초록 ▼

□ 연구목적
SiC 기반 전력소자는 고전력/고주파/광소자/고온에서 뛰어난 장점을 가지고 에너지절감 측면에서 차세대 소자로서 연구가치와 산업응용분야에서의 중요성이 인식되고 있음.
본 연구에서는 4H-SiC 기판/에피를 향상된 에너지 절감형 전력소자에 적용하기 위하여 1200V 급 SiC FET 구조를 개발하고자 함.

□ 연구내용
본 연구에서는 고에너지갭 (Wide bandgap) 재료인 탄화규소(SiC)를 기반으로 하여 지속가능한 에너지 절감을 가능하게 할 수 있는 연구를 수행하였음.
< SiC FE

□ 연구목적
SiC 기반 전력소자는 고전력/고주파/광소자/고온에서 뛰어난 장점을 가지고 에너지절감 측면에서 차세대 소자로서 연구가치와 산업응용분야에서의 중요성이 인식되고 있음.
본 연구에서는 4H-SiC 기판/에피를 향상된 에너지 절감형 전력소자에 적용하기 위하여 1200V 급 SiC FET 구조를 개발하고자 함.

□ 연구내용
본 연구에서는 고에너지갭 (Wide bandgap) 재료인 탄화규소(SiC)를 기반으로 하여 지속가능한 에너지 절감을 가능하게 할 수 있는 연구를 수행하였음.
< SiC FET 소자 설계 및 단위공정 기반기술 >
[광운대학교 ↔ Fraunhofer IISB]
- SiC 소자 구조의 모델링 및 시뮬레이션 및 설계한 소자 구조의 공정 변수 평가
[광운대학교 ↔ ITME]
- 4H-SiC 기판 제작을 위한 Bulk 및 에피 성장 테스트
- Bulk 및 에피 성장과정의 defect 최소화
- 가스유량의 따른 wafer 성장과정 defect 최적화
- 에피택셜 및 bulk SiC 재료의 Polytype 균질화를 위한 분석
[Fraunhofer IISB]
- 공정 변수를 고려한 게이트 산화막 및 이온주입 공정 TEST 소자 제작
< SiC FET 공정 최적화 기술 및 평가기술 개발 >
[광운대학교 ↔ Fraunhofer IISB]
- 게이트산화 공정 및 이온주입 공정이 포함된 TEG 패턴 분석
- Wafer Level 및 Package 소자의 전압/전류 분석
[광운대학교 ↔ ITME]
- ITME의 고품질 SiC 에피 웨이퍼를 이용한 FET 소자 제작

□ 연구결과
본 연구는 광운대학교의 추진아래 SiC 기반 MOSFET 소자를 설계 최적화하고 ITME에서 에피웨이퍼의 defect을 개선 후 성장하여 고품질의 에피웨이퍼를 공급하며 Fraunhofer IISB의 고온의 Ion Implanter, Annealing Oven을 통해 안정적이고 신뢰할 수 있는 소자를 성공적으로 제작하였음. 시뮬레이션을 통한 소자를 설계함에 있어서 소자성능을 결정하는 주요 요인인 에피층, JFET영역, P-well 영역의 도핑농도 및 두께를 최적화하였고 이온주입 시뮬레이션을 통해 공정최적화를 수행하였음. 또한 고품질의 에피웨이퍼 성장을 위한 defect개선에 있어서 가스유량, 성장속도 및 C/Si의 영향을 조사하여 고품질의 에피웨이퍼를 제작하였음. 제작한 고품질의 에피웨이퍼를 이용하여 이온주입공정 및 게이트 산화공정에 있어서는 도펀트의 활성화에너지와 절연막 형성시 조건을 최적화 하여 소자를 제작하였고, 이렇게 제작한 소자는 TEG패턴 분석, Wafer Level 및 Package 소자의 전압/전류 분석을 통해 성능(온-저항, 항복전압 등)을 확인 및 검증 평가하였음. 이를 통하여 기술의 확보 외에도 추가적인 국제 공동연구가 이미 도출 되고 있으며, 확대적으로 EU프로젝트에도 광운대학교가 참여 진행할 기반을 마련하였음.

□ 연구결과의 활용계획
SiC 에너지 소자는 기존 Si 기반 반도체와 비교하여 우수한 고온특성, 고내압특성 및 고속 스위칭 특성을 가지고 있음. 이에 미국, 유럽, 일본 등의 경우에 이미 많은 연구가 진행되고 있으나 국내에서는 아직 충분한연구가 이루어지지 못하고 있는 실정임. 따라서 개발한 SiC 기반 전력소자는 국내의 나노기술, 에너지반도체 기반 기술의 향상을 촉진할 것임.
또한 본 연구에서 “Resource and Sustainability”을 바탕으로 진행된 광운대 (대한민국)는 국제공동연구기관인 Fraunhofer IISB (독일), ITME(폴란드)의 협력 연구기관의 노하우와 기반 단위공정/분석에 관한 원천기술확보와 네트워크를 확립하였으며, 이를 기반으로 추가적인 공동연구가 이미 도출 되고 있으며, 국내 고성능 에너지 소자 및 학문 발전에 크게 기여할 것임.

(출처 : 한글요약문 4p)

Abstract ▼

□ Purpose
Silicon Carbide (SiC) based power electronic devices have excellent advantages in high-power voltage, high-frequency, optical devices, high-temperature and as a next-generation device in terms of energy saving, research value and importance in industrial applications are recognized. In

□ Purpose
Silicon Carbide (SiC) based power electronic devices have excellent advantages in high-power voltage, high-frequency, optical devices, high-temperature and as a next-generation device in terms of energy saving, research value and importance in industrial applications are recognized. In this study, we have developed a 1200V-class SiC FET structure to prepare the 4H-SiC substrate / epitaxial layer to an energy-saving power device via the collaboration between three countries.

□ Contents
In this study, we have conducted research to enable sustainable energy saving based on silicon carbide (SiC), which is a high band gap material.
< SiC FET device design and unit process based technology >
[KWU ↔ Fraunhofer IISB]
- Modeling and simulation of SiC device structure
- Evaluation of process parameters of designed device structure
[KWU ↔ ITME]
- Bulk and epitaxial growth test for 4H-SiC substrate fabrication
- Minimizing defect in bulk and epitaxial layer in growth processes
- Optimization of defect in wafer growth process depending on gas flow rate
- Analysis for Polytype-Homogenization of Epitaxial and bulk SiC Materials
[Fraunhofer IISB]
- Fabrication of test device applied process parameters for forming gate oxide film and ion implantation
< SiC FET process optimization technology and evaluation technology development >
[KWU ↔ Fraunhofer IISB]
- TEG pattern analysis including gate oxidation and ion implantation
- Voltage / Current Analysis of Wafer Level and Package Device
[KWU ↔ ITME]
- Fabrication of FET device using high-quality SiC epitaxial wafer from ITME

□ Results
The design and optimize SiC-based MOSFET devices was done by Kwangwoon University; KWU. ITME in Poland improved the defects of epi wafers and provided high quality epi wafers. We had successfully produced stable and reliable power devices through high-temperature ion implanter in Fraunhofer IISB, Germany. In the design of the device through simulation, we had successfully optimized the parameters of devices such as doping concentration, thickness of epitaxial layer, JFET region and P-well region. The process optimization was also performed through ion implantation simulation. We investigated the effect of gas flow rate, growth rate, and C/Si on the improvement of defect for producing high quality SiC materials. In the ion implantation process and the gate oxidation process, the activation energy of the dopant and the process conditions for the formation of the insulating film were optimized to fabricate the device using the manufactured epitaxial layer/wafer. The fabricated device was analyzed by measuring TEG patterns, wafer-level and packaged devices. The results and collaborative workshops started to result in additional funded collaboration opportunities among the institutes of the three countries.

□ Expected Contribution
Power devices based on SiC have superior characteristics such as high-temperature, high breakdown voltage and high-speed switching characteristics compared with characteristics based on Si semiconductors. However, there have been many studies in the US, Europe, and Japan, but not enough studies have been conducted in Korea. Therefore, the developed SiC-based power devices will promote the improvement of technologies based on domestic nanotechnology and semiconductors for energy. Based on the "Resource and Sustainability" in this study, Kwangwoon University (Korea) has acquired the know-how of the collaborative research institutes of Fraunhofer IISB (Germany) and ITME (Poland). This will contribute to the development of high performance next generation devices and recently planned new collaborative activities in Korea.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발 과제의 개요 ... 6
• 2. 연구수행 내용 및 결과 ... 8
• 3. 목표 달성도 및 자체평가 ... 30
• 4. 연구결과의 활용계획 ... 31
• 5. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 31
• 6. 참고문헌 ... 33
• 7. 연구성과 ... 33
• 8. 기타사항 ... 46
• 별첨. 대 표 연 구 성 과 ... 51
• 끝페이지 ... 57