Si(실리콘)와 SiC(탄화규소) 전력 반도체의 차이: 물성·내압·손실·용도 비교
SiC는 실리콘의 약 3배인 밴드갭과 약 10배인 절연 파괴 전계를 갖는 와이드 밴드갭 반도체입니다. 같은 내압이라면 드리프트층을 얇게, 불순물 농도를 높게 할 수 있으므로 온 저항을 크게 낮출 수 있고, 높은 내압에서도 MOSFET이나 쇼트키 배리어 다이오드 같은 빠른 소자를 사용할 수 있습니다. 한편 실리콘은 웨이퍼가 저렴하고 대구경이며 제조 기술도 성숙해 있어, 많은 용도에서 여전히 주력입니다.
| 비교 항목 | Si(실리콘) | SiC(탄화규소) |
|---|---|---|
| 밴드갭 | 약 1.12 eV | 약 3.26 eV(4H-SiC) |
| 절연 파괴 전계 | 약 0.3 MV/cm | 약 3 MV/cm(실리콘의 약 10배) |
| 열전도율 | 약 1.5 W/(cm·K) | 높음(실리콘의 약 3배) |
| 상온 진성 캐리어 밀도 | 약 1×10¹⁰ cm⁻³ | 매우 작음(10⁻⁹ cm⁻³ 정도). 고온에서도 불순물로 정한 성질이 유지되기 쉬움 |
| 높은 내압에서 쓰는 주요 소자 | IGBT. 낮은 내압에서는 파워 MOSFET이나 슈퍼 정션 MOSFET | MOSFET과 쇼트키 배리어 다이오드. 높은 내압에서도 소수 캐리어를 쓰지 않는 유니폴라 소자를 사용할 수 있음 |
| 스위칭 손실 | IGBT는 턴오프 시 테일 전류로 손실이 늘어나 주파수를 높이기 어려움 | 테일 전류가 없고 다이오드의 역회복도 거의 없으므로 손실이 작고 높은 주파수로 동작시킬 수 있음 |
| 대표 내압 | 수십 V에서 수 kV까지 폭넓음(높은 내압은 IGBT) | 650 V에서 3.3 kV 정도가 중심 |
| 고온 동작 | 접합 온도는 일반적으로 150~175 ℃ 정도까지 | 재료로서는 고온에 강함. 실제 상한은 패키지나 접합재, 게이트 산화막의 신뢰성으로 결정되는 경우가 많음 |
| 웨이퍼와 비용 | 300 mm까지의 대구경 웨이퍼를 저렴하게 구할 수 있고, 제조 기술도 성숙함 | 주로 150 mm이며, 200 mm로의 전환이 진행 중. 결정 성장이 어려워 웨이퍼도 칩도 비쌈 |
| 주요 과제 | 높은 내압이나 높은 주파수에서는 재료 물성의 한계에 가까워지고 있음 | 게이트 산화막과의 계면 품질과 신뢰성, 결정 결함에 의한 바디 다이오드 열화, 빠른 스위칭으로 인한 노이즈 |
| 주요 용도 | 가전과 PC의 전원, 산업용 인버터, 차량의 여러 전원 회로 | 전기차 구동용 인버터, 차량 탑재 충전기, 급속 충전기, 태양광 발전 인버터, 철도 |
수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.