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플로팅 금속 가드링 구조를 이용한 Ga2O3 쇼트키 장벽 다이오드의 항복 특성 개선 연구
Improved breakdown characteristics of Ga2O3 Schottky barrier diode using floating metal guard ring structure 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.23 no.1, 2019년, pp.193 - 199  

최준행 (School of Electronic and Electrical Engineering, Hongik University) ,  차호영 (School of Electronic and Electrical Engineering, Hongik University)

초록
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본 연구에서는 TCAD 시뮬레이션을 사용하여 산화갈륨 ($Ga_2O_3$) 기반 수직형 쇼트키 장벽 다이오드 고전압 스위칭 소자의 항복전압 특성을 개선하기 위한 가드링 구조를 이온 주입이 필요 없는 간단한 플로팅 금속 구조를 활용하여 제안하였다. 가드링 구조를 도입하여 양극 모서리에 집중되던 전계를 감소시켜 항복전압 성능 개선을 확인하였으며, 이때 금속 가드링의 폭과 간격 및 개수에 따른 항복전압 특성 분석을 전류-전압 특성과 내부 전계 및 포텐셜 분포를 함께 분석하여 최적화를 수행하였다. N형 전자 전송층의 도핑농도가 $5{\times}10^{16}cm^{-3}$이고 두께가 $5{\mu}m$인 구조에 대하여 $1.5{\mu}m$ 폭의 금속 가드링을 $0.2{\mu}m$로 5개 배치하였을 경우 항복전압 2000 V를 얻었으며 이는 가드링 없는 구조에서 얻은 940 V 대비 두 배 이상 향상된 결과이며 온저항 특성의 저하는 없는 것으로 확인되었다. 본 연구에서 활용한 플로팅 금속 가드링 구조는 추가적인 공정단계 없이 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 매우 활용도가 높은 기술로 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, we have proposed a floating metal guard ring structure based on TCAD simulation in order to enhance the breakdown voltage characteristics of gallium oxide ($Ga_2O_3$) vertical high voltage switching Schottky barrier diode. Unlike conventional guard ring structures, the floa...

주제어

표/그림 (9)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 Ga2O3 쇼트키 장벽 다이오드에서 P-형 이온주입 공정 없이 매우 간단한 공정을 통하여 플로팅 금속 가드링 구조를 제안하였고 이를 통하여 획기적인 항복전압의 개선이 기대됨을 확인하였다. 구조 최적화를 통하여 플로팅 금속 가드링 구조가 없는 경우에 비하여 2배 이상의 항복전압 향상을 달성하였다.
  • 본 연구에서는 현재 Ga2O3 공정 기술에서 개발되어있지 않은 P-형 이온주입을 대체하기 위하여 플로팅 금속 구조를 활용한 가드링 구조를 활용하여 항복전압을 개선하고자 한다. TCAD 시뮬레이션을 사용하여 설계한 Ga2O3 SBD의 물리적 특성을 분석하여, 가드링 금속 길이와 간격에 따른 전계 및 포텐셜 분포를 분석하여 최적화 구조를 도출하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Ga2O3의 장점은 무엇인가? Ga2O3은 매우 넓은 에너지 밴드갭(4.9 eV)과 높은 항복전계(8 MV/cm)로 극단파장 자외선 발광 및 감지 센서와 고전력 스위칭 소자 응용분야에 그 활용도가 높을 것으로 기대된다[11, 12, 13]. 다만 아직까지 소자 공정 기술의 수준이 개발 초기 단계이며 일반적인 전력반도체 소자 제작에 사용되는 P-형 도핑 구현을 위한 에피 성장 기술이나 이온 주입 기술이 보고되지 않은 상태이다.
SiC나 GaN의 단점을 보완하기 위한 후보재료는 무엇인가? 하지만, 가격대 성능비가 매우 중요한 전력 반도체 시장에서 SiC나 GaN가 시장 점유율이 아직까지 매우 낮은 이유는 고가의 단결정 기판이 큰 장벽이 되고 있다[3, 4]. 위와 같은 단점을 보완 할 수 있으며 우수한 재료 특성과 대량 생산에 적합한 반도체 소재 후보로 최근 산화갈륨(Ga2O3)이 높은 관심을 받으며 활발한 연구가 진행되고 있다[5, 6, 7, 8, 9, 10].
가드링 구조를 도입함으로서 개선된 성능은 무엇인가? 본 연구에서는 TCAD 시뮬레이션을 사용하여 산화갈륨 ($Ga_2O_3$) 기반 수직형 쇼트키 장벽 다이오드 고전압 스위칭 소자의 항복전압 특성을 개선하기 위한 가드링 구조를 이온 주입이 필요 없는 간단한 플로팅 금속 구조를 활용하여 제안하였다. 가드링 구조를 도입하여 양극 모서리에 집중되던 전계를 감소시켜 항복전압 성능 개선을 확인하였으며, 이때 금속 가드링의 폭과 간격 및 개수에 따른 항복전압 특성 분석을 전류-전압 특성과 내부 전계 및 포텐셜 분포를 함께 분석하여 최적화를 수행하였다. N형 전자 전송층의 도핑농도가 $5{\times}10^{16}cm^{-3}$이고 두께가 $5{\mu}m$인 구조에 대하여 $1.
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