실리콘 카바이드(SiC)는 반도체의 기본 재료로서 순수 실리콘과 순수 탄소로 구성되어 있습니다. SiC에 질소 또는 인을 첨가하여 n형 반도체를, 베릴륨, 붕소, 알루미늄 또는 갈륨을 첨가하여 p형 반도체를 만들 수 있습니다. 실리콘 카바이드의 종류와 순도는 다양하지만 반도체 등급 품질 실리콘 카바이드를 활용하기 시작한 것은 불과 몇십 년 전입니다.
실리콘 카바이드를 제작하는 방법
실리콘 카바이드를 제조하는 가장 간단한 방법은 규사와 탄소(석탄 등)를 섭씨 최대 2,500도의 고온에서 녹이는 것입니다. 더 어둡고 더 일반적인 실리콘 카바이드 버전은 철과 탄소 불순물이 섞여 있는 경우가 많지만 순수 SiC 결정은 무색이며, 실리콘 카바이드를 섭씨 2,700도에서 정화하면 형성됩니다. 이러한 결정은 가열한 후 온도를 떨어뜨리면 흑연에 부착되는데, 이 공정을 Lely 방법이라고 합니다.
- Lely 방법: 이 공정에서는 화강암 도가니를 매우 높은 온도로 가열하여(일반적으로 유도 방식 사용) 실리콘 카바이드 분말을 정화합니다. 온도가 상대적으로 낮은 흑연 봉을 기체 혼합물 중에 두면 자연히 순수 실리콘 카바이드가 부착되어 결정을 형성합니다.
- 화학 증착: Lely 방법 외에도 제조업체는 화학 증착을 사용해 입방체 SiC를 크게 만드는데, 이 방법은 탄소 기반 합성 공정에서 흔히 사용되며 반도체 산업에서도 사용됩니다. 이 방법에서는 특수 화학 기체 혼합물이 진공 환경에 유입되어 결합된 후 회로기판에 부착됩니다.
두 실리콘 카바이드 웨이퍼 생산 방법 모두 막대한 에너지, 장비 및 지식이 있어야 성공할 수 있습니다.
실리콘 카바이드의 사용처 SiC의 장점
과거 제조업체는 고온 설정에서 베어링, 가열 기계 부품, 자동차 브레이크, 심지어 칼갈이 도구와 같은 기기에 실리콘 카바이드를 사용했습니다. 전자제품 및 반도체 응용 분야에서 SiC의 주요 장점은 다음과 같습니다.
- 120~270W/mK의 높은 열 도전율
- 4.0x10^-6/°C의 낮은 열 팽창 계수
- 높은 최대 전류 밀도
이러한 특성이 한데 모인 SiC는 상대적으로 인기가 높으면서 비슷한 소재인 실리콘과 비교해 특히 전기 도전율이 우수합니다. 소재 특성상 SiC는 전류, 온도, 열 도전율이 높아야 하는 고전력 응용 분야에서 매우 유리합니다.
최근 SiC는 고전력 고효율 응용 분야에서 사용되는 MOSFET, Schottky 다이오드 및 전력 모듈에 활용되며 반도체 산업에서 중요한 요소로 자리 잡았습니다. SiC는 실리콘 MOSFET보다 비싸지만, 후자가 항복 전압이 일반적으로 900V에 불과한 반면 전자는 전압 임계값이 거의 10kV에 달합니다.
또한 SiC는 전환 손실이 매우 낮으며 높은 작동 주파수를 지원할 수 있어 특히 600볼트 이상으로 작동하는 응용 분야에서 현재 비교 불가능한 수준의 효율을 자랑합니다. SiC 기기는 적절히 구현한다면 전환기 및 인버터 시스템의 손실을 거의 50%, 크기를 300%, 전체 시스템 비용을 20% 줄일 수 있습니다. 전체 시스템 크기를 이처럼 줄일 수 있다는 점에서 SiC는 무게 및 공간에 민감한 응용 분야에 특히 유용합니다.
실리콘 카바이드 응용 분야
많은 제조업체가 전기 차량, 전기 차량 충전소, 태양광 에너지 시스템, HVAC와 같은 응용 분야에서 SiC 사용에 박차를 가하고 있습니다. 이러한 효율 중심 시스템에서는 공통적으로 전압과 온도가 높습니다. 높은 전압에서 전력 효율이 떨어져 발생하는 탄소 배출을 줄이기 위한 조치로 다른 소재 대신 SiC를 구현하려는 세계적인 움직임이 일어나고 있습니다. 전기 차량 및 태양광 에너지와 같은 첨단 기술이 SiC 활용을 선도하고 있기는 하지만 다른 기존 산업에서도 같은 수순을 밟을 것으로 전망됩니다.
품질, 안정성 및 효율이 높아야 하는 산업인 자동차 부문에서 SiC의 인기가 높아졌습니다. SiC는 고전압 요구에 대한 훌륭한 해답이 될 수 있습니다. 실리콘 카바이드는 특히 인버터 시스템에서 전체 시스템 효율을 증대해, 차량의 전체 에너지 보존 기능은 향상하면서 배터리 관리 시스템의 크기와 그에 따른 무게를 줄임으로써 전기 차량 주행 거리를 늘릴 수 있는 잠재력이 있습니다.
Goldman Sachs에서도 전기 차량에 실리콘 카바이드를 활용하면 EV 제조 비용과 총소유비용을 차량당 약 $2,000 낮출 수 있다고 전망합니다. 또한 SiC는 일반적으로 kV 범위에서 작동하는 EV 고속 충전 프로세스를 최적화하므로 전체 시스템 손실을 거의 30% 줄이고, 전력 밀도를 30% 높이고, 부품 수를 30% 줄일 수 있습니다. 이러한 효율 덕분에 더 작고, 빠르고, 비용 효율적인 고속 충전소를 만들 수 있습니다.
태양광 산업에서도 SiC를 통한 인버터 최적화는 효율 및 비용 절감 면에서 큰 역할을 합니다. 태양광 인버터에 실리콘 카바이드를 활용하면 표준 실리콘에 비해 시스템의 전환 주파수가 2~3배 높아집니다. 이처럼 전환 주파수가 높아지면 회로의 마그네틱이 줄어들어 공간 및 비용이 크게 감소합니다. 결과적으로 실리콘 카바이드 기반 인버터 설계는 실리콘 기반 인버터보다 크기 및 무게를 거의 절반 수준으로 줄일 수 있습니다. 태양광 제조업체 및 엔지니어가 질화갈륨 등 다른 소재 대신 SiC를 사용하도록 유도하는 또 다른 요인은 내구성 및 안정성이 우수하다는 점입니다. 실리콘 카바이드는 안정적이므로 태양광 시스템이 10년 이상 꾸준히 작동하는 데 필요한 안정적인 수명을 확보할 수 있습니다.
GaN과 SiC의 차이점에 대해 자세히 알아보십시오.
세상을 구하는 해답, 실리콘 카바이드
실리콘 카바이드 분야의 여러 주요 선도업체가 SiC 위주의 리소스 및 제품을 다양하게 제공하고 있습니다. Wolfspeed는 다음과 같은 각종 실리콘 카바이드 제품을 공급합니다.
Wolfspeed는 가장 규모가 큰 기본 SiC 웨이퍼 제조업체로서 SiC와 관련된 모든 영역에서 전문가이기도 합니다. Wolfspeed는 실리콘 카바이드의 타당성 및 채택을 확장하는 데 주력하고 있습니다. 자세히 알아보려면 Wolfspeed의 전체 실리콘 카바이드 솔루션 제품을 확인하십시오.
Infineon Technologies, onsemi, ST Microelectronics 등 다른 반도체 회사 역시 전력 MOSFET 및 전력 모듈을 비롯해 방대한 실리콘 카바이드 제품 포트폴리오를 자랑합니다. 이러한 회사들도 SiC 용량을 확장하는 데 자체적으로 투자하고 있습니다.
SiC를 사용해 설계할 때 고려해야 할 부품이 또 있습니다. 그중 하나가 Analog Devices, Infineon Technologies, onsemi, Skyworks의 게이트 드라이버입니다. 또한 시스템에는 Bourns, Inc.의 마그네틱, Yageo의 커패시터, Molex의 커넥터와 같은 패시브 및 인터커넥트가 필요합니다. Arrow Electronics는 주요 공급업체의 이 모든 부품을 한데 모아 SiC를 활용하는 솔루션을 성공적으로 설계하도록 도와드릴 수 있습니다.
