SiC MOSFET이란?
SiC MOSFET은 기존의 Si 기판이 아닌 화합물 반도체인 SiC(실리콘 카바이드) 기판을 사용한 MOSFET을 말합니다.
전계효과 트랜지스터의 일종인 MOSFET의 반도체 기판 재료로 사용되며, MOSFET은 온/오프 스위칭, 증폭기 등의 용도로 사용됩니다. 재료로 사용하는 반도체 기판에 화합물 반도체인 SiC를 사용함으로써 기존 Si MOSFET에 비해 전압을 인가한 상태에서의 저항값을 낮출 수 있습니다.
그 결과, 턴오프 시 스위칭 손실과 전력 동작 시 전력 손실을 작게 억제할 수 있습니다. 반도체 칩의 성능 향상과 트랜지스터 동작 시 필요한 냉각 용량을 줄일 수 있기 때문에 제품 자체의 소형화로 이어질 수 있습니다.
SiC MOSFET의 사용 용도
SiC MOSFET은 파워일렉트로닉스 분야의 전자기기 등 릴레이, 스위칭 전원, 이미지 센서 등 많은 반도체 제품에 사용되며, SiC MOSFET을 채용하면 스위칭 오프 시 손실 감소로 인해 고속 스위칭이 가능하여 통신기기에 사용되는 경우가 많다. 통신기기에도 사용되는 경우가 많습니다.
SiC MOSFET을 선정할 때는 제품 애플리케이션의 동작 상태, 즉 절대 최대 정격 및 전기적 특성, 패키지 사용 및 크기 등을 고려해야 합니다.
SiC MOSFET의 원리
SiC MOSFET은 동일한 내압을 유지하면서 낮은 ON 저항과 턴오프 시 저손실 동작이 가능한 MOSFET 구조를 구현할 수 있습니다. 이는 Si 기판에 비해 약 3배의 밴드갭 에너지와 약 10배의 파괴전계 강도의 물성치를 갖는 SiC 기판을 재료로 사용한 트랜지스터이기 때문에 활성층의 층 두께를 얇게 만들 수 있기 때문입니다.
SiC MOSFET은 p형 반도체와 n형 반도체가 적층된 구조를 가지고 있습니다. 보통 p형 반도체 위에 n형 반도체를 적층하고, n형 반도체에는 드레인과 소스 전극, n형 반도체 사이에는 산화절연층과 게이트 전극이 부착되어 있습니다. 또한, 본체의 실리콘 웨이퍼에는 화합물 반도체인 SiC(실리콘 카바이드)가 에피 기판으로 사용됩니다.
MOSFET은 게이트에 양의 전압을 인가하면 소스와 드레인 사이에 전류가 흐른다. 이때 실리콘 웨이퍼에 SiC를 사용하는 SiC MOSFET은 Si만 사용하는 MOSFET에 비해 소스와 드레인 사이의 전압과 전류를 크게 해도 동작할 수 있습니다. 반도체의 불순물 농도를 높일 수 있기 때문에 손실 감소 및 소형화가 가능합니다.
SiC MOSFET의 기타 정보
1. SiC MOSFET과 IGBT와의 구분
IGBT는 일반 Si MOSFET이 대응하기 어려운 고전력 영역의 사용 용도에 사용되는 트랜지스터이지만, 최근 이 영역에 SiC MOSFET 디바이스가 사용되고 있습니다. 그 이유는 SiC의 밴드갭 에너지가 커서 IGBT에 비해 고온 동작이 가능하기 때문입니다. 또한, IGBT의 경우 후단 바이폴라 트랜지스터의 스위칭 손실이 크다는 문제를 해결할 수 있는 것도 이유 중 하나입니다.
이전에는 SiC 에피 기판이 소구경이어서 양산성과 비용 측면에서 어려움이 있었다. 하지만 최근에는 8인치 대응이 가능해져 양산성과 가격도 개선되고 있는 상황입니다.
10kW 이상의 비교적 큰 전력을 다루는 애플리케이션, 예를 들어 전기차(EV) 용도, 발전 시스템 용도, 주택용 전력 용도 등에 적극적으로 활용되고 있습니다.
2. SiC 디바이스와 GaN 디바이스의 차이점
SiC와 함께 주목받고 있는 와이드 밴드갭 반도체로 GaN(질화갈륨)이 있는데, GaN은 SiC에 비해 밴드갭 에너지가 더 크고, 절연파괴 강도도 큰 소자로 연구기관을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있습니다.
GaN은 일반적으로 Si 기판 위에 GaN의 활성층을 형성하는 구조이기 때문에 SiC MOSFET과 같은 고출력 응용 분야에는 대응하기 어렵습니다. 시장에서는 1KW급 전력을 다루는 애플리케이션에서 비교적 많은 연구가 이루어지고 있습니다. 예를 들어, 5G 기지국용 고출력 증폭기 용도나 PC 및 USB를 통한 배터리 충전 용도로 많이 사용되고 있습니다.
GaN 디바이스도 SiC MOSFET과 마찬가지로 고온 동작이 가능하고, 냉각 장치나 과도한 배열 구조가 필요 없어 소형 PC 전원 어댑터로 최근 널리 보급되고 있습니다.