High speed and high voltage characteristics are major concerns of power devices using in power converting systems.
A new junction termination technique using inductively coupled plasma reactive ion etcher is proposed in this thesis. Principles of the breakdown voltage, the effects of the cylindrical junction and the spherical junction, and various junction termination techniques are described in chapter 2. The proposed junction termination structure achieved above 90% of the ideal breakdown voltage in simulation and experiments by eliminating the cylindrical and spherical junction curvature formed inherently in planar process. Comparison the proposed technique with the conventional technologies such as multiple field limiting rings and SIPOS resistive field plates for the typical width and the relative area required for the voltage ratings of 700V and 2,000V shows the performances of the proposed technique are superior to other techniques. The proposed structure consumes just 4 % of the junction termination area that is required for multiple field limiting rings for the same voltage rating devices.
We found that the breakdown voltages of the proposed structure were dependent on the trench width, and it was saturated with sufficient trench width. Since aspect ratio 10:1 is appropriate for fabrication in practical case, the expected trench width is about 1110 of the corresponding trench depth.
A new bipolar power transistor with corrugated base junctions for high speed switching is also proposed in this thesis. Switching mechanism of the bipolar transistors and conventional high speed switching technologies are described in chapter 4.
While the conventional bipolar transistors have parallel plane base junctions, the proposed bipolar transistor has many corrugated base junctions below the base electrodes and the base electrodes contact to high doped base region and low doped base region at the same time. Since the conventional base region has a uniform doping laterally, it shows no lateral electric field. Whereas the corrugated base region has a doping gradient laterally as well as vertically under the base electrodes, it has built-in electric field not only in the vertical direction but also in the lateral direction, which accelerates the recombination rates of the excess electrons and the holes stored in the base region and causes shorter storage time in turn-off stage.
Consequently, the new bipolar transistor with corrugated base junctions shows relatively shallow saturation in conduction state and has faster turn off switching characteristics.
We investigated the mechanism for the fast switching and shallow saturation characteristics of the bipolar power transistor using corrugated base junctions through simulation and experiments for several base masking oxide widths. The turn-off times and the saturation voltages between the collector and the emitter are described as a function of the base masking oxide widths. The wider the base masking oxide widths becomes, the faster switching speed we obtain, at the expense of the saturation voltages. The proposed bipolar power transistors with corrugated base junctions have been fabricated without any additional process steps and have shown shorter storage time above 25 % than the conventional bipolar transistors with parallel plane base junctions. The corrugated base transistors would be more suitable for fast switching applications than the conventional base transistors.
고속 스윗칭과 고 내압 특성은 전력변환 시스템에 사용되는 전력용 반도체 소자의 중요한 요구사항 이다.
본 논문에서는 ICP(Inductively Coupled Plasma) RIE(Reactive Ion Etcher)를 이용한 새로운 접합 종단부 기술을 제안한다. 항복전압의 원리, 원통형 접합과 구형 접합의 효과 및 다양한 접합 종단부 기술은 제 2장에 설명되어 있다. 제안된 접합 종단부 구조는, 플래너 공정에서 불가피하게 형성되는 원통형 접합부와 구형 접합부를 완전히 제거함으로써, 시뮬레이션과 실험을 통하여 이상적인 항복전압의 90%이상을 달성 하였다. 제안된 기술은 700V 및 2,000V 급의 전압 정격을 내는데 필요한 폭과 면적을 다중 필드 리미팅 링과 SIPOS 필드 플레이트와 같은 종래의 기술과 비교함으로써 그 우수성을 입증하였다. 제안된 구조는 동일한 전압 정격 소자에 대하여 다중 필드 리미팅 링 구조에서 필요한 면적의 4%만으로 동일한 전압 특성을 달성하였다.
제안된 구조의 항복전압은 트렌치 폭에 따라 달라지며, 충분한 트렌치 폭을 갖게 되면 일정한 전압수준에 도달하게 된다. 실제적인 경우에 공정을 진행함에 있어서 수직 깊이와 수평 폭의 비가 10:1 정도이면 어렵지 않게 진행할 수 있으므로, 예상되는 트렌치 폭은 진행한 트렌치 깊이의 1/10 정도가 될 것 이다.
본 논문에서는 또한 고속 스윗칭을 위하여 코러게이티드 베이스 접합을 갖는 새로운 전력용 바이폴라 트랜지스터를 제안 하였다. 바이폴라 트랜지스터의 스윗칭 메커니즘과 고속 스윗칭을 위하여 개발된 종래의 기술들이 제 4장에 설명되어 있다.
종래의 바이폴라 트랜지스터는 편평한 평면 베이스 접합을 갖고 있음에 비하여, 제안된 바이폴라 트랜지스터는 베이스 전극 밑에 코러게이티드 베이스 접합을 갖고 있으며, 베이스 전극은 고농도 베이스 영역과 저농도 베이스 영역을 동시에 접촉하도록 되어 있다. 종래의 베이스 영역은 횡방향으로 일정한 농도 분포를 가지고 있으므로, 횡방향 전기장이 존재하지 않는다. 이에 반해 코러게이티드 베이스 영역은 종방향 뿐만 아니라 횡방향으로도 농도 기울기가 존재 하므로 종방향 뿐만 아니라 횡방향으로도 전기장이 존재하며, 이러한 전기장이 베이스 영역에 축적된 과잉 전자와 홀의 이동과 재결합을 촉진하게 되어 턴 오프 시에 짧은 축적 시간을 가져오게 된다.
결과적으로 코러게이티드 베이스 접합을 갖는 새로운 바이폴라 트랜지스터는 전류의 도통상태에서 상대적으로 얕은 포화상태를 유지함으로써 더 빠른 턴 오프 스윗칭 특성을 보여 준다.
코러게이티드 베이스 접합을 갖는 전력용 바이폴라 트랜지스터의 빠른 스윗칭 특성과 얕은 포화상태를, 베이스 마스킹 산화막의 폭을 변화시켜 고찰 함으로써, 턴 오프 시간과 컬렉터 에미터 사이의 포화전압을 베이스 마스킹 산화막의 폭의 함수로 표현 하였다. 베이스 마스킹 산화막의 폭이 넓어질수록 더 빠른 스윗칭 특성을 얻었으며 반면에 포화 전압은 높아졌다. 제안 된 코러게이티드 베이스 접합을 갖는 전력용 바이폴라 트랜지스터는 부가적인 공정 없이 제작 되었으며, 편평한 베이스 접합을 갖는 종래의 바이폴라 트랜지스터에 비하여 25% 이상 빠른 축적시간을 보여 주었다. 코러게이티드 베이스 트랜지스터는 종래의 트랜지스터에 비하여 빠른 스윗칭이 요구되는 응용처에 더욱 적당할 것이다.
