[논문]4.5 kV급 Super Junction IGBT의 Pillar 간격에 따른 전기적 특성 분석

이건희; 안병섭; 강이구

doi:10.4313/jkem.2020.33.3.173

[국내논문] 4.5 kV급 Super Junction IGBT의 Pillar 간격에 따른 전기적 특성 분석
Analysis of Electrical Characteristics According to the Pillar Spacing of 4.5 kV Super Junction IGBT 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.33 no.3, 2020년, pp.173 - 176

이건희 (극동대학교 에너지IT공학과) , 안병섭 (극동대학교 에너지IT공학과) , 강이구 (극동대학교 에너지IT공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study focuses on a pillar in which is implanted a P-type maneuver under a P base. This structure is called a super junction structure. By inserting the pillar, the electric field concentrated on the P base is shared by the pillar, so the columns can be dispersed while maintaining a high breakdown voltage. Ten pillars were generated during the multi epitaxial process. The interval between pillars is varied to optimize the electric field to be concentrated on the pillar at a threshold voltage of 6 V, a yield voltage of 4,500 V, and an on-state voltage drop of 3.8 V. The density of the filler gradually decreased when the interval was extended by implanting a filler with the same density. The results confirmed that the size of the depletion layer between the filler and the N-epitaxy layer was reduced, and the current flowing along the N-epitaxy layer was increased. As the interval between the fillers decreased, the cost of the epitaxial process also decreased. However, it is possible to confirm the trade-off relationship that deteriorated the electrical characteristics and efficiency.

Keyword

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Field stop and super junction structure electric field characteristics.
그림 Fig. 2. Interval between pillars in super junction IGBT (a) 1.4 ㎛, (b) 1.7 ㎛, (c) 2 .0 ㎛, and ( d) 2 .3 ㎛.
그림 Fig. 3. (a) The electric field distributions until 400 ㎛ of depth and (b) the electric field distributions until 60 ㎛ of depth according to the spacing between pillars.
그림 Fig. 4. The electrical characteristics according to pillar thickness.
그림 Fig. 5. The carrier concentrations in the pillar.
그림 Fig. 6. Current flow lines according to carrier concentration.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 다중 애피택셜로 4.5 kV급 초접합 필드스톱 IGBT를 최적화를 진행하였으며 필러의 간격을 조절하였을 때 전기적 특성이 변화하는 것을 실험을 통해 관찰하고자 하였다 [5-11].

제안 방법

1에 제기된 문제를 해결하기 위하여 필러의 사이간격 실험을 진행하고자 한다. 같은 개수의 필러를 임플란트(implant)해도 애피택시층의 두께가 작아질수록 공정비용과 시간을 절감할 수 있기 때문에 필러의 사이 간격에 관한 실험을 진행하고 전기적 특성을 확인하고자 한다.
필러의 사이 간격(두께)을 1.4~2.3 ㎛까지 간격을 조금씩 증가시키면서 실험을 진행하였으며, 1.9 um 미만은 문턱전압 전류량이 1 × 10-⁶A를 나타내면서 턴오프 상태를 유지하였다. 이후 필러 사이 간격(두께)이2.

성능/효과

9 um 미만은 문턱전압 전류량이 1 × 10-⁶A를 나타내면서 턴오프 상태를 유지하였다. 이후 필러 사이 간격(두께)이2.0 um 이상으로 넓어질수록 필러에 걸리는 전계가 완화되며 항복전압이 소폭 증가하고 있다는 것을 알수 있으며, 온-상태 전압 강하의 특성이 좋아지는 것을 확인하였다. 필러 간 거리가 증가함에 따라 필러에 중첩되는 농도가 낮아지기 때문에 N-애피택시층과의 공핍층이 완화되는 현상을 볼 수 있으며 이에 따라 전류 포텐셜과 같이 애피택시층과 필러 간의 채널 병목현상이 줄어들어 캐리어가 이동하는 것을 확인할 수 있다.
필러 간 거리가 증가함에 따라 필러에 중첩되는 농도가 낮아지기 때문에 N-애피택시층과의 공핍층이 완화되는 현상을 볼 수 있으며 이에 따라 전류 포텐셜과 같이 애피택시층과 필러 간의 채널 병목현상이 줄어들어 캐리어가 이동하는 것을 확인할 수 있다. 필러의 사이 간격이 작아질수록 애피택셜 공정의 비용절감 등에 이득을 볼 수 있지만 전기적 특성 및 효율이 나빠지는 트레이드-오프 관계를 확인할 수 있었다.
0 um 이상으로 넓어질수록 필러에 걸리는 전계가 완화되며 항복전압이 소폭 증가하고 있다는 것을 알수 있으며, 온-상태 전압 강하의 특성이 좋아지는 것을 확인하였다. 필러 간 거리가 증가함에 따라 필러에 중첩되는 농도가 낮아지기 때문에 N-애피택시층과의 공핍층이 완화되는 현상을 볼 수 있으며 이에 따라 전류 포텐셜과 같이 애피택시층과 필러 간의 채널 병목현상이 줄어들어 캐리어가 이동하는 것을 확인할 수 있다. 필러의 사이 간격이 작아질수록 애피택셜 공정의 비용절감 등에 이득을 볼 수 있지만 전기적 특성 및 효율이 나빠지는 트레이드-오프 관계를 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	필러의 제작 방법은 무엇이 있는가?	이것은 P-베이스(base) 아래 P형의 기둥이 존재하는 구조이며 이 기둥은 필러(pillar)라고 한다. 필러의 제작 방법은 2가지가 있으며 트랜치(trench)로 식각하는 방법과 다중의 애피택셜(epitaxial)을 진행하는 방법이 있다 [1-4].
	IGBT는 무엇인가?	IGBT는 insulated gate bipolar transistor의 줄임말로서 bipolar transistor와 MOSFET의 구조를 결합한 전력반도체이다. 본 논문에서 제시하는 구조는 초접합 필드 스톱(super junction field stop) 구조이다.
	초접합 필드 스톱(super junction field stop) 구조는 어떠한 구조인가?	본 논문에서 제시하는 구조는 초접합 필드 스톱(super junction field stop) 구조이다. 이것은 P-베이스(base) 아래 P형의 기둥이 존재하는 구조이며 이 기둥은 필러(pillar)라고 한다. 필러의 제작 방법은 2가지가 있으며 트랜치(trench)로 식각하는 방법과 다중의 애피택셜(epitaxial)을 진행하는 방법이 있다 [1-4].

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