교차로 에 있는 SiC 장치: 차세대 반도체 산업 의 계속적 인 기술 과제 가운데 급속 한 발전
May 28, 2025
Ⅰ. 실리콘 카비드 (SiC)
안정적인 화학적 성질, 높은 열전도, 낮은 열팽창 계수, 그리고 뛰어난 마모 저항성 때문에실리콘 카바이드 (SiC) 는 가습 물질로 전통적인 사용을 훨씬 뛰어넘는 응용 분야가 있습니다.예를 들어, SiC 파우더는 착용 저항을 향상시키고 서비스 수명을 1 ~ 2 배로 연장하기 위해 특수 프로세스를 통해 터빈 임펠러 또는 실린더 라인러의 내부 표면에 적용 될 수 있습니다.SiC 로 만든 고등급 불투명 물질 은 열 충격 에 탁월 한 저항력 을 나타낸다, 용량이 작고 무게가 가볍고 기계적 강도가 높으며 에너지 절감 혜택이 있습니다.
낮은 수준의 실리콘 카바이드 (약 85% SiC를 함유) 는 철강 제조에서 우수한 탈산화제로 작용하여 녹화 과정을 가속화하고 화학 조성 조절을 촉진합니다.그리고 전체적인 철강 품질을 향상또한, SiC는 실리콘 탄화물 난방 요소 (SiC 막대) 의 제조에 널리 사용됩니다.
실리콘 탄화물은 다이아몬드에 비해 9.5 ̊초의 모스 경도를 가진 매우 단단한 물질이다 (10).그것은 뛰어난 열 전도성을 가지고 있으며 높은 온도에서 뛰어난 산화 저항을 가진 반도체입니다..
Ⅱ실리콘 탄화탄소 장치의 장점
실리콘 카바이드 (SiC) 는 현재 개발 중인 가장 성숙한 광대역 간격 (WBG) 반도체 재료입니다.세계 각국에서는 SiC 연구에 큰 중점을 두고 있으며, 그 발전을 촉진하기 위해 상당한 자원을 투자했습니다..
미국, 유럽, 일본 등은 SiC를 위한 국가 차원의 개발 전략을 세웠다.세계 전자 산업의 주요 업체는 또한 SiC 반도체 장치 개발에 크게 투자했습니다..
전통적인 실리콘 기반 장치와 비교하면 SiC 기반 부품은 다음과 같은 장점을 제공합니다.
1고전압 용량
실리콘 탄화물 장치는 동등한 실리콘 장치보다 최대 10 배 더 큰 전압을 견딜 수 있습니다. 예를 들어, SiC Schottky 다이오드는 최대 2400 V의 고장 전압을 지원 할 수 있습니다.SiC 기반 필드 효과 트랜지스터 (FET) 는 관리 가능한 상태 저항을 유지하면서 수십 킬로 볼트에서 작동 할 수 있습니다..
2고주파 성능
(원본 본문에는 구체적인 내용이 없으나 필요에 따라 추가될 수 있습니다.)
3고온 작업
전통적인 Si 장치가 이론적 성능 한계에 접근함에 따라, SiC 전력 장치는 높은 분해 전압, 낮은 스위치 손실,그리고 뛰어난 효율성.
그러나 SiC 전력 장치의 광범위한 채택은 성능과 비용의 균형과 첨단 제조 공정의 높은 요구를 충족시킬 수있는 능력에 달려 있습니다.
현재 저전력 SiC 장치는 실험실 연구에서 상업 생산으로 전환되었습니다.SiC 웨이퍼는 비교적 비싸고 전통적인 반도체 재료에 비해 더 높은 결함 밀도를 가지고 있습니다..
Ⅲ가장 많이 시청되는 SiC MOS 장치
1. SiC-MOSFET
SiC-MOSFET (실리콘 카비드 금속-산화물-반도체 필드 효과 트랜지스터) 는 현재 SiC 물질 시스템 내에서 가장 집중적으로 연구 된 전력 전자 장치입니다.미국의 크리 (Cree) 와 일본의 ROHM (ROHM) 와 같은 선도적인 회사들은 주목할 만한 돌파구를 마련했습니다..
전형적인 SiC-MOSFET 구조에서, N+ 원소 영역과 P-well 모두 이온 이식으로 형성되고, 그 다음 고온 (~ 1700°C) 에서 고열하여 도판트를 활성화합니다.SiC-MOSFET 제조에서 중요한 과정 중 하나는 게이트 산화질 층의 형성이실리콘 탄화물은 Si와 C 원자로 구성되어 있기 때문에 게이트 다이 일렉트릭의 성장은 특수 산화물 성장 기술을 필요로합니다.
트렌치 구조 대 평면 구조
트렌치형 SiC-MOSFET 구조는 전통적인 평면 설계에 비해 SiC 재료의 성능 장점을 극대화합니다. 이 구조는 더 높은 전류 밀도, 낮은 온 저항,더 나은 전기장 분포.
2. SiC-MOSFET의 장점
전통적인 실리콘 IGBT는 일반적으로 20 kHz 이하에서 작동합니다. 본질적인 재료 제한으로 인해 실리콘 기반 장치로 고전압 및 고주파 작동은 달성하기가 어렵습니다.
이와는 달리 SiC-MOSFET는 600V에서 10kV 이상까지의 전압 애플리케이션의 광범위한 범위에 잘 적합하며 일극 장치로 우수한 스위치 특성을 보여줍니다.
실리콘 IGBT와 비교하면 SiC-MOSFET는 다음과 같은 기능을 제공합니다.
- 전환 중에 0의 꼬리 전류,
- 전환 손실을 낮추는,
- 훨씬 더 높은 작동 빈도.
예를 들어 20 kHz SiC-MOSFET 모듈은 3 kHz 실리콘 IGBT 모듈의 전력 손실의 절반을 나타낼 수 있습니다. 50 A SiC 모듈은 150 A Si 모듈을 효과적으로 대체 할 수 있습니다.효율성과 고주파 성능의 장점을 강조합니다..
또한 SiC-MOSFET의 보디 다이오드는 다음과 같은 초고속 역회복 특성을 가지고 있습니다.
- 극히 짧은 역회복 시간 (trr)
- 매우 낮은 역회복 전하 (Qrr)
예를 들어, 같은 평준 전류와 전압 (예를 들어, 900 V) 에서, SiC-MOSFET의 보디 다이오드의 Qrr은 실리콘 기반 MOSFET의 5%에 불과하다.이것은 특히 브릿지 타입 회로 (LLC 공명 변환기와 같이 공명 이상에서 작동) 에 유용합니다., 그 다음:
- 죽은 시간 요구사항을 줄여줍니다.
- 다이오드 복구로 인한 손실과 소음을 최소화합니다.
- 더 높은 스위치 주파수를 향상된 효율성으로 가능하게 합니다.
3. SiC-MOSFET의 응용
SiC-MOSFET 모듈은 중~고전력 에너지 시스템에서 다음을 포함하여 상당한 장점을 보여줍니다.
- 태양광 (PV) 인버터,
- 풍력 전력 변환기
- 전기차 (EV)
- 철도 견인 시스템
고전압, 고주파, 고효율성 특성 덕분에 SiC 장치는 EV의 파워트레인 설계에 획기적인 발전을 가능하게 합니다.전통적인 실리콘 장치가 성능 병목에 도달 한 경우.
대표적인 예는 다음과 같습니다.
- 덴소와 토요타는 공동으로 SiC-MOSFET 모듈을 사용하는 하이브리드 전기 차량 (HEV) 및 배터리 전기 차량 (EV) 의 전력 제어 장치 (PCU) 를 개발했습니다.이 시스템들은 5배의 부피 감소에 성공했습니다..
- 미쓰비시 일렉트릭은 SiC-MOSFET 기반의 EV 모터 드라이브 시스템을 완전히 통합 된 모터와 인버터로 개발하여 소형화 및 시스템 통합을 달성했습니다.
예측에 따르면 SiC-MOSFET 모듈은 2018년에서 2020년 사이에 전 세계 전기차에 널리 도입될 것으로 예상됩니다.기술 성숙과 비용 감소에 따라 계속 증가하는 추세.
Ⅳ. 실리콘 카비드 쇼트키 다이오드 (SiC SBD)
1장치 구조
실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드는 역 누출 전류를 효과적으로 줄이고 고전압 차단 능력을 향상시키는 조크션 배리어 쇼트키 (JBS) 구조를 채택합니다.이 구조는 낮은 앞전압 하락과 높은 전환 속도의 장점을 결합.
2. SiC 쇼트키 다이오드의 장점
유니폴러 장치로서 SiC 쇼트키 다이오드는 전통적인 실리콘 패스트 복구 다이오드 (Si FRD) 에 비해 우수한 역 복구 특성을 제공합니다.전방전도에서 역전도로 전환할 때, SiC 다이오드는
- 거의 제로 역회복 전류: 역회복 시간은 일반적으로 20ns 미만입니다. 예를 들어 600V/10A SiC SBD는 10ns 미만에서 달성 할 수 있습니다.
- 높은 스위칭 주파수 능력: 효율성을 향상시키는 현저히 높은 주파수에서 작동 할 수 있습니다.
- 긍정적 인 온도 계수: 저항은 온도와 함께 증가하여 장치를 병렬 작동에 더 적합하게 만들고 시스템 안전성과 신뢰성을 향상시킵니다.
- 온도에서 안정적인 전환 성능: 열 스트레스 아래에서 전환 특성은 일관성 유지됩니다.
- 최소 전환 손실: 고 효율의 애플리케이션에 이상적입니다.
3어플리케이션
SiC 쇼트키 다이오드는 다음과 같은 중량에서 고전력 애플리케이션에 널리 사용됩니다.
- 스위치 전원 공급 장치 (SMPS)
- 전력 요인 교정 (PFC) 회로
- 끊김 없는 전원 공급 장치 (UPS)
- 태양광 인버터 및 재생 에너지 시스템
PFC 회로에서 전통적인 Si FRD를 SiC SBD로 교체하면 효율성을 유지하면서 300kHz 이상의 주파수에서 작동 할 수 있습니다.Si FRD는 100kHz 이상에서 효율이 크게 떨어집니다.더 높은 주파수 작동은 또한 인덕터와 같은 수동 구성 요소의 크기를 줄이고 전체 PCB 부피를 30% 이상 줄입니다.
Ⅴ. 실리콘 탄화물 (SiC) 은 어떻게 평가 됩니까?
실리콘 탄화물은 획기적인 넓은 대역 간격 반도체 재료로 널리 인정되며 세 번째 세대의 반도체의 대표적인 대표자입니다.그 는 탁월 한 물리적 인 특성 과 전기적 인 특성 으로 칭찬 을 받고 있다:
1물질적 우월성
- 넓은 대역 간격 (3.09 eV): 실리콘보다 2.8배 더 넓고, 더 높은 분해 전압을 가능하게 한다.
- 높은 분해 전기장 (3.2 MV/cm): 실리콘보다 5.3배 더 높으며, 훨씬 얇은 드리프트 층을 허용한다.
- 높은 열전도 (4,9 W/cm·K): 실리콘보다 3.3배 더 높으며 더 나은 열 분비를 촉진합니다.
- 강한 방사능 저항성 및 높은 운반자 밀도: 극단적인 환경에 적합합니다.
2전기 성능
SiC 장치들은 실리콘 제품과 비교해 극적으로 향상된 성능을 제공합니다.
- 유동 영역은 같은 전압 등급에 대해 실리콘보다 크기 순위 얇을 수 있습니다.
- 도핑 농도는 최대 두 배 정도 높을 수 있습니다.
- 단위 면적당 켜기 저항은 최대 100배 낮습니다.
- 열 발생은 현저히 감소하여 전도량 및 전환 손실을 줄이는 데 기여합니다.
- 작동 주파수는 일반적으로 실리콘 장치보다 10배 이상 높습니다.
- SiC 장치는 400°C까지의 온도에서 작동할 수 있으며, 높은 전류와 전압을 컴팩트한 패키지로 처리할 수 있습니다.
최근 발전은 훨씬 낮은 온 저항과 열 발생으로 SiC 기반 IGBT 및 기타 전력 장치를 생산 할 수있게했습니다.이러한 특성으로 인해 SiC는 차세대 전력 전자제품에 이상적인 재료가 됩니다..
Ⅵ실리콘 카바이드 (SiC) 장치의 현재 개발 상태
1기술 매개 변수
예를 들어, 쇼트키 다이오드의 전압 등급은 250V에서 1000V 이상으로 증가했으며, 칩 면적은 감소했습니다. 그러나 현재 등급은 여전히 몇 십 Ampere입니다.작동 온도는 180°C까지 향상되었습니다., 아직은 이론적 최대 600°C에서 멀리 떨어져 있습니다.또한 전압 하락은 실리콘 장치와 비교할 수 없습니다. 일부 SiC 다이오드에서는 전압 하락이 2V에 달합니다..
2시장 가격
시크로늄 (SiC) 장치는5~6배 더 비싸다동등한 실리콘 기반의 장치보다
Ⅶ· SiC 기기 개발의 도전
여러 보고서 에 근거 하여, 주요 과제는 일반적으로 해결 될 수 있는 장치 원칙이나 구조 설계가 아니라 제조 과정에 있다.
1. SiC 웨이퍼의 미세 구조 결함
주요 결함 중 하나는 맨눈으로도 볼 수 있는 마이크로 파이프입니다. 이 결함이 결정 성장에서 완전히 제거되지 않는 한, 고전력 전자 장치에 SiC를 사용하는 것이 어렵습니다.고품질의 웨이퍼는 마이크로 파이프 밀도를 15cm-2 이하로 줄였습니다., 산업용 용도는 마이크로 파이프 밀도가 0.5cm-2보다 낮은 지름 100mm 이상의 웨이퍼를 요구합니다.
2부피 성장의 저효율성
SiC 호모에피타크시는 일반적으로 1500°C 이상의 온도에서 화학 증기 퇴적 (CVD) 을 통해 수행됩니다. 수비화 문제로 인해 온도는 1800°C를 초과 할 수 없으며 낮은 성장률을 초래합니다.액체상태의 부피분석은 더 낮은 온도와 더 높은 성장률을 가능하게 합니다., 생산량은 여전히 낮습니다.
3도핑 과정 의 문제
전통적인 확산 도핑은 SiC의 높은 확산 온도 때문에 SiC에 적합하지 않으며, 이는 SiO2 층의 마스크 능력과 SiC 자체의 안정성을 손상시킵니다.이온 임플란트가 필요합니다.특히 알루미늄을 이용한 p형 도핑을 위해.
그러나 알루미늄 이온은 격자 손상을 유발하고 활성화가 좋지 않아 기판 온도가 높을 때 심을 필요가 있으며, 그 다음 고온 소화가 필요합니다.이것은 표면 부패로 이어질 수 있습니다., Si 원자 하강 및 기타 문제. 도판트 선택, 응열 온도 및 공정 매개 변수 최적화 작업은 여전히 진행 중입니다.
4오름 접촉을 형성하는 데 어려움이 있습니다.
10−5 Ω·cm2 이하의 접촉 저항성을 가진 오름 접촉을 만드는 것은 매우 중요합니다. Ni와 Al가 일반적으로 사용되지만 100 ° C 이상에는 열 안정성이 좋지 않습니다.Al/Ni/W/Au 와 같은 복합 전극은 100 시간 동안 600°C까지 열 안정성을 향상시킬 수 있습니다., 그러나 접촉 저항성은 여전히 높습니다 (~ 10−3 Ω·cm2), 신뢰할 수있는 오름 접촉을 달성하기가 어렵습니다.
5보조 재료의 열 저항
비록 SiC 칩은 600°C에서 작동할 수 있지만, 전극, 용매, 패키지 및 단열과 같은 지원 재료는 종종 그러한 높은 온도에 견딜 수 없습니다.전체 시스템 성능을 제한하는.
참고: 이것들은 선택된 예제일 뿐입니다.그리고 SiC MOSFET의 게이트 옥시드 인터페이스의 신뢰성은 여전히 이상적인 솔루션이 부족합니다.산업은 아직 이러한 여러 문제에 대한 합의에 도달하지 못했습니다. 이는 SiC 전력 장치의 빠른 개발을 크게 방해합니다.
Ⅷ. 왜 SiC 장치는 아직 널리 채택되지 않은가
SiC 장치의 장점은 1960 년대 초에 인식되었습니다. 그러나 광범위한 채택은 특히 제조 분야에서 수많은 기술적 문제로 인해 지연되었습니다. 오늘날에도SiC의 주요 산업적 응용은 가열 물질 (카보룬덤) 으로 남아 있습니다..
SiC는 제어 가능한 압력 아래 녹지 않지만 2500°C에서 수브리메이션을 합니다. 즉, 대량 결정 성장은 증기 단계에서 시작되어야 합니다.실리콘 성장보다 훨씬 복잡한 과정 (Si는 ~ 1400°C에서 녹는다)상업적 성공의 가장 큰 장애물 중 하나는 전력 반도체 장치에 적합한 SiC 기판의 부족입니다.
실리콘의 경우 단일 결정 기판 (와이퍼) 이 쉽게 사용할 수 있으며 대규모 생산의 기초입니다.1970년대 후반에 대규모 SiC 기판을 재배하는 방법 (변형된 Lely 방법) 이 개발되었지만, 이 기판은 마이크로 파이프 결함이 있었다.
단 하나의 마이크로 파이프가 고전압 PN 접점을 통과하면 차단 능력을 파괴할 수 있습니다.마이크로 파이프 밀도는 1mm2당 수만에서 1mm2당 수만으로 감소했습니다.그 결과, 장치 크기는 몇 mm2에 제한되어 있으며 최대 명산 전류는 몇 Ampere에 불과합니다.
SiC 전력 장치가 상업적으로 실현 가능하기 전에 기판 품질의 추가 개선이 필수적입니다.
Ⅸ· SiC 웨이퍼 및 마이크로 파이프 밀도의 발전
최근 발전은 광 전자 장치에 사용되는 SiC가 수용 가능한 품질에 도달했으며, 생산 생산성과 신뢰성은 더 이상 재료 결함으로 인해 방해받지 않습니다.MOSFET 및 Schottky 다이오드와 같은 고주파 단극 장치, 마이크로 파이프 밀도는 대부분 통제 하에 있지만, 여전히 약간 양을 영향을 미칩니다.
고전압, 고전력 장치의 경우, SiC 물질은 여전히 결함 밀도를 추가로 줄이기 위해 2 년의 개발이 필요합니다.의심의 여지없이 SiC는 21세기에 가장 유망한 반도체 재료 중 하나입니다..
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