and IGBT's in Power Converters" IEEE Transactions On Electron Devices, Vol. 43, No. 11, pp. 1994-2003, 1996.
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