1. 서 론

절연 게이트 바이폴러 트랜지스터 (insulated gate bipolar transistor, IGBT)는 전도도 변조 (conductivity modulation)으로 인해 기존 금속 절연막 반도체 전계 효과 트랜지스터 (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)에 비하여 온-전류 밀도가 높은 장점을 가진다^(1~3). IGBT는 게이트 전압으로 구동하며, 반면 기존 바이폴러 접합 트랜지스터 (bipolar junction transistor)는 베이스 전류로 구동한다. 전류 구동 드라이버에 비교해 전압 구동 드라이버가 복잡하지 않고 적은 부피를 가지며 환경에 따른 전기적 특성 변화가 적다. 일반적으로 저농도 N- 드리프트 층을 가지는 IGBT는 MOS가 PNP 바이폴러 접합 트랜지스터를 제어하는 식으로 동작한다^(4~8).

IGBT는 반도체의 대부분 영역에 온-전류가 흐르는 수직형 소자로 설계한다^(9~10). 이 구조는 온-동작 시 전류 분포가 집중되지 않아 균일한 열 발생으로 인하여 전력 소자에 적합하다. IGBT는 버퍼 층 설계에 따라 펀치 스루 (punch through)와 논 펀치 스루 (non punch-through)로 구분된다. 펀치 스루 구조는 역방향 시 전계를 사다리꼴로 분포시켜 삼각형 역방향 전계를 가지는 논 펀치 스루 구조보다 항복 전압 설계 시 효율적이다. IGBT의 역방향 항복 전압과 순방향 컬렉터-이미터 포화 전압 (collector-emitter saturation voltage, V$_{CE.SAT}$)은 널리 연구되었으나⁽⁵⁾, 캐리어 수명시간과 온도에 따른 forward biased safe operating area의 연구는 더 필요하다. 온-동작 시 IGBT내 구조적으로 내재하고 있는 기생 사이리스터의 래치-업 (latch-up)으로 인하여 소자의 forward biased safe operating area는 제한된다^(2,4,8).

우리는 학술대회에서 수직형 IGBT의 순방향 전류 포화 특성을 간략히 발표하였다⁽¹¹⁾. 본 논문의 목적은 캐리어 수명시간과 온도에 따른 수직형 펀치 스루 IGBT의 forward biased safe operating area를 연구한 것이다. 소자의 설계, 전기적 특성 추출 및 검증은 수치해석 시뮬레이션⁽¹²⁾을 이용하였다.

2. 본 론

그림. 1. 수직형 펀치 스루 IGBT의 단면도

Fig. 1. Cross-sectional view of the vertical punch through insulated gate bipolar transistor (IGBT)

그림 1은 설계된 수직형 펀치 스루 IGBT의 구조이고, 표 1은 설계 파라미터들이다. 펀치 스루 설계를 위하여 N- 드리프트 층과 P+ 기판 사이에 N 버퍼 층을 설계하였다. 역방향 시 항복 전압에 중요한 N- 드리프트 층의 농도와 두께는 10$^{14}$ cm$^{-3}$과 50 ㎛이다. 게이트 절연막인 SiO$_{2}$의 두께는 350 nm이다. N+ 이미터, P+ 이미터, P- 베이스, N 버퍼 층 및 P+ 기판의 도핑 농도는 각각 10$^{19}$, 10$^{19}$, 5 × 10$^{17}$, 2 × 10$^{17}$ 및 10$^{19}$ cm$^{-3}$이다. 소수 캐리어 혹은 바이폴러 계열 소자를 수치 해석하기 위하여 사용한 모델들은 농도 의존 이동도 (CONMOB), 전계 의존 이동도 (FLDMOB), 밴드 갭 축소 (BGN), 농도 의존 수명시간을 고려한 Shockley-Read-Hall 재결합 (CONSRH) 및 Auger 재결합 (AUGER)들이다. 일반적인 실리콘 소자의 수치해석 산술 해상도는 64 bit이지만, 본 연구에서 정확도를 높이기 위하여 128 bit를 이용하였다. 설계 파라미터들의 변화에 따라 IGBT의 forward biased safe operating area는 기생 사이리스터 래치-업으로 인하여 민감하게 바뀌었으며, 표 1은 최적화된 값들이다.

그림 2(a)는 N 버퍼 층의 두께가 1, 3, 5, 7 및 9 μm인 경우 수직형 펀치 스루 IGBT의 순방향 전류-전압 특성이다. 이때 N 버퍼 층의 농도는 2 × 10$^{17}$ cm$^{-3}$로 고정하였다. 또한, 그림 2(b)는 N 버퍼 층의 농도가 8 × 10$^{16}$, 10$^{17}$, 2 × 10$^{17}$, 4 × 10$^{17}$ 및 6 × 10$^{17}$ cm$^{-3}$ 일 때 수직형 펀치 스루 IGBT의 순방향 전류-전압 특성이다. 이때 N 버퍼 층의 두께는 5 µm로 고정하였다. 동작 온도, 캐리어 수명시간 및 게이트 전압은 각각 300K, 100 ns 및 10 V로 고정하였다. N 버퍼 층의 두께 및 농도의 증가는 IGBT 내 정상적으로 설계된 PNP 바이폴러 접합 트랜지스터 내 베이스, N 버퍼 층의 재결합을 증가시켜 순방향 포화 전류 밀도를 감소시켰다. 이것은 래치-업이 발생하는 컬렉터 전압을 증가시켜 forward biased safe operating area를 개선하였다. 하지만 N 버퍼 층의 두께 및 농도의 증가는 전력 소자가 실제 동작점인 낮은 컬렉터 전압에서 V$_{CE.SAT}$를 증가시키는 단점을 가진다. 결국, 수직형 펀치 스루 IGBT 내 N 버퍼 층의 설계법은 온-전류 감소와 forward biased safe operating area 증가의 트레이드-오프 관계를 가진다. 추가로 수직형 IGBT의 역방향 성능에서 N 버퍼 층의 두께가 얇아지거나 농도가 낮아지면 역방향 시 전계 분포가 사다리꼴인 펀치 스루 구조에서 삼각형인 논 펀치 스루 구조로 변하게 된다.

그림. 2. 수직형 펀치 스루 IGBT의 N 버퍼 층의 (a) 두께와 (b) 도핑 농도에 따른 시뮬레이션 순방향 전류-전압 특성

Fig. 2. Simulated forward I-V characteristics of the vertical punch through IGBTs with various (a) thickness and (b) doping concentration of the N buffer layer

전력 소자의 캐리어 수명시간은 반도체와 절연체/반도체 인터페이스의 품질과 스위칭 속도를 증가시키기 위하여 수행하는 전자빔 조사 (electron-beam irradiation)와 같은 후처리 공정에 의하여 결정된다. 캐리어 수명시간과 동작 온도에 따른 수직형 펀치 스루 IGBT의 forward biased safe operating area를 연구하였다. 그림 3은 온도가 200, 300, 400K이고 캐리어 수명시간이 1 ns, 10 ns, 100 ns 및 1 μs일 때 수직형 펀치 스루 IGBT의 순방향 전류-전압 특성이다. 이때 N 버퍼 층의 도핑 농도와 두께 및 게이트 전압은 각각 2 × 10$^{17}$ cm$^{-3}$, 5 µm 및 10 V로 고정하였다. 평균 캐리어 수명은 Shockley-Read-Hall 재결합 (recombination) 이론으로 해석할 수 있으며, 이것은 재결합 중심 (center)에서 발생하는 전자와 정공의 통계를 의미한다^(13~14). 즉, 재결합이 높을수록 캐리어 수명시간은 감소한다. 온도가 변하지 않을 때 캐리어 수명시간이 길어질수록 IGBT 내 정상적으로 설계한 PNP 바이폴러 접합 트랜지스터의 베이스에 재결합이 감소하여 온-전류는 증가한다. 캐리어 수명시간이 증가하여 IGBT의 온-전류가 증가하면, 결국 N+ 이미터 하단 P- 베이스를 흐르는 정공 전류가 증가한다. 이 전류는 P- 베이스 전위를 높여 P- 베이스/N+ 이미터 접합이 순방향 바이어스되면 기생 사이리스터는 래치-업 된다. 결국, 캐리어 수명시간이 증가하면 기생 사이리스터가 래치-업되는 컬렉터 전압이 감소하여, forward biased safe operating area는 감소한다. 또한, 캐리어 수명시간이 길어질수록 턴-오프 시간이 길어져 스위칭 전력 손실이 증가하는 문제점도 고려해야 한다. 정리하면 IGBT의 forward biased safe operating area 측면에서 보면 캐리어 수명시간이 짧은 것이 유리하다.

반면 캐리어 수명시간이 고정 시 온도가 변화하면 두 가지 전기적 특성 변화가 존재한다. 첫째는 온도 증가 시 MOS 채널 산란으로 IGBT의 순방향 컬렉터 전류가 감소하여 forward biased safe operating area가 증가하는 것이다. 둘째는 온도 증가 시 PN 접합의 전위장벽이 감소하여 기생 사이리스터의 래치-업이 더 낮은 컬렉터 전압에서 발생하여 forward biased safe operating area가 감소하는 것이다. 이것은 P- 베이스/N+ 이미터 접합이 턴-온 되어야지만 기생 사이리스터의 래치-업이 되는 것으로 해석할 수 있다. PN 접합의 순방향 전류 밀도는 exp(-E$_{g}$/kT)・exp(eV$_{a}$/kT)에 비례한다. 여기서 E$_{g}$, k, T, V$_{a}$는 각각 실리콘의 에너지 밴드 갭, 볼츠만 상수, 온도 및 인가 전압이다. 즉, 온도가 증가할수록 P- 베이스/N+ 이미터의 순방향 전류가 증가하여 IGBT의 기생 NPN 바이폴러 접합 트랜지스터 및 기생 사이리스터가 더 낮은 컬렉터 전압에서 켜진다. 이것은 300 및 400K에서 캐리어 수명시간이 1 μs인 IGBT는 온-전류의 포화 특성을 유지 못 하지만, 200K에서는 약 500 V까지 순방향 전류 포화 특성을 유지하는 것에서 확인할 수 있다. 온도 관련 두 가지 메커니즘은 IGBT의 forward biased safe operating을 서로 반대로 변화시키므로 유의해야 한다. 그림 3으로부터 IGBT의 순방향 컬렉터 전류와 forward biased safe operating area를 고려하면 캐리어 수명시간은 100 ns가 적합하다. 수직형 펀치 스루 IGBT의 N 버퍼 층의 두께와 도핑 농도의 증가는 기생 사이리스터 래치-업을 억제하여 forward biased safe operating area를 개선하였지만 온-전류와 V$_{CE.SAT}$를 열화시킨다. 또한, 소수 캐리어 소자인 IGBT의 캐리어 수명시간과 동작 온도는 역시 forward biased safe operating area에 영향을 미친다.

그림. 3. (a) 200, (b) 300, (c) 400K에서 캐리어 수명시간에 따른 수직형 펀치 스루 IGBT의 시뮬레이션 순방향 전류-전압 특성

Fig. 3. Simulated forward I-V characteristics of the vertical punch through IGBT with various carrier lifetimes at (a) 200, (b) 300, and (c) 400K, respectively

3. 결 론

수직형 펀치 스루 IGBT의 안정성을 개선하기 위하여 N 버퍼 층, 캐리어 수명시간 및 온도에 따른 forward biased safe operating area 연구를 진행하였다. IGBT 내 구조적으로 존재하는 기생 사이리스터가 래치-업 되면 IGBT가 안정적으로 동작할 수 없다. N 버퍼 층이 두꺼워지거나 도핑 농도가 증가하면 N 버퍼 층에서 재결합이 증가하여 순방향 컬렉터 전류가 감소한 대신에 forward biased safe operating area는 확대되었다. 또한, 캐리어 수명시간이 감소할수록 IGBT의 forward biased safe operating이 개선되었다. 캐리어 수명시간이 고정되었을 때 동작 온도에 따라 IGBT의 기생 사이리스터가 래치-업 되는 컬렉터 전압은 변화하였다. 온도 증가 시 MOS 채널의 산란으로 인한 온-전류 감소에 의한 사이리스터 래치-업 억제와 고온에서 기생 사이리스터 래치-업이 쉬워지는 두 가지 상반된 메커니즘을 밝혔다. 결론적으로 N 버퍼 층, 캐리어 수명시간 및 온도에 따른 forward safe operating area를 고려하여 응용 분야에 적합한 IGBT 설계가 필요하다.