PT, NPT, FS IGBT 의 비교와 CPT IGBT 소개

* 본글의 내용은 논문 본문의 내용을 참조하였습니다 .

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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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[출처1]N. Iwamuro and T. Laska, "IGBT History, State-of-the-Art, and Future Prospects," in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 64, no. 3, pp. 741-752, March 2017, doi: 10.1109/TED.2017.2654599.

 

[출처2] J. Vobecky, M. Rahimo, A. Kopta and S. Linder, "Exploring the Silicon Design Limits of Thin Wafer IGBT Technology: The Controlled Punch Through (CPT) IGBT," 2008 20th International Symposium on Power Semiconductor Devices and IC's, 2008, pp. 76-79, doi: 10.1109/ISPSD.2008.4538901.

 

 

 

 

*pt, npt, fs igbt 의 비교

 

Punch Through IGBT (pt igbt)

 

 pt igbt 의 특징으로는 그림에서 볼 수 있듯이 넓고 높게 도핑된 p+ collector 층 입니다. 이러한 구조 때문에 n-drfit 영역 너머로까지 depletion 영역이 이어져서 결국 punch through 현상이 일어나기에 이러한 이름이 붙은 것 같습니다. 

igbt 는 기본적으로 on 상태 일 때의 낮은 voltage drop 과 빠른 스위칭 속도를 지향합니다. 그러나 넓고 높게 도핑된 p+ collector 는 많은 양의 hole 을 주입하고 이는 곧 tail current 현상을 크게 나타나게 하여 스위칭 속도를 지연시킨다.

 

Non Punch Through IGBT (npt igbt)

 

 그래서 낮은 voltage drop 과 빠른 스위칭 속도를 함께 가지기 위해 npt igbt 가 개발되었다. npt igbt 의 pt igbt 와 비교되는 점은 좁고 낮게 도핑된 p collector 와 넓어진 n drift 층, 그리고 buffer 층의 부재이다. buffer 층은 electric field 잡기 위해 필요하다. electric field 가 collector 층까지 이어지게 되면 breakdown 현상을 야기하여 높은 전압을 가할 수가 없다. 그렇기에 n-drift 영역이 짧아 그 안에서 e-field 를 전부 처리 할 수 없는 pt igbt 경우에는 높게 도핑된 n+ buffer 를 사용하여 e-field 를 처리하였으나, npt igbt는 좁은 p collector 를 사용한 만큼 n-drift 영역을 넓힐 수 있게 되어 굳이 n buffer 를 사용 할 필요가 없어졌다. 또한 소자의 길이가 줄어 효율 높게 사용 할 수 있게 되었다. 

 

Field Stop IGBT (fs igbt)

 

 그리고 npt igbt 에서 fs(field stop) layer 를 하나 깔면 소자의 길이를 좀 더 줄일 수 있게 된다. fs igbt 를 npt igbt 와 비교해 보면 소자의 길이가 약간 더 준 것을 확인 할 수 있다. 이는 fs layer 가 있었기에 가능했던 것인데 fs layer 는 말 그대로 e-field 를 잡기 위한 층으로 n buffer 보다는 낮게, n-drift 영역 보다는 조금 더 높게 도핑을 쳐서 e-field 를 차단 하는 것이다. 결국 이러한 구조를 통해 소자 길이를 줄일 수 있기에 효율은 더욱 증가 한다. 

 

-이러한 구조들이 igbt 의 가장 기본적인 형태들로 더 자세한 내용은 이 논문에서 살펴볼 수 있습니다. 이제부터는 이 논문에서 제안한 새로운 구조 cpt igbt 를 간단히 소개하겠습니다.

 

이번 논문에서 제시하는 controlled punch through igbt(cpt igbt) 는 fs igbt 의 연장선상으로 생각 할 수 있습니다.

 

*spt igbt 는 pt,npt igbt 를 합쳐놓은 구조로 fs igbt 의 field stop layer 보다 높은 도핑농도를 가진 것 외에는 거의 유사하다고 생각해도 될 것 같습니다.

 

<개요>

 

 igbt 에서는 소자의 길이가 짧아 질 수록 소자 내 저항이 적어짐으로 인해 Vcesat(on-state saturation voltage) 전압이 낮아집니다. Vcesat 이 낮아지면 포화전류가 흐르는데 요구되는 전압이 적어지는 것이므로 on-state loss 가 감소 합니다. 그러나 반대로 소자의 길이가 줄면 electric field 를 차단 할 영역이 줄게 되므로 breakdown voltage 또한 줄어들게 되어 소자에 가할 수 있는 최대 전압이 점점 더 낮아지게 됩니다.

 igbt 소자 길이를 줄일 때는 이러한 trade-off 를 고려 해야 하는데 이번 논문에서의 저자는 기존의 spt-igbt 는 이러한 trade-off 의 효율이 떨어진다고 주장하면서 새로운 구조인 cpt igbt를 소개합니다.  

 

<본문>

 

위의 그림은 cpt igbt 의 도핑 농도를 나타낸 것 입니다. 이를 보면 buffer 층이  2개 로 나눈 것을 확인 할 수 있습니다. 

기존의 spt buffer 는 비교적 넓은 공간에 도핑이 쳐져있는데, 이게 차지하는 공간 대비 효율이 높지 않았기에 cpt igbt에서는 좁은 공간에 높게 도핑을 쳐서 spt buffer 를 대체하고 소자의 길이를 줄이는 것으로 Vcesat 을 줄였습니다. N1 층은 E-field 를 막고, N2 층은 bipolar transistor gain 을 최적화 하는 역할을 합니다. 

 그러나 이러한 2층의 짧고 높은 n도핑 구조는 공정이 사실상 어렵다.

 

이상으로 이번 논문 소개 및 리뷰 마치겠습니다^^