탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN) 애플리케이션의 차이점은 무엇입니까? - 베텍반도체

SiC그리고GaN'와이드 밴드갭 반도체(WBG)'라고 불린다. 사용된 생산 공정으로 인해 WBG 장치는 다음과 같은 장점을 보여줍니다.

1. 와이드 밴드갭 반도체

질화갈륨(GaN)그리고탄화규소(SiC)밴드갭과 항복 필드 측면에서 비교적 유사합니다. 질화갈륨의 밴드갭은 3.2eV이고, 탄화규소의 밴드갭은 3.4eV이다. 이러한 값은 비슷해 보이지만 실리콘의 밴드갭보다 상당히 높습니다. 실리콘의 밴드갭은 1.1eV에 불과하며, 이는 질화갈륨이나 탄화규소에 비해 3배 더 작습니다. 이러한 화합물의 밴드갭이 높기 때문에 질화 갈륨과 탄화 규소는 더 높은 전압 회로를 편안하게 지원할 수 있지만 실리콘과 같은 저전압 회로는 지원할 수 없습니다.

2. 항복 전계 강도

질화갈륨과 탄화규소의 항복 전계는 상대적으로 유사하며, 질화갈륨의 항복 전계는 3.3MV/cm이고 탄화규소의 항복 전계는 3.5MV/cm입니다. 이러한 항복 필드를 통해 화합물은 일반 실리콘보다 훨씬 더 높은 전압을 처리할 수 있습니다. 실리콘의 항복 필드는 0.3MV/cm입니다. 이는 GaN과 SiC가 더 높은 전압을 견딜 수 있는 능력이 거의 10배 더 높다는 것을 의미합니다. 또한 훨씬 더 작은 장치를 사용하여 더 낮은 전압을 지원할 수도 있습니다.

3. 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)

GaN과 SiC의 가장 중요한 차이점은 전자 이동도입니다. 이는 전자가 반도체 재료를 통해 얼마나 빨리 이동하는지를 나타냅니다. 첫째, 실리콘의 전자 이동도는 1500cm^2/Vs입니다. GaN의 전자 이동도는 2000 cm^2/Vs입니다. 이는 전자가 실리콘 전자보다 30% 이상 빠르게 이동한다는 의미입니다. 그러나 SiC의 전자 이동도는 650 cm^2/Vs입니다. 이는 SiC의 전자가 GaN 및 Si의 전자보다 느리게 이동한다는 것을 의미합니다. 이러한 높은 전자 이동도를 갖춘 GaN은 고주파 응용 분야에서 거의 3배 더 많은 성능을 발휘합니다. 전자는 SiC보다 훨씬 빠르게 GaN 반도체를 통해 이동할 수 있습니다.

4. GaN과 SiC의 열전도율

재료의 열전도율은 재료 자체를 통해 열을 전달하는 능력입니다. 열전도도는 사용되는 환경에 따라 재료의 온도에 직접적인 영향을 미칩니다. 고전력 응용 분야에서는 재료의 비효율성으로 인해 열이 발생하고, 이로 인해 재료의 온도가 상승하고 결과적으로 전기적 특성이 변경됩니다. GaN의 열전도율은 1.3W/cmK로 실제로 전도성이 1.5W/cmK인 실리콘보다 열악합니다. 그러나 SiC의 열전도율은 5W/cmK로 열 부하 전달 능력이 거의 3배 더 뛰어납니다. 이러한 특성으로 인해 SiC는 고전력, 고온 응용 분야에서 매우 유리합니다.

5. 반도체 웨이퍼 제조 공정

현재 제조 공정은 널리 채택된 실리콘 제조 공정에 비해 가격이 비싸고, 정밀도가 떨어지거나, 에너지 집약적이기 때문에 GaN 및 SiC의 제한 요소입니다. 예를 들어 GaN은 작은 면적에 많은 수의 결정 결함을 포함합니다. 반면에 실리콘은 제곱센티미터당 100개의 결함만 포함할 수 있습니다. 분명히 이러한 엄청난 결함률은 GaN을 비효율적으로 만듭니다. 최근 몇 년 동안 제조업체들이 큰 발전을 이루었지만 GaN은 여전히 ​​엄격한 반도체 설계 요구 사항을 충족하기 위해 고군분투하고 있습니다.

6. 전력반도체 시장

실리콘에 비해 현재 제조 기술은 질화갈륨과 탄화규소의 비용 효율성을 제한하므로 두 고전력 재료 모두 단기적으로 더 비싸집니다. 그러나 두 재료 모두 특정 반도체 응용 분야에서 강력한 장점을 가지고 있습니다.

탄화규소는 질화갈륨보다 더 크고 균일한 SiC 웨이퍼를 제조하기가 더 쉽기 때문에 단기적으로 더 효과적인 제품이 될 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 질화 갈륨은 더 높은 전자 이동도를 제공하므로 소형 고주파 제품에서 그 자리를 찾을 것입니다. 실리콘 카바이드는 전력 성능이 질화갈륨의 열 전도성보다 높기 때문에 대형 전력 제품에 더 바람직합니다.

질화갈륨d 실리콘 카바이드 장치는 실리콘 반도체(LDMOS) MOSFET 및 초접합 MOSFET과 경쟁합니다. GaN과 SiC 장치는 어떤 면에서는 유사하지만 상당한 차이점도 있습니다.

그림 1. 고전압, 고전류, 스위칭 주파수 및 주요 응용 분야 간의 관계.

와이드 밴드갭 반도체

WBG 화합물 반도체는 전자 이동도가 높고 밴드갭 에너지가 높아 실리콘보다 우수한 특성을 갖습니다. WBG 화합물 반도체로 만든 트랜지스터는 더 높은 항복 전압과 고온에 대한 내성을 갖습니다. 이 장치는 고전압 및 고전력 애플리케이션에서 실리콘에 비해 이점을 제공합니다.

그림 2. 듀얼 다이 듀얼 FET 캐스케이드 회로는 GaN 트랜지스터를 정상 꺼짐 장치로 변환하여 고전력 스위칭 회로에서 표준 향상 모드 작동을 가능하게 합니다.

WBG 트랜지스터는 또한 실리콘보다 빠르게 전환하고 더 높은 주파수에서 작동할 수 있습니다. "켜기" 저항이 낮다는 것은 전력 소모가 적고 에너지 효율성이 향상된다는 의미입니다. 이러한 고유한 특성 조합으로 인해 이러한 장치는 자동차 애플리케이션, 특히 하이브리드 및 전기 자동차의 가장 까다로운 회로에 매력적입니다.

자동차 전기 장비의 과제를 해결하는 GaN 및 SiC 트랜지스터

GaN 및 SiC 장치의 주요 이점: 650V, 900V 및 1200V 장치의 고전압 성능,

실리콘 카바이드:

더 높은 1700V.3300V 및 6500V.

더 빠른 전환 속도,

더 높은 작동 온도.

저항이 낮아지고 전력 손실이 최소화되며 에너지 효율이 높아집니다.

GaN 장치

스위칭 애플리케이션에서는 일반적으로 "오프"인 향상 모드(또는 E-모드) 장치가 선호되며, 이는 E-모드 GaN 장치의 개발로 이어졌습니다. 먼저 두 개의 FET 장치를 직렬로 연결했습니다(그림 2). 이제 표준 e-모드 GaN 장치를 사용할 수 있습니다. 최대 10MHz의 주파수와 최대 수십 킬로와트의 전력 레벨로 전환할 수 있습니다.

GaN 장치는 최대 100GHz 주파수의 전력 증폭기로 무선 장비에 널리 사용됩니다. 주요 사용 사례로는 셀룰러 기지국 전력 증폭기, 군용 레이더, 위성 송신기 및 일반 RF 증폭 등이 있습니다. 그러나 고전압(최대 1,000V), 고온 및 빠른 스위칭으로 인해 DC-DC 컨버터, 인버터 및 배터리 충전기와 같은 다양한 스위칭 전력 애플리케이션에도 통합됩니다.

SiC 장치

SiC 트랜지스터는 자연스러운 E-모드 MOSFET입니다. 이 장치는 최대 1MHz의 주파수와 실리콘 MOSFET보다 훨씬 높은 전압 및 전류 레벨에서 스위칭할 수 있습니다. 최대 드레인-소스 전압은 최대 약 1,800V이고 전류 용량은 100A입니다. 또한 SiC 장치는 실리콘 MOSFET보다 온 저항이 훨씬 낮기 때문에 모든 스위칭 전원 공급 장치 애플리케이션(SMPS 설계)에서 효율성이 더 높습니다.

SiC 장치는 낮은 온 저항으로 장치를 켜기 위해 18~20V의 게이트 전압 구동이 필요합니다. 표준 Si MOSFET이 완전히 켜지려면 게이트에서 10V 미만의 전압이 필요합니다. 또한 SiC 장치를 끄기 상태로 전환하려면 -3~-5V 게이트 드라이브가 필요합니다. SiC MOSFET의 고전압, 고전류 성능은 자동차 전력 회로에 이상적입니다.

In many applications, IGBTs are being replaced by SiC devices. SiC devices can switch at higher frequencies, reducing the size and cost of inductors or transformers while improving efficiency. Additionally, SiC can handle higher currents than GaN.

GaN과 SiC 장치, 특히 실리콘 LDMOS MOSFET, 초접합 MOSFET 및 IGBT 사이에는 경쟁이 있습니다. 많은 응용 분야에서 GaN 및 SiC 트랜지스터로 대체되고 있습니다.

GaN과 SiC 비교를 요약하면 다음과 같습니다.

GaN은 Si보다 빠르게 전환됩니다.

SiC는 GaN보다 높은 전압에서 작동합니다.

SiC에는 높은 게이트 구동 전압이 필요합니다.

GaN 및 SiC로 설계하면 많은 전력 회로와 장치를 개선할 수 있습니다. 가장 큰 수혜자 중 하나는 자동차 전장 시스템이다. 최신 하이브리드 및 전기 자동차에는 이러한 장치를 사용할 수 있는 장치가 포함되어 있습니다. 널리 사용되는 애플리케이션으로는 OBC, DC-DC 컨버터, 모터 드라이브, LiDAR 등이 있습니다. 그림 3은 고전력 스위칭 트랜지스터가 필요한 전기 자동차의 주요 하위 시스템을 보여줍니다.

그림 3.  하이브리드 및 전기 자동차용 WBG 온보드 충전기(OBC). AC 입력이 정류되고 역률이 보정된(PFC) 후 DC-DC로 변환됩니다.

DC-DC 컨버터. 이는 높은 배터리 전압을 낮은 전압으로 변환하여 다른 전기 장치를 작동시키는 전원 회로입니다. 오늘날의 배터리 전압 범위는 최대 600V 또는 900V입니다. DC-DC 컨버터는 다른 전자 부품의 작동을 위해 이를 48V나 12V 또는 둘 다로 낮춥니다(그림 3). 하이브리드 전기자동차(HEVEV)에서 DC-DC는 배터리 팩과 인버터 사이의 고전압 버스에도 사용될 수 있습니다.

온보드 충전기(OBC). 플러그인 HEVEV 및 EV에는 AC 주 전원 공급 장치에 연결할 수 있는 내부 배터리 충전기가 포함되어 있습니다. 이를 통해 외부 AC-DC 충전기 없이 집에서 충전할 수 있습니다(그림 4).

메인 드라이브 모터 드라이버. 메인 구동 모터는 차량의 바퀴를 구동하는 고출력 AC 모터입니다. 드라이버는 배터리 전압을 3상 교류로 변환해 모터를 회전시키는 인버터다.

그림 4. 일반적인 DC-DC 컨버터는 높은 배터리 전압을 12V 및/또는 48V로 변환하는 데 사용됩니다. 고전압 브리지에 사용되는 IGBT는 SiC MOSFET으로 대체되고 있습니다.

GaN 및 SiC 트랜지스터는 자동차 전기 설계자에게 고전압, 고전류 및 빠른 스위칭 특성으로 인해 뛰어난 성능뿐만 아니라 유연성과 단순한 설계를 제공합니다.

VeTek Semiconductor는 중국 전문 제조업체입니다.탄탈륨 카바이드 코팅, 실리콘 카바이드 코팅, GaN 제품, 특수흑연, 실리콘 카바이드 세라믹그리고기타 반도체 세라믹. VeTek Semiconductor는 반도체 산업의 다양한 코팅 제품에 대한 고급 솔루션을 제공하기 위해 최선을 다하고 있습니다.

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