Planar IGBT - floating p layer, carrier storage layer 의 결합

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] Zhang, Meng, et al. "Enhanced Conduction Characteristics in SiC IGBT with Floating p-Grid Shielded Thick Current Storage Layer." ECS Journal of Solid State Science and Technology 8.12 (2019): Q230.

 

 

 

 

 

<개요>

 

본 논문에서는 전도도 특성을 강화시키는 동시에 Breakdown voltage 감소를 막기 위해 carrier storage layer(CSL) 와 floating p layer 를 함께 사용하였습니다.

 

<본문>

 

 

 

 

 

CSL (2 x 10^16 cm^-3) <= 도핑농도

 

: n-drift (2.5 x 10^14 cm^-3) 의 도핑농도보다 더 높게 n도핑된 layer 입니다. 

 

floating p layer

 

: carrier storage layer 하단에 위치한 p 도핑된 layer 입니다.

 

 

 

 

 

 

1. CSL 의 동작

 

1) 장점

 

- CSL 은 n-drfit 영역보다 더 높은 n도핑이 되어었는 영역이므로 위 그림과 같이 에너지밴드가 n-drfit 영역보다 더 낮아집니다.

conventional igbt / carrier storage layer igbt

- 위 그림과 같이 일반적인 igbt 라면 off-state 에서 collector voltage 를 가할 때 hole 들이 p 영역으로 유출됩니다. 하지만 csl 이 존재 할 경우  CSL 가 hole 에 대한 장벽 역할을 해주어 hole 이 유출되지 않고 n- drift 영역에 축적 될 수 있게 합니다. 이렇게 축적된 많은 양의 hole 들은 conductivity modulation 을 강화시켜 igbt 의 전도도 특성을 향상시킵니다.

 

2) 단점

 

- Breakdown Voltage 를 감소시킵니다. 

conventional igbt/ CSL igbt 공핍영역 비교

CSL 는 n-drift 보다 더 높은 도핑농도를 가지기 결국 더 강한 자계를 발생시킵니다. 위 그림은 conventional 한 구조일 때의 depletion 영역과 CSL 이 존재할 때의 depletion 영역을 비교한 그림입니다. 위 그림에서 확인 할 수 있듯 CSL 이 존재 할 때가 conventional 일 때에 비해 더 깊은 depletion 영역이 발생하게 되고 이는 depletion 영역에 더 많은 이온들이 자계를 발생시키는 것으로 이어집니다. 이러한 강한 자계가 igbt 소자의 breakdown 을 촉진시켜 breakdown voltage 가 감소하게 되는 결과를 가져옵니다.

 

2. floating p layer 의 동작

 

- floating p layer 는 CSL 에 의해 발생하는 breakdown voltage 감소를 억제하기 위해 사용되었습니다. igbt 는 고전압 환경에서 사용되는  대표적인 전력반도체로 off-state 일 때 collector 로 부터 고전압이 가해집니다. 이때 전압의 많은 부분이 cathode 부분의 PN 접합에 가해지게 되어 electric field 가 PN 접합 한 부분에 집중되어 breakdown voltage 감소를 촉진시킵니다. 

 

- 위 그림에서 확인 할 수 있듯 P-body / N (CSL) 접합 아래에 P (floating layer) / N- drift 접합이 존재합니다. 이렇게 floating p layer 존재 할 경우, 원래는 P-body / N (CSL) 접합에만 집중되었어야 할 electric field 가 P (floating layer) / N- drift 접합 에 함께 가해짐으로서 electric field 가 분산되는 효과를 가져옵니다. 이러한 효과는 본 논문의 Figure 4. 에서 확인 할 수 있습니다.

 

 

이상으로 이번 논문 소개 및 리뷰 마치겠습니다^^

 

더 자세한 자료와 내용은 본 논문에서 확인 할 수 있습니다.

 

[출처] Zhang, Meng, et al. "Enhanced Conduction Characteristics in SiC IGBT with Floating p-Grid Shielded Thick Current Storage Layer." ECS Journal of Solid State Science and Technology 8.12 (2019): Q230.