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엔지니어 인터뷰

제3세대 SiC 쇼트키 배리어 다이오드 : SCS3 시리즈 Part 1

SiC 쇼트키 배리어 다이오드의 진화는 계속된다!

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로옴은 SiC 쇼트키 배리어 다이오드 (이하, SiC-SBD)의 제3세대 제품으로서 「SCS3 시리즈」를 개발하여 제공하고 있습니다. 제2세대 SiC-SBD에서 달성한 개발 당시의 업계 최소 순방향 전압을 더욱 개선하고, 서지 전류 내량을 대폭 향상시킨 디바이스입니다. 본 SCS3 시리즈의 특징 및 적용 어플리케이션의 전망 등에 대해 알아보고자, 개발 담당자를 인터뷰하였습니다.

-제3세대 SiC-SBD의 특징 및 제2세대에서 어떻게 진화한 것인지에 대한 설명을 듣기 전에, SiC-SBD의 기본적인 내용에 대해 알려주셨으면 합니다. 실제로, SiC (실리콘 카바이드)라는 반도체를 사용한 다이오드나 트랜지스터의 특징을 잘 모르는 분도 있으리라 생각됩니다.

네, 알겠습니다. 로옴이 SiC를 사용한 파워 디바이스의 일관 생산 체제를 확립하여, SiC-SBD와 SiC-MOSFET의 양산을 시작한 것은 2010년의 일입니다. 당시 SiC-SBD는 일본 국내 최초, SiC-MOSFET는 세계 최초였습니다. SiC 파워 디바이스로서 SiC-SBD가 시장에 유통되기 시작한 것은 2000년대 초반이며, SiC-MOSFET의 경우, 2012년 정도입니다.

먼저, SiC 반도체 재료로서의 물성에 대해 간단히 설명하겠습니다.

SiC는, 열적, 화학적, 기계적으로 매우 안정된 화합물 반도체로, 파워 디바이스에 있어서 중요한 파라미터가 매우 우수합니다. 절연 파괴 전계 강도가 Si 대비 약 10배 높기 때문에 내압을 확보하기 위해 필요한 막의 donor 농도가 높습니다. 이에 따라, 막의 두께를 얇게 할 수 있어, 단위 면적 당 저항이 매우 낮은 고내압 디바이스를 만들 수 있습니다. 그 결과, 고내압으로 고속 스위칭의 다수 캐리어 디바이스 (SBD, MOSFET 등)를 실현할 수 있습니다. 또한, Si 재료 대비, 밴드 갭이 약 3배, 열 전도율이 약 3배 높다는 장점도 있습니다.

-SiC는 Si에 비해, 고속 스위칭 가능한 다수 캐리어 디바이스의 고내압화에 매우 유리한 반도체 재료이군요.

그렇습니다. 다이오드를 예로 들어 자세히 설명해 보겠습니다. 하기 그림은 SiC-SBD, Si-SBD, Si-PND를 도식화한 것으로, 전류가 흐르는 구조를 나타내고 있습니다.

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SiC-SBD, Si-SBD 모두 쇼트키 배리어 다이오드이므로, 금속이 n형 반도체에 쇼트키 접합되어 있는 구조는 기본적으로 동일하며, 다수 캐리어의 이동에 의해 전류가 흐릅니다. SiC-SBD의 두께를 얇게 표현한 것은, 앞서 설명한 바와 같이 내압 유지를 위해 필요한 막 두께를 얇게 하여, 저저항으로 만들 수 있다는 점을 형상화한 것입니다. Si-PND는 p형 실리콘과 n형 실리콘의 접합 구조로 형성되며, 다수 캐리어 소수 캐리어 모두 전기 전도에 기여합니다.

SiC-SBD와 Si-SBD는 모두 n형 반도체 속의 다수 캐리어 (전자)가 작용함으로써 동작하는 다수 캐리어 디바이스이므로, 스위칭 시의 고속성이 특징입니다. 그러나, SiC-SBD는 Si-SBD로는 실현이 어려웠던 고내압 디바이스를 실현하고 있습니다. Si-SBD의 경우, 실용 영역에서의 내압은 대략 200V 정도가 한계이지만, SiC-SBD는 1700V 제품까지 양산되고 있으며, 그 이상의 내압 디바이스도 개발을 추진중에 있습니다.

Si-PND는 소수 캐리어 디바이스로, Si-SBD를 훨씬 뛰어넘는 고내압과 저저항을 동시에 실현할 수 있지만, 스위칭 시의 성능은 다수 캐리어 디바이스보다 열등합니다. Si-PND 중에서 고속성을 높인 제품이 FRD이지만, 이 역시 스위칭 시의 리커버리 특성은 SBD보다 열등합니다.

오른쪽 그림은 Si-SBD, Si-PND / FRD와 SiC-SBD의 내압 범위를 나타낸 것입니다. SiC-SBD는 Si-PND / FRD의 내압 범위를 상당 부분 커버하고 있으므로, 이 내압 영역에서의 Si-PND / FRD를 SiC-SBD로 대체하여 사용하면, 리커버리 특성이 개선되어 어플리케이션에서 메리트를 발휘할 수 있습니다.

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-SiC-SBD는, Si-SBD와는 중복되지 않는 고내압 영역을 커버하고 있으며, 이는 FRD의 영역과 경쟁하고 있지만, 리커버리 특성이 FRD보다 훨씬 우수하다는 의미인가요?

그렇습니다. 하기 그림은 SiC-SBD와 Si-FRD의 스위칭 시 리커버리 특성을 비교한 것입니다.
각각의 온도 의존성도 표시하고 있습니다.

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우선, 그림을 통해 바로 알 수 있는 것은, 리커버리 특성은 SiC-SBD가 확실히 우수하다는 점입니다. 또한, 온도 의존성도 거의 없습니다. 앞서 구조에 대해 설명했는데, Si-FRD의 경우, 소수 캐리어가 작용함으로써 저저항에서의 ON 동작을 실현합니다. 그러나, OFF 시에 소수 캐리어가 리커버리 전류에 기여하여, 어플리케이션에서의 스위칭 손실이 됩니다. SiC-SBD는 다수 캐리어 디바이스이므로, 원리적으로 이러한 리커버리 동작이 없습니다. 디바이스의 접합 용량으로 인한 리커버리 전류만이 흐르므로, 온도 의존성은 거의 없습니다.

리커버리 손실을 대폭 삭감할 수 있으므로, 기기의 효율 향상에 기여할 수 있습니다. 또한, 리커버리 전류가 작으므로 노이즈 저감도 기대할 수 있어, 노이즈 대책 부품의 저감을 통한 회로의 소형화도 가능합니다.

-그 이외에 확인해 둘 특성은 있습니까?

순방향 전압 (VF) 특성에도 Si-FRD 제품과 다른 점이 있습니다. 하기 그림을 보시면 이해가 빠르실 것입니다.

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Si-SBD의 VF 온도 특성은 Si-FRD를 비롯하여 Si-PND와는 다릅니다. Si-FRD는 온도가 높아질수록 저항이 저하되어 VF가 저하되지만, SiC-SBD는 온도가 높아질수록 VF가 높아집니다.

이러한 특성에는 장단점이 있습니다. Si-FRD는 병렬 접속 사용 시 한쪽 다이오드에 전류가 편중될 경우에 열 폭주가 발생할 가능성이 있습니다. 반면에, SiC-SBD는 VF가 높아져 전류 균형을 이루므로, 다이오드의 병렬 접속이 가능하다는 의미에서 메리트가 있습니다. 그러나, 서지 전류 내량 IFSM이 Si-FRD보다 낮다는 점에는 주의를 기울일 필요가 있습니다.

-지금까지 설명해 주신 내용을 정리해 주십시오.

우선 SiC는 파워 디바이스에 매우 적합한 반도체 재료이며, 우수한 특성을 가지고 있습니다. SiC 쇼트키 배리어 다이오드의 경우, 고속성이 우수하여 Si-SBD로는 대응이 불가능한 고내압 디바이스를 실현할 수 있습니다. 내압의 관점에서는 Si-FRD와 경합하지만, 리커버리 성능이 더 우수합니다. 고속 리커버리 특성은 기기의 효율 향상과 응용 회로의 소형화로 이어집니다.

-과제 같은 것은 없습니까?

Si-FRD 대비, 서지 전류 내량이 낮다는 점이 과제였습니다. 제3세대 SiC-SBD를 개발한 것도 이러한 과제에 대응하기 위해서입니다. 기존의 특징이었던 낮은 VF 특성과 더불어, 서지 전류 내량 IFSM의 향상 및 리크 전류 IR 특성을 개선하였습니다. 이로써 향후 SiC 파워 디바이스를 채용하는 고객이 한층 더 확대되기를 기대하고 있습니다.

※본 기사는 2017년 7월 시점의 내용입니다.

제3세대 SiC 쇼트키 배리어 다이오드 : SCS3 시리즈

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