도시바 일렉트로닉 디바이스 앤 스토리지 코퍼레이션(Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation, 이하 도시바)이 내장형 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)를 체크무늬 패턴으로 배치한 SiC 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 개발했다.

신제품은 낮은 온저항과 높은 신뢰성을 동시에 구현했는데, 도시바는 이 설계가 높은 신뢰도는 그대로 유지하면서[1] 기존의 SiC MOSFET에 비해 온저항(RonA)은 약 20% 줄였다[2]고 확인했다.

전력소자는 각종 전자기기의 전기에너지를 관리하고 전력 손실을 줄여 탄소 중립 사회를 구현하는 데 꼭 필요한 부품이다. SiC는 실리콘보다 더 높은 전압을 제공하고 손실을 줄이기 때문에 차세대 반도체 소재로 주목받고 있다. 현재 SiC는 주로 열차의 인버터용에 국한돼 있지만 앞으로 차량 전기화와 산업 장비 소형화 등 다양한 여러 분야에서 광범위하게 적용될 전망이다. 그러나 SiC MOSFET의 역동작 과정에서 바디 다이오드의 양극성 전도가 온저항을 저하시켜 신뢰도를 떨어뜨리는 문제를 우선 극복해야 한다.

도시바는 바디 다이오드가 비활성화되도록 MOSFET에 SBD를 내장하는 소자 구조를 개발했지만 MOSFET 채널을 내장형 SBD로 교체하면 채널 밀도가 낮아지고 온저항이 커진다는 사실을 발견했다. 이런 상충관계를 새로운 내장형 SBD 구조로 해결했고 도시바는 이를 통해 성능 특성이 획기적으로 향상된 것을 확인했다.

도시바는 체크무늬 패턴 SBD를 배치함으로써 SBD 내장형 SiC MOSFET의 전도 손실을 개선했고 우수한 다이오드 전도성을 달성했다. 최적화된 설계로 1.2kV급 SBD 내장형 MOSFET의 정위치 전류 특성을 평가한 결과 내장형 SBD를 바디 다이오드에 가깝게 배치하는 체크무늬 설계를 적용하면 기생 다이오드(parasitic diode)의 양극 전도를 효과적으로 억제하는 한편 동일한 SBD 면적에서 역전도의 단극 전류 억제가 현재의 전류 스트라이프 SBD 패턴 설계에 비해 두 배에 이르렀다. RonA는 2.7mΩ·cm2로 약 20% 낮은 것으로 나타났다.

SiC MOSFET을 모터 드라이브 애플리케이션용 인버터에 사용하려면 이번에 입증된 상충관계 개선이 필수적이다. 도시바는 동적 특성과 신뢰성을 개선하고 탄소 중립에 기여하는 매력적인 고성능 전력 반도체를 개발하기 위한 평가를 꾸준히 수행하고 있다.

자세한 성과는 12월 3일부터 7일까지 미국 샌프란시스코에서 열린 국제 전력 반도체 회의인 제68회 IEEE 국제전자디바이스회의(International Electron Devices Meeting)에서 보고됐다.