실리콘 카바이드 대 실리콘: 고온 애플리케이션에서의 반도체 비교 연구

1 소개

반도체가 생산과 생활의 다양한 측면에서 폭넓게 적용됨에 따라 다양한 사용 시나리오에서 반도체 재료에 대한 성능 요구 사항도 점점 더 다양해지고 있습니다. 많은 응용 환경에서 반도체 재료는 고온에서 작동해야 하므로 반도체 재료의 높은 열 안정성, 전기적 안정성 및 전력 밀도가 요구됩니다. 이러한 요구사항에 따라 탄화규소 (SiC) 와 실리콘(Si) 웨이퍼는 안정적인 구조와 특성, 우수한 열 안정성을 갖춘 반도체 재료로 주목받고 있습니다. 이 두 원자 결정의 다이아몬드 구조는 열적으로 매우 안정적이며 고온 환경에서 더 많은 반도체 기능을 수행할 수 있습니다. 이 기사에서는 결정 구조와 물리화학적 특성의 관점에서 고온 반도체 응용 시나리오에서 성능의 차이와 그 이유를 분석하고 준비 과정 및 비용과 함께 선택에 참고할 수 있는 참고 자료를 제공합니다.

2 실리콘 카바이드 및 실리콘 웨이퍼의 결정 구조 및 특성

2.1 실리콘 카바이드의 결정 구조 및 특성

결정 구조에 따라 실리콘 카바이드는 육각형 α-실리콘 카바이드와 입방형 β-실리콘 카바이드로 나눌 수 있습니다. α-실리콘 카바이드(α-SiC)는 가장 일반적인 다결정형이며 원자의 배열에 따라 4H-SiC와 6H-SiC로 구분되며, 4H-SiC 결정 구조에서는 실리콘 원자와 탄소 원자가 교대로 배열되어 육각형 결정 격자 구조를 형성하는 반면 6H-SiC에서는 육각형과 정사각형 결정 격자 구조를 교대로 형성합니다. 그림 1은 이 두 가지 결정 구조의 원자 배열을 보여줍니다.

그림 1 4H-SiC(왼쪽)와 6H-SiC(오른쪽)의 결정 구조

α-SiC의 경우, 격자 구조의 미세한 차이로 인해 4H-SiC와 6H-SiC의 일부 특성이 약간 다릅니다. 4H-SiC는 격자의 원자 배열이 불완전하게 일치하는 경우에도 결정이 어느 정도의 안정성과 결정 품질을 유지하는 능력을 특징으로 하는 격자 불일치 허용 오차가 크며, 응력의 작용에 따른 결정 재료의 가소성과 안정성을 설명하는 중요한 파라미터입니다. 응력 작용을 받는 결정성 물질의 가소성과 안정성을 설명하는 중요한 파라미터입니다. 더 큰 격자 불일치 허용 오차와 더 높은 파괴 전계 강도 및 더 나은 전기 전도도의 조합은 고전력 전자 장치 및 광전자 장치에서 우수한 성능을 발휘하는 4H-SiC 장치의 안정성과 신뢰성을 향상시킵니다. 반면 6H-SiC는 전자 이동도가 높고 전자 포획 단면적이 낮아 이동도 및 수명을 포함한 캐리어 수송 특성이 더 우수합니다.

β-실리콘 카바이드(β-SiC)는 원자 배열에 따라 3C-SiC로 나타낼 수 있는데, 각 실리콘 원자는 입방 격자 구조에서 탄소 원자 4개와 인접한 실리콘 원자 4개로 둘러싸여 있습니다. 그림 2는 원자 배열의 구조를 보여줍니다.

그림 2 3C-SiC의 결정 구조

α-SiC는 β-SiC에 비해 결정 구조가 더 안정적이고 불순물 농도가 낮으며 결함 밀도가 낮아 고온, 고전력, 고전압 조건에서 작동할 수 있기 때문에 비용 효율성과 소자 신뢰성이 더 우수합니다. 3C-SiC의 경우, 결정 구조로 인해 이론상 전자 속도가 가장 빠르지만 불순물에 취약하여 불순물 부식 흔적이 남을 수 있습니다. 3C-SiC는 전자 이동도와 전자 포화 드리프트율이 높고 불순물 농도와 누설 전류가 낮아 고전력 전자 장치, RF 장치 등에 사용할 수 있지만 결정 격자 구조와 실리콘 기판 재료의 차이로 인해 집적 회로 제작에는 적합하지 않습니다. SiC의 다양한 물리적, 화학적 특성과 관련 파라미터의 결정 구조는 표 1에서 확인할 수 있습니다.

표 1 다양한 결정 구조를 가진 SiC 결정의 특성

2.2 실리콘의 결정 구조 및 특성

실리콘 결정은 실리콘 원자가 등거리로 배열되어 입방 격자를 형성하는 전형적인 다이아몬드 구조를 가지며, 각 실리콘 원자는 주변 4개의 실리콘 원자와 공유 결합을 통해 연결되어 매우 안정적인 사면체 구조를 형성하여 실리콘 단량체에 높은 융점(1414°C)과 열 안정성을 부여합니다. 그림 3은 실리콘 결정의 구조를 개략적으로 나타낸 것입니다.

그림 3 실리콘의 결정 구조

실리콘 결정의 각 실리콘 원자는 4개의 주변 실리콘 원자와 공유 결합으로 연결되어 안정적인 결정 구조를 형성합니다. 이로 인해 실리콘은 약 섭씨 1414도의 녹는점으로 화학적, 열적으로 안정적입니다. 또한 실리콘은 약 1.5~1.7와트/미터켈빈(W/m-K)의 높은 열전도율을 가지고 있어 방열 및 열 관리 애플리케이션에 중요한 역할을 합니다. 실리콘은 밴드갭 폭이 약 1.1전자볼트(eV)인 간접 밴드갭 반도체입니다. 실온에서 실리콘은 절연체처럼 작동하지만, 온도가 상승하거나 전기장을 가하는 등 여기되면 전자가 전도대로 점프하여 반도체가 될 수 있습니다. 순수한 실리콘 결정에서는 전자와 정공의 농도가 매우 낮기 때문에 절연체처럼 작동합니다. 그러나 도핑을 하거나 전기장을 가하면 추가적인 자유 캐리어가 도입되어 실리콘이 반도체 또는 도체의 전도성을 나타낼 수 있습니다.

그림 4 실리콘 결정의 에너지 밴드 구조 다이어그램

3 SiC와 Si가 다른 반도체 재료보다 나은 이유

3.1 고온 환경에서의 반도체 재료에 대한 도전 과제

고온에서 재료는 열 응력과 열 팽창에 취약하여 결정 구조가 파괴되고 특성이 저하될 수 있습니다. 특히 실리콘과 같은 반도체 소재의 경우 열 안정성이 매우 중요합니다. 결정 구조는 디바이스의 성능 지수에 영향을 미칠 뿐만 아니라 전체 공정의 작동과 안전에도 직접적인 영향을 미칠 수 있습니다. 동시에 반도체 재료의 전기적 특성은 고온 환경에서 변화하기 쉬운데, 예를 들어 전도도, 캐리어 농도 등이 온도와 변화에 영향을 받아 전자 기기의 성능 저하 또는 고장으로 이어질 수 있습니다. 또한 고온 환경의 반도체 재료는 주변 환경의 산소, 수증기 등과 화학 반응을 일으켜 재료 표면의 산화, 부식, 재료 내 불순물의 확산 등의 현상이 발생하기 쉬워 기기의 안정성과 수명에 영향을 미칩니다. 또한 고온 환경에서 작동하는 디바이스 내부에서 발생하는 열로 인해 온도가 다시 상승하여 디바이스의 성능과 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 고온 환경의 반도체 장치에는 우수한 열 전도 및 방열 시스템이 매우 중요합니다.

3.2 실리콘 카바이드와 실리콘의 장단점

3.2.1 열적 특성

실리콘의 녹는점은 섭씨 약 1414도이고 탄화규소의 녹는점은 섭씨 약 2700도입니다. 실리콘의 열 전도도는 미터켈빈당 약 1.5-1.7와트(W/m-K)입니다. SiC는 온도와 결정 구조에 따라 일반적으로 미터켈빈당 3~4.9와트(W/m-K)로 열전도율이 더 높습니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 실리콘 카바이드의 열전도율은 실리콘보다 3배 더 높습니다. 고온 환경을 견딜 수 있는 능력을 종합적으로 볼 때 SiC는 Si보다 더 높은 온도를 견딜 수 있고 방열 성능이 더 우수하여 초고온 요구 사항의 사용에서 우선 순위를 정할 수 있습니다.

그림 5 실리콘보다 열전도율이 3배 높은 탄화규소

3.2.2 광전 특성

SiC는 밴드갭 폭이 2.2~3.3전자볼트(eV)인 광대역 반도체이며, Si는 밴드갭 폭이 약 1.1전자볼트(eV)로 더 작은 협대역 반도체입니다. 밴드갭 폭은 재료의 전도성 특성을 결정합니다. 밴드갭이 작은 재료는 전자가 전도 대역을 비교적 쉽게 뛰어넘어 전도성 거동에 참여할 수 있기 때문에 일반적으로 좋은 전도체 또는 반도체로 작동합니다. 반면 밴드갭이 큰 재료는 전자가 전도대로 점프하는 데 더 높은 에너지가 필요하기 때문에 일반적으로 절연체처럼 작동하며, 그 결과 상온에서 자유 캐리어가 거의 없는 재료가 됩니다. 밴드갭 폭은 또한 빛의 흡수, 방출 및 투과와 같은 재료의 광학적 특성을 결정합니다. 밴드갭이 작은 재료는 일반적으로 더 많은 광자를 흡수할 수 있기 때문에 우수한 광 흡수 특성을 나타냅니다. 반면 밴드갭이 큰 소재는 밴드갭 폭보다 큰 에너지를 가진 광자만 흡수할 수 있기 때문에 일반적으로 투명하거나 반투명합니다. 이러한 서로 다른 특성 성능으로 인해 SiC와 Si는 서로 다른 사용 시나리오에 적용됩니다.

3.2.3 기계적 특성 및 화학적 안정성

SiC의 모스 경도는 약 9~9.5로 다이아몬드 경도에 가까운 반면, Si의 모스 경도는 약 7로 SiC보다 약간 낮습니다. SiC는 경도가 높기 때문에 내마모성과 내스크래치성이 우수하여 내마모성이 필요한 장치 제작에 사용하기에 적합합니다. 동시에 SiC의 강도는 일반적으로 Si보다 높습니다. SiC는 굴곡 및 인장 강도가 우수하며 변형이나 파열 없이 더 큰 응력을 견딜 수 있습니다. SiC는 실온에서 화학적 안정성이 우수하고 산, 알칼리, 용매의 공격을 쉽게 받지 않는 반면, Si는 일부 강한 산화제와 강산에 의해 공격받습니다.

실리콘 카바이드와 실리콘의 4가지 응용 시나리오

결정 구조에서 비롯되는 탄화규소와 실리콘의 뚜렷한 특성을 고려할 때, 각 재료의 강점에 따라 응용 분야가 어떻게 달라지는지 알 수 있습니다.

SiC는 뛰어난 열 안정성과 고온에 대한 저항성을 자랑하므로 극한의 열 조건에서 작동하는 전자 장치를 제작하는 데 이상적입니다. 애플리케이션에는 전력 장치, RF 장치 등이 포함됩니다. 고온 환경에서의 강력한 성능은 전력 전자, RF 통신 및 자동차 전자 장치와 같은 분야의 수요를 충족할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 또한 SiC의 넓은 밴드갭 폭은 더 높은 항복 전압과 낮은 온저항을 의미하므로 전력 MOSFET 및 다이오드와 같은 고전력 디바이스 제조에 특히 적합합니다.

반면에 실리콘은 가장 널리 사용되는 반도체 소재 중 하나로 트랜지스터, 집적 회로, 태양 전지와 같은 기존 전자 장치에서 광범위하게 사용되고 있습니다. 실리콘은 마이크로 일렉트로닉스의 초석 소재로서 고도의 통합과 소형화를 가능하게 하는 성숙한 준비 기술과 처리 방법의 이점을 누리고 있습니다. Si는 뛰어난 광전지 특성과 광전 변환 효율을 활용하여 LED, 레이저, 광검출기, 태양전지와 같은 광전자 애플리케이션까지 다양하게 활용되고 있습니다.

5 결론

실리콘에 비해 실리콘 카바이드는 고온 시나리오에서 더 넓은 범위의 응용 분야를 갖는 경향이 있지만, 준비 과정과 얻은 완제품의 순도 때문에 온도 환경 요구 사항이 상대적으로 낮은 경우에는 여전히 실리콘 웨이퍼가 더 일반적으로 사용됩니다. 스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈는 다양한 용도에 맞는 고품질 실리콘 카바이드 웨이퍼와 실리콘 웨이퍼를 제공합니다.

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참고자료:

[1]Fenglin G ,Chen S ,Xiufang C 외. 래핑 및 연마 중 N형 4H-SiC 웨이퍼의 표면 아래 손상 차이로 인한 형상 변조[J]. 반도체 공정의 재료 과학,2022,152.