[논문]IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 개발 동향

윤종만

[국내논문] IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 개발 동향 원문보기

전력전자학회지 = The journal of the Korean Institute of Power Electronics, v.22 no.1, 2017년, pp.42 - 50

윤종만 (트리노테크놀로지)

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문제 정의

다른 전력반도체 대비한 IGBT 용도의 확대는 소자의 스위칭 및 도통 성능의 지속적인 발전에 의해 가능했으며, 시스템의 경박단소화에 부응했기 때문이다. 따라서 본 원고에서는 IGBT 성능의 발전을 위한 기술의 발전역사와 최근 동향에 대해 기술하도록 한다.

제안 방법

앞에서 기술한 NPT의 단점인 tail current와 di/dt 문제를 해결하기 위해 PT IGBT와 같이 n-drift 층과 p anode 층 사이에 n type의 Field Stop 층을 형성함으로써 게이트 쪽 PN 접합으로부터의 depletion 층이 Field Stop층 이상으로 확장하지 않도록 하였다. 이로 인해 n-drift 층의 두께가 기존 NPT 층의 drift 층의 두께보다 약 2/3 수준으로 얇아짐에 따라 훨씬 낮은 순방향 전압을 얻을 수 있었다.

성능/효과

이때 p type anode 층은 PT IGBT의 p+ 웨이퍼 기판과는 달리 상당히 낮은 농도의 조건으로 형성되고 IGBT의 on 동작 시 p 층으로부터 n- drift 층으로 주입되는 정공 반송 자(hole carrier)의 농도가 매우 낮아 별도의 반송자 수명 조절 없이도 빠른 스위칭이 가능하게 되었다. 이와 같은 공정과 구조에 기인하여 제조 단가의 절감뿐 아니라 빠른 스위칭 특성과 ruggedness를 확보할 수 있었다. 특히 병 렬운전에 적합한 Positive Temperature Coefficient특성이 전 전류영역에서 나타남으로 인해 대전류 병렬에 매우 적합한 특성을 갖고 있다.
앞에서 기술한 NPT의 단점인 tail current와 di/dt 문제를 해결하기 위해 PT IGBT와 같이 n-drift 층과 p anode 층 사이에 n type의 Field Stop 층을 형성함으로써 게이트 쪽 PN 접합으로부터의 depletion 층이 Field Stop층 이상으로 확장하지 않도록 하였다. 이로 인해 n-drift 층의 두께가 기존 NPT 층의 drift 층의 두께보다 약 2/3 수준으로 얇아짐에 따라 훨씬 낮은 순방향 전압을 얻을 수 있었다. 특히 NPT IGBT의 최대의 약점인 tail current가 거의 없어짐으로 인해 스위칭 손실을 대폭 감소시킬 수 있으며 di/dt 도 NPT IGBT 대비 감소시킬수 있었다.
이로 인해 n-drift 층의 두께가 기존 NPT 층의 drift 층의 두께보다 약 2/3 수준으로 얇아짐에 따라 훨씬 낮은 순방향 전압을 얻을 수 있었다. 특히 NPT IGBT의 최대의 약점인 tail current가 거의 없어짐으로 인해 스위칭 손실을 대폭 감소시킬 수 있으며 di/dt 도 NPT IGBT 대비 감소시킬수 있었다. Field Stop IGBT의 또 다른 장점은 적용 시스템에 따라 drift 영역의 설계를 할 수 있다는 점이다.

후속연구

Omura연구팀은 trench IGBT에 대한 scaling 연구를 통해 trench 게이트 깊이, 접합 깊이, 절연막의 두께등이 scaling factor k로 감소될 수 있으며 이 경우 소자의 도통 특성, 스위칭 특성이 개선되며, 미세 공정의 제한점이라고 여겨졌던 short circuit 특성도 유지될 수 있음을 시뮬레이션을 통해 증명했다 算. 이에 따르면 향후의 IGBT는 기존 초미세 CMOS 공정을 사용하여 제작이 가능하며 소자의 특성 개선도 scaling factor에 따라 개선될 것으로 예측된다.
특성을 감소시키지 않고 정특성 및 동특성을 개선할 수 있다는 것이다. 이는 향후 CMOS 공정을 최소한의 개선을 통해 IGBT뿐 아니라 유사 고압 전력 반도체에 적용할 수 있는 가능성을 보이고 있다고 할 수 있다.
이와 같은 소자 특성의 개선은 수십 um 수준의 초박형 웨이퍼 처리 기술과 트랜지스터 미세 공정의 발전에 힘입어 진행되었다. 향후의 개발 방향은 IGBT와 Diode를 집적하는 RC IGBT뿐 아니라 기본적인 보호 기능, 센싱 기능을 내장하는 Smart 기술, CMOS 공정으로 가능한 대구 경화, 초미세화 공정 기술, 패키지 기술과결합된 방열 기술 등으로 계속 진행될 것으로 보이며, Supeijunction MOSFET, SiC이나 GaN등과 같은 화합물반도체와 용도에 따라 전력 반도체 시장을 계속 지배할 것으로 예측된다.

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