[CCTV뉴스=이나리 기자] 기존의 실리콘 기반 MOSFET 기술의 발전 단계가 완숙되면서 이론적으로 성능이 한계에 도달하고 있다. 이에 따라 전기, 열, 기계적 특성이 뛰어난 와이드 밴드갭(Wide band-gap) 반도체 디바이스가 성능을 더 끌어올릴 수 있는 대안으로 떠오르고 있다.

상용 실리콘 기반 전력 MOSFET는 약 40년 전 처음 등장한 이후, 그 사촌격인 IGBT와 함께 회로, 드라이빙 모터, 기타 무수한 애플리케이션을 구동하기 위한 스위칭 전원 장치에서 주된 전력 제어 소자로 자리잡았다.

MOSFET는 성공으로 인한 기술에 대한 기대치가 높아지면서 오히려 역풍을 맞고 있다. 반도체 스위치는 전반적으로 성능이 크게 향상됐고, 특히 온 저항과 스위칭 손실이 낮아지면서 애플리케이션 범위가 수많은 분야들로 확장됐다. 그 결과, Si 기반 MOSFET과 IGBT에 대한 기대치는 점점 더 높아졌으며, 더 높은 성능에 대한 요구가 끊이질 않고 있다.

지난 몇 년간 MOSFET과 IGBT를 향상시키기 위해 우수한 연구진과 유수의 기업들이 집중적인 연구와 투자를 했지만, 기술면에서 발전은 미미한 수준에 그쳤다. 이처럼 뛰어난 기술이나 제품도 결국 투입한 노력에 비해 소득이 적어지는 시점에 도달하는 것은 자연스러운 현상이다. 또 일정 시점에 이르면 투자에 대한 회수가 줄어드는 것은 당연하다. 그러나 이런 기술 개발은 새롭고 획기적인 접근 방식과 새로운 디바이스가 등장할 수 있는 발판을 마련하는 계기가 된다.

MOSFET 디바이스의 경우, 해체 사이클은 새로운 기초 소재를 개발하고 터득하게 되는 결과를 낳았다. 실리콘 카바이드(SiC) 반도체 기반의 MOSFET는 실리콘만 사용한 것 보다 훨씬 더 우수한 성능을 보여준다. 이는 R&D 샘플이나 프로토타입 데모뿐 아니라, SiC 기반 MOSFET가 이미 상용으로 도입되고 있다는 사실을 뒷받침한다.

전기차/하이브리드차(EV/HEV)는 MOSFET 디바이스를 유용하게 활용하고, 빠르게 성장하면서 동시에 디바이스의 개발과 제품화를 견인한 주요 애플리케이션이다. 이런 배터리를 탑재한 자동차는, 소비자들이 대체로 생각하는 것처럼 단순히 대형 배터리팩이 전기 트랙션 모터로 연결된 형태(HEV의 경우, 충전용 소형 가솔린 엔진 추가)가 아니라 훨씬 더 복잡한 형태를 가진다. 여기에는 작동, 관리, 특수 기능들을 위해 수많은 전자 모듈이 필요하다[그림 1]. 

다음은 EV/HEV에 필요한 수많은 전원 스위칭 컨버터 시스템 중 일부를 보여준다.

• 휠 모터용 트랙션 인버터(200kW/최대 20kHz)
• AC 입력 온보드 차저(20kW/50kHz~200KHz)
• 선택적인 급속 충전 기능(50kW/50kHz~200kHz)
• 각종 보조 기능용 전원: 운전자 콘솔, 배터리 관리와 제어, 에어 컨디셔닝, 인포테인먼트, GPS, 커넥티비티(4kW 대/50kHz~200kHz)

효율에 집중하는 이유는 무엇인가? EV/HEV의 시급한 과제 중 하나는 주행 거리다. 인버터 성능을 약간만 향상시켜도 개발자가 느끼는 기본적인 FOM(Figure of Merit)을 유의미하게 높일 수 있기 때문이다. 하지만 단지 그 이유 외에도 효율 향상은 다음과 같이 여러 측면에서 바람직하다.

• 동작 온도를 낮춰 신뢰성 강화
• 열 부하를 낮춰 히트 싱크, 래디에이터, 냉각액, 기타 기술을 통해 소산시켜야 하는 열의 감소 가능
• 충전 시간 단축과 기본적인 전기 사용 감소
• 열 관련된 요구나 제약을 줄일 수 있으므로 패키징에서의 유연성 강화
• 규제 기관의 요건을 더 수월하게 충족시킬 수 있음

SiC로 과제 해결

SiC를 사용하면 더 고효율을 얻을 뿐만 아니라 부수적인 효과도 거둘 수 있다. 그렇다면 SiC는 현재 주로 사용되고 있는 순수 실리콘 MOSFET와 비교할 때 그 구조와 성능이 어떻게 다른가? 기본적으로 SiC는 SiC n+ 서브스트레이트 위에 SiC n 도핑 에피택시층(또는 드리프트층)으로 이뤄졌다[그림 2].

중요한 파라미터인 온 저항 RDS(ON)이 주로 이 드리프트층의 저항 RDrift, 소스/바디 접점과 드리프트층 간의 채널 저항에 따라 결정된다.