[논문]산업 파워 모듈용 900 V MOSFET 개발

정헌석

doi:10.4313/jkem.2020.33.2.109

산업 파워 모듈용 900 V MOSFET 개발
Development of 900 V Class MOSFET for Industrial Power Modules 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.33 no.2, 2020년, pp.109 - 113

정헌석 (극동대학교 에너지IT공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A power device is a component used as a switch or rectifier in power electronics to control high voltages. Consequently, power devices are used to improve the efficiency of electric-vehicle (EV) chargers, new energy generators, welders, and switched-mode power supplies (SMPS). Power device designs, which require high voltage, high efficiency, and high reliability, are typically based on MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) and IGBT (insulated-gate bipolar transistor) structures. As a unipolar device, a MOSFET has the advantage of relatively fast switching and low tail current at turn-off compared to IGBT-based devices, which are built on bipolar structures. A superjunction structure adds a p-base region to allow a higher yield voltage due to lower RDS (on) and field dispersion than previous p-base components, significantly reducing the total gate charge. To verify the basic characteristics of the superjunction, we worked with a planar type MOSFET and Synopsys' process simulation T-CAD tool. A basic structure of the superjunction MOSFET was produced and its changing electrical characteristics, tested under a number of environmental variables, were analyzed.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Superjunction MOSFET structure.
그림 Fig. 2. (a) The breakdown voltage and on resistance according to epi thickness that N drift resistivity was fixed to 60 Ω⋅cm and (b) the breakdown voltage and on resistance according to N drift resistivity that epi thickness was fixed to 70 ㎛.
그림 Fig. 3. The breakdown voltage and on resistance according to concentration N pillar layer.
그림 Fig. 4. (a) The breakdown voltage characteristies according to the size of P pillar implant window and P pillar epi thickness and (b) the on resistance characteristics according to the size of P pillar implant window and P pillar epi thickness.
그림 Fig. 5. (a) The electric field distribution and (b) the breakdown voltage and on resistance chracteristics according to the concentration of P pillar layer.
그림 Fig. 6. The threshold voltage characteristics according to P base doping concentration.
표 Table 1. Final structural variable settings.

AI 본문요약
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문제 정의

또한 초접합 구조는 P-base 아래 pillar 영역을 추가하여 낮은 온저항과 전계 분산으로 높은 항복전압의 장점이 있다 [1,3-5]. 따라서 본 논문에서는 초접합 구조를 갖는 900 V급 전력 MOSFET 소자를 설계하여, 전기적 특성을 보고자 하였다.
본 논문에서는 기존의 일반적인 온저항이 급격히 줄어든 MOSFET 900 V 초접합 MOSFET의 최적화를 진행하여, 해당되는 최적의 설계 및 공정 파라미터를 도출하였다. SiC MOSFET이 대체되고 있는 상황에서 Si 기반으로 온저항을 낮출 수 있는 소자이며, 같은 크기의 웨이퍼에서 생산효율을 높일 수 있는 소자라고 할 수 있다.

제안 방법

이를 10번 반복하여 P pillar를 10개의 층으로 구성하였다. 초접합 MOSFET의 에피층의 두께, 에피저항도, N pillar 농도 및 P pillar 농도에 따라 변화하는 항복전압, R_DS (on), 문턱전압에 대한 분석과 900 V 초접합 MOSFET의 최적화를 위한 실험을 진행하였다.

이론/모형

900 V급 초접합 MOSFET의 최적화를 실험하기 위해서 소자 및 공정 시뮬레이터인 T-CAD tool을 사용하여 검증하고자 하였다.

성능/효과

표 1에서는 최종적으론 도출된 설계 및 공정파라미터로서 소자의 전기적 특성은 항복전압 1,082.84 V, 문턱전압 3.93 V, 온저항 0.69 Ω (20 A 기준)으로 측 정되었으며, 기존의 일반적으로 온저항이 1 Ω 이상인 전력 MOSFET보다 우수한 온저항 특성을 보여주는 것을 알 수 있으며, 이를 이용하여 기존의 전력 MOSFET을 충분히 대체할 것으로 판단된다.

후속연구

이와 같은 파라미터를 이용하여 전기적인 특성을 분석한 결과, 항복전압은 1,080 V, 온저항은 690 mΩ을 갖는 우수한 특성을 보이고 있다. 본 논문에서 제안한 소자는 전기 및 하이브리드 자동차의 부품으로 충분히 활용 가능할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Power device란 무엇인가?	Power device는 고전압을 제어하는 데 사용되는 소자로 높은 신뢰성과 고효율을 필요로 하고, EV (electricvehicle) 충전기, 신재생 에너지 발전기, 용접기, 3-상 SMPS (switched-mode power supply), 전기자동차, 공장 자동화와 같은 다양한 산업의 효율 향상에 기여하고 있다 [1,2,6,7].
	Power device에는 무엇이 있는가?	Power device는 대표적으로 전력 MOSFET과 IGBT (insulated gate bipolar transistor)가 있다. 전력 MOSFET은 IGBT에 비해 빠른 스위칭 속도와 turn-off 시 꼬리전류(tail current)가 없는 장점이 있다 [8].
	Power device 중 전력 MOSEFET의 장점은 무엇인가?	Power device는 대표적으로 전력 MOSFET과 IGBT (insulated gate bipolar transistor)가 있다. 전력 MOSFET은 IGBT에 비해 빠른 스위칭 속도와 turn-off 시 꼬리전류(tail current)가 없는 장점이 있다 [8]. 또한 초접합 구조는 P-base 아래 pillar 영역을 추가하여 낮은 온저항과 전계 분산으로 높은 항복전압의 장점이 있다 [1,3-5]. 따라서 본 논문에서는 초접합 구조를 갖는 900 V급 전력 MOSFET 소자를 설계하여, 전기적 특성을 보고자 하였다.

참고문헌 (8)

J. H. Ji and J. H. Go, Bulletin of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers, 30, 3 (2017).
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B. J. Kim, H. S. Chung, S. J. Kim, E. S. Jung, and E. G. Kang, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 25, 170 (2012). [DOI: https://doi.org/10.4313/JKEM.2012.25.3.170]

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