KR20230088149A - Separated Buffer Super Junction IGBT - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전력반도체(Power Semiconductor)에 관한 것으로, 구체적으로 각 필러(pillar) 아랫부분의 버퍼층(buffer layer)을 각각 나누어 분리 구조로 형성하여 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)을 최소화할 수 있도록 한 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT에 관한 것이다.The present invention relates to a power semiconductor, and more specifically, to reduce turn-off loss (E off ) by dividing a buffer layer under each pillar and forming a separate structure. It relates to a superjunction IGBT having a separation buffer structure that can be minimized.
전력반도체(Power Semiconductor)는 전기 에너지를 활용하기 위해 직류·교류 변환, 전압, 주파수 변화 등의 제어처리를 수행하는 반도체로, 전력을 생산하는 단계부터 사용하는 단계까지 다양한 기능을 수행한다.A power semiconductor is a semiconductor that performs control processing such as DC/AC conversion, voltage, and frequency change in order to utilize electric energy, and performs various functions from generating power to using it.
전력 반도체(power semiconductor)의 일종인 IGBT(insulated gate bipolar transistor)는 자동차, 전동차, 항공, 가전 및 다양한 산업분야에 응용이 되고 있는 전력 소자로서 전기전력의 변환, 제어 및 전송을 위한 중요한 소자이다.IGBT (insulated gate bipolar transistor), a type of power semiconductor, is a power device applied to automobiles, trains, aviation, home appliances and various industrial fields, and is an important device for conversion, control, and transmission of electric power.
특히 최근에 전기자동차(electric vehicles) 및 하이브리드 전기차(hybrid electric vehicles, HEV)의 핵심부품으로서 큰 주목을 받고 있다.In particular, it has recently been attracting great attention as a core part of electric vehicles and hybrid electric vehicles (HEV).
IGBT(insulated gate bipolar transistor) 소자는 전류전도 능력이 뛰어난 소자이며, 큰 전력을 처리하기 위해 설계된 스위칭 디바이스로서 전원공급 장치, 변환기, 태양광 인버터, 가전제품 등에 널리 사용되고 있다.An insulated gate bipolar transistor (IGBT) device has excellent current conduction capability and is widely used as a switching device designed to process large amounts of power, such as power supplies, converters, solar inverters, and home appliances.
이러한 IGBT는 파워 반도체 소자인 만큼 항복전압과 온-상태 전압 강하, 스위칭 속도, 신뢰성의 이상적인 파워 반도체 소자의 요구사항을 목표로 하고 있다.Since these IGBTs are power semiconductor devices, they target the requirements of ideal power semiconductor devices in terms of breakdown voltage, on-state voltage drop, switching speed, and reliability.
일반적으로 드리프트 영역의 농도를 낮추게 되면 항복 전압은 증가하지만 온 저항과 같은 기타 특성들이 감소하게 되므로 설계의 최적화 및 구조 변경을 통해 항복전압 특성과 온 상태 전압강하 특성을 개선 시켜야 한다.In general, when the concentration of the drift region is reduced, the breakdown voltage increases, but other characteristics such as on-resistance decrease. Therefore, the breakdown voltage characteristics and the on-state voltage drop characteristics must be improved through design optimization and structural change.
이렇듯 IGBT 소자의 효율을 높이기 위해 트레이드 오프관계를 최적화 시키고자 여러 가지 구조들이 나오고 있다.As such, various structures are emerging to optimize the trade-off relationship in order to increase the efficiency of IGBT devices.
수직 방향으로 연장되고 번갈아 배치되는 N 영역들(N 필러) 및 P 영역들(P 필러)이 포함된 드리프트 영역을 포함하는 초접합(super junction) 반도체 소자가 제안되었다. 초접합 반도체 소자는 교번적으로 배치되는 N 필러와 P 필러 간의 전하 균형(Charge balance)에 의해 반도체 소자에 역방향 전압이 인가되면 완전한(fully) 공핍 영역을 형성하여 동일한 항복 전압을 얻기 위해 필요한 PN 접합의 농도를 더욱 높게 할 수 있게 되어 결과적으로 온 저항을 감소시킬 수 있다.A super junction semiconductor device including a drift region including N regions (N-pillars) and P regions (P-pillars) extending in a vertical direction and alternately disposed has been proposed. The superjunction semiconductor device forms a fully depleted region when a reverse voltage is applied to the semiconductor device due to the charge balance between the alternately arranged N-pillars and P-pillars, thereby forming a PN junction required to obtain the same breakdown voltage. The concentration of can be further increased, and as a result, the on-resistance can be reduced.
도 1은 일반적인 초접합 IGBT의 구조 단면도이다.1 is a structural cross-sectional view of a general superjunction IGBT.
이와 같이, 전력반도체 IGBT에서 초접합(Super-Junction) 기술을 도입해 만든 Super-Junction IGBT(SJBT)는 n 드리프트 영역(n-drift layer)을 완전히 공핍(full depleted)시켜 온 특성(on characteristic)을 크게 개선시켰다.In this way, Super-Junction IGBT (SJBT), which is made by introducing super-junction technology in power semiconductor IGBT, has the on characteristic of fully depleting the n-drift layer. has been greatly improved.
하지만, SJBT의 문제점은 turn-off시 p-pillar에 있는 carrier의 추출이 느려 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)이 크다는 것이다.However, the problem of SJBT is that the turn-off loss (E off ) is large because the extraction of the carrier in the p-pillar is slow during turn-off.
만약에 버퍼 영역의 농도를 전체적으로 높이는 방식으로 컨트롤하게 되면, 캐리어의 수가 줄어들어 온 특성(on characteristic)이 낮아진다.If the concentration of the buffer region is controlled in such a way as to increase the overall number of carriers, the on characteristic is lowered.
따라서 온 특성(on characteristic)을 유지하면서 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)을 줄이는 개선이 필요하다.Therefore, there is a need for improvement in reducing turn-off loss (E off ) while maintaining an on characteristic.
본 발명은 종래 기술의 초접합 IGBT의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 각 필러(pillar) 아랫부분의 버퍼층(buffer layer)을 각각 나누어 분리 구조로 형성하여 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)을 최소화할 수 있도록 한 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problem of the prior art superjunction IGBT, and the turn-off loss (E off ) is formed by dividing the buffer layer under each pillar to form a separate structure. ) The purpose is to provide a superjunction IGBT having a separation buffer structure to minimize.
본 발명은 P-pillar 아래의 buffer 농도를 선택적으로 높이게 되면 p-pillar의 hole density가 줄어들게 되고, 소자 turn-off시 재결합(recombination)이 더 원활하게 되도록 하여 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)을 최소화할 수 있도록 한 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT를 제공하는데 그 목적이 있다.In the present invention, when the buffer concentration under the P-pillar is selectively increased, the hole density of the p-pillar is reduced, and the turn-off loss (turn-off loss) is reduced by making recombination more smooth during device turn-off. The purpose is to provide a superjunction IGBT having a separation buffer structure to minimize E off ).
본 발명은 추가로 n-pillar 아래의 buffer 농도는 상대적으로 낮출 수 있기 때문에, 캐리어(carrier) 수가 적어져서 오는 단점을 상쇄하여 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)과 온 상태 전압(on state voltage)(Von)의 trade-off를 개선시킬 수 있도록 한 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT를 제공하는데 그 목적이 있다.Since the present invention can additionally lower the buffer concentration under the n-pillar, the number of carriers is reduced to offset the disadvantages resulting from the turn-off loss (E off ) and the on-state voltage ( The purpose is to provide a superjunction IGBT having a separation buffer structure to improve the trade-off of on state voltage (V on ).
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned above will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT는 애노드 전극에 전압이 인가되면, 정공이 주입되어 전도도 변조가 일어나고, 저항을 낮추는 역할을 하는 제 1 도전형 콜렉터;상기 제 1 도전형 콜렉터 상에 형성되는 버퍼층;버퍼층 상에 측방향으로 교번적으로 위치하여 반대되는 도핑으로 인해 전체가 공핍되게 하고,슈퍼정션을 이루는 제 1 도전형 필러 및 제 2 도전형 필러;를 포함하고, 버퍼층은, 상기 제 1 도전형 필러 및 제 2 도전형 필러의 하부 영역에 각각 서로 다른 도핑 농도를 갖고 각각 형성되어 제 1 도전형 콜렉터에서의 정공 주입이 억제되도록 하는 제 1 도전형측 버퍼 영역 및 제 2 도전형측 버퍼 영역으로 분리되는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.A superjunction IGBT having a separation buffer structure according to the present invention for achieving the above object includes a first conductivity-type collector that, when a voltage is applied to the anode electrode, conduction modulation occurs by injecting holes and lowering resistance; a buffer layer formed on the first conductivity-type collector; a first conductivity-type filler and a second conductivity-type filler that are alternately positioned on the buffer layer in a lateral direction to deplete the entire buffer layer due to opposite doping and form a super junction; wherein the buffer layer has a different doping concentration and is formed in lower regions of the first conductivity-type pillar and the second conductivity-type pillar, respectively, to suppress hole injection in the first conductivity-type collector; It is characterized in that it has a structure that is separated into a buffer region and a second conductivity-type buffer region.
여기서, 상기 제 1 도전형 필러 및 제 2 도전형 필러 상부에는, 캐소드 전극이 콘택되고 게이트에 인가되는 전압에 따라 채널을 형성하여 제 2 도전형 소스 영역의 전자가 애노드를 향해 흐르도록 하는 제 1 도전형 베이스 영역이 형성되는 것을 특징으로 한다.Here, the cathode electrode is in contact with the first conductive type pillar and the second conductive type pillar, and a channel is formed according to a voltage applied to the gate so that electrons of the second conductive type source region flow toward the anode. It is characterized in that a conductive base region is formed.
그리고 제 1 도전형측 버퍼 영역의 도핑농도를 제 2 도전형측 버퍼 영역의 농도보다 높게 하여 상대적으로 제 1 도전형 콜렉터에서의 정공 주입이 억제되도록 하는 것을 특징으로 한다.Further, the doping concentration of the first conductivity-type buffer region is higher than that of the second conductivity-type buffer region so that hole injection in the first conductivity-type collector is relatively suppressed.
그리고 제 1 도전형 필러 하부의 제 1 도전형측 버퍼 영역의 도핑 농도를 높게 하여 제 1 도전형 필러의 hole density가 줄어들게 되고, 소자 turn-off시 재결합(recombination) 특성을 높여 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)을 줄이는 것을 특징으로 한다.In addition, by increasing the doping concentration of the first conductivity-type buffer region under the first conductivity-type pillar, the hole density of the first conductivity-type pillar is reduced, and the turn-off loss (turn-off loss) is increased by increasing recombination characteristics during device turn-off. It is characterized by reducing the off loss) (E off ).
그리고 제 2 도전형 필러 하부의 제 2 도전형측 버퍼 영역의 도핑 농도를 제 1 도전형측 버퍼 영역의 도핑 농도보다 상대적으로 낮출 수 있어, carrier 수가 적어져서 오는 단점을 상쇄하여 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)과 온 상태 전압(on state voltage)(Von)의 trade-off를 개선시키는 것을 특징으로 한다.In addition, the doping concentration of the second conductivity-type buffer region under the second conductivity-type pillar can be relatively lower than the doping concentration of the first conductivity-type buffer region, thereby offsetting the disadvantage caused by the decrease in the number of carriers and thus turning-off loss (turn-off loss). It is characterized by improving the trade-off between loss) (E off ) and on state voltage (V on ).
그리고 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)은, 제 1 도전형 콜렉터 전류(collector current)와 전압(collector voltage)의 곱을 일정한 시간영역에서 적분한 값으로 정의되는 것을 특징으로 한다.And, the turn-off loss (E off ) is characterized in that it is defined as a value obtained by integrating the product of the first conductivity type collector current and the voltage (collector voltage) in a constant time domain.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT는 캐소드 전극이 콘택되고 게이트에 인가되는 전압에 따라 채널을 형성하여 제 2 도전형 소스 영역의 전자가 애노드를 향해 흐르도록 하는 제 1 도전형 베이스 영역;제 1 도전형 베이스 영역과 게이트 하부 영역에 측방향으로 교번적으로 위치하여 반대되는 도핑으로 인해 전체가 공핍되게 하고, 소자를 슬림화하여도 항복전압을 유지할 수 있는 슈퍼정션을 이루는 제 1 도전형 필러 및 제 2 도전형 필러;제 1 도전형 필러 및 제 2 도전형 필러의 하부 영역에 서로 다른 도핑 농도를 갖고 각각 형성되어 제 1 도전형 콜렉터에서의 정공 주입이 억제되도록 하는 제 1 도전형 버퍼 영역 및 제 2 도전형 버퍼 영역;애노드 전극이 콘택되어 애노드 전극에 전압이 인가되면, 정공이 주입되어 전도도 변조가 일어나고, 저항을 낮추는 역할을 하는 제 1 도전형 콜렉터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve another object, a superjunction IGBT having a separation buffer structure according to the present invention has a cathode electrode in contact and forms a channel according to a voltage applied to the gate so that electrons in the second conductivity type source region flow toward the anode. A first conductivity-type base region; A super junction that is alternately located laterally in the first conductivity-type base region and the lower gate region so that the entire region is depleted due to opposite doping, and the breakdown voltage can be maintained even when the device is slimmed down. A first conductivity-type filler and a second conductivity-type filler forming a; are respectively formed to have different doping concentrations in the lower regions of the first conductivity-type filler and the second conductivity-type filler to suppress hole injection in the first conductivity-type collector. When the anode electrode is in contact with the anode electrode and a voltage is applied to the anode electrode, holes are injected to cause conductivity modulation and a first conductivity type collector that serves to lower the resistance. It is characterized by including.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT는 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the superjunction IGBT having a separation buffer structure according to the present invention has the following effects.
첫째, 각 필러(pillar) 아랫부분의 버퍼층(buffer layer)을 각각 나누어 분리 구조로 형성하여 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)을 최소화할 수 있도록 한다.First, a buffer layer under each pillar is divided into separate structures to minimize turn-off loss (E off ).
둘째, P-pillar 아래의 buffer 농도를 선택적으로 높이게 되면 p-pillar의 hole density가 줄어들게 되고, 소자 turn-off시 재결합(recombination)이 더 원활하게 되도록 하여 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)을 최소화할 수 있도록 한다.Second, when the buffer concentration under the P-pillar is selectively increased, the hole density of the p-pillar is reduced, and the turn-off loss (E off ) to be minimized.
셋째, 추가로 n-pillar 아래의 buffer 농도는 상대적으로 낮출 수 있기 때문에, carrier 수가 적어져서 오는 단점을 상쇄하여 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)과 온 상태 전압(on state voltage)(Von)의 trade-off를 개선시킬 수 있도록 한다.Third, since the buffer concentration under the n-pillar can be relatively lowered, the turn-off loss (E off ) and the on-state voltage are compensated for the disadvantages caused by the decrease in the number of carriers. (V on ) to improve the trade-off.
도 1은 일반적인 초접합 IGBT의 구조 단면도
도 2는 본 발명에 따른 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT의 구조 단면도
도 3a와 도 3b는 일반 버퍼 구조 및 분리 버퍼 구조의 p-pillar내의 carrier 수 차이를 나타낸 구성도
도 4는 turn-on부터 turn-off까지 시간의 변화에 따른 (a)전류변화, (b)전압변화, (c)전력변화, (d)C-SJBT에서 시간에 따라 정공이 빠지는 과정, (e)P-SB_SJBT에서 시간에 따라 정공이 빠지는 과정의 특성 그래프
도 5는 p-collector 농도에 따른 (a)Von, (b)Eoff, (c)Breakdown Voltage 특성과 (d)Eoff와 Von의 trade-off 특성 그래프1 is a structural cross-sectional view of a general superjunction IGBT
2 is a structural cross-sectional view of a superjunction IGBT having a separation buffer structure according to the present invention
3a and 3b are configuration diagrams showing differences in the number of carriers in a p-pillar of a general buffer structure and a separate buffer structure;
Figure 4 shows (a) current change, (b) voltage change, (c) power change, (d) hole extraction process over time in C-SJBT, ( e) Characteristic graph of the process of hole extraction over time in P-SB_SJBT
5 is a graph of (a) V on , (b) E off , (c) Breakdown Voltage characteristics and (d) trade-off characteristics of E off and V on according to p-collector concentration
이하, 본 발명에 따른 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of the superjunction IGBT having a separation buffer structure according to the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.The characteristics and advantages of the superjunction IGBT having a separation buffer structure according to the present invention will become clear through a detailed description of each embodiment below.
도 2는 본 발명에 따른 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT의 구조 단면도이다.2 is a structural cross-sectional view of a superjunction IGBT having a separation buffer structure according to the present invention.
본 발명에 따른 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT는 각 필러(pillar) 아랫부분의 버퍼층(buffer layer)을 각각 나누어 분리 구조로 형성하여 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)을 최소화할 수 있도록 한 것이다.In the superjunction IGBT having a separation buffer structure according to the present invention, the turn-off loss (E off ) can be minimized by forming a separation structure by dividing the buffer layer under each pillar. that made it possible
이를 위하여, 본 발명은P-pillar 아래의 buffer 농도를 선택적으로 높이게 되면 p-pillar의 hole density가 줄어들게 되고, 소자 turn-off시 재결합(recombination)이 더 원활하게 되도록 하여 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)을 최소화하는 구성을 포함할 수 있다.To this end, the present invention reduces the hole density of the p-pillar by selectively increasing the buffer concentration under the P-pillar, and makes the recombination more smooth during device turn-off, thereby reducing turn-off loss (turn-off loss). loss) (E off ) may be included.
본 발명은 n-pillar 아래의 buffer 농도는 상대적으로 낮출 수 있기 때문에, carrier 수가 적어져서 오는 단점을 상쇄하여 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)과 온 상태 전압(on state voltage)(Von)의 trade-off를 개선시킬 수 있도록 하는 구성을 포함할 수 있다.Since the present invention can relatively lower the buffer concentration under the n-pillar, the turn-off loss (E off ) and the on-state voltage (on state voltage ( It may include a configuration that can improve the trade-off of V on ).
본 발명에 따른 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT는 버퍼 영역상에 서로 다른 반대되는 도전형의 제 1 도전형 필러(25) 및 제 2 도전형 필러(26)을 수퍼 정션(SJ) 구조로 도입한다.In the superjunction IGBT having a separate buffer structure according to the present invention, first and second
상호 간에 병렬되는 제 1 도전형 필러(25) 및 제 2 도전형 필러(26)는 상호 간에 측방향으로 교번적으로 위치하게 구비될 수 있다. 이에 따라, 제 1 도전형 필러(25) 및 제 2 도전형 필러(26)사이에 측면 계면이 p-n 접합 구조로 형성되어 수퍼 정션 구조로 이해될 수 있다.The first conductivity-
구체적으로, 캐소드(20) 전극이 콘택되고 게이트(22)에 인가되는 전압에 따라 채널을 형성하여 제 2 도전형 소스 영역(23)의 전자가 애노드(21)를 향해 흐르도록 하는 제 1 도전형 베이스 영역(24)과, 제 1 도전형 베이스 영역(24)과 게이트(22) 하부 영역에 측방향으로 교번적으로 위치하여 반대되는 도핑으로 인해 전체가 공핍되게 하고, 항복전압을 유지하면서도 소자를 얇게 할 수 있는 슈퍼정션을 이루는 제 1 도전형 필러(25) 및 제 2 도전형 필러(26)와, 제 1 도전형 필러(25) 및 제 2 도전형 필러(26)의 하부 영역에 서로 다른 도핑 농도를 갖고 각각 형성되어 제 1 도전형 콜렉터(29)에서의 정공 주입이 더욱 억제되도록 하는 제 1 도전형측 버퍼 영역(27) 및 제 2 도전형측 버퍼 영역(28)과, 애노드(21) 전극이 콘택되어 애노드(21) 전극에 전압이 인가되면, 정공이 주입되어 전도도 변조가 일어나고, 저항을 낮추는 역할을 하는 제 1 도전형 콜렉터(29)를 포함한다.Specifically, the first conductivity type in which the electrode of the
이와 같은 구조는 갖는 본 발명에 따른 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT는 제 1 도전형 필러(25) 및 제 2 도전형 필러(26)의 하부 영역에 버퍼층(buffer layer)을 각각 나누어 분리 구조로 반대되는 도핑으로 인해 전체가 공핍되게 하고, 항복전압을 유지하면서도 소자를 얇게 할 수 있는 슈퍼정션을 이루는 제 1 도전형 필러(25) 및 제 2 도전형 필러(26)를 형성하여 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)을 최소화할 수 있도록 한다.The superjunction IGBT having a separation buffer structure according to the present invention having such a structure has a separation structure by dividing buffer layers in the lower regions of the first
이와 같은 구조는 갖는 본 발명에 따른 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT의 동작은 다음과 같다.The operation of the superjunction IGBT having a separation buffer structure according to the present invention having such a structure is as follows.
캐소드(20) 전극은 음극으로, 소자 사용 시 그라운드로 향하고, 애노드(21) 전극은 제 1 도전형 콜렉터(29)와 연결되어, 양의 전압을 인가하여 전도도 변조를 일으킬 수 있게 한다.The
게이트(22)는 캐소드(20) 전극과 게이트(22) 사이의 전압 Vg가 문턱전압 Vth보다 클 경우, 게이트(22) 방향의 제 1 도전형 베이스 영역(24)에서 충분한 양의 전자가 유기 되어 채널을 형성한다.In the
제 2 도전형 소스 영역(23)은 게이트(22)를 통해 생성된 채널과 제 2 도전형 소스 영역(23)을 통해 전자가 애노드(21) 전극을 향해 흐르게 하는 역할을 한다.The second conductivity
소작 동작시에 제 1 도전형 베이스 영역(24)가 반전되어 전류 경로(채널)가 형성되고, 제 1 도전형 필러(25)와 제 2 도전형 필러(26)는 반대되는 도핑으로 인해 필러 전체가 공핍되게 하고, 이는 항복전압을 유지하면서도 소자를 얇게 할 수 있는, 슈퍼정션을 이루게 된다.During the cauterization operation, the first conductivity
제 1 도전형측 버퍼 영역(27)의 도핑농도가 제 2 도전형측 버퍼 영역(28)의 농도보다 높음으로써 상대적으로 제 1 도전형 콜렉터(29)에서의 정공 주입이 더욱 억제되게 한다.Since the doping concentration of the first conductivity-
그리고 애노드(21) 전극에 전압이 인가되면, 제 1 도전형 콜렉터(29)에서 정공이 주입되어 전도도 변조가 일어나고, 저항을 낮추는 역할을 한다.Also, when a voltage is applied to the electrode of the
도 3a와 도 3b는 일반 버퍼 구조 및 분리 버퍼 구조의 p-pillar내의 carrier 수 차이를 나타낸 구성도이다.3A and 3B are configuration diagrams showing differences in the number of carriers in a p-pillar between a normal buffer structure and a separate buffer structure.
이와 같은 제 1 도전형 필러(25) 및 제 2 도전형 필러(26)의 하부 영역에 버퍼층(buffer layer)을 각각 나누어 분리 구조로 반대되는 도핑이 되는 제 1 도전형측 버퍼 영역(27) 및 제 2 도전형측 버퍼 영역(28)에 의해 도핑 농도를 선택적으로 높이게 되면, 제 1 도전형측 버퍼 영역(27)의 hole density가 줄어들게 되고, 소자 turn-off시 재결합(recombination)이 더 원활하게 되도록 하여 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)을 최소화할 수 있다.A buffer layer is divided into the lower regions of the first
특히, 제 2 도전형 필러(26) 하부의 제 2 도전형측 버퍼 영역(28)의 농도를 상대적으로 낮출 수 있기 때문에, carrier 수가 적어져서 오는 단점을 상쇄하여 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)과 온 상태 전압(on state voltage)(Von)의 trade-off를 개선시킬 수 있다.In particular, since the concentration of the second conductivity
도 4는 turn-on부터 turn-off까지 시간의 변화에 따른 (a)전류변화, (b)전압변화, (c)전력변화, (d)C-SJBT에서 시간에 따라 정공이 빠지는 과정, (e)P-SB_SJBT에서 시간에 따라 정공이 빠지는 과정의 특성 그래프이다.Figure 4 shows (a) current change, (b) voltage change, (c) power change, (d) hole extraction process over time in C-SJBT, ( e) It is a characteristic graph of the process of hole extraction over time in P-SB_SJBT.
TCAD 시뮬레이션을 통해 Separated Buffer의 효과를 확인했다. 비교를 위한 기준으로, 동일한 Von을 가지는 conventional SJBT와 제안된 구조를 비교했다. 일반적인 SJBT를 C-SJBT, p-pillar 밑 buffer 농도를 높인 구조를 P-SB-SJBT, n-pillar 쪽을 높인 구조를 N-SB-SJBT라고 정의한다.The effect of Separated Buffer was confirmed through TCAD simulation. As a standard for comparison, conventional SJBT with the same V on and the proposed structure were compared. A general SJBT is defined as C-SJBT, a structure with increased buffer concentration under the p-pillar is defined as P-SB-SJBT, and a structure with increased n-pillar is defined as N-SB-SJBT.
턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)는 collector current와 collector voltage의 곱을 일정한 시간영역에서 적분한 값으로 정의한다.Turn-off loss (E off ) is defined as a value obtained by integrating the product of collector current and collector voltage in a certain time domain.
도 4의 (a), (b), (c)를 보면 P-SB-SJBT의 손실이 가장 작음을 알 수 있다. Looking at (a), (b) and (c) of FIG. 4 , it can be seen that the loss of P-SB-SJBT is the smallest.
또한, 도 4의 (d)와 (e)를 비교해 보면, P-SB-SJBT에서의 hole이 더 빠른 시간안에 빠지는 것으로 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)이 낮음을 볼 수있다.In addition, comparing (d) and (e) of FIG. 4, it can be seen that the turn-off loss (E off ) is low as the hole in the P-SB-SJBT falls in a faster time .
도 5는 p-collector 농도에 따른 (a)Von, (b)Eoff, (c)Breakdown Voltage 특성과 (d)Eoff와 Von의 trade-off 특성 그래프이다.5 is a graph of (a) V on , (b) E off , (c) Breakdown Voltage characteristics and (d) trade-off characteristics of E off and V on according to p-collector concentration.
p-collector의 농도를 변수로 소자특성을 분석하면 전반적으로 다른 특성에서 오차는 거의 보이지 않고, 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)만 8% 정도의 이득을 보였다. 따라서 trade-off도 개선되었음을 확인할 수 있다.When the device characteristics were analyzed with the concentration of the p-collector as a variable, almost no error was seen in other characteristics overall, and only the turn-off loss (E off ) showed a gain of about 8%. Therefore, it can be confirmed that the trade-off has also been improved.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT는 각 필러(pillar) 아랫부분의 버퍼층(buffer layer)을 각각 나누어 분리 구조로 형성하여 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)을 최소화할 수 있도록 한 것이다.In the superjunction IGBT having the separation buffer structure according to the present invention described above, the turn-off loss (E off ) is formed by dividing the buffer layer under each pillar to form a separation structure. was made to minimize it.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, it will be understood that the present invention is implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, the specified embodiments should be considered from an explanatory point of view rather than a limiting point of view, and the scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent range are considered to be included in the present invention. will have to be interpreted
20. 캐소드 21. 애노드
22. 게이트 23. 제 2 도전형 소스 영역
24. 제 1 도전형 베이스 영역 25. 제 1 도전형 필러
26. 제 2 도전형 필러 27. 제 1 도전형측 버퍼 영역
28. 제 2 도전형측 버퍼 영역 29. 제 1 도전형 콜렉터20.
22.
24. First conductivity
26. Second conductivity-
28. Second conductivity-
Claims (7)
상기 제 1 도전형 콜렉터 상에 형성되는 버퍼층;
버퍼층 상에 측방향으로 교번적으로 위치하여 반대되는 도핑으로 인해 전체가 공핍되게 하고,슈퍼정션을 이루는 제 1 도전형 필러 및 제 2 도전형 필러;를 포함하고,
버퍼층은, 상기 제 1 도전형 필러 및 제 2 도전형 필러의 하부 영역에 각각 서로 다른 도핑 농도를 갖고 각각 형성되어 제 1 도전형 콜렉터에서의 정공 주입이 억제되도록 하는 제 1 도전형측 버퍼 영역 및 제 2 도전형측 버퍼 영역으로 분리되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT.When a voltage is applied to the anode electrode, holes are injected to cause conductivity modulation and a first conductivity-type collector that lowers resistance;
a buffer layer formed on the first conductivity type collector;
A first conductivity-type filler and a second conductivity-type filler forming a superjunction;
The buffer layer includes a first conductivity-type buffer region and a second conductivity-type buffer region having different doping concentrations respectively formed in lower regions of the first conductivity-type pillar and the second conductivity-type pillar to suppress hole injection in the first conductivity-type collector. A superjunction IGBT having a separation buffer structure, characterized in that it has a structure separated into two conductive-side buffer regions.
캐소드 전극이 콘택되고 게이트에 인가되는 전압에 따라 채널을 형성하여 제 2 도전형 소스 영역의 전자가 애노드를 향해 흐르도록 하는 제 1 도전형 베이스 영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT.The method of claim 1, wherein on top of the first conductive type pillar and the second conductive type pillar,
A second having a separation buffer structure, characterized in that a first conductivity type base region is formed in which a cathode electrode is in contact and a channel is formed according to a voltage applied to the gate so that electrons of the second conductivity type source region flow toward the anode. junction IGBT.
carrier 수가 적어져서 오는 단점을 상쇄하여 턴오프 손실(turn-off loss)(Eoff)과 온 상태 전압(on state voltage)(Von)의 trade-off를 개선시키는 것을 특징으로 하는 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT.The method of claim 1 , wherein the doping concentration of the second conductivity-type buffer region under the second conductivity-type pillar can be relatively lower than that of the first conductivity-type buffer region,
A separate buffer structure characterized by improving the trade-off between turn-off loss (E off ) and on-state voltage (V on ) by offsetting the disadvantages caused by the decrease in the number of carriers Superjunction IGBT with
제 1 도전형 콜렉터 전류(collector current)와 전압(collector voltage)의 곱을 일정한 시간영역에서 적분한 값으로 정의되는 것을 특징으로 하는 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT.The method of claim 4 or 5, wherein the turn-off loss (E off ) is,
A superjunction IGBT having a separation buffer structure, characterized in that it is defined as a value obtained by integrating a product of a first conductivity type collector current and a voltage in a constant time domain.
제 1 도전형 베이스 영역과 게이트 하부 영역에 측방향으로 교번적으로 위치하여 반대되는 도핑으로 인해 전체가 공핍되게 하고, 소자를 슬림화하여도 항복전압을 유지할 수 있는 슈퍼정션을 이루는 제 1 도전형 필러 및 제 2 도전형 필러;
제 1 도전형 필러 및 제 2 도전형 필러의 하부 영역에 서로 다른 도핑 농도를 갖고 각각 형성되어 제 1 도전형 콜렉터에서의 정공 주입이 억제되도록 하는 제 1 도전형 버퍼 영역 및 제 2 도전형 버퍼 영역;
애노드 전극이 콘택되어 애노드 전극에 전압이 인가되면, 정공이 주입되어 전도도 변조가 일어나고, 저항을 낮추는 역할을 하는 제 1 도전형 콜렉터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분리 버퍼 구조를 갖는 초접합 IGBT.
a first conductivity type base region in which the cathode electrode contacts and forms a channel according to a voltage applied to the gate so that electrons of the second conductivity type source region flow toward the anode;
A first conductivity type pillar that is located alternately in the lateral direction in the first conductivity type base region and the lower gate region so that the entire area is depleted due to opposite doping and forms a super junction capable of maintaining the breakdown voltage even when the device is slimmed down. and a second conductive filler;
A first conductivity type buffer region and a second conductivity type buffer region having different doping concentrations are formed in lower regions of the first conductivity type filler and the second conductivity type filler to suppress hole injection in the first conductivity type collector. ;
A superjunction IGBT having a separation buffer structure comprising: a first conductivity-type collector that, when a voltage is applied to the anode electrode in contact with the anode electrode, holes are injected to cause conductivity modulation and lower resistance.
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| KR1020210177046A KR102585094B1 (en) | 2021-12-10 | 2021-12-10 | Separated Buffer Super Junction IGBT |
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| CN116741812A (en) * | 2023-08-11 | 2023-09-12 | 深圳天狼芯半导体有限公司 | N-BAL-based super junction Schottky diode for improving current density and preparation method thereof |
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2021
- 2021-12-10 KR KR1020210177046A patent/KR102585094B1/en active IP Right Grant
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| KR102585094B1 (en) | 2023-10-05 |
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