Depletion Trench SJ 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.

 

[출처] X. Luo et al., "A Low Loss and On-State Voltage Superjunction IGBT with Depletion Trench," 2020 32nd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), 2020, pp. 130-133, doi: 10.1109/ISPSD46842.2020.9170193.

 

 

 

 

<개요>

 

본 논문에서는 낮은 전력 손실과 On-state voltage(Von) 를 위해 Depletion Trench(DT) 라는 새로운 구조를 제안합니다. DT 라는 새로운 구조는 기존의 Conventional SuperJunction(Conv. SJ) IGBT 에 비해 소자가 on-state 일 때는 더 높은 hole density 를 유지하여 전도도를 높여 낮은 Von 을 유지시킵니다. 또한 소자를 turn-off 할 때는 hole extraction 을 원할하게 하여 낮은 Eoff 를 만들어 전도도와 전력손실을 동시에 개선합니다.

 

<본문>

DT SJ IGBT

위 DT SJ IGBT 구조를 보게 되면 Conv. SJ IGBT 와 달리 Gate 가 2개가 존재하고 emitter 가 gate 와 gate 사이 하나 존재하여 총 2개가 존재합니다.

 

 

이러한 구조는 on-state 일 때 hole density 를 높여 conductivity modulation 을 강화하는 역할을 합니다. 소자 turn-on 시, Gate Voltage 가 가해지게 되면 Gate oxide 표면에 depletion 영역이 발생하고 electron 쌓이게 됩니다. 그런데 DT 구조의 경우 Gate 2개가 나란히 존재하므로,  Cutline A-B 를 참고하면, gate 사이의 영역 전체에 걸쳐 depletion 이 발생합니다. 또한 Cutline C-D 를 참고하면, Gate 의 + 전압이 발생시키는 depletion 영역은 hole 의 진입을 막는 hole barrier 의 기능을 수행하는 것을 알 수 있습니다.이로 인해 hole extraction 이 감소하고 소자 전체의 hole density 가 높아지고 conductivity modulation 이 강화되어 전도도를 향상시킵니다

일반적인 소자의 경우 hole density 를 높여 conductivity modulation 이 강화되면 turn-off 시에 높은 hole density 에 의해 높은 Eoff 가 발생하고 turn-off 되는데까지의 시간이 지연되는 부정적 효과 또한 동반됩니다. 그러나 DT 구조의 경우 Gate Voltage 가 가해지는 동안에만 hole barrier 가 유지되므로 turn-off 시에 Gate Voltage 가 꺼지면 hole barrier 또한 사라지게 되면서 gate 사이의 emitter 로도 hole extraction 이 원할하게 일어납니다. 

즉, DT 구조는 on-state 일 때는 hole barrier 가 작동하고 turn-off 일 때는 hole barrier 가 사라져 일반적인 소자에서의 Eoff vs. Von 의 trade off 관계를 적잖은 폭으로 개선합니다.

 

 

 

더 자세한 자료와 내용은 본 논문에서 확인 할 수 있습니다.

 

[출처] X. Luo et al., "A Low Loss and On-State Voltage Superjunction IGBT with Depletion Trench," 2020 32nd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), 2020, pp. 130-133, doi: 10.1109/ISPSD46842.2020.9170193.