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2018.03.30 SiC 파워 디바이스

실리콘 카바이드란?

SiC (실리콘 카바이드)란?

실리콘 카바이드, SiC는 비교적 새로운 반도체 재료입니다. 먼저 그 물성과 특징에 대해 설명하겠습니다.

SiC의 물성과 특징

SiC는 실리콘 (Si)과 탄소 (C)로 구성된 화합물 반도체 재료입니다. 결합력이 매우 강하고, 열적, 과학적, 기계적으로 안정적입니다. SiC에는 다양한 폴리타이프 (결정 구조)가 존재하여, 각각의 물성치가 다릅니다. 파워 디바이스용으로는 4H-SiC가 최적입니다. 하기 표는 Si 등 최근 주목 받는 반도체 재료와의 비교입니다.

SiC_0-1_tab
SiC_0-1_sic
3inch 4H-SiC 웨이퍼

표의 황색 하이라이트 부분이 Si와 SiC의 비교입니다. 청색은 파워 디바이스에 이용할 경우 특히 중요시되는 항목입니다. 수치가 나타내는 바와 같이 SiC는 이러한 항목에서 우수합니다. 또한 다른 신재료와 달리 Si와 동일하게 디바이스 제조에 필요한 p형, n형 제어가 넓은 범위에서 가능하다는 점도 특징입니다. 따라서, Si의 한계를 뛰어넘는 파워 디바이스용 재료로서 기대를 모으고 있습니다.

  • Si와 C가 1대1의 비율로 결합한 IV-IV family 화합물 반도체
  • Si와 C의 원자쌍을 단위층으로 하는 초밀 충전 구조
  • 다양한 폴리타이프가 존재하며, 파워 디바이스에는 4H-SiC가 최적
  • 결합력이 매우 강하다 ⇒ 열적, 화학적, 기계적으로 안정적
    • 열적 안정성 : 상압에서 액체층은 존재하지 않으며, 2000℃에서 승화
    • 기계적 안정성 : 모스 경도 (9.3)는 다이아몬드 (10)에 필적
    • 화학적 안정성 : 대부분의 산, 알카리에 비활성

SiC 파워 디바이스의 특징

SiC는 절연 파괴 전계 강도가 Si에 비해 약 10배 높으므로, 600V~수천V의 고내압을 실현할 수 있습니다. 또한, Si 디바이스보다 불순물 농도를 높일 수 있으며, 막 두께의 드리프트 층을 얇게 할 수 있습니다. 고내압 파워 디바이스의 저항 성분 대부분은 드리프트 층의 저항이므로 드리프트 층의 두께에 비례하여 저항치는 높아집니다. SiC는 드리프트 층을 얇게 할 수 있어, 단위 면적 당 ON 저항이 매우 낮아 고내압 디바이스를 만들 수 있습니다. 이론 상으로는 동일한 내압일 경우, Si에 비해 면적 당 드리프트 층 저항을 1/300로 저감할 수 있습니다.

Si 파워 디바이스는 고내압화에 따른 ON 저항의 증대를 개선하기 위해, 주로 IGBT (절연 게이트 바이폴라 트랜지스터) 등의 소수 캐리어 디바이스 (바이폴라 디바이스)가 사용되어 왔습니다. 그러나, 스위칭 손실이 크므로 발열이 문제되어, 고주파 구동에는 한계가 있었습니다. 한편, SiC의 경우, 쇼트키 배리어 다이오드 및 MOSFET와 같은 고속 다수 캐리어 디바이스를 고내압화할 수 있으므로, Si에서는 트레이드 오프 관계였던 「고내압」「저 ON 저항」「고속」을 동시에 실현할 수 있습니다.

또한, 밴드 갭이 Si보다 약 3배 넓기 때문에, Si보다 높은 온도에서 동작이 가능합니다. 현재는 패키지의 내열성 제약으로 150℃~175℃ 보증이지만, 패키지 기술이 발전하게 되면 200℃ 이상의 보증이 가능해집니다.

포인트를 몇가지 들어 설명했습니다. 물성 및 프로세스에 대한 기초 지식이 없는 분에게는 조금 어려운 내용이었으리라 생각됩니다. 하지만, 이러한 내용에 대해 잘 이해하지 못한 상태에서도 SiC 파워 디바이스를 사용할 수 있으므로 안심하여 주십시오.

키 포인트

・SiC의 물성은 파워 디바이스에 적합하다.

・Si 반도체 대비, 손실 저감 및 고온 환경하에서의 동작 특성이 우수하다.

실리콘 카바이드 파워 디바이스의 이해와 활용 사례