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SiC MOSFET이 왜 좋다는 걸까?

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SiC MOSFET이 왜 좋다는 걸까? (출처: Andrei Kuzmik/Shutterstock.com)

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실리콘 카바이드(SiC) 트랜지스터는 애플리케이션의 크기, 무게 및/또는 효율에 관한 엄격한 요구 사항을 충족할 수 있기 때문에 고전압 전력 변환기에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이유가 무엇일까요? 이번 포스트에서는 그에 대한 이야기를 해보겠습니다.

-SiC는 소재의 우수한 특성 덕분에 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 스위치 대신 고속 스위칭 단극성 디바이스 설계가 가능합니다. 따라서 기존에는 600V 이하의 저전압 영역에서만 가능했던 솔루션이 이제는 더 높은 전압에서도 가능해졌습니다. 그 결과 효율성 향상, 더 높은 스위칭 주파수, 더 적은 발열, 공간 절약 등의 이점 덕분에 전체 시스템 비용도 절감할 수 있게 되었습니다.

-인피니언 테크놀로지스(Infineon Technologies)는 거의 30년 전에 이러한 잠재력을 확인했으며, 1992년에 전문가 팀을 구성하여 고전력 산업용 애플리케이션을 위한 SiC 다이오드 및 트랜지스터를 개발했습니다. 그 이후로 달성한 몇 가지 주요 성과들을 소개하면 다음과 같습니다:

▶ 2001년 세계 최초 SiC 기반 쇼트키 다이오드 출시

▶ 2006년 SiC 디바이스를 포함하는 최초의 전원 모듈 발표

▶ 현재 5세대 SiC 다이오드 출시

▶ 2017년 혁신적인 Trench CoolSiC™ MOSFET와 관련하여 Villach Innovation Factory에서 150mm 웨이퍼 기술로 완전 전환

-MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)은 신뢰할 수 있는 SiC 디바이스를 목표로 할 때 선택할 수 있는 컨셉트 중 하나로 받아들여지는 게 일반적이었습니다. 처음에는 접합 전계 효과 트랜지스터(junction FET, JFET) 구조가 SiC 트랜지스터에서 성능과 신뢰성을 모두 갖춘 궁극적인 솔루션으로 보였습니다. 그러나 이제는 안정화된 150mm 웨이퍼 기술로 트렌치 기반 SiC MOSFET이 가능해졌습니다. 이러한 방식으로 DMOS(Double-diffused Metal-Oxide Semiconductors) 구조의 딜레마가 성능이나 신뢰성 조건을 떨어뜨리지 않고도 모두 해결될 수 있었습니다.

-SiC 다이오드 및 트랜지스터 또는 GaN HEMT(gallium nitride high electron mobility transistors) 같은 와이드 밴드갭(WBG) 기반 전력 장치는 오늘날 전력 전자 설계에 널리 사용되는 소자들입니다. SiC 부품이 실리콘 고전압 장치에 비해 높은 비용에도 불구하고 시스템 설계에 자주 사용되는 이유는 무엇일까요? 몇 가지 이유를 살펴보겠습니다.

-핵심은 낮은 손실과 높은 항복 전계!

설계 엔지니어는 전력 변환 시스템의 전력 변환 과정에서 에너지 손실을 줄이기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 현재 사용되고 있는 시스템은 반도체 트랜지스터와 수동 소자의 조합을 통해 ON / OFF 전환이 이루어지는 기술을 기반으로 합니다. 사용된 트랜지스터와 관련된 에너지 손실의 경우, 다음과 같은 몇 가지 측면이 관련되어 있습니다:

▶ 첫째, 전도 과정에서의 손실을 고려해야 합니다. MOSFET에서는 이 손실이 고전적인 저항에 의해 결정됩니다. IGBT에서는 이것이 ‘무릎 전압(Vce_sat)’과 더불어 출력의 차동 저항 특성에 따라서 정해집니다. 차단 단계의 손실은 일반적으로 무시할 수 있을 만큼 미미합니다.

▶ 둘째, 스위칭 과정에서는 항상 ON과 OFF 상태 사이에 전환 단계가 있다는 점을 고려해야 합니다(그림 1). 이때의 손실은 대부분 디바이스의 커패시턴스에 의해 결정됩니다. IGBT에서는 소수의 캐리어 동작(턴온 피크, 테일 전류)으로 인해 추가적인 손실이 발생할 수 있습니다.

-이러한 점들을 고려하면, MOSFET이 더 유리할 것으로 예상할 수 있겠지만, 특히 고전압의 경우 실리콘 MOSFET은 저항이 너무 높아서 총 손실 균형이 IGBT보다 떨어집니다. 이러한 저항은 전도 모드에서 저항을 낮추기 위해 소수 캐리어에 의한 전하 변조를 사용할 수 있기 때문입니다.


그림 1: 스위칭 프로세스와 정적 I-V 동작의 그래픽 비교 (출처: 인피니언 테크놀로지스)

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와이드 밴드갭 반도체를 사용하면 상황은 달라집니다. 그림 2는 SiC 및 GaN 대 실리콘의 가장 중요한 물리적 특성을 요약한 것입니다. 밴드갭과 반도체의 임계 전계 사이의 직접적인 상관 관계는 중요합니다. SiC의 경우, 항복 전계(breakdown field)가 실리콘에 비해 약 10배 더 높습니다.


그림 2: 전력 반도체에 사용되는 실리콘(Si)과 SiC 및 GaN 소재의 물리적 특성 비교 (출처: 인피니언 테크놀로지스)

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이러한 특성 때문에 고전압 부품은 설계가 다릅니다. 그림 3은 5kV 반도체 디바이스를 예로 들어 설명한 것입니다. 실리콘의 경우, 적당한 내부 항복 전계 때문에 상대적으로 더 두꺼운 활성 영역을 사용해야 합니다. 또한, 오직 몇 가지 불순물들만 활성 영역에 통합될 수 있으므로 직렬 저항이 높아집니다(그림 1 참조).


그림 3: SiC는 더 얇은 반도체 활성 영역 사용이 가능합니다. (출처: 인피니언 테크놀로지스)

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SiC는 항복 전계가 10배 더 높으므로 활성 영역을 훨씬 더 얇게 만들 수 있습니다. 동시에, 더 많은 자유 전자(free carrier)를 포함할 수 있으므로 실질적으로 전도도 역시 훨씬 더 높습니다. SiC의 경우, MOSFET 또는 쇼트키 다이오드 같은 고속 스위칭 유니폴라 디바이스와 IGBT 및 p-n 다이오드와 같은 느린 바이폴라 구조 간의 전환이 훨씬 더 높은 차단 전압(blocking voltage)쪽으로 이동하고 있는 것을 알 수 있습니다(그림 4 ).

-그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 약 50V의 저전압 범위에서 실리콘으로 가능했던 것이 SiC를 활용하면 1200V 디바이스에서 가능합니다.


그림 4: SiC는 기존 실리콘 소재보다 더 높은 차단 전압을 제공합니다. (출처: 인피니언 테크놀로지스)

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WBG 기술의 발전과 SiC 소재의 우수한 특성으로 인해 이들 디바이스는 더 빠른 스위칭, 낮은 스위칭 손실, 보다 얇은 활성 영역으로 작동할 수 있어 효율이 향상되고 스위칭 주파수가 높아지고 공간을 절약하는 설계를 가능케 합니다. 그 결과, SiC MOSFET은 전력 변환 애플리케이션에서 기존 실리콘보다 선호되는 추세입니다.