[논문]3.3kV급 저저항 4H-SiC Semi-SJ MOSFET

천진희; 김광수

doi:10.7471/ikeee.2019.23.3.832

3.3kV급 저저항 4H-SiC Semi-SJ MOSFET
3.3kV Low Resistance 4H-SiC Semi-SJ MOSFET 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.23 no.3, 2019년, pp.832 - 838

천진희 (Dept. of Electronics Engineering, Sogang University) , 김광수 (Dept. of Electronics Engineering, Sogang University)

초록
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본 논문에서는 차세대 전력 반도체 소자인 4H-SiC MOSFET에 대해 연구하였다. 특히 3300V급에서 기존의 DMOSFET 구조보다 개선된 전기적 특성을 갖는 Semi-SuperJunction MOSFET 구조를 제안하였으며, TCAD 시뮬레이션을 통해 기존의 MOSFET과 전기적 특성을 비교 분석하였다. Semi-SJ MOSFET 구조는 부분적으로 SJ를 도입한 구조로, 2차원의 공핍 효과를 통해 전계 분포가 개선되며, 항복 전압이 증가한다. 항복 전압의 개선을 통해 얻은 이득으로, 높은 농도의 도핑이 가능하기 때문에 온 저항을 개선시킬 수 있다. 제안한 Semi-SJ MOSFET 구조는 DMOSFET보다 항복 전압이 8% 감소하지만, 온 저항이 80% 감소한다. 또한 DMOSFET 구조를 개선한 Current Spreading Layer(CSL)구조에 비해서도 온 저항이 44% 감소한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, 4H-SiC MOSFET, the next generation power semiconductor device, was studied. In particular, Semi-SJ MOSFET structures with improved electrical characteristics than conventional DMOSFET structures were proposed in the class of 3300V, and static characteristics of conventional and proposed structures were compared and analyzed through TCAD simulations. Semi-SuperJunction MOSFET structure is partly structure that introduces SuperJunction, improves Electric field distribution through the two-dimensional depletion effect, and increases breakdown voltage. Benefit from the improvement of breakdown voltage, which can improve the on resistance as high doping is possible. The proposed structure has a slight reduction in breakdown voltage, but has an 80% decrease in on resistance compared to the conventional DMOSFET structure, and a 44% decrease in on resistance compared to the Current Spreading Layer(CSL) structure that improves the conventional DMOSFET structure.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. (a) Conventional DMOSFET (b) DMOSFET with CSL (c) Semi-SJ MOSFET Structure. 그림 1. (a) 기존 (b) CSL (c) Semi-SJ MOSFET 구조
그림 Fig. 2. Comparison of the electric field distribution in y-direction at Breakdown voltage. 그림 2. 항복전압에서 y축 방향의 전계 분포 비교
그림 Fig. 3. Variation of BV, Ron with drift doping concentration. 그림 3. drift 영역의 도핑 농도에 따른 항복 전압과 온 저항의 변화
그림 Fig. 4. Variation of FOM(BV²/R_on) with drift doping concentration. 그림 4. Drift 영역의 도핑 농도에 따른 FOM의 변화
표 Table 1. Semi-SJ MOSFET parameter. 표 1. Semi-SJ MOSFET 파라미터
그림 Fig. 5. Output characteristics of (a) Conventional (b) CSL (c) Semi-SJ MOSFET structure 그림 5. (a) 기존 (b) CSL (c) Semi-SJ MOSFET 구조의 출력 특성
그림 Fig. 6. Breakdown voltage of each structure. 그림 6. 각 구조별 항복 전압
그림 Fig. 7. Electric field distribution of (a) Conventional (b) CSL (c) Semi-SJ MOSFET at Drain bias = 1500V. 그림 7. 드레인 전압이 1500V일 때 (a) 기존 (b) CSL (c) Semi-SJ MOSFET의 전계 분포
그림 Fig. 8. Comparison of the electric field distribution in y-direction at Drain bias = 1500V. 그림 8. 드레인 전압이 1500V일 때 y축 방향의 전계 분포 비교
표 Table 2. Static performance of each structure. 표 2. 각 구조별 정적 특성

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 그림 1. (c)와 같이 부분적으로 Super-Junction을 도입한 Semi-SJ MOSFET 구조를 제안하고자 한다. 제안한 구조는 SJ의 도입을 통해 전계 분포가 개선되고, 따라서 기존보다 높은 항복 전압을 가지게 된다.

가설 설정

7. Electric field distribution of (a) Conventional (b) CSL(c) Semi-SJ MOSFET at Drain bias = 1500V.

제안 방법

그림 7은 드레인 전압이 1500V일 때, 각 구조별 전계 분포가 나타난다. 3300V급일 때, 가용 동작 범위인 1500V로 드레인 전압을 동일하게 설정한 후, 전계 분포를 측정하였다. 모든 구조에서 최대 전계는 P-base 모서리에서 나타나는 것을 확인할 수 있다.
각 구조별 출력 특성은 그림 5에서 확인할 수 있다. 게이트의 전압이 2V에서 10V로 변화할 때, 기존의 DMOSFET, CSL, Semi-SJ MOSFET 구조의 드레인 전압에 변화에 따른 드레인 전류를 측정하였다. 게이트 전압이 10V일 때 각각의 온 저항은 기존 구조가 27.
기존의 DMOSFET 구조에 부분적으로 SJ를 도입한 Semi-SJ MOSFET 구조를 제안하였다. 제안한 구조의 정적 특성이 기존 구조 및 기존 구조를 개선한 형태인 CSL 구조와 비교했을 때 개선되는 것을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
3⨯10¹⁵ cm^-3보다 약 8배 정도 크다. 다음으로 drift 영역의 도핑 농도에 따라서 항복 전압과 온 저항이 트레이드-오프 관계를 가지기 때문에 도핑 농도를 변화시키면서 최적화 과정을 진행하였다.
85mΩㆍcm²이다. 따라서 FOM이 1593MWㆍ cm^-2으로 가장 높은 값을 가지며, 이때의 drift 도핑 농도로 최적화를 진행하였다. 또한 시뮬레이션을 진행한 Semi-SJ MOSFET 구조의 파라미터는 표 1과 같다.
본 논문에서는 본론에서 SJ의 도입을 통한 전계 특성의 향상을 설명하였으며, 제안한 소자의 drift 영역의 도핑 농도를 변화시키며 최적화하는 과정을 포함한다. 또한 Sentaurus TCAD 시뮬레이션을 통해 기존 DMOSFET 구조, CSL 구조와 Semi-SJ MOSFET 구조의 정적 특성을 비교하며 결론을 맺는다.
본 논문에서는 본론에서 SJ의 도입을 통한 전계 특성의 향상을 설명하였으며, 제안한 소자의 drift 영역의 도핑 농도를 변화시키며 최적화하는 과정을 포함한다. 또한 Sentaurus TCAD 시뮬레이션을 통해 기존 DMOSFET 구조, CSL 구조와 Semi-SJ MOSFET 구조의 정적 특성을 비교하며 결론을 맺는다.
앞에서 최적화한 Semi-SJ MOSFET과 기존의 DMOSFET, CSL 세 가지 구조에 대한 전계분포와 항복 전압 및 온 저항 등 정적 특성에 대해 시뮬레이션을 통해 측정하였다. 제안한 Semi-SJ MOSFET 구조의 파라미터는 표 1과 같으며, 다른 구조의 파라미터도 이와 유사하다.
제안한 Semi-SJ MOSFET 구조는 SJ 구조의 공정이 어렵기 때문에 pillar의 두께를 최소화 하면서, 동시에 SJ의 2차원 공핍 효과를 통한 항복 전압 특성 개선을 얻을 수 있도록 10㎛로 설정하였다. 이는 기존 구조에서 drift 영역의 두께인 26㎛의 약 40% 정도이다.

대상 데이터

이는 기존 구조의 항복 전압에 비해서는 약 8% 가량 감소한 수치로, 온 저항의 개선에 비해 서는 경미한 수준의 차이이다. FOM(BV 2 /Ron,sp)으로 각 구조를 비교해보면 기존 구조는 FOM이 401.15MWㆍcm ^-2이며, CSL 구조는 1011.37MWㆍ cm^-2이고, Semi-SJ MOSFET 구조는 1593.32MWㆍ cm^-2이다. 그 값은 기존 구조에 비해 약 297% 가량 증가했으며, CSL 구조에 비해서는 58% 가량 증가한 수치로, Semi-SJ MOSFET 구조가 정적 특성 에서 매우 개선된 구조임을 확인할 수 있다.

성능/효과

Drift 도핑 농도를 최적화한 Semi-SJ MOSFET 구조에서 항복 전압은 3053V로 기존 구조에 비해 약 8% 감소, 온 저항은 5.8mΩㆍcm2으로 기존 구조 보다 약 80% 감소하였다.
8mΩㆍcm²이다. Semi-SJ MOSFET은 기존의 온 저항에 비해서는 약 80% 가량, CSL 구조의 온 저항에 비해서는 약 44% 가량 줄어들면서 온 저항 특성이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 또한 P-base와 관련된 파라미터를 동일하기 때문에 구조가 변화함에도, 문턱 전압의 변화는 없을 것으로 예측할 수 있다.
32MWㆍ cm^-2이다. 그 값은 기존 구조에 비해 약 297% 가량 증가했으며, CSL 구조에 비해서는 58% 가량 증가한 수치로, Semi-SJ MOSFET 구조가 정적 특성 에서 매우 개선된 구조임을 확인할 수 있다.
3⨯10¹⁵ cm^-3으로 동일하게 설정하였다. 기존 DMOSFET의 y축 방향의 전계분포를 확인해 보면 사다리꼴 모양의 형태를 나타내는 것을 확인 할 수 있다. 반면 Semi-SJ MOSFET의 경우에는 SJ 구간에서는 전계분포가 균등해지면서 직사각형 모양에 가깝고, 그 아래 Drift 영역에서는 전계 분포가 다시 사다리꼴 모양을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
그림 3에 제안한 Semi-SJ MOSFET의 drift 도핑 농도에 따른 항복 전압과 온 저항의 관계가 나타난다. 도핑 농도가 증가함에 따라서 항복 전압과 온 저항이 모두 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
표 2는 시뮬레이션을 통해 얻은 각 구조의 정적 특성을 요약한 것이다. 제안한 Semi-SJ 구조는 온 저항 특성이 대폭 개선되었지만, 항복 전압은 경미하게 감소하였기 때문에 FOM이 매우 향상되는 것을 확인할 수 있다.
(c)와 같이 부분적으로 Super-Junction을 도입한 Semi-SJ MOSFET 구조를 제안하고자 한다. 제안한 구조는 SJ의 도입을 통해 전계 분포가 개선되고, 따라서 기존보다 높은 항복 전압을 가지게 된다. 또한 항복 전압의 개선을 통해 얻은 이득으로, pillar와 drift 영역의 도핑 농도를 높이는 것이 가능하다.
8mΩㆍcm²으로 기존 구조 보다 약 80% 감소하였다. 제안한 구조는 항복 전압이 약간 감소 하지만, 온 저항이 매우 개선되기 때문에 기존의 구조보다 우수한 정적 특성을 가진다. 따라서 소자의 동작에 있어서 전력 손실을 낮추고, 에너지 효율을 높일 수 있다.
기존의 DMOSFET 구조에 부분적으로 SJ를 도입한 Semi-SJ MOSFET 구조를 제안하였다. 제안한 구조의 정적 특성이 기존 구조 및 기존 구조를 개선한 형태인 CSL 구조와 비교했을 때 개선되는 것을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. SJ의 도입으로 2차원의 공핍 효과가 발생하여 항복 전압이 개선된다.
또한 P-base와 관련된 파라미터를 동일하기 때문에 구조가 변화함에도, 문턱 전압의 변화는 없을 것으로 예측할 수 있다. 출력 특성에 대한 시뮬레이션 결과를 통해서 예측한 대로, 세 구조 모두 문턱 전압이 4V에서 6V 사이로 동일한 것을 확인할 수 있다.
SJ의 도입으로 2차원의 공핍 효과가 발생하여 항복 전압이 개선된다. 항복 전압의 개선을 통해 얻은 이득으로 높은 농도의 도핑이 가능해지고, 결과적으로 낮은 온 저항 특성을 얻을 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CSL 구조는 어떤 구조인가?	(b)와 같이 DMOSFET에 Current Spreading Layer(CSL) 구조를 추가해주는 방식이 존재한다. CSL 구조는 JFET 영역과 Drift 영역 상단부의 도핑 농도를 높여준 구조로, JFET 영역의 저항을 감소시키며 동시에 Drift 영역 상단부의 전류 집중 현상을 억제를 통해 전류가 균등하게 분포될 수 있도록 하여 온 저항을 낮춰 준다[3-4]. 따라서 항복전압의 큰 감소 없이 낮은 온 저항을 얻는 것이 가능해진다.
	4H-SiC가 전력 반도체 소자에 적합한 이유는?	최근에, 차세대 전력 반도체 소자인 4H-SiC MOSFET에 대한 연구가 활발하게 진행중이다. 넓은 에너지 밴드 갭 물질인 4H-SiC는 높은 한계 전계(3MV/cm)와 낮은 진성 캐리어 농도 및 높은 열 전도율 등 전력 반도체 소자에 적합한 물성을 가지고 있다. 또한 Si 기반의 공정 플랫폼을 활용할 수 있다는 이점을 가지고 있기 때문에, 4H-SiC를 이용한 보다 폭넓은 연구가 필요하다[1-2].
	본 논문에서 제안한 부분적으로 Super-Junction을 도입한 Semi-SJ MOSFET 구조의 장점은?	(c)와 같이 부분적으로 Super-Junction을 도입한 Semi-SJ MOSFET 구조를 제안하고자 한다. 제안한 구조는 SJ의 도입을 통해 전계 분포가 개선되고, 따라서 기존보다 높은 항복 전압을 가지게 된다. 또한 항복 전압의 개선을 통해 얻은 이득으로, pillar와 drift 영역의 도핑 농도를 높이는 것이 가능하다. 최종적으로 도핑 농도의 증가를 통해서 제안한 Semi-SJ MOSFET 구조가 기존의 DMOSFET 구조와 CSL 구조에 비해 저 저항 특성을 가지게 된다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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