KR102383610B1 - 동적 스위칭시 전류 및 전압의 슬로프 제어가 가능한 전력 반도체 장치 - Google Patents

동적 스위칭시 전류 및 전압의 슬로프 제어가 가능한 전력 반도체 장치 Download PDF

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Abstract

동적 스위칭시 전류 및 전압의 슬로프 제어가 가능한 전력 반도체 장치가 제공된다. 전력 반도체 장치는, 반도체 기판과 다수의 트랜지스터 셀들로 구성되어 액티브 영역에 위치되는 셀 어레이를 포함하고, 상기 액티브 영역에 위치되는 트랜지스터 셀들 각각은 에미터 영역, 바디 영역, 컨택 영역 및 게이트 영역 영역을 포함하며, 상기 셀 어레이를 구성하는 다수의 트랜지스터 셀들에는 불균일한 문턱 전압값이 설정되고, 트랜지스터 셀들 각각에는 입출력 유닛을 통해 게이트 신호가 전달되며, 상기 입출력 유닛은 트랜지스터 셀들 각각에 포함된 게이트 영역에 게이트 충전 전류를 공급하는 제1 신호 경로와, 게이트 영역으로부터 게이트 방전 전류를 방출하는 제2 신호 경로를 포함할 수 있다.

Description

동적 스위칭시 전류 및 전압의 슬로프 제어가 가능한 전력 반도체 장치{Power semiconductor device capable of controlling slope of current and voltage during dynamic switching}
본 발명은 동적 스위칭시 전류 및 전압의 슬로프 제어가 가능한 전력 반도체 장치에 관한 것이다.
본 발명은, 중소기업기술정보진흥원의 중소기업기술혁신개발사업(수출지향형) (과제고유번호: S2857706, 연구과제명: 태양광 인버터용 650V급 Diode 내장형 초박막 IGBT 기술 개발의 결과물이다.
절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 전력용 금속-산화물-반도체 전계효과트랜지 스터(전력용 MOSFET) 및 여러 형태의 사이리스터 등과 같이, 전력전자분야에서 중요한 요소인 전력 반도체 장치는, 자동차 응용분야뿐 아니라 다양한 산업 분야의 다양한 요구(예를 들어, 높은 절연 전압, 낮은 도통 손실, 스위칭 속도, 낮은 스위칭 손실 등)에 충족하도록 개발되고 있다.
전력 반도체 장치의 일 예로서, IGBT는 통상적으로 2개의 부하 단자 사이의 부하 전류 경로를 따라 부하 전류를 전도하도록 구성된 반도체 본체를 포함하고, 부하 전류 경로는 절연된 게이트 전극에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 드라이버 유닛으로부터 대응하는 제어 신호를 수신하면, 게이트 전극은 IGBT를 전도 상태(conducting state) 및 차단 상태(blocking state) 중 어느 하나로 설정할 수 있다.
일부의 경우에서, 게이트 전극은 IGBT의 트렌치 내에 포함될 수 있으며, 이 트렌치는 예를 들어 트랜지스터 셀 (Transistor Cell, TC) 들로 구성되는 액티브 영역내에 스트라이프 구성 (stripe pattern configuration) 또는 셀룰러 구성(cellular type configuration) 을 나타낼 수 있다.
일반적으로, 스위칭 손실과 같은 IGBT의 손실은 낮게 유지하는 것이 바람직하다. 낮은 스위칭 손실은 고속 스위칭 동작, 즉 짧은 스위칭 지속 시간(예를 들어, 짧은 턴온(turn-on) 지속 시간 및/또는 짧은 턴오프(turn-off) 지속 시간)을 보장함으로써 달성될 수 있다.
그러나, 낮은 IGBT 손실을 확보하기 위한 고속 스위칭 동작에 의해서는 di/dt 기울기(slope) 및/또는 dv/dt 기울기에 따른 EMI(Electro Magnetic Interference) 노이즈 문제가 야기될 수 있다. 또한, 고속 스위칭 동작은, 회로 내의 기생 인덕턴스(inductance) 등의 성분에 의해 전압 스파이크(spike), 게이트 오실레이션(oscillation) 등이 야기될 수도 있다.
이와 같이, 게이트 구조를 가지는 전력 반도체 장치는 스위칭 동작시 원하는 수준의 di/dt 기울기 및/또는 dv/dt 기울기 특성을 용이하게 확보하기 어렵고, 또한 게이트 구동회로에 과도한 저항을 사용하는 경우에는 스위칭 손실이 급격하게 증가하는 문제점이 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
한국 공개특허공보 제10-2019-0045876호(dV/dt 제어성을 가진 IGBT)
본 발명은 소자 내부의 게이트 입력 전압에 대한 전류 응답 특성을 조절하여 목표한 스위칭 과도현상(transient) 특성을 확보할 수 있는 동적 스위칭시 전류 및 전압의 슬로프 제어가 가능한 전력 반도체 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 주어진 어플리케이션에 대해 규정된 요구 사항에 부합하는 스위칭 손실, dv/dt 기울기 및/또는 di/dt 기울기 특성을 확보할 수 있는 동적 스위칭시 전류 및 전압의 슬로프 제어가 가능한 전력 반도체 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 반도체 기판과 다수의 트랜지스터 셀들로 구성되어 액티브 영역에 위치되는 셀 어레이를 포함하고, 상기 액티브 영역에 위치되는 트랜지스터 셀들 각각은 에미터 영역, 바디 영역, 컨택 영역 및 게이트 영역을 포함하며, 상기 셀 어레이를 구성하는 다수의 트랜지스터 셀들에는 불균일한 문턱 전압값이 설정되고, 트랜지스터 셀들 각각에는 입출력 유닛을 통해 게이트 신호가 전달되며, 상기 입출력 유닛은 트랜지스터 셀들 각각에 포함된 게이트 영역에 게이트 충전 전류를 공급하는 제1 신호 경로와, 게이트 영역으로부터 게이트 방전 전류를 방출하는 제2 신호 경로를 포함하는 전력 반도체 장치가 제공된다.
트랜지스터 셀들 각각에 전달되는 게이트 신호에 상응하여, 문턱 전압값이 상대적으로 낮게 설정된 트랜지스터 셀부터 턴온되어 상기 전력 반도체 장치가 스위칭 온되고, 문턱 전압값이 상대적으로 높게 설정된 트랜지스터 셀부터 턴오프되어 상기 전력 반도체 장치가 스위칭 오프될 수 있다.
다수의 트랜지스터 셀들에 불균일한 문턱 전압값이 설정되도록 하기 위해, 다수의 트랜지스터 셀들은 에미터 영역의 측면 방향의 폭 길이가 불균일하게 형성될 수 있다.
다수의 트랜지스터 셀들에 불균일한 문턱 전압값이 설정되도록 하기 위해, 다수의 트랜지스터 셀들은 에미터 영역과 컨택 영역 사이의 이격 거리가 불균일하게 형성될 수 있다.
다수의 트랜지스터 셀들에 불균일한 문턱 전압값이 설정되도록 하기 위해, 다수의 트랜지스터 셀들은 컨택 영역과 게이트 영역 사이의 이격 거리가 불균일하게 형성될 수 있다.
상기 입출력 유닛은, 게이트 패드에 전기적으로 연결되는 공통 게이트 노드; 상기 셀 어레이에 포함된 트랜지스터 셀들의 게이트 영역에 전기적으로 각각 연결되는 제1 중간 노드와 제2 중간 노드; 트랜지스터 셀들의 게이트 영역에 게이트 충전 전류를 공급하는 자세로, 상기 제1 신호 경로인 상기 공통 게이트 노드와 상기 제1 중간 노드의 구간에 배치되는 온칩 다이오드인 턴온 다이오드; 및 트랜지스터 셀들의 게이트 영역으로부터 게이트 방전 전류를 방출시키는 자세로, 상기 제2 신호 경로인 상기 공통 게이트 노드와 상기 제2 중간 노드의 구간에 배치되는 온칩 다이오드인 턴오프 다이오드를 포함하되, 상기 제1 중간 노드와 상기 제2 중간 노드는 전기적으로 연결되고, 상기 턴온 다이오드와 상기 턴오프 다이오드는 서로 반대 방향으로 자세될 수 있다.
상기 제1 중간 노드와 상기 제2 중간 노드를 연결하는 구간, 상기 제1 신호 경로 및 상기 제2 신호 경로 중 하나 이상에 저항이 배치될 수 있다.
상기 제1 신호 경로에 배치되는 저항과 상기 제2 신호 경로에 배치되는 저항은 서로 다른 크기를 가질 수 있다.
상기 전력 반도체 장치는 모스펫 트랜지스터일 수 있다. 또는, 상기 전력 반도체 장치는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터일 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 소자 내부의 게이트 입력 전압에 대한 전류 응답 특성을 조절하여 목표한 스위칭 과도현상(transient) 특성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 주어진 어플리케이션에 대해 규정된 요구 사항에 부합하는 스위칭 손실, dv/dt 기울기 및/또는 di/dt 기울기 특성을 확보할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 일반적인 트렌치 게이트 구조의 IGBT의 단면 구조를 예시한 도면.
도 2 및 3은 본 발명의 각 실시예에 따른 트렌치 게이트 구조의 IGBT의 단면 구조를 예시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 불균일한 문턱 전압값이 설정된 트랜지스터 셀들이 구비된 IGBT를 예시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 불균일한 문턱 전압값이 설정된 트랜지스터 셀들의 배치 및 동작 상태를 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 입출력 유닛이 내장된 IGBT를 예시한 도면.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 입출력 유닛의 다양한 변형예를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 로드(inductive load) 상태에서의 IGBT의 스위칭 파형을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 IGBT에서 게이트 전압 파형의 조절 방식의 차별성을 설명하기 위한 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소 "위(on)"에 존재하는 것으로 또는 "위로(onto)" 확장되는 것으로 기술되는 경우, 그 요소는 다른 요소의 직접 위에 있거나 직접 위로 확장될 수 있고, 또는 중간의 개입 요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 하나의 요소가 다른 요소 "바로 위(directly on)"에 있거나 "바로 위로(directly onto)" 확장된다고 언급되는 경우, 다른 중간 요소들은 존재하지 않는다. 또한, 하나의 요소가 다른 요소에 "연결(connected)"되거나 "결합(coupled)"된다고 기술되는 경우, 그 요소는 다른 요소에 직접 연결되거나 직접 결합될 수 있고, 또는 중간의 개입 요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 하나의 요소가 다른 요소에 "직접 연결(directly connected)"되거나 "직접 결합(directly coupled)"된다고 기술되는 경우에는 다른 중간 요소가 존재하지 않는다.
"아래의(below)" 또는 "위의(above)" 또는 "상부의(upper)" 또는 "하부의(lower)" 또는 "수평의(horizontal)" 또는 "측면의(lateral)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적인 용어들은 여기에서 도면에 도시된 바와 같이 하나의 요소, 층 또는 영역의 다른 요소, 층 또는 영역에 대한 관계를 기술하는데 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면에 묘사된 방향(orientation)에 부가하여 장치의 다른 방향을 포괄하기 위한 의도를 갖는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이하에서는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 중심으로 설명하지만, 본 발명의 기술적 사상이 전력용 MOSFET 등 여러 형태의 반도체 소자에 동일 또는 유사하게 적용 및 확장될 수 있음은 당연하다. 또한, 이하에서는 설명의 편의를 위해 트렌치 게이트 구조를 중심으로 설명하지만, 본 발명의 기술적 사상이 플라나 게이트 구조 등 다양한 게이트 구조에 범용적으로 적용 및 확장될 수 있음은 당연하다.
도 1은 일반적인 트렌치 게이트 구조의 IGBT의 단면 구조를 예시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 트렌치 게이트 구조의 IGBT는 N 도전형의 드리프트 영역(20), P 도전형의 바디 영역(30), N+ 도전형의 에미터 영역(40), P+ 도전형의 컨택 영역(50), P 도전형의 컬렉터 영역(60) 및 트렌치 게이트 영역을 포함한다.
트렌치 게이트 영역을 형성하도록, N+ 도전형의 에미터 영역(40)들을 통해 연장되는 트렌치들은 절연층(33)으로 라이닝(lining)되고, 전도성 폴리실리콘 게이트(35)로 채워진다. 전도성 폴리실리콘 게이트(35)는 외부의 전극 단자(G)에 전기적으로 연결되도록 배선(도시되지 않음)된다.
IGBT의 액티브 영역에는 동일하게 구성된 다수의 트랜지스터 셀(Transistor Cell, TC)들로 구성된 셀 어레이가 구비된다. 트랜지스터 셀(TC)들 각각에는 에미터 영역(40), 바디 영역(30), 컨택 영역(50) 및 트렌치 게이트 영역이 포함될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 IGBT의 액티브 영역에 위치되는 각각의 트랜지스터 셀(TC)에서는 에미터 영역(40)의 측면(lateral) 방향의 폭 길이(도 1에 도시된 a)와, 에미터 영역(40)과 컨택 영역(50) 사이의 이격 거리(도 1에 도시된 b)가 모두 동일하게 설정된다. 이로 인해, IGBT에 구비된 모든 트랜지스터 셀(TC)들은 동일한 문턱 전압값에서 스위칭 온/오프 구동된다.
따라서, 통상의 IGBT는 스위칭 온/오프 동작시 원하는 수준의 di/dt 기울기 및/또는 dv/dt 기울기 특성을 용이하게 확보하기 어렵고, 또한 게이트 구동회로에 과도한 저항을 사용하는 경우에는 스위칭 손실이 급격하게 발생되는 문제점이 있다.
도 2 및 3은 본 발명의 각 실시예에 따른 트렌치 게이트 구조의 IGBT의 단면 구조를 예시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 불균일한 문턱 전압값이 설정된 트랜지스터 셀들이 구비된 IGBT를 예시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 불균일한 문턱 전압값이 설정된 트랜지스터 셀들의 배치 및 동작 상태를 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 입출력 유닛이 내장된 IGBT를 예시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 입출력 유닛의 다양한 변형예를 나타낸 도면이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 로드(inductive load) 상태에서의 IGBT의 스위칭 파형을 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 IGBT에서 게이트 전압 파형의 조절 방식의 차별성을 설명하기 위한 도면이다. 앞서 언급한 바와 같이, 본 실시예에 따른 IGBT는 플라나 게이트 구조를 가질 수도 있으나, 이하에서는 설명의 편의상 트렌치 게이트 구조의 IGBT를 중심으로 설명한다.
도 2 및 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 트렌치 게이트 구조의 IGBT는 다수의 트랜지스터 셀(TC)들로 구성된 셀 어레이가 액티브 영역에 구비되고, 셀 어레이를 구성하는 트랜지스터 셀들에 불균일한 문턱 전압(Threshold voltage) 값이 설정되도록 생성된다.
여기서, 불균일한 문턱 전압값이 설정될 수 있도록 하기 위해, IGBT에 포함되는 트랜지스터 셀들을 형성하는 공정 조건이 상이해지거나, 트랜지스터 셀의 일부 구조가 변경될 수 있다.
즉, 도 2 및 3에 각각 예시된 바와 같이, IGBT에 구비되는 각각의 트랜지스터 셀(TC)들이 각각 의도된 문턱 전압값으로 설정될 수 있도록 하기 위해, 에미터 영역(40)의 측면(lateral) 방향의 폭 길이가 불균일(도 2에 도시된 a1과 a2 참조)하거나, 에미터 영역(40)과 컨택 영역(50) 사이의 이격 거리(도 2에 도시된 b)가 불균일하거나, 컨택 영역(50)과 트렌치 게이트 영역 사이의 이격 거리가 불균일(도3에 도시된 c1과 c2 참조)할 수 있다.
일 예로, 도 2에 예시된 바와 같이, P+ 도전형의 컨택 영역(50)은 크기와 트렌치 게이트 영역과의 이격 간격이 균일하게 생성하지만, N+ 도전형의 에미터 영역(40)의 측면(lateral) 방향의 폭 길이가 불균일하도록 트랜지스터 셀들이 생성될 수 있다.
컨택 영역(50)과 이격되도록 에미터 영역(40)이 형성된 제1 그룹(TC-gr1)의 트랜지스터 셀들의 경우에는, IGBT의 제조를 위한 열 처리 공정 중에 컨택 영역(50)이 측면 방향으로 확산되어 컨택 영역(50)과 에미터 영역(40)의 이격된 사이 영역(도 2에 b로 표시된 영역)의 이온 농도가 P 도전형의 바디 영역(30)에 비해 상대적으로 높은 P 도전형 농도로 형성될 수 있다(즉, 채널 농도가 차별화됨).
이와 같이, 컨택 영역(50)과 접촉되도록 에미터 영역(40)이 형성된 제2 그룹(TC-gr2)의 트랜지스터 셀들과 전술한 제1 그룹(TC-gr1)의 트랜지스터 셀들의 에미터 영역(40)의 측면 방향의 폭 길이를 서로 다르게 함으로써, 열 처리에 따른 컨택 영역(50)의 측면 방향 확산에 따른 영향 정도가 달라지도록 할 수 있다.
즉, 도 2에 도시된 IGBT의 경우, 제2 그룹(TC-gr2)의 트랜지스터 셀들의 에미터 영역(40)이 상대적으로 긴 측면 방향의 폭 길이로 형성됨(a1<a2)으로써, 컨택 영역(50)의 측면 방향 확산에 따른 영향을 작게 받아 문턱 전압값이 상대적으로 낮게 설정된다(즉, 제2 그룹(TC-gr2)의 트랜지스터 셀들의 문턱 전압값(Vth_gr2) < 제1 그룹(TC-gr1)의 트랜지스터 셀들의 문턱 전압값(Vth_gr1)).
다른 예로, 도 3에 예시된 바와 같이, N+ 도전형의 에미터 영역(40)의 측면(lateral) 방향의 폭 길이는 균일하게 생성하지만, P+ 도전형의 컨택 영역(50)의 폭 길이나 형성 위치가 불균일하도록 트랜지스터 셀들이 생성될 수도 있다. 즉, 컨택 영역(50)은 측면에 배치된 에미터 영역(40)과 접촉하도록 형성되거나, 에미터 영역(40)과 이격되는 폭 길이로 형성되거나 해당 위치에 형성될 수도 있다.
이 경우, 컨택 영역(50)과 트렌치 게이트 영역의 이격 간격을 조정함으로써, 열처리 공정에 따른 컨택 영역(50)의 측면 방향 확산시 채널 영역의 피크(peak) 농도가 조절되도록 할 수 있고, 이를 통해 해당 트랜지스터 셀의 문턱 전압값의 크기가 제어되도록 할 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 IGBT의 경우, 제1 그룹(TC-gr1)의 트랜지스터 셀들의 컨택 영역(50)과 트렌치 게이트 영역 사이의 이격 거리(c1)가 제2 그룹(TC-gr2)의 트랜지스터 셀들의 컨택 영역(50)과 트렌치 게이트 영역 사이의 이격 거리(c2)에 비해 상대적으로 길게 형성됨으로써, 제1 그룹(TC-gr1)의 트랜지스터 셀들이 상대적으로 낮은 채널 영역의 피크 농도를 가지게 되고 이로 인해 상대적으로 낮은 문턱 전압값으로 설정된다(제1 그룹(TC-gr1)의 트랜지스터 셀들의 문턱 전압값(Vth_gr1) < 제2 그룹(TC-gr2)의 트랜지스터 셀들의 문턱 전압값(Vth_gr2)).
전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 IGBT는 구비된 각 트랜지스터 셀들의 공정 조건 및/또는 셀 구조를 불균일(예를 들어, 에미터 영역(40)의 측면 방향의 폭 길이 불균일, 에미터 영역(40)과 컨택 영역(50) 사이의 이격 거리 불균일 및/또는 컨택 영역(50)과 트렌치 게이트 영역 사이의 이격 거리 불균일 중 하나 이상)하게 생성함으로써, 트랜지스터 셀들의 문턱 전압값이 불균일하게 설정되도록 할 수 있다.
이때, IGBT에 구비된 트랜지스터 셀들의 문턱 전압값은 도 4의 (a)에 예시된 바와 같이, 하나 이상의 트랜지스터 셀들이 속하는 그룹 단위로 공통된 문턱 전압값이 설정(예를 들어, 제1 그룹에 속하는 트랜지스터 셀들의 문턱 전압값 Vth1, 제2 그룹에 속하는 트랜지스터 셀들의 문턱 전압값 Vth2 등)되도록 할 수 있다.
또한, 도 4의 (b)에 예시된 바와 같이, 각각의 트랜지스터 셀이 서로 상이한 문턱 전압값(예를 들어, 제1 트랜지스터 셀의 문턱 전압값은 Vth1, 제2 트랜지스터 셀의 문턱 전압값은 Vth2 등)을 가지도록 설정될 수도 있다.
도 5의 (a)에는 IGBT의 액티브 영역에 구비된 트랜지스터 셀들이 각각 설정된 문턱 전압값에 따라 3개의 그룹(즉, TC-gr1, TC-gr2 및 TC-gr3)으로 구분되는 경우가 예시되어 있다. 여기서, 각 그룹에 속하는 트랜지스터 셀의 문턱 전압값은 Vth1(TC-gr1) < Vth2(TC-gr2) < Vth3(TC-gr3)의 크기 관계를 가지는 것으로 가정한다.
이 경우, 게이트 전압을 점차 증가하거나 점차 감소하도록 인가하여 IGBT의 스위칭 온/오프 동작을 수행하면, 도 5의 (b)에 예시된 바와 같이, 상대적으로 낮은 문턱 전압값을 가지는 그룹에 속하는 트랜지스터 셀들부터 순차적으로 턴 온되고, 상대적으로 높은 문턱 전압값을 가지는 그룹에 속하는 트랜지스터 셀들부터 순차적으로 턴 오프된다.
참고로, 도 5의 (b)에는 액티브 영역에 배치된 트랜지스터 셀들 각각이 제1 내지 제3 그룹에 속하도록 규정되고, 문턱 전압값이 가장 낮은 제1 그룹의 외부를 상대적으로 문턱 전압값이 높은 제2 그룹이 둘러싸고, 제2 그룹의 외부를 문턱 전압값이 가장 높은 제3 그룹이 둘러싸도록 배치된 경우가 예시되어 있다.
이러한 배치 구조에서, IGBT의 스위칭 온 동작시에는 상대적으로 낮은 문턱 전압값을 가지는 내측에 배치된 제1 그룹의 트랜지스터 셀들부터 턴온되어 주위로 턴온 영역이 넓어지게 되고, IGBT의 스위칭 오프 동작시에는 상대적으로 높은 문턱 전압값을 가지는 최외측에 배치된 제3 그룹의 트랜지스터 셀들부터 턴오프되어 턴온 영역이 중심 영역을 향해 좁아지게 된다.
도 6에는 입출력 유닛(90)이 내장된 IGBT가 예시되어 있다. 입출력 유닛(90)은 트랜지스터 셀들 각각에 위치된 트렌치 게이트 영역과 게이트 패드를 전기적으로 연결하도록 구성되고, 트랜지스터 셀들 각각에 포함된 트렌치 게이트 영역에 충전 전류를 공급하는 제1 신호 경로와, 트렌치 게이트 영역으로부터 방전 전류를 방출하는 제2 신호 경로를 제공한다.
도 7의 (a)에 예시된 바와 같이, 입출력 유닛(90)은 게이트 공통 게이트 노드(ND0)과 제1 중간 노드(ND1) 사이에 온칩(on-chip) 다이오드인 턴온 다이오드(Don)가 트랜지스터 셀들에 게이트 충전 전류(Igon)를 공급하는 자세로 배치되고, 게이트 공통 게이트 노드(ND0)과 제2 중간 노드(ND2) 사이에 온칩 다이오드인 턴오프 다이오드(Doff)가 트랜지스터 셀들로부터 게이트 방전 전류(Igoff)를 방출시키는 자세로 배치된다. 즉, 턴온 다이오드(Don)와 턴오프 다이오드(Doff)는 전류 흐름 방향이 역방향이 되도록 서로 반대 방향으로 배치된다.
또한, 제1 중간 노드(ND1)과 제2 중간 노드(ND2)는 서로 전기적으로 연결되고, 제1 및 제2 중간 노드(ND1, ND2) 각각은 트랜지스터 셀들 각각에 구비된 트렌치 게이트 영역과 전기적으로 연결된다.
따라서, 공통 게이트 노드(ND0)으로 입력되는 게이트 충전 전류(Igon)는 턴온 다이오드(Don)가 배치된 제1 신호 경로를 통해 흘러 제1 및 제2 중간 노드(ND1, ND2)에 연결된 각각의 트랜지스터 셀들로 제공되어, 각각의 트랜지스터 셀들이 설정된 문턱 전압에서 턴온되도록 한다.
또한 반대로, IGBT의 스위칭 오프 동작시, 제1 및 제2 중간 노드(ND1, ND2)로 입력되는 게이트 방전 전류(Igoff1, Igoff2)는 턴오프 다이오드(Doff)가 배치된 제2 신호 경로를 통해 흘러 공통 게이트 노드(ND0)를 통해 배출된다.
도시되지는 않았으나, 입출력 유닛(90)은 수직형 전력 반도체 장치인 IGBT의 게이트 패드와 트랜지스터 셀 각각을 연결하는 게이트 라인 상에 IGBT와 동일 반도체 기판 상에 온칩 다이오드를 삽입하여 형성될 수 있다.
도 7의 (a)를 참조하여 입출력 유닛(90)의 동작을 간략히 설명하면 다음과 같다. 설명의 편의를 위해, IGBT의 액티브 영역에 배열된 트랜지스터 셀들 중 50%인 제1 그룹의 트랜지스터 셀들은 문턱 전압값 Vth1(=5V)으로 설정되고, 나머지 50%인 제2 그룹의 트랜지스터 셀들은 문턱 전압값 Vth2(=7V)로 설정된 것으로 가정한다.
IGBT의 스위칭 온 동작시, 인가되는 게이트 충전 전류(Igon)은 턴온 다이오드(Don)가 배치된 제1 신호 경로를 통해 제1 그룹과 제2 그룹 각각에 속하는 트랜지스터 셀들로 인가되고, 문턱 전압값 5V에서 제1 그룹의 트랜지스터 셀들을 턴온시키고, 게이트 전압이 추가적으로 상승함에 따라 문턱 전압값 7V에서 제2 그룹의 트랜지스터 셀들을 턴온시켜, IGBT에 구비된 모든 트랜지스터 셀들이 턴온되도록 한다. 이와 같이, IGBT에 구비된 트랜지스터 셀들의 문턱 전압값을 불균일하게 설정함으로써, IGBT의 스위칭 온 동작시 의도적인 딜레이가 발생되도록 할 수 있다.
이와 유사한 개념으로, 게이트 전압을 -15V까지 인가하는 IGBT의 스위칭 오프 동작시에는, 게이트 오프 전류(Igoff)가 턴오프 다이오드(Doff)가 배치된 제2 신호 경로를 통해 흐르게 된다. 이 경우, 상대적으로 문턱 전압값이 높게 설정된 제2 그룹의 트랜지스터 셀들이 7V에서 먼저 턴오프되고, 게이트 전압이 계속 낮아짐에 따라 제1 그룹의 트랜지스터 셀들도 5V에서 턴오프되어, IGBT에 구비된 모든 트랜지스터 셀들이 턴오프된다. 이와 같이, IGBT에 구비된 트랜지스터 셀들의 문턱 전압값을 불균일하게 설정함으로써, IGBT의 스위칭 오프 동작시에도 의도적인 딜레이가 발생되도록 할 수 있다.
전술한 바와 같이, 트랜지스터 셀들에 대한 문턱 전압값이 불균일하게 설정된 IGBT는 스위칭 온 동작과 스위칭 오프 동작시 서로 반대의 개념으로 동작되되, 스위칭 온 동작시에는 트랜지스터 셀들이 턴온 개시되는 게이트 기준 전압이 Vth1이 되고 스위칭 오프 동작시에는 트랜지스터 셀들이 턴오프 개시되는 게이트 기준 전압이 Vth2로 되어, 전력 반도체 장치인 IGBT가 스위칭 온/오프 동작시 서로 다른 실효 문턱 전압값(effective Vth)을 가지게 되는 특징이 있다(도 8에 예시된 스위칭 회로와 스위칭 온/오프 파형 참조).
입출력 유닛(90)에는 전력 반도체 장치인 IGBT의 스위칭 특성을 보다 다양하게 제어할 수 있도록 하기 위해, 턴온 저항(Ron), 턴오프 저항(Roff) 및 공통 저항(Rg') 중 하나 이상이 더 포함될 수도 있다.
일 예로, 도 7의 (b)에 예시된 바와 같이, 제1 신호 경로(즉, 공통 게이트 노드(ND0)과 제1 중간 노드(ND1)의 구간)에 턴온 다이오드(Don)와 직렬로 턴온 저항(Ron)이 연결되고, 제2 신호 경로(즉, 공통 게이트 노드(ND0)과 제2 중간 노드(ND2)의 구간)에 턴오프 다이오드(Doff)와 직렬로 턴오프 저항(Roff)가 연결될 수 있다. 이 경우, IGBT의 스위칭 온 동작시 모든 트랜지스터 셀들에 대한 스위칭 특성 영향 인자는 Ron/Don으로 규정될 수 있고, IGBT의 스위칭 오프 동작시 모든 트랜지스터 셀들에 대한 스위칭 특성 영향 인자는 Doff/Roff로 규정될 수 있다. 여기서, 턴온 저항과 턴오프 저항의 크기는 같거나 다르도록 미리 지정될 수 있다.
다른 예로, 도 7의 (c)에 예시된 바와 같이, 공통 저항(Rg')이 제1 신호 경로의 제1 중간 노드(ND1)와 제2 신호 경로의 제2 중간 노드(ND2)를 연결하도록 배치될 수도 있다. 이 경우, IGBT의 스위칭 온 동작시, 제1 그룹에 속하는 트랜지스터 셀들에 대한 스위칭 특성 영향 인자는 Don으로 규정될 수 있고, 제2 그룹에 속하는 트랜지스터 셀들에 대한 스위칭 특성 영향 인자는 Don/Rg'로 규정될 수 있다. 또한, IGBT의 스위칭 오프 동작시, 제1 그룹에 속하는 트랜지스터 셀들에 대한 스위칭 특성 영향 인자는 Rg'/Doff로 규정될 수 있고, 제2 그룹에 속하는 트랜지스터 셀들에 대한 스위칭 특성 영향 인자는 Doff로 규정될 수 있다.
물론, 이외에도 IGBT가 적절한 스위칭 특성으로 제어되도록 하기 위해, 턴온 저항(Ron), 턴오프 저항(Roff) 및 공통 저항(Rg')이 다양한 연결 관계로 배치될 수도 있음은 당연하다.
도 9에는 종래기술에 따른 IGBT와 본 발명의 실시예들에 따른 IGBT의 게이트 전압 파형의 조절 방식의 차이점이 도시되어 있다.
통상적으로 전력 반도체 장치인 IGBT를 스위칭 구동하는 경우, 게이트 입력단의 저항이나 임피던스를 조절함으로써 게이트 신호의 전달을 제어하고, 트랜지스터 셀의 게이트 영역에 직접적으로 인가되는 게이트 전압을 제어하는 방법이 적용된다. 이를 통해, 전력 반도체 장치의 스위칭 온/오프시 di/dt 기울기 및 dv/dt 기울기를 제어하여 목표한 스위칭 과도현상(switching transient) 특성을 확보하고 있다.
그러나, 전술한 통상적인 IGBT의 스위칭 구동 제어 방식은 최종적으로 인가되는 게이트 전압을 제어하는 방법으로서, 전력 반도체 장치 내의 게이트 전압에 따른 전력 반도체 장치의 설계 및 제조 공정에 따라 결정되는 전력 반도체 장치 고유(intrinsic)의 전류 응답 특성은 제어할 수 없는 한계가 있다.
또한, 전술한 통상적인 IGBT의 스위칭 구동 제어 방식은 스위칭 동작시 원하는 수준의 di/dt 기울기 및/또는 dv/dt 기울기 특성을 용이하게 확보하기 어렵고, 또한 게이트 구동회로에 과도한 저항을 사용하는 경우에는 스위칭 손실이 급격하게 증가하는 문제점도 있다.
이에 비해, 본 발명의 실시예들에 따른 전력 반도체 장치는 제1 및 제2 신호 경로를 포함하는 입출력 유닛(90)을 통해 각 트랜지스터 셀에 게이트 신호가 인가되도록 함으로써, 전력 반도체 장치 내부의 게이트 입력 전압에 대한 전류 응답 특성을 다양하게 조절할 수 있어 더욱 확장된 자유도를 제공할 수 있고, 이를 통해 목표한 스위칭 과도현상 특성을 확보할 수 있는 특징이 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 전력 반도체 장치는, 액티브 영역에 배치된 트랜지스터 셀들의 문턱 전압값을 불균일하게 설정하고, 스위칭 온 동작시 게이트 신호가 전달되는 경로와 스위칭 오프시 게이트 신호가 전달되는 경로(즉, 게이트 방전 전류 경로)를 다르게 함으로써, 설정된 문턱 전압값의 크기에 따라 트랜지스터 셀들이 순차적으로 턴온/오프될 수 있어 전력 반도체 장치의 스위칭 온/오프 동작시 전압 및 전류 파형의 기울기가 부드럽게 조절되는 특징이 있다.
이제까지, 전력 반도체 장치는, 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)인 경우를 예로 들어 설명하였으나, 전력용 MOSFET 등 여러 형태의 전력 반도체 소자에 본 발명의 기술적 사상이 동일 또는 유사하게 적용 및 확장될 수 있음은 당연하다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
20 : 드리프트 영역 30 : 바디 영역
33 : 절연층 35 : 폴리실리콘 게이트
40 : 에미터 영역 50 : 컨택 영역
60 : 컬렉터 영역 90 : 입출력 유닛

Claims (10)

  1. 반도체 기판과 다수의 트랜지스터 셀들로 구성되어 액티브 영역에 위치되는 셀 어레이를 포함하고,
    상기 액티브 영역에 위치되는 트랜지스터 셀들 각각은 에미터 영역, 바디 영역, 컨택 영역 및 게이트 영역을 포함하며,
    상기 셀 어레이를 구성하는 다수의 트랜지스터 셀들에는 불균일한 문턱 전압값이 설정되고,
    트랜지스터 셀들 각각에는 입출력 유닛을 통해 게이트 신호가 전달되며,
    상기 입출력 유닛은 트랜지스터 셀들 각각에 포함된 게이트 영역에 게이트 충전 전류를 공급하는 제1 신호 경로와, 게이트 영역으로부터 게이트 방전 전류를 방출하는 제2 신호 경로를 포함하는 전력 반도체 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    트랜지스터 셀들 각각에 전달되는 게이트 신호에 상응하여, 문턱 전압값이 상대적으로 낮게 설정된 트랜지스터 셀부터 턴온되어 상기 전력 반도체 장치가 스위칭 온되고, 문턱 전압값이 상대적으로 높게 설정된 트랜지스터 셀부터 턴오프되어 상기 전력 반도체 장치가 스위칭 오프되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    다수의 트랜지스터 셀들에 불균일한 문턱 전압값이 설정되도록 하기 위해, 다수의 트랜지스터 셀들은 에미터 영역의 측면 방향의 폭 길이가 불균일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    다수의 트랜지스터 셀들에 불균일한 문턱 전압값이 설정되도록 하기 위해, 다수의 트랜지스터 셀들은 에미터 영역과 컨택 영역 사이의 이격 거리가 불균일하게 형성되는 전력 반도체 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    다수의 트랜지스터 셀들에 불균일한 문턱 전압값이 설정되도록 하기 위해, 다수의 트랜지스터 셀들은 컨택 영역과 게이트 영역 사이의 이격 거리가 불균일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 입출력 유닛은,
    게이트 패드에 전기적으로 연결되는 공통 게이트 노드;
    상기 셀 어레이에 포함된 트랜지스터 셀들의 게이트 영역 영역에 전기적으로 각각 연결되는 제1 중간 노드와 제2 중간 노드;
    트랜지스터 셀들의 게이트 영역에 게이트 충전 전류를 공급하는 자세로, 상기 제1 신호 경로인 상기 공통 게이트 노드와 상기 제1 중간 노드의 구간에 배치되는 온칩 다이오드인 턴온 다이오드; 및
    트랜지스터 셀들의 게이트 영역으로부터 게이트 방전 전류를 방출시키는 자세로, 상기 제2 신호 경로인 상기 공통 게이트 노드와 상기 제2 중간 노드의 구간에 배치되는 온칩 다이오드인 턴오프 다이오드를 포함하되,
    상기 제1 중간 노드와 상기 제2 중간 노드는 전기적으로 연결되고, 상기 턴온 다이오드와 상기 턴오프 다이오드는 서로 반대 방향으로 자세되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 중간 노드와 상기 제2 중간 노드를 연결하는 구간, 상기 제1 신호 경로 및 상기 제2 신호 경로 중 하나 이상에 저항이 배치되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 신호 경로에 배치되는 저항과 상기 제2 신호 경로에 배치되는 저항은 서로 다른 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전력 반도체 장치는 모스펫 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전력 반도체 장치는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전력 반도체 장치.
KR1020210193274A 2021-12-30 2021-12-30 동적 스위칭시 전류 및 전압의 슬로프 제어가 가능한 전력 반도체 장치 KR102383610B1 (ko)

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