자동차는 실외에서 사용하는 대표적인 이동 수단입니다. 실외는 실내와는 달리 여러가지 열악한 조건에 처해지는 경우가 많습니다. 이러한 조건에서도 잘 작동하기 위해 자동차의 여러부분에 일반적인 반도체와는 재료가 다른 SiC 반도체를 사용합니다. 일반적인 반도체와는 어떻게 다른지 알아보도록 하겠습니다.
물성 및 구조적 차이
일반적인 반도체는 주로 순수한 실리콘(Si)을 기반으로 하는 반면, SiC 반도체는 실리콘과 탄소의 화합물입니다. 이러한 구성 차이는 두 반도체의 물리적, 전기적 특성에 큰 영향을 미칩니다.
결정 구조
Si는 다이아몬드 구조를 가지지만, SiC는 여러 다형체(polytype)를 가질 수 있습니다. 가장 흔히 사용되는 4H-SiC는 육방정계 구조를 가집니다.
원자 결합
SiC의 Si-C 결합은 Si-Si 결합보다 더 강하며, 이는 SiC의 높은 열적, 화학적 안정성의 원인이 됩니다.
전기적 특성
SiC 반도체는 일반 Si 반도체와 비교하여 몇 가지 중요한 전기적 특성의 차이를 보입니다.
- 밴드갭: SiC의 넓은 밴드갭(3.26eV)은 Si(1.12eV)보다 약 3배 크며, 이는 고온에서의 안정성과 낮은 누설 전류의 원인이 됩니다.
- 절연 파괴 전계: SiC는 Si보다 약 10배 높은 절연 파괴 전계 강도(약 3MV/cm)를 가집니다. 이는 고전압 응용에서 SiC의 우수성을 나타냅니다.
- 전자 포화 속도: SiC의 전자 포화 속도(2.0 x 10^7 cm/s)는 Si(1.0 x 10^7 cm/s)보다 2배 높아, 고주파 응용에 유리합니다.
- 전자 이동도: Si(1,400cm²/Vs)는 SiC(900cm²/Vs)보다 더 높지만, SiC의 다른 우수한 특성들이 이를 상쇄합니다.
열적 특성
SiC 반도체는 열적 특성에서 Si에 비해 뚜렷한 우위를 보입니다.
- 열전도율: SiC(4.9W/cm°C)는 Si(1.5W/cm°C)보다 약 3배 높은 열전도율을 가져, 열 발산이 효율적입니다.
- 고온 동작: SiC는 넓은 밴드갭으로 인해 300°C 이상의 고온에서도 안정적으로 동작할 수 있습니다. 반면 Si는 150°C 이상에서 성능이 급격히 저하됩니다.
응용 및 성능
SiC 반도체의 우수한 특성은 다양한 응용 분야에서 장점을 제공합니다.
- 고전압 응용: SiC의 높은 절연 파괴 전계로 인해 고전압 전력 변환 장치에 적합합니다.
- ON 저항: 동일한 내압에서 SiC는 Si에 비해 단위 면적당 ON 저항을 1/300까지 낮출 수 있어, 전력 손실을 크게 줄일 수 있습니다.
- 고속 동작: SiC는 고내압, 저 ON 저항, 고속 동작을 동시에 실현할 수 있어, 고효율 전력 변환 시스템에 이상적입니다.
- 소형화: SiC의 우수한 특성으로 인해 동일한 성능의 Si 소자보다 크기를 크게 줄일 수 있습니다.
제조 및 경제성
SiC 반도체는 여러 장점에도 불구하고 제조 과정에서 몇 가지 도전 과제가 있습니다.
- 웨이퍼 제조: SiC 웨이퍼의 제조는 Si에 비해 더 복잡하고 비용이 높습니다.
- 결함 밀도: SiC 웨이퍼는 Si에 비해 결함 밀도가 높아, 수율 향상이 중요한 과제입니다.
- 비용: 현재 SiC 소자의 제조 비용은 Si 소자보다 높지만, 기술 발전과 대량 생산으로 격차가 줄어들고 있습니다.
맺음말
SiC 반도체는 고전압, 고온, 고주파 응용 분야에서 일반 Si 반도체보다 우수한 성능을 제공하며, 전력 전자 및 자동차 산업 등에서 점차 그 사용이 확대되고 있습니다. 그러나 제조 기술의 발전과 비용 절감이 SiC 반도체의 더 광범위한 채택을 위한 중요한 과제로 남아있습니다.