도시바 일렉트로닉 디바이스 앤 스토리지(Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation)(이하 도시바)가 자동차 트랙션 인버터용[2] 베어 다이[1] 1200V 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET ‘X5M007E120’을 개발했다. 낮은 온저항과 높은 신뢰성을 모두 제공하는 혁신적 구조를 갖춘 이 제품은 현재 고객의 평가를 위한 테스트 샘플 출하 중이다.

Toshiba: X5M007E120, a bare die 1200V silicon carbide (SiC) MOSFET for automotive traction inverters with an innovative structure that deliver both low On-resistance and high reliability. (Graphic: Business Wire)
일반적인 SiC MOSFET의 경우 역방향 도통 작동 중[4]에 본체 다이오드의 양극성 통전[3]으로 온 저항이 증가하여 신뢰성이 저하된다. 도시바 SiC MOSFET은 쇼트키 배리어 다이오드(Schottky barrier diode, SBD)를 MOSFET에 내장하여 본체 다이오드를 비활성화하는 소자 구조를 통해 이 문제를 완화하지만, SBD를 칩 위에 배치하면 MOSFET 온 작동 저항을 결정하는 채널에 사용할 수 있는 면적이 줄고, 칩의 온 저항이 증가하게 된다.

그러나 X5M007E120에 내장된 SBD는 일반적으로 사용되는 스트라이프 패턴이 아닌 체크 패턴으로 배열된다. 이러한 배열은 소자 본체 다이오드의 양극성 통전을 효과적으로 억제하는 동시에 동일한 SBD 실장 면적을 차지하는 경우에도 단극성 작동의 상한을 현재 면적의 약 2배까지 개선할 수 있다[5]. 또한 스트라이프 배열과 비교해 채널 밀도가 향상되며 단위 면적당 온저항이 낮아져 약 20%에서 30%까지 감소한다[5]. 이처럼 성능이 개선되고 역방향 도통 작동에서도 낮은 온저항과 신뢰성을 유지할 수 있기 때문에 자동차 트랙션 인버터처럼 모터 제어에 사용되는 인버터의 에너지를 절약할 수 있다.

SiC MOSFET의 온 저항이 줄어들면 단락 시 MOSFET에 과도한 전류를 유발[6]해 단락 내구성이 감소한다. 내장된 SBD의 전도성 향상은 역방향 도통 작동의 신뢰성을 개선하지만, 단락 시 전류 누설을 증가시켜 단락 내구성이 다시 한번 감소한다. 새로운 베어 다이에는 단락 상태에서 MOSFET의 과도한 전류와 SBD의 누설 전류를 억제하는 딥 배리어(deep barrier) 구조[7]가 적용되어 역방향 도통 작동에서도 우수한 신뢰성을 유지하면서 내구성을 개선했다.

사용자는 특정 설계 요구 사항을 충족하고 애플리케이션에 맞는 솔루션을 구현하도록 베어 다이를 커스터마이징할 수 있다.

도시바는 2025년에 X5M007E120의 엔지니어링 샘플을 제공하고, 2026년에 양산을 개시할 예정이며, 그 사이에 소자 특성에 대한 추가 개선을 모색할 계획이다.

도시바는 앞으로도 탈탄소화 사회 실현에 기여하기 위해 모터 제어용 인버터, 전기차용 전력 제어 시스템 등 에너지 효율이 필수적인 분야에서 사용하기 쉬운 고성능 전력 반도체를 고객에게 제공할 것이다.

METAX / X xx@metax.kr