IGBT 소자개발동향 ( 업체별 )

1. FUJI IGBT의 적용기술 개발추이 펀치 스루형 (PUNCH THROUGH) 얇은 웨이퍼 기술 미세 가공 기술 트렌치 기술 NPT형(FZ 웨이퍼) FS형(FZ 웨이퍼) 1. FUJI SEMICONDUCTOR IGBT 소자개발동향(업체별) FZ ; floting zone FS형 : field stop n+버퍼층을 FS층으로 하고, 더욱 薄層화 (=EUPEC 3세대 =FF600R17KE3) 미세 가공기술의 발전에 따라 전력용 반도체 소자의 개발도 진행됨.

2. 집적 디자인 발전추이 싸이리스터 바이폴라 트랜지스터 1K 비트 16K 비트 1M 비트 64K 비트 256K 비트 4M 비트 16M 비트 64M 비트 三菱 반도체 : IPM / IGBT 4세대 (0.8 μm) 5세대 (1.0 μm)

3. 에미터 콜렉터 에미터 콜렉터 IGBT 공핍층의 크기에 따른비교 PT(PUNCH THROUGH) / NPT(NON PUNCH THROUGH)의 차이 PT : Wide base pnp 트랜지스터의 주입효율을 올리고, life time control(多)에 의해 수송효율을 낮춤. NPT : Wide base pnp 트랜지스터의 주입효율을 낮추고, life time control(少)에 의해 수송효율을 높임. life time control을 수행치 않을 수도 있어 고온에서도 스위칭 손실이 증가되지 않음. 정온도 특성유지 병렬운전 용이. 부하 단락내량이 높다. FZ 웨이퍼를 사용가능하므로 저가이고, 저결정 결함이 있어도 신뢰성이 높다.

4. PLANAR 게이트 구조 TRENCH 게이트 구조 PLANAR 와 TRENCH 게이트의 IGBT 유닛 셀 비교 GATE 구조의 차이 Trench IGBT는 CELL 밀도를 크게 증가시킬 수 있으므로, 단락내량이 낮지만 채널부의 전압강하를 최소한으로 억제 가능하다. Planer (평형) 구조에서는 특유의 채널간에 존재하는 JFET 라는 부분이 존재하여 이부분에서 전압강하가 발생한다. (ON 저항 증가)

5. IGBT 단위 셀의 단면비교 게이트 에미터 게이트 에미터 n- DRIFT 층 n- DRIFT 층 Field Stop 층 콜렉터 공핍층 콜렉터 PLANAR NPT IGBT PLANAR FS IGBT FS 구조 (FIELD STOP) NPT 에서는 턴-오프시에 공핍층이 콜렉터 측에 접촉하지 않도록 드리프트 층을 두껍게 할 필요가 있지만, FS구조에서는 공핍층을 멈추게 하기위한 FS층이 형성되어 있으므로 NPT에 비하여 드리프트 층의 두께를 얇게 할 수 있다.(기판 웨이퍼의 저항을 낮출 수 있다.) 따라서, Vce(sat) 값을 낮출 수 있다. 또, FS 에서는 드리프트 층의 두께가 얇기 때문에 과잉 캐리어가 작고, 공핍층이 늘어난 상태에서 중성영역의 잔류 폭이 작기 때문에 턴-오프 손실 저감이 가능하다.

6. 에미터 전극 배리아 메탈층 게이트 산화막 종래의 TRENCH IGBT 폴리 시리콘게이트 N+ 에미타층 P 베이스층 n+ 버퍼층 P+ 콜렉터층 콜랙터 전극 CSTBT와 종래의 TRENCH IGBT의 포화전압 (Vce-sat)과 턴-오프 스위칭손실(Eoff)의 트레이드 오프 관계 전하축적형 TRENCH 게이트 바이폴라 트랜지스터 (CSTBT)의 구조 2. MITSUBISHI SEMICONDUCTOR MITSUBISHI 차세대 IGBT (5세대) = CSTBT ( Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor )

7. 1,2,3 세대는 PT 형을 근본으로 CELL의 미세화 기술에 의해 진행 되었고, 4세대에서는 trench 구조를 가미하였다. 5세대에서는 상기 그림의 전하 축적형 트렌치 구조의 IGBT(PT기본)를 신모델로 내세우고 있다. 기존의 TIGBT(Trench IGBT)의 P베이스층과 n-층과의 사이에 고불순물 농도를 갖는 n층을 추가한 것이다.이 n층의 추가로 P베이스 n접합의 내장전위가 TIGBT의 P베이스 n- 접합의 내장전위보다도 약 0.2v 높다. 이 높은 내장 전위로 인해 P+층으로부터 n-층에 주입되는 정공이 에미터 측으로의 확산을 막는 장벽이 된다. 결국 n층이 P베이스층으로의 정공의 이동을 제한하게 되므로 소자내부에 정공이 축적되게 된다. 이 전하의 축적으로 소수캐리어인 정공분포가 pin 다이오드의 정공분포와 비슷한 형상이 되므로 CSTBT의 ON 전압 특성은 TIGBT에 비하여 대폭적으로 저감된다. 캐리어를 축적하기 위하여 비교적 불순물 농도가 높은 n층으로 주 접합을 시행하므로 전압저지능력을 확보하기가 TIGBT에 비하여 어렵기 때문에 전하축적층의 불순물 농도와 두께를 최적 선정할 필요가 있다.

8. 다이오드 다이오드 on 상태에서의 소자내부의 정공밀도분포 pin다이오드,CSTBT,TIGBT의 출력특성

9. MITSUBISHI 신제품 비교 LPT : LIGHT PUNCH THROUGH CSTBT개발중PLANER양산중 CM900DU-24NF CM1400DU-24NF (생산중) CM1000DU-34NF ('03,08 생산예정) GATE DRIVING POWER (소요 전력 비교) 기타 2.5KV / 3.3KV / 4.5KV HVIGBT ( PT / PLANER ) CM400HB-90H CM600HB-90H CM900HB-90H

10. Advantages of NPT + PT = SPT 3. SEMIKRON SEMICONDUCTOR

11. 1. The SPT chip has a trade-off between Vcesat/Esw favouring higher switching frequencies than the Trench • 2. The heat dissipation of a SPT chip is better than of an equally (current) rated Trench chip

12. Power loss comparison 123, 124, 126, 128

13. 4. EUPEC SEMICONDUCTOR TRENCH FS ==> KE3 , EconoPACK+ Low loss ==> KF6

14. 5. ABB SEMICONDUCTOR NPT 1200V/ 25A SPT 1200,1700V / 25-100A PT 2500,5200V / 50-55A