실리콘카바이드 웨이퍼 SIC반도체 특성 4H-SIC를 쓰는 이유

그 많은 polytypes 중에 3-C SiC / 4H-SiC / 6H-SiC 가 가장 흔하게 많이 쓰임

그중에서도 실제 파워소자에 쓰이는 실리콘카바이드의 웨이퍼의 종류는 4H-SIC이다.

 

 

 

 

 

Periodicity가 가장 큰 차이점인데

3C : ABC-ABC

4H : ABCB-ABCB-

6H : ABCACB-ABCACB 이러한 polytye stacks 들을 갖는다.

 

하지만 가장 많이 쓰이는 것은 4H-SiC 구조인것 그 이유로는

​

1. 가장 높은 Bandgap(3.26eV)를 갖는다 -----> 고온에서 동작유리 밴드갭이란 하나의 전자 (electron)가 속박 상태 (bound state)에서 자유롭게 벗어나기 위해 필요한 최소의 에너지의 양이다.

 

​ 2. Electron moibility(전자이동도) =1200  = Carrier mobility가 빠를수록 당연히 switching 속도가 빠름 ​

3. Hole mobility 또한 마찬가지 그래서 통상적으로 SiC 소자 또는 물질을 말할때는 4H-SiC를 의미한다고 생각하면 된다

 

 

*참고로 파워소자의 용도에 대한 추가 이해를 해본다면 아래와 같다.

 

전기 자동차 (EV, Electirc Vehicle)에서 인버터 (Inverter)는 배터리의 직류 전류를 교류 모터가 사용할 수 있게끔 교류로 변환시켜주는 역할을 수행한다. 인버터에는 전력용 반도체가 탑재되는데, 전기차용 전력용 반도체 소자로는 MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)와 IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor)가 주로 사용되고 있다

 

MOSFET은 게이트에 전압을 걸어 발생하는 전기장에 의해 전류가 흐르면서 작동된다. IGBT는 접합형 트랜지스터 (BJT)와 MOSFET의 장점을 조합한 소자로, MOSFET과 마찬가지로 전압을 가하게 되면 채널이 형성되어 전류가 흐르면서 작동된다

MOSFET과 IGBT는 실리콘 (Si)을 주 소재로 사용했었는데, 최근 실리콘 카바이드 (SiC, 탄화규소) 기반의 전력용 반도체 채택이 증가하고 있다. 실리콘 소자들의 스위칭 고속화, 경량화 특성을 살리는 동시에 고효율화, 고출력화를 구현하는데 한계에 도달했기 때문이다. 실리콘 기반의 IGBT는 스위칭 손실이 커서 높은 스위칭 주파수를 사용하기 어렵고, MOSFET은 고속 스위칭에는 문제가 없지만 고내압화 (전압을 견디는 특징)가 어렵다는 단점이 있다

 

전기차에 실리콘 카바이드 기반의 전력용 반도체를 사용한 인버터를 탑재하면 기존의 실리콘 반도체에 비하여 에너지 효율이 약 10% 향상된다. 실리콘 카바이드는 실리콘 대비 약 10배의 전압을 견딜 수 있어 전력 손실이 줄어들게 된다. 또한 밴드 갭이 3배 넓어 온도에 상관없이 성질을 유지하며, 열전도도는 3배 높아 냉각에 필요한 에너지도 적을 뿐더러 인버터의 크기와 무게도 줄일 수 있다

2018년 업계 최초로 테슬라 (Tesla)가 모델 3 인버터에 SiC 기반 전력용 반도체를 탑재한 이후 다른 회사들로 급격히 확산되고 있다. 최근 현대차도 전기차 전용 플랫폼 E-GMP에서 SiC 기반의 반도체를 인버터에 탑재하는 등 차세대 전기차에는 SiC가 이미 대세로 자리잡고 있다