미들 파워 디바이스 신제품 개발 엔지니어 칼럼제3회 650V 고내압으로 낮은 ON 저항과 고속 스위칭을 실현한 Super Junction MOSFET

안녕하세요. 고내압 MOSFET의 신제품 개발을 담당하고 있는 로옴의 오노데라입니다. 이번에는 새롭게 개발한 고내압 Super Junction MOSFET에 대해 소개하겠습니다.

먼저 고내압 MOSFET에 대해 설명하겠습니다. 로옴은 드레인 – 소스간 내압이 500V~900V 정도까지의 MOSFET를 고내압 MOSFET로 구분합니다. 고내압 MOSFET는 주로 가전이나 PC와 같은 다양한 전자제품의 전원 회로, 냉장고나 세탁기, 에어컨 등의 인버터 회로의 스위칭 소자로서 사용되고 있으며, 최근의 저전력화 대응에 필수라고 여겨지는 스위칭 방식 전력 변환 회로의 중요 아이템입니다.

R65xxKNX3 시리즈는 650V의 고내압이지만 Super Junction 구조의 채용을 통해 낮은 ON 저항과 고속 스위칭을 실현하였습니다. MOSFET와 같은 디스크리트는 소자 단품이므로, 프로세스나 구조가 직접적으로 성능에 영향을 미칩니다. 소자의 프로세스와 구조에 대해서는 그림을 사용하여 간단히 설명하겠습니다.
 
그림 2의 왼쪽은 기존품에 채용되는 Planar 구조, 오른쪽은 새롭게 채용한 Super Junction 구조입니다.

그림 2. Planar 구조 (좌), Super Junction 구조 (우)

다음으로 그림 3은, 각각에 전압 인가 시 공핍층의 확산을 나타낸 것입니다. 공핍층은 내압과 크게 관계가 있습니다.

그림 3. Planar 구조 (좌)와 Super Junction 구조 (우)의 공핍층 확산의 차이

Planar 구조는 전압의 인가에 따라 공핍층이 세로 방향으로 확산하기 때문에, ON 저항을 낮추기 위해 불순물 농도를 높이면 공핍층의 폭이 좁아져, 내압을 유지할 수 없습니다. 반면에 Super Junction 구조는 드리프트층인 N층에 P층이 기둥 상태로 배열되어 있어 전압을 인가하면 공핍층이 가로 방향으로 확산되므로, 기둥 상태인 P층의 깊이만큼 공핍층을 형성할 수 있습니다. 따라서, ON 저항을 낮추기 위해 드리프트층의 불순물 농도를 높여도 내압을 유지할 수 있어, 고내압과 낮은 ON 저항을 동시에 실현할 수 있습니다.

또한, Super Junction 구조는 Planar 구조에 비해 저용량이므로, 스위칭 손실도 저감할 수 있습니다.
 
그럼, 실제의 라인업에 대해 소개하겠습니다. 다양한 어플리케이션에서 사용 가능하도록 ON 저항 98mΩ~280mΩ (Typ.)의 5기종을 구비하였습니다. (표 안의 각 품명을 클릭하면, 해당 제품 페이지로 이동합니다.)

※본 라인업은 2021년 시점의 내용입니다. 현재 라인업은 하기 로옴 홈페이지를 참조하여 주십시오.
제품 라인업 : https://www.rohm.co.kr/products/mosfets/high-voltage/nch-500-to-650v-super-junction/high-speed-switching?page=1&DrainSourceVoltage_num=650.0#parametricSearch
특설 페이지 : https://www.rohm.co.kr/support/super-junction-mosfet

현재, 차세대 제품으로 더 낮은 ON 저항화를 도모하여, 칩 면적당 ON 저항에서 40% 저감을 목표로 개발 중에 있습니다. 지구 환경을 지키기 위해 저전력 및 고효율이 요구되는 상황에서, 서두에 언급했던 것처럼 스위칭 소자의 고성능화는 매우 중요하다고 생각합니다.

많은 관심 부탁드립니다.

※이 기사는 2021년 1월 시점의 내용입니다.