KR19980031809A - 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 래치 특성을 향상시키는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 이미터 구조에 관한 것으로서, P+형 기판 위에 N형 에피층이 형성되어 있고, N형 에피층의 일부 표면에는 가장자리가 직선형인 P형 베이스가 형성되어 있으며, P형 베이스 표면 일부에는 P형 베이스와의 경계부로부터 일부 연장되어 나온 부분을 가지는 N+이미터 영역가 직선형으로 형성되어 있다. 또한, N+이미터 영역과 N형 에피층 사이에 위치한 P형 베이스의 표면과 N형 에피층 표면 상부에는 게이트 절연막이 형성되어 있고, 게이트 절연막 위에 게이트 전극이 형성되어 있다. 이러한 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 구조에서는 N+이미터 영역이 P형 베이스와의 경계로부터 연장되어 나온 부분을 갖고 있기 때문에 이미터 경로를 따라 갑작스럽게 흐르는 전류를 분산시켜 주어 IGBT 소자에서의 래치 특성을 향상시킨다.

Description

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터
본 발명은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT : insulated gate bipolar transistor)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 래치(latch) 특성을 향상시킨 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터에 관한 것이다.
일반적으로 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 전력용 반도체 소자로서, MOSFET의 전도 손실(conduction loss)을 효과적으로 줄일 수 있도록 고안된 소자이다. 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 구조는 MOSFET의 기본 구조에서 컬렉터 쪽의 N+층을 P+층으로 변경하고 PN 접합을 추가한 형태로 구성되므로 전압으로 구동되며, 출력 특성은 바이폴라 트랜지스터와 유사하다.
도1은 일반적인 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 단면도이다.
도1에 도시한 바와 같이, P+반도체층으로 이루어진 P형 기판(1) 위에 N 형 에피층(2)이 형성되어 있고, N 형 에피층(2)의 일부 표면에는 P 형의 불순물이 선택적으로 주입된 P 형 베이스(3)가 형성되어 있다. P 형 베이스(3)는 N 형 에피층(2)의 표면에 평행하게 형성되어 있으며 에피층(2)과의 경계부는 직선형으로 형성되어 있다. 또한, P형 베이스(2) 표면의 일부에는 N+형 이미터 영역(4)이 형성되어 있는데, P 형 베이스(3) 양측 표면에 고농도의 이온을 주입하여 직선형으로 형성한다. 부근 셀의 N+이미터 영역(4)의 가장자리를 경계로 하여 N+형 이미터(4)와 N 에피층(2) 사이의 P형 베이스(3) 영역들의 표면 즉, 채널부와 N 형 에피층(2) 표면 위에 게이트 절연막(5)이 형성되어 있고, 게이트 절연막(5) 위에는 게이트 전극(6)이 형성되어 있으며, 이미터 전극(도시하지 않음)이 P형 베이스 영역(3)과 N+이미터 영역(4)의 상부에 덮여 있다. 이때, 게이트 전극(6)과 이미터 전극(도시하지 않음)은 서로 절연되어 있다. 이러한 IGBT의 P 형 기판(1)의 바깥면에는 컬렉터 전극(도시하지 않음)이 형성되어 있다.
컬렉터 전극과 이미터 전극 사이에 컬렉터 전압이 인가되고 이미터 전극과 게이트 전극(6) 사이에 인가되는 전압이 문턱 전압 이상이면, 채널부가 N 형으로 바뀌며 캐리어인 전자들이 N 형 채널을 통해 이미터 전극으로부터 N 에피층(2)으로 이동하는데, 이 전자들은 P+반도체층(1)과 N 에피층(2) 사이에 순방향 바이어스를 일으키며, 정공 캐리어는 P+반도체층(1)으로부터 방사된다. 결과적으로, N 에피층(2)의 저항은 크게 감소하고, 컬렉터 전극에서 이미터 전극으로 흘러가는 전류 IC는 큰 값을 갖게 된다. 즉, IGBT가 도통된다. 보통, 컬렉터 전류 IC가 특정값일 때, 온(ON) 저항값은 역 컬렉터 전압 VCE에 의해 측정된다.
그러나, 이러한 구조는 일단 도통하면 애노드 전압을 0으로 하지 않는 이상 IGBT가 오프되지 안는 사이리스터(thyristor) PNPN 구조가 기생적으로 발생할 수 있다. 결국 게이트의 제어 기능을 상실하여 소자가 파괴되는 래치 업(latch up) 현상이 발생한다.
래치 업 현상의 수학적 해석은 아래와 같다.
IGBT는 바이폴라 소자로서 그 전류는 정공의 이동으로 이루어지는 정공 전류 Ih와 전자의 이동으로 이루어지는 전자 전류 Ie로 구성된다. 여기서 래치 업을 일으켜 소자를 파괴하는 전류는 Ih이므로 IGBT의 래치 특성을 향상시키기 위해서는 Ih의 제어가 가장 중요한 요소로 작용한다.
도1의 A 부분에서 여기되는 전압을 VA, P 베이스 저항을 Rp, 그 부분을 흐르는 전류를 Ih라 할 때,
VA= Rp× Ih
이다. 이것을 다시
VA= αpnp× Rp× Ic
로 표현할 수 있다. 이때, αpnp는 P베이스/ N 에피텍셜층/ P+형 기판 트랜지스터의 전류 증폭율을 나타낸다.
순방향으로 바이어스된 N+이미터와 P 베이스 접합부에 인가되는 전압이 0.7V이상일 경우, PNP 트랜지스터가 동작하여 래치가 발생하므로 부하 전류는 아래와 같다.
IL= 0.7/(αpnp× Rp)
또한, P 베이스에서의 저항 Rp는 비저항ρp및 이미터의 길이 Le 에 비례하므로
IL∝ 1/(αpnp× ρp× Le)
의 식이 성립한다. 위의 식에서 부하 전류 IL은 변전 가능한 전류로서, 그 값이 클수록 소자의 브레이크 다운(breakdown)을 줄일 수 있다. 이때, 비저항 ρp와 전류 증폭율 αpnp은 일정하므로 래치 특성을 향상시키기 위해서는 이미터의 길이 Le를 줄이는 것이 필요하다.
그러나 현실적으로 전류 특성 및 정상 역전류 특성과 직접적으로 연결되는 IGBT 셀의 크기를 유지하는 것이 중요하기 때문에 이미터의 길이를 줄여 셀의 크기를 축소시키는 것은 현실적으로 불가능하다.
본 발명의 과제는 IGBT의 래치 특성을 향상시키는 것으로서, N+이미터의 형태를 변경하여 셀의 크기를 축소시키지 않으면서도 이미터의 길이를 줄이는 것과 같은 효과를 내는 데에 있다.
도1은 일반적인 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 단면도이고,
도2는 본 발명의 실시예에 따른 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 단면도이다.
본 발명에 따른 IGBT는 P+형 기판 위에 N형 에피층이 형성되어 있고, N형 에피층의 일부 표면에는 가장자리가 직선형인 P형 베이스가 형성되어 있으며, P형 베이스 표면 일부에는 P형 베이스와의 경계부로부터 일부 연장되어 나온 부분을 가지는 N+이미터 영역가 직선형으로 형성되어 있다. 또한, N+이미터 영역과 N형 에피층 사이에 위치한 P형 베이스의 표면과 N형 에피층 표면 상부에는 게이트 절연막이 형성되어 있고, 게이트 절연막 위에 게이트 전극이 형성되어 있다.
이러한 IGBT 구조에서는 N+이미터 영역이 P형 베이스와의 경계로부터 연장되어 나온 부분을 갖고 있기 때문에 이미터 경로를 따라 갑작스럽게 흐르는 전류를 분산시켜 주어 IGBT 소자에서의 래치 특성을 향상시킨다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명에 따른 IGBT의 이미터 구조에 대하여 상세하게 설명한다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 단면도이다.
도2에 도시된 본 발명에 따른 IGBT의 층상 구조는 기본적으로 종래의 IGBT의 구조를 갖지만, N+이미터(4)의 형태에서 차이가 난다.
종래의 IGBT에서는 이미터가 길이 Le과 일정 폭(D)을 갖는 스트라이프(stripe) 구조인데 비해, 본 발명에서는 이미터의 길이 Le는 일정하게 하여 IGBT 셀(cell) 크기에는 영향을 미치지 않으면서 이미터(4)에 부분적으로 요철이 형성되어 있는 구조이다. 이때, 요철은 N+이미터(4)와 P 베이스(3)의 경계부에서 P 베이스(3) 방향으로 이미터(4)의 일부가 연장되어 나온 형태로서, 전류가 이미터(4)를 경로로 하여 전달될 때 전류가 요철 내부를 경로로 하여 분산되어 흐르기 때문에 직선 이미터를 따라 전류가 흐르는 경우보다 래치가 발생할 확률이 줄어든다. 즉, 요철의 깊이(d) 만큼 이미터의 길이를 축소시키는 것과 같은 효과를 나타낼 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 IGBT 구조는 이미터의 일부에 요철이 형성되어 있어서, N+이미터 길이를 줄이지 않고도 변전 가능한 부하 전류를 높일 수 있다. 따라서, 래치 특성이 향상된다.

Claims (4)

  1. P+형 기판 위에 형성되어 있는 N형 에피층,
    상기 N형 에피층의 일부 표면에 형성되며 가장자리는 직선형으로 형성되어 있는 P형 베이스,
    상기 P형 베이스 표면 일부에 직선형으로 형성되며 상기 P형 베이스와의 경계부로부터 일부 연장되어 나온 부분을 가지는 N+이미터 영역,
    상기 N+이미터 영역과 상기 N형 에피층 사이에 위치한 상기 P형 베이스의 표면과 상기 N형 에피층 표면 상부에 형성되어 있는 게이트 절연막,
    상기 게이트 절연막 위에 형성되어 있는 게이트 전극
    을 포함하는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터.
  2. 제1항에서, 상기 P+형 기판의 바깥 면에는 컬렉터 전극이 형성되어 있는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터.
  3. 제2항에서, 상기 P형 베이스와 N+이미터 영역의 상부에는 이미터 전극이 형성되어 있는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터.
  4. 제3항에서, 상기 게이트 전극과 상기 이미터 전극은 서로 절연되어 있는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터.
KR1019960051371A 1996-10-31 1996-10-31 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 KR100200366B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100745557B1 (ko) * 1999-02-17 2007-08-02 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼 Ｉｇｂｔ 및 전력변환 장치

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