[논문]p-Pillar 영역의 두께와 농도에 따른 4H-SiC 기반 Superjunction Accumulation MOSFET 소자 구조의 최적화

정영석; 구상모

doi:10.4313/jkem.2017.30.6.345

[국내논문] p-Pillar 영역의 두께와 농도에 따른 4H-SiC 기반 Superjunction Accumulation MOSFET 소자 구조의 최적화
Optimization of 4H-SiC Superjunction Accumulation MOSFETs by Adjustment of the Thickness and Doping Level of the p-Pillar Region 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.30 no.6, 2017년, pp.345 - 348

정영석 (광운대학교 전자재료공학과) , 구상모 (광운대학교 전자재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, static characteristics of 4H-SiC SJ-ACCUFETs were obtained by adjusting the p-pillar region. The structure of this SJ-ACCUFET was designed by using a two-dimensional simulator. The static characteristics of SJ-ACCUFET, such as the breakdown voltages, on-resistance, and figure of merits, were obtained by varying the p-pillar doping concentration from $1{\times}10^{15}cm^{-3}$ to $5{\times}10^{16}cm^{-3}$ and the thickness from $0{\mu}m$ to $9{\mu}m$. The doping concentration and the thickness of p-pillar region are closely related to the break down voltage and on-resistance and threshold voltages. Hence a silicon carbide SJ-ACCUFET structure with highly intensified breakdown voltages and low on-resistances with good figure of merits can be achieved by optimizing the p-pillar thickness and doping concentration.

Keyword

AI 본문요약
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제안 방법

본 연구에서는 4H-SiC Superjunction Accumulation 전계효과 트랜지스터(SJ-ACCUFET) 소자를 설계하였으며, pillar 영역의 두께와 농도에 따른 항복 전압과 온-저항, 문턱 전압을 최적화 시뮬레이션을 진행하였다.

대상 데이터

그림 1(a)는 기존의 ACCUFET 구조와 (b) SJ-ACCUFET을 설계한 구조이다. 기존 ACCUFET 구조는 n형 기판(5×10¹⁸ cm^-3) 위에 상대적으로 낮은 도핑 농도를 갖는 n형 드리프트 영역을 10 μm 형성하였다. p형 우물 영역(2×10¹⁷cm^-3)은 드리프트 영역과 농도 차에 의해 노멀리-오프가 된다.

이론/모형

SJ-ACCUFET 소자 최적화 설계를 위해 Atlas사의 이차원 시뮬레이터를 사용하였다. 그림 1(a)는 기존의 ACCUFET 구조와 (b) SJ-ACCUFET을 설계한 구조이다.

성능/효과

본 연구에서는 4H-SiC SJ ACCUFET 소자를 설계하여 시뮬레이션을 통해 정적 특성을 확인하였다. p-pillar을 이용해 항복전압과 온-저항의 트레이드-오프 관계를 개선하였다. 또한 항복전압과 온-저항은 p-pillar 영역의 도핑 농도와 두께 변화에 따라 감소하며, 성능 지수는 증가하였다.
p-pillar을 이용해 항복전압과 온-저항의 트레이드-오프 관계를 개선하였다. 또한 항복전압과 온-저항은 p-pillar 영역의 도핑 농도와 두께 변화에 따라 감소하며, 성능 지수는 증가하였다. 문턱 전압은 p-pillar 영역의 도핑 농도에 따라 기존 ACCUFET 보다 ~1.
또한 항복전압과 온-저항은 p-pillar 영역의 도핑 농도와 두께 변화에 따라 감소하며, 성능 지수는 증가하였다. 문턱 전압은 p-pillar 영역의 도핑 농도에 따라 기존 ACCUFET 보다 ~1.6 V 감소하였다.

후속연구

본 연구 결과를 통해 높은 항복 전압과 낮은 온-저항이 요구되는 무정전 전원장치(UPS)나 스위칭 모드 전력 공급장치(SMPS)에 응용할 수 있는 설계 구조를 확인해 볼 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ACCUFET 소자의 트레이드 오프 관계를 개선하기 위한 방법은?	하지만 ACCUFET 소자의 높은 항복 전압 특성을 위해서는, 일반적으로 드리프트 영역의 불순물 농도를 낮추지만 반대로 온-저항은 증가하게 되어 트레이드-오프 관계가 성립된다. 이러한 관계를 개선하기 위해 pillar를 드리프트 영역에 추가하게 된다. 모서리 부분에 전계 집중 현상을 분산하는 superjunction 구조를 사용 하여 항복 전압과 온-저항 특성을 향상시키고 있다.
	4H-SiC가 적용되는 전력소자분야는?	7 W/cm·°K)을 가지기 때문에 고온, 고전력 환경에서도 반도체 소자 동작이 가능하다는 장점을 가지고 있다 [1-3]. 특히 실온에서 4H-SiC는 Si, GaAs보다 항복전계가 10배 정도 커서 Power MOSFET, ACCUFET, BJT, IGBT 등 전력 소자 분야에 적용이 가능하다 [4]. 그 중 ACCUFET 소자는 MOSFET 보다 낮은 문턱전압 및 낮은 누설 전류, 채널에서의 높은 이동도, 낮은 온-저항의 장점이 있어 응용 분야가 넓다 [5].
	4H-SiC의 특징은?	최근 전력 반도체 소자들은 고효율에 대한 요구가 증대되어 4H-SiC에 대한 관심이 많아지고 있다. 4H-SiC 는 넓은 밴드갭(~3.26 eV), 높은 전계강도(~2.2×106 V/cm), 높은 열전도도(~3.7 W/cm·°K)을 가지기 때문에 고온, 고전력 환경에서도 반도체 소자 동작이 가능하다는 장점을 가지고 있다 [1-3]. 특히 실온에서 4H-SiC는 Si, GaAs보다 항복전계가 10배 정도 커서 Power MOSFET, ACCUFET, BJT, IGBT 등 전력 소자 분야에 적용이 가능하다 [4].

참고문헌 (7)

Z. D. Sha, X. M. Wua, and L. J. Zhuge, Phys. Lett., A355, 215 (2007).
J. H. Kim, D. H. Cho, W. Y. Lee, B. M. Moon, W. Bahng, S. C. Kim, N. K. Kim, and S. M. Koo, J. Alloys Comp., 489, 1 (2010). [DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.09.048]

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C. Codreanu, M. Avram, E. Carbunescu, and E. Iliescu, Mater. Sci. Semicond. Process., 2, 137 (2000). [DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S1369-8001(00)00022-6]
B. J. Baliga, Silicon Carbide Power Devices (World Scientific, USA, 2005).
P. M. Shenoy and B. J. Baliga, IEEE Electron Device Lett., 18, 589 (1997). [DOI: http://dx.doi.org/10.1109/55.644080]

상세보기
R. Singh, D. C. Capell, M. K. Das, L. A. Lipkin, and J. W. Palmour, IEEE Trans. Electron Dev., 50, 471 (2003). [DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TED.2002.808511]
B. J. Baliga, Power Semiconductor Devices (Boston, MA: PWS-Kent, 1995).

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