병합 핀 쇼트키 다이오드를 사용하여 SiC 장치의 효율성 향상

실리콘 카바이드(SiC)는 실리콘(Si)에 비해 고속 배터리 충전기, 광발전(PV) 배터리 컨버터, 트랙션 인버터와 같은 응용 제품의 쇼트키 다이오드에 특히 적합한 많은 이점을 제공합니다. 하지만 여전히 설계자는 효율성을 향상시켜야 한다는 과제를 안고 있습니다.

SiC 장치를 사용하여 이를 수행하는 두 가지 방법은 누설 전류와 열 저항으로 인한 손실을 줄이는 것입니다. 이러한 목표를 달성하는 것은 어려운 일이었지만 병합 핀 쇼트키(MPS) 다이오드가 솔루션을 제시합니다. MPS 장치는 쇼트키 다이오드의 서지 전류 성능도 개선합니다.

이 기사에서는 고전력 응용 제품에 대한 SiC 쇼트키 다이오드의 이점을 기존의 다이오드와 비교하여 설명하며, 추가적인 성능 향상을 달성할 수 있는 분야를 소개합니다. 그런 다음 Nexperia의 MPS 다이오드 예를 제공하고, 주요 특성을 요약하며, 설계자가 응용을 통해 얻을 수 있는 이점을 설명합니다.

SiC 쇼트키 다이오드의 이점

전통적인 Si P-N 접합에 비해 SiC 쇼트키 다이오드의 이점은 기본 반도체 재료의 속성과 설계에서 비롯됩니다. SiC는 Si에 비해 더 넓은 밴드갭을 가집니다. 밴드갭은 반도체의 가전대에서 전도대로 전자를 이동하는 데 필요한 에너지이며 재료의 전기 전도도를 결정하는 데 중요한 요소입니다.

Si 장치에 비해 SiC의 더 넓은 밴드갭은 동일한 전압 정격에 대해 더 얇은 드리프트 층으로 몇 배 더 높은 유전체 절연파괴 전계 강도를 제공합니다. 드리프트 층은 기존 다이오드의 P 층과 N 층 사이 또는 SiC 쇼트키 다이오드의 금속 층과 P 층 사이에 가볍게 도핑된 층입니다. 드리프트 층이 얇을수록 더 작은 다이 크기에서 더 낮은 저항률과 향상된 전기 전도 성능을 제공합니다.

SiC의 또 다른 이점은 약 3.5배 뛰어난 열 전도율로, 지정된 칩 면적에서 전력 손실이 개선된다는 것입니다. SiC의 최대 작동 온도는 Si의 거의 두 배에 달합니다. 더 작은 다이 크기를 활용하면 장치의 자체 정전 용량이 감소하며, 지정된 전류 및 전압 정격에 대해 관련 전하가 낮아집니다. 이러한 특성과 SiC의 높은 전자 포화 속도는 스위칭 속도를 향상시키면서 손실을 감소시킵니다.

구조 측면에서, 쇼트키 다이오드는 기존 P-N 접합 대신 P-유형을 없애고 그 대신 N-유형 재료에 결합된 얇은 금속 층(백금, 텅스텐, 금 또는 다른 금속)을 사용합니다. 이러한 결합은 쇼트키 장벽이라는 금속 반도체(M-S) 접합을 형성합니다(그림 1).

그림 1: 쇼트키 다이오드는 기존 다이오드의 P-유형 반도체(상단)를 금속으로 대체하여 M-S 접합(하단)을 형성합니다(이미지 출처: DigiKey).

M-S 접합은 P-N 접합에 비해 순방향 바이어스 및 역방향 바이어스 조건에서 더 좁은 전자 공핍 영역을 생성합니다(그림 2). 전자 공핍 영역의 폭이 감소되면 쇼트키 다이오드에 중요한 이점을 제공합니다. 즉, 기존 다이오드보다 순방향 전압(V_F)이 더 낮습니다. 순방향으로 바이어스될 경우 쇼트키 다이오드는 일반적으로 수백 밀리볼트에서 전도를 시작할 수 있습니다. 이에 비해 P-N 접합의 경우에는 0.6V ~ 0.7V에서 전도가 시작됩니다. 이러한 특성은 배터리 구동식 장치와 같은 저전력 응용 제품에 유용합니다.

그림 2: 쇼트키 다이오드 공핍 영역은 순방향 바이어스 및 역방향 바이어스 조건 모두에서 더 좁으므로 순방향 전압이 낮아지고 손실이 감소합니다(이미지 출처: DigiKey)

쇼트키 장치는 다수 캐리어(전자)를 통해서만 전도되므로, 부품이 순방향으로 바이어스될 경우 다이오드의 접합 공핍층에 저장되는 전하가 매우 미미합니다. 따라서, 다이오드가 순방향 바이어스에서 역방향 바이어스로 전환될 경우 손실(및 전력 손실)이 제한됩니다. 이와 반대로 P-N 접합 다이오드는 소수 캐리어와 다수 캐리어를 통해 전도되므로 공핍층에 더 많은 전하가 저장됩니다. 결과적으로 P-N 소자의 스위칭 손실이 높아지며, 이는 주파수가 증가함에 따라 배가됩니다.

전반적으로 P-N 장치에 비해 쇼트키 다이오드는 더 적은 전력을 소비하며, 고전력 응용 제품에서 열을 방출하는 데 열 효율성이 더 높은 경향이 있습니다. 열 손실의 감소로 쇼트키 다이오드는 더 높은 온도를 견딜 수 있으므로 열 폭주의 위험 없이 더 강력한 성능과 향상된 신뢰성을 구현할 수 있습니다.

쇼트키 다이오드의 좁은 공핍층의 추가적인 이점은 부품의 정전 용량이 낮아진다는 것입니다. SiC 다이오드의 '소프트 스위칭' 동작과 함께 이 낮은 정전 용량은 전자기 간섭(EMI)을 크게 줄여줍니다.

SiC 쇼트키 다이오드를 더욱 향상시키는 방법

SiC 쇼트키 다이오드는 계속적으로 개선되고 있습니다. 예를 들어, 최신 SiC 장치의 좁은 공핍 영역은 M-S 인터페이스 제조 시 발생하는 결함의 영향을 배가시켜 다이오드가 역방향으로 바이어스될 경우 높은 누설 전류를 일으킵니다. 또한, 공핍 영역이 좁으면 SiC 쇼트키 다이오드가 높은 역전압을 견딜 수 없습니다(V_R). 쇼트키 다이오드는 수십 볼트의 V_R을 견딜 수 있는 반면, P-N 접합은 수백 볼트를 견딜 수 있습니다.

SiC 다이오드의 높은 누설 전류를 해결하는 한 가지 방법은 다이오드의 드리프트 층과 기판의 두께를 늘리는 것입니다. 그러나 이는 전기적 및 열적 저항을 증가시켜 지정된 전류에 대해 V_F 및 접합 온도(T_J)가 상승합니다. 또한 두꺼워진 드라프트 층의 높은 저항은 서지 전류 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

Nexperia는 MPS 다이오드를 통해 이 과제를 해결했습니다. Nexperia PSC 계열의 MPS 구조는 병렬로 배치된 SiC 쇼트키와 P-N 장치의 두 가지 다이오드 유형을 사용합니다. P-도핑 '웰'이 기존 쇼트키 장치의 드리프트 영역에 주입되어 쇼트키 애노드에서 금속과 P-옴 접촉을 형성하고, 약하게 도핑된 SiC 드리프트 또는 에피층과 P-N 접합을 형성합니다(그림 3).

그림 3: MPS 구조는 병렬로 배치된 SiC 쇼트키와 P-N 장치의 두 가지 다이오드 유형을 사용합니다. P-도핑 부분이 드리프트 영역에 주입되어 금속과 P-옴 접촉을 형성하고, SiC 드리프트 또는 에피층과 P-N 접합을 형성합니다(이미지 출처: Nexperia).

역방향 바이어스 시, P-도핑 웰은 최대 전계 강도를 결함이 있는 금속 장벽을 벗어나 경함이 거의 없는 드리프트 층으로 하향되도록 하므로 전체적인 누설 전류가 감소합니다(그림 4).

그림 4: SiC 쇼트키 다이오드에 P-도핑 웰을 추가하면 역방향 바이어스 시 최대 전계 강도 영역이 양극 금속에서 멀어집니다. 결과적으로 누설 전류가 감소합니다(이미지 출처: Nexperia).

P 도핑 웰의 배치, 면적, 도핑 농도는 최종 특성에 영향을 미치며 누설 전류 및 서지 전류와 V_F 강하 간에 절충이 필요합니다. 결과적으로, MPS 장치는 동일한 누설 전류 및 드리프트 층 두께에서 기존 SiC 다이오드에 비해 더 높은 항복 전압에서 작동할 수 있습니다.

쇼트키 다이오드(단극 장치)와 P-N 다이오드(양극)의 하이브리드 조합은 P-N 접합이 정상 조건에서 전도되지 않도록 하며 그 결과로 역 회복 손실이 거의 없습니다. 그러나 하이브리드 배열은 과도한 과전류 이벤트가 발생할 경우 P-N 다이오드가 전도되어 하이브리드 부품을 효과적으로 보호하므로 서지 전류 정격이 향상됩니다.

MPS 다이오드는 정상 조건에서 쇼트키 다이오드처럼 작동하므로, 이 장치는 순수 정전 용량 방식 스위칭 동작을 제공하여 동일한 전기적 정격에서 Si 고속 회복 다이오드보다 역 회복 전하(Q_RR)가 더 낮습니다. 다이오드가 역 전압을 차단하기 전에 재결합해야 하는 다이오드에 저장된 전하인 Q_RR은 Si 다이오드의 주요 손실 원인 중 하나입니다.

그림 5에서는 Si 다이오드의 역 회복 동작을 SiC 다이오드와 비교합니다(Nexperia의 PSC1065HJ). SiC 다이오드는 순수 정전 용량 방식 스위칭을 제공하므로 Q_RR이 최소화됩니다. Q_RR은 I_F = 0 축 아래 그래프의 면적에 해당합니다.

그림 5: SiC 다이오드와 비교하여 Si 다이오드(왼쪽)의 역 회복 동작이 표시되어 있습니다. SiC 다이오드(오른쪽)는 순수 정전 용량 방식 스위칭을 제공하므로 Q_RR이 최소화됩니다(이미지 출처: Nexperia).

제조 중 드리프트 층의 두께 축소

MPS 다이오드는 기존 SiC 다이오드에 비해 누설 전류를 크게 줄였기 때문에 드리프트 층의 두께를 감소시키면 이점을 얻을 수 있습니다. 위에서 설명한 바와 같이, 기존 SiC 다이오드는 누설 전류를 낮게 유지하기 위해 Si 다이오드에 사용되는 드리프트 층이 더 두껍습니다.

제조 중, 가공되지 않은 SiC 기판은 N-도핑되고 SiC 에피택셜 층은 드리프트 영역을 형성하기 위해 '성장'됩니다. 기판은 최대 500µm(마이크로 미터) 두께일 수 있으며, 이는 접합부에서 금속 뒷면에 이르는 전류 및 열 흐름 경로에 대한 전기적 및 열적 저항을 증가시킵니다. 결과적으로 지정된 전류에 대해 V_F 강하 및 T_J가 증가합니다.

드리프트 층의 전기적 및 열적 저항을 낮추는 방법은 제조 공정 중 연마를 통해 기판 밑면의 두께를 줄이는 것입니다(그림 6). 결과적으로, 지정된 작동 조건에 대해 비슷한 수준의 SiC 다이오드보다 낮은 작동 온도, 높은 신뢰성, 높은 서지 전류 성능, 낮은 V_F 강하를 제공하는 MPS 다이오드를 구현할 수 있습니다.

그림 6: 기판 밑면의 두께를 줄이면(오른쪽) 비슷한 수준의 SiC 다이오드보다 낮은 작동 온도, 높은 신뢰성, 높은 서지 전류 성능, 낮은 V_F 강하를 제공하는 MPS 다이오드를 구현할 수 있습니다(이미지 출처: Nexperia).

상업적 옵션

Nexperia는 배터리 충전 인프라, 서버 및 전기 통신 전원 공급 장치, 무정전 전원 공급 장치, PV 인버터 등 다양한 응용 제품을 위한 여러 MPS 다이오드를 제공합니다.

PSC0665HJ(그림 7)는 DPAK R2P(TO-252-2) 표면 실장 패키지로 밀봉된 MPS SiC 쇼트키 다이오드입니다. 접합부에서 케이스까지의 열 저항(R_th(j-c))은 2.7K/W(켈빈/와트)입니다. 총 전력 손실(P_tot)(T_c ≤ +25°C)은 115W입니다. 이 다이오드는 우수한 성능 지수(FOM)(FOM = 총 정전 용량 전하(Q_C) x V_F)가 결합된, 온도에 독립적인 정전 용량 방식 끄기 및 제로 회복 스위칭 동작을 제공합니다. 이 부품은 확실한 서지 전류 보호를 제공하며 높은 비반복 피크 순방향 전류(I_FSM)를 통해 이를 확인할 수 있습니다.

그림 7: PSC0665HJ는 DPAK R2P(TO-252-2)에 캡슐화된 MPS SiC 쇼트키 다이오드입니다(이미지 출처: Nexperia).

PSC0665HJ의 Q_C는 14nC(나노쿨롬)입니다(V_R = 400V, dI_F/dt = 200A/µs(A/마이크로 초), 순방향 전류(I_F) ≤ 6A, T_J = +25°C), V_F = 1.5 V(I_F = 6A, T_J = +25°C). 따라서 이 다이오드의 FOM은 14nC x 1.5V = 21nJ(나노줄)입니다.

최대 반복 피크 역 전압(V_RRM)은 650V입니다. 역 전류(I_R)는 1µA(+25°C 기준)이고 V_R은 650V입니다. 최대 순방향 전류(I_F)는 6A이고, 최대 I_FSM은 300A입니다(t_p = 10µs, 구형파, T_c = +25°C) 또는 36A(t_p = 10ms, 절반 사인파, T_c = +25°C).

PSC2065LQ는 Nexperia MPS SiC 쇼트키 다이오드 제품군에 속한 또 다른 제품입니다. 이 장치는 TO247 R2P(TO-247-2) 스루홀 파워 플라스틱 패키지로 밀봉되어 제공됩니다. 접합부에서 케이스까지의 열 저항(R_th(j-c))_은 1W입니다. P_tot(T_c ≤ +25°C)는 115W입니다.

PSC2065LQ의 Q_C는 41nC입니다(V_R = 400V, dI_F/dt = 200A/µs, I_F ≤ 20A, T_j = +25°C) 및 V_F = 1.5V(I_F = 20A, T_J = +25°C). 이에 따라 FOM은 41nC x 1.5V = 61.5nJ입니다.

V_RRM은 650V입니다. I_R은 1µA(+25°C)이고 V_R = 650V입니다. 최대 I_F는 10A이고 최대 I_FSM은 440A(t_p = 10µs, 구형파, T_c = +25°C) 또는 52A(t_p = 10ms, 절반 사인파, T_c = +25°C)입니다.

결론

Si에 비해 SiC 쇼트키 다이오드는 출력 전력 또는 전반적인 시스템 효율성을 떨어뜨리지 않으면서 크게 향상된 스위칭 성능 및 더 높은 스위칭 주파수와 같은 우수한 기술적 이점을 제공합니다. P-N 다이오드와 병렬로 연결된 SiC 쇼트키 다이오드를 활용하는 Nexperia의 하이브리드 MPS 구조를 통해 SiC 쇼트키 다이오드의 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 그 결과, 지정된 작동 조건에 대해 비슷한 수준의 SiC 다이오드보다 낮은 작동 온도, 높은 신뢰성, 높은 서지 전류 성능, 낮은 V_F 강하를 나타내는 장치를 구현할 수 있습니다.