Superjunction 구조의 원리

안녕하세요. 저는 전기공학과 학부연구생이고 논문리뷰하는 내용 블로그에 정리하면서 생각도 정리하고 겸사겸사 기록도 남겨놓으려는 의도로 리뷰 작성했습니다.

​

논문의 모든 내용을 요약정리 하기 보다는(저작권문제) 제가 보면서 파악한 부분들을 간단하게나마 정리하여 논문을 소개하는 형식으로 리뷰하겠습니다.

​

[출처] F. Udrea, G. Deboy and T. Fujihira, "Superjunction Power Devices, History, Development, and Future Prospects," in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 64, no. 3, pp. 713-727, March 2017, doi: 10.1109/TED.2017.2658344.​

 

 

 

 

<기존 소자의 한계>

 

Power mosfet 기준으로 봤을 때 Rs(substrate 저항), Rn(emitter 저항), Rch(채널 저항), Ra(accumlation layer 저항), RJFET (JFET 저항), 이러한 저항들이 직렬로 연결되어 있습니다. => 논문의 Figure.1.

 

30 V 정도의 저전압 대에서는 전압이 Rs, Rn, Rch, Ra, RJEFT , 이러한 많은 저항들에 일정하게 분포합니다.

ex) Rs = 7%, Rch = 28%, Rdrift = 29 .....

 

그런데 600V 정도의 고전압 대에서는 drift 대부분의 전압이 Rdrift (drift 저항) 에 걸리게 됩니다.

ex) Rdrift = 96.5%, Rch = 1.5%, Rs = 0.5% => Table. 1

 

기존의 power 소자에서는 저전압에서 고전압으로 갈 수록 큰 전압에도 breakdown 되지 않도록 drift region 의 크기, 즉 소자의 두께를 점점 더 늘리게 됩니다.

breakdown 의 원인은  Pwell/N-drift접합에 electric field 가 critical 한 단계에 도달 했을 때 발생하는 avalanche 현상 때문입니다. 그래서 고전압으로 갈 수록  Pwell/N-drift 접합에 critical 한 electric field (= E-field) 가 도달하지 못하게 하기 위해서 소자의 두께는 점점 더 늘어나게 됩니다.

하지만 소자의 두께가 늘어나는 것은 소자의 전체 저항자체가 늘어나는 것을 의미하고 이는 소자의 전도도 저하로 이어집니다.

이러한 breakdown voltage(= BV) 와 전도도 사이의 trade off 관계가 기존 소자의 한계입니다. 그리고 Superjunction concept 은 이러한 한계를 극복 할 수 있는 방법을 제공합니다.

 

<Superjunction concept>

 

power 소자에서 breakdown 이 일어나는 원인은 앞서 설명했듯이  Pwell/N-drift 접합(= p/n 접합)에 가해지는 cirital 한 수준의 E-field 때문입니다. 그러면 BV 를 높이기 위해서는 p/n 접합에 가해지는 E-field 가 감소하면 될 것 입니다. 가해지고 있던 E-field 를 사라지게 할 수는 없으니 다른 영역으로 E-field 를 분산시키는 것이 p/n 접합에 가해지고 있는 E-field 를 줄이는 유일한 방법일 것입니다.

 

conventional p-i-n diode / superjunction p-i-n diode

superjunction 구조는 drift 영역을 n-piller 와 p-piller 로 나눔으로서 P+/N- 접합에 가해지는 E-field 를 기존의 N-drift 영역으로 분산시킵니다.

conventional p-i-n diode 의 경우 대부분의 E-field 가 P+/N- 접합에 집중됩니다. 그런데 p-piller 가 추가 될 경우 전압이 drift 영역 전반에 걸쳐 E-field 가 분포되므로 P+/N- 접합에 가해지는 E-field 가 줄어들게 됩니다.

 

따라서 같은 크기의 전압을 두 소자에 가했을 때, superjunction 구조의 P/N 접합에 가해지는 E-field 의 양이 훨씬 적을 것이기 때문에 superjunction 구조의 BV 는 기존의 구조에 비해 크게 개선됩니다.

 

conventional vs. superjunction structure / E-field distribution

그러므로 소자의 두께가 같을 경우에 BV 는 superjunction 구조의 power device 가 더 높다는 것이고, 이는 superjunction device 의 소자 두께를 줄여 conventional device 와의 BV 레벨을 맞췄을 경우 drift 영역의 저항 감소로 전도도 측면에서 superjunction power deivce 가 더 높은 성능을 낼 수 있음을 의미합니다.

 

 

 

더 자세한 자료와 내용은 본 논문에서 확인 할 수 있습니다.

 

[출처] F. Udrea, G. Deboy and T. Fujihira, "Superjunction Power Devices, History, Development, and Future Prospects," in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 64, no. 3, pp. 713-727, March 2017, doi: 10.1109/TED.2017.2658344.​