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SiC UMOSFET 구조에 따른 온도 신뢰성 분석
Temperature Reliability Analysis based on SiC UMOSFET Structure 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.24 no.1, 2020년, pp.284 - 292  

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

초록
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SiC 기반 소자는 silicon 소자 대비 1200V 이상의 고전압 환경에서 우수하게 동작하며 특히 매우 높은 온도에서 안정적인 특성을 보여준다. 따라서 최근 1700V급 UMOSFET이 전기 자동차, 항공기 등의 전력시스템의 사용을 목표로 활발하게 연구개발 되고 있다. 본 논문에서는 최근 연구되고 있는 세 종류의 1700급 UMOSFET-Conventional UMOSFET (C-UMOSFET), Source Trench UMOSFET (ST-UMOSFET), Local Floating Superjunction UMOSFET (LFS-UMOSFET)-에 대해 온도 변화(300K-600K)에 따른 전력소자에서 중요한 변수 (breakdown voltage(BV), on-resistance(Ron), threshold voltage(vth), transconductance(gm))의 신뢰성 특성을 비교 분석하였다. 세 소자 모두 온도 증가에 따른 BV 증가, Ron 증가, vth 감소, gm 감소를 확인하였다. 그러나 세 소자의 구조 차이에 따라 BV, Ron vth, gm 변화에 차이가 있어 그 정도 및 원인에 대해 비교 분석하였다. 모든 결과는 sentaurus TCAD을 통해 simulation 되었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

SiC-based devices perform well in high-voltage environments of more than 1200V compared to silicon devices, and are particularly stable at very high temperatures. Therefore, 1700V UMOSFET has been actively researched and developed for the use of electric power systems such as electric vehicles and a...

주제어

#4H-SiC   #Temperature variation effect   #breakdown voltage   #on-resistance   #threshold voltage shift   #transconductance  

표/그림 (15)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 하지만 SiC 소자는 아직 개발 및 초기 응용 단계에 있어 온도에 따른 소자 변수의 신뢰성에 관한 연구는 초기 단계이다. 따라서 본 논문에서는 현재 SiC 소자로서 가장 활발히 연구되고 있는 SiCMOSFET, 특히 1700V급 SiC UMOSFET에 대해 온도 영향을 조사, 분석하였다. Power MOSFET에서 중요한 전기적 변수로는 파괴전압 (BV ), 온저항(Ron ), 문턱 전압 (vth ), 트랜스 컨덕턴스 (gm) 등이 있다.
  • 현재 연구에서는 Conventional UMOSFET (CUMOSFET)[8], Local Floating superjunction UMOSFET (LFS-UMOSFET)[9], Source Trench UMOSFET (ST-UMOSFET)[10] 세 가지 구조의 상온에서의 항복 전압, 온저항 분석이 주를 이루고 있으며 최근에 개발된 LFS-UMOSFET와 STUMOSFET의 온도 변화의 영향을 포함하는 내용은 보고된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 초기에 개발된 C-UMOSFET, LFS-UMOSFET, STUMOSFET세 가지 구조에 대해 온도 변화에 따른 소자의 BV, Ron , vth , gm 값의 변화에 미치는 영향을 분석하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
SiC 기반 소자의 특징은? SiC 기반 소자는 silicon 소자 대비 1200V 이상의 고전압 환경에서 우수하게 동작하며 특히 매우 높은 온도에서 안정적인 특성을 보여준다. 따라서 최근 1700V급 UMOSFET이 전기 자동차, 항공기 등의 전력시스템의 사용을 목표로 활발하게 연구개발 되고 있다.
MOSFET이 온도 증가에 따라 문턱 전압이 감소하는 이유는? 세 소자 모두 온도증가에 따라 vth가 감소한다. 그 이유는 높은 온도일 때 valence band에서 conduction band로 에너지를 받아 이동하는 intrinsic carrier concentration이 증가하여 채널을 더 낮은 전압에서 형성할 수 있기 때문이다.
ST-UMOSFET의 구조적 장점은? C-UMOSFET에서 trench oxide에 높은 E-field가 집중되어 소자가 열화되는 현상이 있다. ST-UMOSFET는 source oxide 양단에 E-field가 분산되어 gate trench 구석에 과도하게 E-field가 몰리는 현상을 방지할 수 있다. 따라서 한계 E-field를 초과하지 않게 되어 항복 전압이 높아지는 이점이 있다.
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참고문헌 (16)

  1. K. Puschkarsky, T. Grasser, T. Aichinger, W. Gustin, and H. Reisinger, "Review on SiC MOSFETs High-Voltage Device Reliability Focusing on threshold voltage Instability," IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.66, No.11, pp.4604-4616, 2019. DOI: 10.1109/TED.2019.2938262 

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  2. H. Li, X. Lia, Y. Hu, Z. Huang, and K. Wang, "Analysis of voltage variation in silicon carbide MOSFETs during turn-on and turn-off," Energies, Vol.10, No.10, pp.1456, 2017. DOI: 10.3390/en10101456 

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  3. T. Aichinger, G. Rescher, and G. Pobegen, "Threshold voltage peculiarities and bias temperature instabilities of SiC MOSFETs," Microelectronics Reliability, Vol.80, pp.68-78, 2018. DOI: 10.1016/j.microrel.2017.11.020 

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  4. B. Asllani, A. Fayyaz, A. Castellazzi, H. Morel, and D. Planson, "VTH subthreshold hysteresis technology and temperature dependence in commercial 4H-SiC MOSFETs," Microelectronics Reliability, Vol.88, pp.604-609, 2018. DOI: 10.1016/j.microrel.2018.06.047 

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  5. T. Funaki, J. C. Balda, J. Junghans, A. S. Kashyap, H. A. Mantooth, F. Barlow, T. Kimoto, and T. Hikihara, "Power conversion with SiC devices at extremely high ambient temperatures," IEEE Transactions on Power electronics, Vol.22, No.4, pp.1321-1329, 2007. DOI: 10.1109/TPEL.2007.900561 

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  6. W. Zhou, X. Zhong, and K. Sheng, "High temperature stability and the performance degradation of SiC MOSFETs," IEEE Transactions on Power electronics, Vol.29, No.5, pp.2329-2337, 2013. DOI: 10.1109/TPEL.2013.2283509 

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  7. Z. Chen, Y. Yao, D. Boroyevich, K. D. Ngo, P. Mattavelli, and K. Rajashekara, "A 1200-V, 60-A SiC MOSFET multichip phase-leg module for high-temperature, high-frequency applications," IEEE Transactions on Power electronics, Vol.29, No.5, pp.2307-2320, 2013. DOI: 10.1109/TPEL.2013.2283245 

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  8. B. J. Baliga, Silicon Carbide Power MOSFET, World Scientific Publishing Co., New York, 2006. 

  9. K. Taehong and K. Kwangsoo, "High Breakdown Voltage and Low On-Resistance 4H-SiC UMOSFET with Source-Trench Optimization," ECS Journal of Solid State Science and Technology, Vol.8, No.8, pp.147-152, 2019, DOI: 10.1149/2.0091908jss 

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  10. G. Jinyoung and K. Kwangsoo, "Low on-resistance 4H-SiC UMOSFET with local floating superjunction," Journal of Computational Electronics, Vol.19, pp.234-241, 2020. DOI: 10.1007/s10825-019-01408-1 

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  11. S. Chen, C. Cai, T. Wang, Q. Guo, and K. Sheng, "Cryogenic and high temperature performance of 4H-SiC power MOSFETs," In 2013 Twenty-Eighth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp.207-210, 2013. DOI: 10.1109/APEC.2013.6520209 

  12. B. J. Baliga, Advanced Power MOSFET Concepts, Springer Science & Business Media, New York, 2010. 

  13. B. Asllani, A. Castellazzi, O. A. Salvado, A. Fayyaz, H. Morel, and D. Planson, "VTH-Hysteresis and Interface States Characterisation in SiC Power MOSFETs with Planar and Trench Gate," 2019 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS), pp.1-6, 2019. DOI: 10.1109/irps.2019.8720612 

  14. M. Hasanuzzaman, S. K. Islam, and L. M. Tolbert, "Effects of temperature variation (300-600 K) in MOSFET modeling in 6H-silicon carbide," Solid-State Electronics, Vol.48, No.1, pp.125-132, 2004. DOI: 10.1016/S0038-1101(03)00293-4 

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  15. L. Hui, L. Xinglin, H. Yaogang, Z. Zheng, S. Erbing, and X. Hongwei, "Analysis of SiC MOSFET dI/dt and its temperature dependence," IET Power Electronics, Vol.11, No.3, pp.491-500, 2018. DOI: 10.1049/iet-pel.2017.0203 

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  16. B. J. Baliga, Fundamentals of Power Semiconductor Devices, Springer Science & Business Media, New York, 2008. 

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