본 논문에서는 주로 탄화규소 다이오드의 응용 분야와 개발 역사를 소개하고, 탄화규소 MOS 튜브의 분류 및 구조를 상세히 설명합니다. 탄화규소(SiC)는 실리콘과 탄소로만 이루어진 광물로, 흔히 연마재로 알려져 있습니다. 탄화규소는 자연에서 모이사나이트라는 광물 형태로 존재하지만 매우 희귀합니다. 그러나 1893년부터 분말 형태의 탄화규소는 연마재로 대량 생산되어 왔습니다. 탄화규소는 100년 이상 연삭 휠을 비롯한 다양한 연마재 분야에 사용되어 왔습니다.



"SiC는 문턱 전압(VT)에 도달하기 전까지 높은 저항을 나타냅니다. 문턱 전압에 도달하면 인가 전압이 VT 아래로 떨어질 때까지 저항이 크게 감소합니다. 이러한 특성을 활용한 SiC의 초기 전기적 응용 분야는 전력 배전 시스템의 피뢰기였습니다(그림 참조)."


SiC는 배리스터 특성을 가지고 있어 고전압선과 접지 사이에 연결할 수 있습니다. 전력선에 낙뢰가 발생하면 전원 전압이 상승하여 SiC 피뢰기의 임계 전압(VT)을 초과하게 되므로, 낙뢰 전류를 전력선이 아닌 접지로 흘려보내 피해를 방지합니다. 그러나 이러한 SiC 피뢰기는 정상 작동 전압에서 과도한 전류를 도통시키는 문제가 있습니다. 따라서 스파크 갭을 직렬로 연결해야 합니다. 낙뢰로 인해 전력선 전압이 상승하면 스파크 갭이 이온화되어 전류를 도통시키고, SiC 피뢰기를 전력선과 접지 사이에 효과적으로 연결합니다. 이후 관련 담당자들은 피뢰기에 사용된 스파크 갭의 신뢰성이 떨어진다는 사실을 발견했습니다. 재료 결함, 분진 또는 염분 침투 등으로 인해 필요할 때 아크를 발생시키지 못하거나 낙뢰 후 아크를 소멸시키지 못하는 문제가 발생할 수 있습니다. 탄화규소 피뢰기는 원래 스파크 갭에 대한 의존성을 없애기 위해 설계되었지만, 신뢰성이 뛰어나기 때문에 갭이 있는 탄화규소 피뢰기는 대부분 산화아연 코어 갭리스 배리스터로 대체되었습니다.

전력 전자 분야의 SiC

실리콘 카바이드로 만들어지는 반도체 소자에는 쇼트키 다이오드(쇼트키 배리어 다이오드 또는 SBD라고도 함), J형 전계 효과 트랜지스터(JFET), 고출력 스위칭 응용 분야에 사용되는 전계 효과 트랜지스터 등 여러 종류가 있습니다. 일부 기업들은 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드 베어칩을 전력 전자 모듈에 적용하려는 시도를 시작했습니다. 실제로 실리콘 기판은 IGBT 전력 모듈과 역률 보정 회로에 널리 사용되고 있습니다.

SiC의 장점과 단점

탄화규소 기반 전력 전자 부품이 매우 매력적인 이유 중 하나는 동일한 차단 전압에서 도핑 밀도가 실리콘 기반 소자보다 거의 100배나 높다는 점입니다. 이러한 특성 덕분에 낮은 온 저항으로 높은 차단 전압을 얻을 수 있습니다. 온 저항이 낮으면 발열량이 줄어들어 시스템의 열 부하가 감소하고 전체 효율이 향상되므로 고출력 애플리케이션에 있어 낮은 온 저항은 매우 중요합니다.



However, there are some difficulties in the production of silicon carbide-based electronic components, and the elimination of defects has become the most important issue. These defects will result in poor reverse barrier properties of components made from SiC crystals. In addition to crystal quality issues, interface issues between silicon dioxide and SiC also hinder the development of SiC-based power MOSFETs and insulated gate bipolar crystals. Fortunately, using nitriding technology in production can greatly reduce the defects that cause these interface problems.

SiC 연마 디스크

탄화규소는 여전히 많은 산업 분야에서 연마재로 사용되고 있습니다. 특히 전자 산업에서는 광섬유 접합 전 양쪽 끝을 연마하는 연마막으로 주로 사용됩니다. 이를 통해 광섬유 커넥터의 표면이 매우 매끄러워져 효율적인 작동이 가능해집니다. 탄화규소는 100년 이상 생산되어 왔지만, 전력 전자 산업에 사용되기 시작한 것은 최근의 일입니다. 탄화규소는 특유의 물리적 및 전기적 특성 덕분에 고압 및 고온 환경에 매우 적합합니다.



오늘날 탄화규소 다이오드는 다양한 분야에서 사용되고 있습니다.



1. 태양광 인버터.



탄화규소 다이오드는 태양광 발전 다이오드의 기본 소재로, 다양한 기술 지표에서 일반 바이폴라 다이오드 기술보다 우수합니다. 탄화규소 다이오드는 스위칭 속도가 매우 빠르며, 일반 바이폴라 다이오드 기술을 사용할 때 역회복 전류가 발생하지 않습니다. 역회복 전류 효과를 제거함으로써 탄화규소 다이오드는 에너지 소비를 70%까지 절감하고 넓은 온도 범위에서 높은 에너지 효율을 유지할 수 있어, 설계자가 시스템 작동 주파수를 최적화할 수 있는 유연성을 높여줍니다.



2. 신에너지 자동차 충전기.



자동차 제품 테스트를 통과한 실리콘 카바이드 다이오드의 항복 전압이 650V까지 향상되어 설계자와 자동차 제조업체의 전압 보상 계수 감소 요구 사항을 충족하고, 차량 탑재 충전식 반도체 부품의 공칭 전압과 순간 최대 전압 사이에 충분한 안전 여유를 확보할 수 있습니다. 이중관 다이오드 제품은 공간 활용도를 극대화하고 차량용 충전기의 무게를 줄여줍니다.

3. 스위칭 전원 공급 장치의 장점.

탄화규소 다이오드는 매우 빠른 스위칭 속도를 가지며, 고주파에서 작동 가능하고, 제로 복구 및 온도 중립적인 특성을 지닙니다. 당사의 저인덕턴스 RP 패키지를 활용하면 이러한 다이오드를 다양한 고속 스위칭 다이오드 회로 또는 고주파 변환기에 사용할 수 있습니다.



4. Industrial advantages.



탄화규소 다이오드: 주로 고출력 모터 및 산업 장비의 고주파 전력 변환기에 사용되며, 고효율, 고출력 및 고주파라는 장점을 제공합니다.

SiC 장치

First. Classification of SiC devices.



탄화규소 금속산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터.



Silicon carbide field effect transistors are the most concerned devices in the research of silicon carbide power electronic devices. Nowadays, silicon materials are approaching the theoretical performance limit, and silicon carbide power devices are regarded as "ideal devices" because of their high withstand voltage, low loss and high efficiency. However, compared with previous silicon devices, the balance between performance and cost and the need for high technology will be the key to promote the development of silicon carbide power devices.



Second, the structure of silicon carbide MOS.



N+ 소스 영역과 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터는 이온 주입을 통해 N+ 도핑되고 1700°C에서 어닐링됩니다. 또 다른 핵심 공정은 탄화규소 금속 산화물 반도체 게이트 산화막 형성입니다. 탄화규소에는 실리콘과 탄소 원자가 모두 존재하기 때문에 게이트 유전체를 성장시키는 매우 특수한 방법이 필요합니다. 홈 구조의 장점은 다음과 같습니다.



탄화규소 전계 효과 트랜지스터의 트렌치 구조는 탄화규소의 특성을 최대한 발휘할 수 있게 해줍니다.



셋째, 탄화규소 MOS의 장점입니다.



일반적으로 실리콘 IGBT는 20kHz 이하의 주파수에서만 동작할 수 있습니다. 재료적 한계로 인해 고전압 및 고주파 실리콘 소자는 구현이 불가능합니다. 실리콘 카바이드 MOSFET은 600V에서 10kV에 이르는 넓은 전압 범위에 적합할 뿐만 아니라 단극 소자의 우수한 스위칭 성능을 제공합니다. 실리콘 IGBT와 비교했을 때, 실리콘 카바이드 전계 효과 트랜지스터는 스위칭 회로에 전류 꼬리가 없을 경우 스위칭 손실이 적고 동작 주파수가 더 높습니다.



20kHz 실리콘 카바이드 MOSFET 모듈의 손실은 3kHz 실리콘 IGBT 모듈의 절반 수준이며, 50A 실리콘 카바이드 모듈은 150A 실리콘 모듈을 대체할 수 있습니다. 이는 동작 주파수와 효율 측면에서 실리콘 카바이드 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터가 갖는 엄청난 장점을 보여줍니다.



실리콘 카바이드 MOSFET의 기생 바디 다이오드 역회복 시간(trr)과 역회복 전하량(Qrr)은 매우 작습니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 실리콘 카바이드 MOSFET의 기생 다이오드 역전하량은 동일한 전압 사양의 실리콘 기반 MOSFET의 역전하량의 5%에 불과합니다. 브리지 회로(특히 LLC 컨버터가 공진 주파수 이상에서 동작할 때)에서 이 특성은 데드 타임과 바디 다이오드 역회복으로 인한 손실 및 노이즈를 줄이는 데 매우 중요하며, 스위칭 주파수 향상에 도움이 됩니다.



넷째, 탄화규소 MOS관의 응용!



실리콘 카바이드 MOSFET 모듈은 태양광 발전, 풍력 발전, 전기 자동차, 철도 운송 등 중대역 전력 시스템에 적용될 때 큰 장점을 가지고 있습니다. 실리콘 카바이드 소자의 고전압, 고주파, 고효율 특성은 기존 전기 자동차 설계의 소자 성능 한계를 극복할 수 있게 해주며, 이는 국내외 전기 자동차 분야 연구 개발의 핵심 주제입니다. 예를 들어, 덴소와 도요타가 공동 개발한 하이브리드 전기 자동차(HEV) 및 순수 전기 자동차(EV)의 전력 제어 장치(PCU)에는 실리콘 카바이드 MOSFET 모듈이 사용되어 부피를 1/5로 줄였습니다. 미쓰비시가 개발한 EV 모터 구동 시스템은 SiCMOSFET 모듈을 사용하여 전력 구동 모듈을 모터에 통합함으로써 집적화 및 소형화라는 목표를 달성했습니다. 최근 국내외 전기 자동차 분야에서 실리콘 카바이드 MOSFET 모듈의 활용이 더욱 확대될 것으로 기대됩니다.


우시궈징 마이크로 반도체 기술 유한회사는 탄화규소(SiC) 전력 소자, 질화갈륨(GaN) 광전자 소자 및 일반 집적 회로의 연구 개발 및 산업화에 전념하는 첨단 기술 혁신 기업입니다. 탄화규소 전계 효과 트랜지스터(FCT), 탄화규소 쇼트키 다이오드, GaN 광커플러 릴레이, 단일 칩 집적 회로(SCC) 및 기타 제품 칩의 설계, 생산 및 판매를 담당하며, 관련 제품의 종합 솔루션 설계에 대한 지원 서비스도 제공합니다. 본사는 장쑤성 우시 첨단기술개발구에 위치하고 있으며, 선전과 홍콩에 연구 개발 센터, 판매 서비스 지원 센터 및 사무소를 두고 있습니다.



이 회사의 탄화규소 전력 소자는 650V/2A-100A, 1200V/2A-90A, 1700V/5A-80A 등 다양한 시리즈를 제공합니다. 이미 양산에 들어간 이 제품들은 국제적인 브랜드의 선진 품질 및 수준과 견줄 만합니다. 당사는 전전류, 전전압 탄화규소 쇼트키 다이오드 및 탄화규소 MOSFET 시리즈 제품을 잇달아 출시하여 산업 및 자동차 등급 신뢰성 테스트를 통과했으며, 국제적인 선진 수준의 성능을 입증했습니다. 이 제품들은 태양광 인버터 전원 공급 장치, 신에너지 전기 자동차 및 충전기, 스마트 그리드, 고주파 용접, 철도 운송, 산업 제어 특수 전원 공급 장치, 국방 및 군수 산업 등 다양한 분야에 사용됩니다. 고속 스위칭 및 낮은 온 저항 특성 덕분에 고온 환경에서도 우수한 전기적 특성을 유지하며, 스위칭 손실을 크게 줄여 부품의 소형화, 경량화, 고효율화를 실현하고 시스템 전체의 신뢰성을 향상시킵니다. 전기차의 최대 주행 가능 거리를 10% 줄일 수 있고, 차량 전체 무게를 약 5% 줄일 수 있으며, 설계된 대로 고온 환경의 충전기에서도 안전하고 안정적인 운행이 가능합니다.



회사 핵심 연구개발팀의 엔지니어 대부분은 석사 학위 이상 소지자이며, 다수의 박사 학위 소지자가 프로젝트 개발을 담당하고 있습니다. 회사는 과학 기술 혁신 및 지식재산권 관리를 위한 표준화된 시스템을 구축했으며, 회로 설계, 반도체 소자 및 공정 설계, 신뢰성 설계, 소자 모델 추출 등 다양한 핵심 기술을 축적해 왔고, 국내외 독자 발명 특허를 다수 보유하고 있습니다.

"국가의 가장 중요한 무기인 반도체 산업을 발전시키기 위해, 핵심 역량을 구체화하고, 자체 발전을 거듭하며, 자립하여 100년 전통의 성공을 이루어내는 것"이 ​​궈징 마이크로 반도체의 공동 목표입니다. 우리는 임직원들에게 탁월한 성장 기회를 제공하고, 고객에게는 고품질의 제품과 서비스를 제공합니다. 여러분과 함께 상호 이익이 되는 미래를 만들어 나가기를 진심으로 기대합니다.

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