소개
탄화규소(SiC) 반도체는 반도체 산업에서 더욱 각광받고 있습니다. 과거에는 반도체의 주원료로 실리콘을 사용했습니다. 그러나 탄화규소(SiC)가 도입된 이후, 반도체는 기능적 효율성, 내구성, 그리고 효율성이 더욱 향상되었습니다.
이 기사에서는 탄화규소가 무엇이고, 왜 최근 반도체 산업의 주요 요소가 되었는지에 대해 잘 설명합니다.
실리콘 카바이드(SiC)란 무엇입니까?
탄화규소(SiC)는 제조 산업에서 발열체 생산에 주로 사용되는 세라믹 소재입니다. 이 반도체 소재의 상품명은 카보런덤(Carborundum)입니다. 이 소재를 사용하는 제조 부품 중 일부는 세라믹 소재 도가니, 버너 노즐, 슬라이드 베어링 등을 생산하는 데 사용됩니다.
SiC로 생산되는 다른 부품으로는 마모 부품, 밀봉 링, 열교환기, 소결 보조제 등이 있습니다. 따라서 "최근 반도체에 SiC가 도입된 이유는 무엇인가?"라는 중요한 질문에 답하자면, 탄화규소 반도체는 더 높은 전자 이동도와 열전도도를 제공하는 동시에 전력 손실을 낮추기 때문입니다.
SiC 도핑
SiC와 넓은 밴드갭을 가진 다른 반도체 소재를 비교해 보면 SiC가 더 높은 농도의 넓은 도펀트를 처리할 수 있음을 알 수 있습니다. 이온 주입이나 인시튜 도핑을 통해 이러한 현상이 발생할 가능성이 높다는 점도 흥미로울 것입니다.
대부분의 경우 SiC 도핑은 인과 질소와 같은 도너형 불순물을 사용합니다. 갈륨, 붕소, 알루미늄과 같은 억셉터형 불순물도 전기 전도도를 높이기 위해 흔히 사용됩니다. SiC 격자에서 탄소는 질소로 치환되고, 실리콘은 붕소, 알루미늄, 인으로 치환됩니다.
질소로 도핑하면 SiC는 n형 반도체를 생성합니다. 반면, p형 반도체는 붕소, 알루미늄, 인으로 도핑하면 생성됩니다. 이 반도체 물질의 격자 상수는 도핑 밀도와 도펀트에 따라 변하는 경향이 있습니다.
격자 상수를 변화시키는 또 다른 요인은 결정 형성을 허용하는 온도입니다. SiC에 질소를 도핑하면 격자가 수축하는 현상이 관찰됩니다. 반대로, 알루미늄을 도핑하면 일반적으로 격자가 팽창합니다.
도핑으로 인한 격자 부정합으로 인해 발생하는 격자 응력은 중요한 요소입니다. 특히 소자 제작, 특히 이종 구조 형성 단계에서 매우 중요합니다.
탄화규소(SiC)의 특성
탄화규소는 가장 단단하면서도 가벼운 세라믹 소재입니다. 실리콘과 탄소를 결합하여 만들어진 화합물로, 산과 알칼리에 대한 내성이 뛰어납니다. 또한, SiC는 여러 가지 화학적, 기계적, 열적 특성을 가지고 있어 반도체 소재로 적합합니다.
이러한 특성에는 진성 바디 다이오드(MOSFET 소자), 높은 에너지 효율, 낮은 스위칭 손실 및 전력 손실, 그리고 낮은 열팽창이 포함됩니다. 또한, 뛰어난 열충격 저항성과 약 200℃에서 작동할 수 있는 높은 작동 온도 및 주파수도 특징입니다.
또한, 뛰어난 열 관리 특성을 갖추고 있어 냉각 요구량을 줄일 수 있습니다. 이러한 모든 특성 덕분에 SiC 다이오드와 트랜지스터는 효율과 신뢰성을 잃지 않고 작동할 수 있습니다.
반도체에서 실리콘과 실리콘 카바이드의 비교
탄화규소 반도체가 실리콘 반도체에 비해 갖는 한 가지 장점은 전기장 파괴 강도입니다. SiC 반도체의 전기장 파괴 강도는 실리콘 반도체의 10배에 달합니다. 따라서 탄화규소를 사용하는 반도체는 고전력 소자의 매우 높은 전압을 구현할 수 있습니다.
SiC 반도체는 드리프트층이 얇고 불순물 농도가 높습니다. 이러한 특성 덕분에 600V에서 1,000V 이상의 전압을 처리할 수 있습니다. 또한, SiC 반도체는 단위 면적당 매우 낮은 온 저항을 갖습니다. 이러한 낮은 온 저항은 고전압에도 견딜 수 있는 능력을 뒷받침합니다.
또한, 실리콘 카바이드 반도체의 면적당 드리프트층 저항은 300배까지 감소할 수 있습니다. 즉, 동일한 전압 레벨에 노출되었을 때 실리콘 반도체와 비교했을 때입니다. 일반적으로 실리콘 반도체는 온 저항 증가를 최소화하기 위해 IGBT와 같은 소수 캐리어로 지지되어야 합니다.
그러나 이러한 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 실리콘 반도체의 캐리어 소자로 사용하면 스위칭 손실이 증가합니다. 결과적으로 더 많은 열이 발생하고 고주파 동작이 제한됩니다.
반면, SiC 반도체는 고전압을 견디기 위해 다수 캐리어 소자(MOSFET 및 쇼트키 배리어 다이오드)를 사용합니다. 낮은 온 저항을 통해 고속 소자 구성과 고속 동작을 동시에 구현하는 동시에 고전압을 견뎌냅니다.
실리콘 카바이드 반도체는 또한 더 넓은 밴드갭(실리콘 반도체의 3배)을 가지고 있습니다. 따라서 전력 소자의 고온 작동이 가능해지고 적용 범위가 상당히 확대됩니다.
SiC 반도체의 용도
고효율 및 고전력 애플리케이션에 사용되는 모듈에 전력을 공급하기 위해 실리콘 카바이드 반도체를 사용할 수 있습니다. FET/MOSFET 트랜지스터 및 쇼트키 다이오드와 같은 실리콘 카바이드 반도체는 대부분의 전원 공급 장치에 사용됩니다. 배터리 충전기, 컨버터, 모터 제어 시스템, 인버터 등이 여기에 포함됩니다.
실리콘 기반 반도체는 900V의 전압 한계를 가지고 있습니다. 하지만 SiC 반도체는 그렇지 않습니다. 두 반도체의 차이점을 알고 싶으신가요?
탄화규소 반도체는 최대 10kV의 높은 전압을 처리할 수 있습니다. 또한, 낮은 스위칭 손실은 높은 동작 주파수를 지원하여 더욱 높은 효율을 달성할 수 있습니다.
인버터와 컨버터에 SiC 반도체를 적용하면 시스템 손실을 약 50%까지 줄일 수 있습니다. 또한 시스템 크기는 300%, 전체 비용은 20%까지 줄일 수 있습니다. 이처럼 전체 시스템 크기를 줄일 수 있다는 것은 공간 제약이 있는 애플리케이션에서 SiC 반도체의 유용성을 강조합니다.
현재 실리콘 카바이드 시장 동향
SiC 소자 제조는 눈에 띄는 발전을 거듭하고 있습니다. SiC 기판의 품질과 탄화규소 사용을 용이하게 하는 에피택시 공정에서 이러한 진전을 확인할 수 있습니다. 연구자들은 미세관 및 얼룩 등 SiC 기판의 특정 결함을 해결하기 위해 적극적으로 노력하고 있습니다.
수정되고 있는 다른 기판 결함으로는 결정질 적층 결함, 표면 입자, 그리고 SiC 소자 성능을 저하시키는 스크래치 등이 있습니다. 이러한 결함의 고밀도화를 막기 위해 더 큰 SiC 웨이퍼를 사용하더라도 일관된 기판 품질을 유지하려는 노력이 진행되고 있습니다.
그러나 이러한 발전을 구현하면 SiC 반도체를 비롯한 여러 SiC 소자의 품질, 신뢰성, 그리고 비용 효율성이 향상될 것입니다. 따라서 SiC 시장에는 여러 성장 기회가 창출될 것입니다. SiC 소자와 기술의 추가적인 발전은 더 큰 웨이퍼 생산으로의 전환을 의미합니다.
또한, 더 큰 웨이퍼를 개발하면 고성능 SiC 장치의 채택 및 적용이 증가할 것으로 예상됩니다. 전력 전자 및 응용 분야. 또한 EV/HEV 파워트레인에서 SiC MOSFET에 대한 수요가 크게 증가할 잠재력을 가지고 있습니다.
실리콘 카바이드의 응용 분야
이 세라믹 소재를 적용할 수 있는 분야가 궁금하다면, 더 이상 찾지 마세요. 이 소재는 높은 경도로 인해 광범위한 응용 분야에 적합합니다. SiC는 반도체 외에도 전기 자동차, 전자 및 광전자공학, 항공우주, 그리고 군사 분야에도 적용됩니다.
탄화규소 부품이 기존 분야에도 적용된다는 것을 알고 계셨나요? 여기에는 연마재, 절삭 공구, 내화재 등이 포함됩니다. 또한 SiC가 다음과 같은 부품으로서 중요한 역할을 한다는 것을 알게 될 것입니다. 자동차 부품 - 브레이크와 클러치.
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SiC가 로켓 노즐 제조에 사용된다는 사실도 흥미롭게 생각하실 겁니다. 로켓 추진 시, 로켓 노즐은 일반적으로 강한 열에 노출됩니다. 소재가 열을 제대로 흡수하지 못하면 전체 작동이 실패하게 됩니다.
또한 재생 에너지 시스템의 에너지 효율을 향상시키는 데에도 사용됩니다. SiC 기반 소자는 고전력 RF 애플리케이션에도 사용된다는 점도 알아두어야 합니다.
기술 산업, 특히 5G 기술의 발전과 함께 앞으로 많은 발전이 있을 것입니다. 5G 네트워크가 원활하게 작동하려면 고주파에서 작동하는 고전력 RF 애플리케이션이 필요합니다.
따라서 5G 기술 도입 확대에 따라 실리콘 카바이드에 대한 수요가 증가할 것으로 예상됩니다.
실리콘 카바이드 시장 가치
기타 다공성 및 섬유 세라믹 재료 중에서도 최고 품질의 실리콘 카바이드를 찾을 수 있습니다. GGS세라믹스각 SiC의 가격은 입자 크기, 종류, 메시, 수량, 시장 상황 등 여러 요인에 따라 결정됩니다. 하지만 저희를 통해 실리콘 카바이드를 구매하시면 투자한 만큼의 가치를 얻으실 수 있습니다. 지금 바로 문의해 주세요.
자주 묻는 질문(FAQ)
SiC가 고주파에서 IGBT보다 성능이 더 좋을 수 있을까?
네. SiC는 고주파에서 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)보다 성능이 뛰어납니다. IGBT는 과거에는 실리콘 반도체의 온 저항 증가를 억제하기 위한 부반송파로 사용되었습니다. 그러나 연구자들이 탄화규소 반도체가 본래 낮은 온 저항 특성을 가지고 있다는 사실을 발견하면서 SiC로의 전환이 이루어졌습니다.
SiC가 고전압을 처리할 수 있는 이유는 무엇인가?
탄화규소 반도체가 고전압을 견딜 수 있는 이유는 전기장 파괴 강도 때문입니다. 전기장에 대한 실리콘 반도체의 유전 파괴 강도와 비교했을 때, SiC 소자의 강도는 10배 더 높습니다. 따라서 SiC 반도체는 600V에서 1,000V 이상의 높은 전압을 견딜 수 있습니다.
SiC 역회복 시간은 Si와 비교하면 어떻습니까?
SiC MOSFET 바디 다이오드는 매우 빠른 역회복 시간(trr)을 가지며, 그 값은 무시할 수 있을 정도로 작습니다. 에너지 손실(Err) 또한 Si MOSFET에 비해 상당히 낮습니다.
결론
SiC 반도체는 반도체 산업의 판도를 빠르게 바꾸고 있으며, 이러한 추세에 일찍 발맞추면 그 효과를 더 빨리 볼 수 있습니다. SiC는 다른 여러 장점과 더불어 실리콘 반도체보다 더 높은 내열성을 지녀 더욱 안정적인 소재로 사용할 수 있습니다.