3세대 반도체 SiC

SiC는 3세대 와이드 밴드갭 반도체 소재로 밴드갭 폭, 항복 전계 강도, 전자 포화 드리프트 속도 등 물리적 특성에서 Si보다 더 많은 장점을 갖고 있다. 준비된 다이오드, 트랜지스터, 파워 모듈 등 SiC 소자는 고전력, 고전압, 고주파수, 고온 등의 응용 요구 사항을 충족할 수 없는 실리콘 베이스의 결함을 극복할 수 있는 더 나은 전기적 특성. 또한 무어의 법칙을 뛰어넘을 수 있는 획기적인 경로 중 하나이기 때문에 신에너지 분야(태양광발전, 에너지저장장치, 충전파일, 전기차 등)에서 널리 활용되고 있다.

1, SiC란 무엇인가?

반도체 소재는 일반적으로 연구와 대규모 적용의 연대순에 따라 3세대로 구분된다.

1세대 : 1940년대부터 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)이 적용되기 시작했다. 실리콘은 천연 매장량이 많고 준비 과정이 간단하여 현재 생산량이 가장 많고 가장 널리 사용되는 반도체 소재입니다. 이는 산업, 상업, 운송, 의료, 군사 등 인간 생산과 생활의 모든 측면을 포함하는 집적 회로에 사용됩니다. 그러나 고주파, 고전력 소자 및 광전자 소자의 응용에는 큰 병목 현상이 있습니다.

2세대: 1960년대에는 갈륨비소(GaAs)와 인듐인화물(InP)을 사용하여 광전자공학, 마이크로전자공학, 무선주파수 분야에서 고속 고주파, 고출력, 발광 전자소자를 생산했으며, 위성통신, 이동통신, 광통신, GPS 네비게이션 등에 적용할 수 있습니다. GaAs 및 InP 소재의 희소성, 높은 가격, 독성 및 환경 오염으로 인해 2세대 반도체 소재의 적용에는 일정한 한계가 있습니다.

3세대 : 1980년대 실리콘카바이드(SiC), 갈륨질화물(GaN), 다이아몬드(C)로 대표되는 광대역갭(Eg > 2.3eV) 반도체가 급속히 발전하면서 높은 항복전계, 높은 열 전도성, 높은 전자 포화율 및 강력한 방사선 방지 능력으로 고전압 및 고주파 시나리오를 충족합니다. 고전압 전력 장치, 5G RF 장치 및 기타 분야에 사용됩니다.

Si 재료와 비교하여 SiC의 주요 장점은 다음과 같습니다.

• SiC는 Si보다 밴드갭 폭이 3배 더 넓어 누출을 줄이고 허용 온도를 높일 수 있습니다.
• SiC는 Si보다 항복 전계 강도가 10배 더 강하고 전류 밀도, 작동 주파수, 전압 용량을 향상시키고 온-오프 손실을 줄일 수 있어 고전압 애플리케이션에 더 적합합니다.
• SiC는 Si보다 전자 포화 드리프트 속도가 2배 더 높기 때문에 더 높은 주파수에서 작동할 수 있습니다.
• SiC는 Si보다 열전도율이 3배 높고, 열 방출 성능이 더 뛰어나며, 높은 전력 밀도를 지원하고 열 방출 요구 사항을 줄여 장치를 더 가볍게 만듭니다. 따라서 SiC 소재는 명백한 재료 성능 이점을 갖고 있으며 고온, 고전력, 고압, 고주파, 방사선 저항 및 기타 가혹한 조건에 대한 현대 전자 장치의 요구 사항을 충족할 수 있으며 5G 무선 주파수 장치 및 고전압 전력 장치에 적합합니다. 경량, 고에너지 효율, 높은 추진력 및 기타 요구 사항을 충족하는 신에너지 분야(광발전, 에너지 저장, 충전 파일, 전기 자동차 등).

2, SiC를 디바이스로 사용하는 이유는 무엇입니까? SiC 장치에는 다이오드, 트랜지스터 및 전원 모듈이 포함됩니다.

2001년에 Infineon은 SiC JBS 제품을 최초로 출시했습니다. 2008년에 Semisouth는 최초의 영구 폐쇄형 SiC JFET 장치를 출시했습니다. 2010년 ROHM은 처음으로 SiC MOSFET 제품을 대량 생산했습니다. Cree는 2011년부터 SiC MOSFET 판매를 시작했으며, 2015년에도 ROHM은 그루브 게이트 MOSFET 출시를 계속 최적화했습니다. 현재 SiC SBD 다이오드 및 MOSFET 트랜지스터는 현재 가장 널리 사용되고 산업화 성숙도가 가장 높은 제품입니다. SiC IGBT 및 GTO 및 기타 장치는 기술적인 어려움으로 인해 여전히 연구 개발 단계에 있으며, 산업화.

우수한 전기적 성능을 수행하는 재료 특성으로 인해 SiC 장치:

• 온-오프, 스위칭/복구 손실이 더 낮습니다. 밴드 갭이 넓어 SiC 장치 누설 전류가 더 적고, 동일한 전압 조건에서 SiC 장치 온 저항이 실리콘 기반 장치의 약 1/200이므로 온 손실이 적습니다. 더 낮습니다. Si FRDS 및 Si MOSFET은 순방향 바이어스에서 역방향 바이어스로 전환할 때 큰 과도 전류를 생성하고 역방향 바이어스로 전환할 때 큰 손실을 생성합니다. SiC SBD 및 SiC MOSFET은 대부분의 캐리어 장치이지만 역회복은 작은 전류의 접합 커패시터 방전 정도를 통해서만 흐릅니다. 또한 과도 전류는 온도와 순방향 전류의 영향을 거의 받지 않으며 어떤 환경 조건에서도 안정적이고 빠른(20ns 미만) 역회복을 달성할 수 있습니다. ROHM에 따르면 SiC MOSFET+SBD 모듈은 온 턴 손실(Eon)을 34% 줄일 수 있으므로 복구 손실이 낮습니다. SiC 디바이스는 셧다운 과정에서 전류 트레일링이 없으며, 로옴에 따르면 SiC MOSFET+SBD 모듈은 셧다운 손실(Eoff)을 88%까지 줄일 수 있어 스위칭 손실도 더 낮다고 한다.
• 소자의 소형화 가능: SiC 밴드갭 폭에 따라 더 높은 도핑 농도와 더 얇은 막 두께의 드리프트층을 갖춘 600V 이상의 고전압 전력 소자를 생산할 수 있음이 결정됩니다(동일한 전압 저항과 동일한 온 저항을 갖는 제품의 경우, 칩 크기는 더 작습니다); SiC 포화 전자 표류율이 높기 때문에 SiC 소자는 더 높은 작동 주파수와 더 높은 전력 밀도를 달성할 수 있습니다. 체계. SiC는 넓은 밴드 갭과 상당한 열 전도성을 갖고 있어 고온 조건에서 안정적으로 작동할 뿐만 아니라 장치의 열 방출이 더 쉬워지므로 방열 시스템에 대한 요구 사항이 더 낮습니다.
• SiC 장치의 열 안정성: SiC SBD 및 Si FRD의 개방 전압은 1V 미만이지만 SiC SBD의 온도 의존성은 Si FRD와 다릅니다. 온도가 높을수록 전도 임피던스가 증가하고 VF 값이 증가합니다. 크기가 커지고 열 제어 불능이 발생하지 않아 시스템의 안전성과 신뢰성이 향상됩니다. 동일한 온도 조건에서 IF=10A, SiC 및 실리콘 다이오드 포지티브 전도 전압 비교, SiC 쇼트키 다이오드 전도 전압 강하는 1.5V, 실리콘 고속 복구 다이오드 전도 전압 강하는 1.7V, SiC 소재 성능은 실리콘 소재보다 우수합니다. 또한, Si MOSFET의 드리프트층 저항은 온도가 100℃ 상승하면 원래의 2배가 되지만, SiC MOSFET의 드리프트층 저항은 작고, 채널 저항 등 다른 저항은 고온에서 약간 감소하며, n+ 기판의 저항은 온도 의존성이 거의 없으므로 고온 조건에서 온 저항을 증가시키기가 쉽지 않습니다.

실리콘 카바이드는 다음과 같은 성능 및 응용 분야에서 장점을 가지고 있습니다.

1). 높은 융점 및 열전도율: 탄화규소는 융점과 열전도율이 매우 높아 고온 환경에서 잘 작동합니다. 대조적으로, 전통적인 실리콘 반도체 재료는 고온에서 성능을 잃는 경향이 있습니다. 질화갈륨(GaN) 및 산화아연(ZnO)과 같은 다른 3세대 반도체 소재도 일부 특정 응용 분야에서 우수한 성능을 발휘하지만, 고온에서 탄화규소의 안정성과 성능은 여전히 ​​고유한 장점으로 남아 있습니다.

2). 넓은 밴드 갭: 탄화규소는 밴드 갭이 크므로 전자 에너지 준위 구조가 독특한 특성을 갖습니다. 이를 통해 탄화규소는 고전력, 고주파 전자 장치에서 더 높은 전자 포화 드리프트 속도를 달성하여 전력 손실을 줄일 수 있습니다. 대조적으로 질화 갈륨과 산화 아연은 밴드 갭이 더 작기 때문에 고전력 응용 분야에는 적합하지 않습니다.

삼). 높은 전계 포화 속도: 탄화규소의 전자는 높은 전계 하에서 여전히 고속을 유지할 수 있으며 전계에 의해 쉽게 제한되지 않습니다. 이는 탄화 규소에 RF 전력 증폭기 및 마이크로파 장치와 같은 고주파수 응용 분야에서 탁월한 성능을 제공합니다. 대조적으로, 질화 갈륨은 고주파수 분야에서도 이점을 갖고 있는 반면, 탄화 규소는 여전히 더 높은 전자 이동성을 가지고 있습니다.

4). 높은 항복 전계 강도: 탄화 규소의 항복 전계 강도는 매우 높으며 이는 성능 저하 없이 높은 전계에서 작동할 수 있음을 의미합니다. 이는 고전압 애플리케이션, 전력 전자 장치 및 전력 전송 시스템에 중요합니다. 반면 다른 3세대 반도체 소재는 항복전계 강도가 낮다.

5). 무선 주파수 성능: 탄화규소는 무선 주파수 분야에서 손실이 적고 전력 전달 용량이 높은 성능을 발휘합니다. 이로 인해 무선 통신, 레이더 시스템 및 고주파 전자 장비에 널리 사용됩니다. 반면, 다른 3세대 반도체 소재는 RF 특성이 좋지 않을 수 있습니다.

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