"Anode Side " SuperJunction IGBT 의 디자인과 컨셉

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

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

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[출처] M. Antoniou, N. Lophitis, F. Udrea, F. Bauer, U. R. Vemulapati and U. Badstuebner, "On the Investigation of the “Anode Side” SuperJunction IGBT Design Concept," in IEEE Electron Device Letters, vol. 38, no. 8, pp. 1063-1066, Aug. 2017, doi: 10.1109/LED.2017.2718619.

 

 

 

 

<개요>

 

본 논문에서는 일반 trench igbt 의 anode side 에 superjunction 구조를 삽입하는 새로운 디자인 컨셉을 제안합니다. Anode side SJ 구조는 일반적인 Trench FS+ 보다 더 큰 전압을 수용 할 수 있어 Breakdown Voltage(BV) 더욱 개선됩니다.

 

<본문>

 

Figure R1. Conventional Trench IGBT, Anode side SJ IGBT

 

본 논문의 Figure 1 or Figure R1을 참조해보면 Anode side SJ 구조는 p anode 방면에 n-drift 영역과 동일한 도핑농도의 p piller 를 줄지어 세워놨습니다. 일반적인 Superjunction igbt는 기존의 n-drift region 전체를 SuperJunction 구조로 대체하는 것에 반해 Anode side SJ 구조는  p anode 방면 일부만을 SJ 구조로 대체하는 것에 있어 차이가 있습니다. 굳이 일부만 대체한 이유는 본 논문의 Figure 2를 통해 어느정도 알 수 있을 것 같습니다. 

 

Figure R2. E-field_ Trench vs. Anode side SJ

논문의 Figure 2 or Figure R2에 나오는 각 구조의 Electric Field 를 보면, Trench igbt 는 E-field 가 p-anode 방면으로 갈수록 점점 하락하는 것을 알 수 있습니다. 이러한 구조는 BV 최적화에 별로 좋지 않은 구조입니다. Power 소자의 경우 고전압에서도 안정적으로 동작하기 위해 Breakdown Voltage 가 높아야하고 이를 위해서는 Voltage 가 소자 전체에 최대한 골고루 퍼져있는 것이 좋습니다. 하지만 Trench igbt 의 경우 Cathode 방면의 P/N junction 에서 E-field 가 제일 높고 Anode 방면으로 갈수록 E-field 의 수용량이 점점 줄어드는 것이 Cathode 방면에서 avalanche breakdown 이 발생하기 쉬운 구조입니다. 따라서 본 논문의 저자는 고전압이 걸렸을 때 소자에 걸리는 E-field 를 최대한 flat 하게 만들고자 p-anode 방면에만 Superjunction 구조를 삽입한 것으로 보입니다. 

BV 그래프는 제시하지 않았지만, 결과적으로 Anode SJ 구조는 같은 소자 두께일때 더 높은 전압을 수용 할 수 있다고  본 논문에서는 언급합니다. 

 

논문의 Figure 3 에서는 각 소자의 hole density 를 보여주는데 SJ 구조에서는 P piller / N piller 에 따라 hole density 에 차이가 생기는 것을 알수 있고 energy bandgap 때문에 발생한 것으로 이해 할수 있습니다.  그리고 Cathode 방면에서는 Anode SJ 구조가 Trench 구조에 비해 낮은 hole density 를 보입니다. 이러한 현상은 Figure 2 에서 설명한 E-field 의 분포로 설명 가능 할 것 같습니다. Trench 구조는 소자가 off-state 일 때, E-field 가 Cathode 방면으로 크게 걸리는 바람에 BV 가 낮아지는 현상이 생겼지만, 마찬가지로 소자가 on-state 일때도 E-field 가 강하게 걸립니다. 소자에 E-field 가 상대적으로 강하게 걸리는 것은 carrier 의 속도가 증가한다는 것이고 이는 소자의 전도 특성이 좋다는 것을 의미합니다. 이러한 관점에서 Anode side SJ 구조를 보게 되면, off-state 일 때는 E-field 를 분산시켜서 BV 가 높아졌으나 on-state 일 때는 SJ 구조가 E-field 를 잡아먹는 바람에 Cathode 로 도달하는 E-field 크기가 줄어들 수 밖에 없습니다.

 따라서 holde density 가 Trench 구조에 비해 전반적으로 낮은 것이고, on-state performance 가 Trench 구조에 비해 나쁘다고 개선하기 위해서는 p-anode 의 도핑농도를 높여야한다고 본 논문에서는 언급합니다.

 

논문의 Figure 4. 에서는 switching 할 때의 전압, 전류의 변화를 보여줍니다. 이를 참고했을 때 SJ 구조가 전압 인가가 지연되는 현상이 발생합니다. 이는 SJ 구조의 전형적인 현상으로 앞서 언급한 SJ 구조의 특성과 같은 맥락입니다. 전압이 인가되고 SJ 구조에 도달하게 되면 SJ 구조는 전압을 많이 수용할 수 있는 구조이기 때문에 거기서 지연이 발생하게 됩니다. 그 이후에는 전압이 급격하게 상승하는 데 이는 switching loss 를 줄여주기도 하지만 EMI noise 를 발생시키는 부정적인 효과도 가져옵니다. 그렇지만 본 논문에서는 이런 부정적 효과는 '섬세한' gate-drive 디자인으로 컨트롤 할 수 있다고 언급합니다.

 

 

 

더 자세한 자료와 내용은 본 논문에서 확인 할 수 있습니다.

 

[출처] M. Antoniou, N. Lophitis, F. Udrea, F. Bauer, U. R. Vemulapati and U. Badstuebner, "On the Investigation of the “Anode Side” SuperJunction IGBT Design Concept," in IEEE Electron Device Letters, vol. 38, no. 8, pp. 1063-1066, Aug. 2017, doi: 10.1109/LED.2017.2718619.