화합물 반도체 - 전력 반도체 중심으로 스터디(GaN, SiC)

반도체의 시작

• 1884년 에디슨이 전구 실험 과정에서 ‘열전자 방출효과(에디슨 효과)’를 확인후 유리 진공관이 개발되어 사용

• 진공관을 대체할 수 있는 트랜지스터 개발을 위한 노력이 지속되던 중 1947년 벨 연구소의 바딘, 브래튼, 쇼클리에 의해 게르마늄 반도체 트랜지스터가 개발됨 (1956년 노벨상 수상)

• 게르마늄 반도체 트랜지스터는 진공관을 대체해 소형 라디오를 만들 수 있게 하고 전자산업을 혁명적으로 발전시켰으며 컴퓨터, 정보통신 시대를 현실화 시킴

• 알파에서 오메가까지 반도체가 들어가지 않는 제품을 찾을 수 없을 정도지만 고도화하던 반도체 기술은 점차 극복해야할 근원적 문제점이 나타나기 시작, 솔루션으로 화합물 반도체가 점차 부각 되고 있음

 

화합물 반도체의 등장

• 화합물 반도체는 두 종류 이상의 원소로 구성되어 있는 반도체로 우리에게 익숙한 실리콘(Si), 게르마늄(Ge)과 같은 단원소 반도체와 구분됨

• 단원소 반도체는 지난 반세기 동안 고집적화에 기반한 가파른 기술적 진보를 이루어 냈지만 반도체 공정 선폭이 10나노(nm)미만에 다다르며 생산공정의 어려움과 발열 문제등이 문제점으로 대두되고 있음

• 특히 10나노 이하의 극미세 공정에서는 트랜지스터 크기를 미세화 하더라도 소자 간 간격이 좁아져 소자 연결을 위한 메탈 저항(RC delay)이 커져 발열 문제가 발생함

• 발열 문제 해결과 반도체 본질적 기능 개선을 위해 차세대 반도체로서 화합물 반도체 활용이 확대될 것으로 전망

• Si(실리콘), Ge(게르마늄)으로 대표되고 있는 하나의 원소로 구성 된 반도체에 대해 두 종류 이상의 원소가 결합해서 반도체의 성질을 나타내는 물질을 화합물 반도체라고 부르며 대표적인 화합물 반도체는 SiC, GaN, GaAs 등이 있음

• 단원소 반도체와 달리 화합물 반도체는 원소의 조합을 목적에 따라 변화시킴으로 특화성이 있는 반도체를 제조 가능

• 화합물 반도체 소재는 GaAs, InP, GaN, ZnO, SiC, SiGe, GeSbTe 등과 같이 다앙하며 각각이 특유한 전기적 특성을 보유하고 있으며 대표적 특징은 아래와 같음

  1. High Speed   2. High Voltage   3. High Frequency   4.High T℃ application

• SEMI(세계 반도체 장비 재료협회)는 2021년 전력 및 화합물 반도체 장비 투자 예상 금액을 전년대비 +59% 성장한 69억달러로(7조원) 전망

• TSMC, 삼성전자와 같은 글로벌 반도체 기업들의 연간 투자 금액이 30조원 수준인 점을 고려했을 때 7조원은 큰 금액은 아님

• 하지만 화합물 반도체 투자 금액이 빠르게 성장 중이고 활용 어플리케이션 또한 확대되고 있어 화합물 반도체 시장의 폭발적 성장 예상됨

• 화합물 반도체의 주된 어플리케이션은 비메모리 반도체이며 시스템 반도체 / 개별 소자 / 광 소자로 구분 할 수 있음

• 시스템 반도체 점유율은 미국 58.1%, 일본 18.5%, 한국 5.1% 수준이며 화합물 반도체 시장 기술 성숙도도 이와 유사함 • 화합물 반도체가 폭넓게 사용된 시장은 방위산업 분야 였지만 5G 통신망 확대, 전기차 시장 성장, 신재생 에너지 생산시설 확대로 보편적 사용이 가시화되고 있음

 

• SEMI에 따르면 2019년 기준 전세계적으로 804개의 전력 및 화합물 반도체 생산시설이 존재하고 있음

• 이 생산시설 CAPA는 200mm(8인치) 웨이퍼 기준 월 800만장 이며 2024년에는 약 38개의 신규 생산시설이 추가로 운영을 시작해 +20%의 생산량이 증가한 월 960만장이 될 것으로 전망

• 지역별로 구분해 보면 중국 전력 반도체 CAPA는 2024년까지 +50% 증가, 화합물 반도체는 +87% 성장할 것으로 전망되며 전세계적으로 가장 빠른 성장세 나타낼 것으로 예상

• 하지만 향후 전기차, 5G 시대 주도권 확보를 위해선 전력 및 화합물 반도체 산업에서의 리딩 파워가 필요해 각국은 공격적 투자를 이어갈 것

• 대만은 전력 반도체에 집중, 북미 지역은 화합물 반도체 생산량 증가에 중점을 두고 있는 것으로 판단됨

• 반도체 칩 집적도가 높아지고 트랜지스터 크기가 작아지면서 새로운 문제가 등장

• 트랜지스터 집적도가 늘어날수록 실리콘 반도체의 물리적 한계로 인해 더 이상 속도 향상을 기대하기 어려워짐

• 전력소비량이 늘어나고 누설 전류로 인한 발열 현상이 심해지는 문제점이 나타나기 시작

• 실리콘 기반 반도체 소자 한계를 극복하기 위해 실리콘 보다 전자 이동 속도가 5 ~ 10배 이상 빠르고 전력 소모량도 10배 이상 적은 화합물 반도체가 실리콘 대체 물질로 각광받고 있음

• 하지만 지금의 반도체 회사들이 실리콘 기반 반도체 생산을 위해 투입한 투자금액이 너무 커 신소재와 신기술이 개발되더라도 쉽게 반도체 생산 공정을 바꾸기는 어려움

• 이를 극복하기 위해 화합물 반도체를 실리콘 기판 위에 집적시켜 화합물 반도체 채널을 이용한 트랜지스터를 제작하는 시도 또한 진행 중

 

왜 화합물 반도체 인가

• 전자 이동속도가 빠를수록 전력 소비가 낮음

• 전력 소비가 낮을수록 발열량도 낮아짐

• Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 기존 실리콘 반도체보다 높은 전자 이동도를 보이며 소비전력도 적어 고성능 핵심소재로 인식되고 있음

• 하지만 제조공정이 비싼 단점이 있어 지금까지는 방위산업, 우주개발, F1 등 특수 분야에 한정적으로 이용되고 있었음

• 최근 각광을 받고 있는 기술은 실리콘 기판 위 전자가 이동하는 반도체 채널 부분에만 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체인 인듐갈륨비소(InGaAs)를 얇고 균일하게 형성해 효과적이지만 저비용의 화합물 반도체 소자를 제작하는 방식도 주목을 받고 있음

• 접착제를 사용하지 않고 서로 다른 기판을 접합하는 기술인 ‘웨이퍼 본딩’ 공정을 통해 필요한 부분에만 인듐갈륨비소(InGaAs)를 접착하는 기술은 Si반도체 생산 공정을 최대한 활용 가능한 이점이 있음

• Ⅲ-Ⅴ족 화합물로는 현재 질화갈륨(GaN)와 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 안티몬화인듐(INSb)의 연구가 활발히 진행중

• Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체에서 전자 이동속도는 기존 실리콘 반도체보다 수십 배 빠르고 소비전력도 기존 반도체 대비 1/8 ~ 1/10 수준

글로벌 동향

• 2014년 8월 인피니언은 전력반도체 시장에서 입지를 강화하기 위해 GaN 기술을 보유한 인터내셔널 렉티파이어를 30억달러(3조 2400억원) 에 인수, 인수 금액은 인피니언 설립 이후 최대 규모

• 이와 함께 2018년 11월 인피니언은 콜드 스플릿 기술을 개발한 시텍트라 인수를 결정

• 콜드 스플릿 기술은 SiC웨이퍼를 절단해 하나의 웨이퍼에서 칩 수를 두배로 생산 가능하게 해주는 기술

• 인피니언은 GaN 과 SiC 화합물 반도체 시장 성장에 기대를 걸고 있으며 핵심 관련 기업과의 화합물 반도체 생태계 조성을 준비하고 있음

• 투식스는 스웨덴 기업인 Ascatron을 인수하며 SiC Substrate와 SiC Epiwafer까지 공급하며 시장 지배력 높이고 있는 중

• 일본 반도체 기업 로옴(ROHM)은 2018년 6월 전력 반도체 업체인 GaN시스템과 협업을 통해 본격적으로 GaN 전력 디바이스 사업을 시작

• GaN시스템은 트랜지스터, 로옴은 전자부품 설계, 제조 기술을 제공하기로 협약

• GaN 시장에서 가장 급속하게 성장하고 있는 아시아를 중심으로 사업을 전개

• 로옴은 중국 신에너지 자동차용 구동 분야 기업인 리드라이브테크놀로지와 2017년부터 협력관계를 맺고 SiC 파워 디바이스를 탑재할 차량 용 애플리케이션 기술을 교류하고 있음

• 이를 발판으로 양사는 2020년 6월 중국 상하이 자유무역시험구에 SiC 기술 공동 연구소를 개설함

전력 반도체

• 전력 반도체는 전력 변화에 쓰이는 반도체로 스마트 그리드, 전기차 등 신규 수요에 힘입어 급성장 하고 있음

• 글로벌 전력반도체 시장은 2019년 400억 달러 → 2020년 450억달러까지 +12.5% 성장

• 화합물 전력 반도체 시장 규모는 2021년 10억달러(1조2천억원)에 도달 할 것으로 전망

• 국내 전력반도체 시장은 소비량의 90%를 해외에서 공급 받고 있음, PMIC(전력관리반도체) 일부만 국내 생산 중

• 해외기업 특허 선점으로 국내 기업이 자체적으로 생산하기엔 채산성이 맞지 않았음

• 하지만 최근 전기자동차 보급확대로 화합물 전력반도체 시장이 집중을 받고 있어 글로벌 기업들의 투자와 연구가 집중되고 있음
• 화합물 전력 반도체 시장은 해외에서도 상용화 초기 단계라 국내 기업들 노력에 따라 점유율 확대가 가능한 상황으로 판단됨

• Omdia에 따르면 SiC, GaN 전력 반도체의 판매액은 2018년 5억 7100만 달러 → 2020년 8억 5400만 달러로 2년간 + 49.6% 성장함

• 화합물 전력 반도체시장은 향후 10년간 매년 두 자릿수 성장을 지속해 2029년 시장 규모는 50억 달러를 넘어 설 것으로 전망

• SiC 전원 모듈은 Si IGBT와 SiC 다이오드로 구성된 하이브리드와 순수 SiC 모듈로 구분할 수 있음

• 하이브리드 SiC 전원 모듈은 태양광 인버터, 무정전 전원 공급 시스템 및 산업 애플리케이션에 사용되고있음

• Full SiC 파워 모듈은 전기차와 충전기에 적용이 확대될 것으로 예상되어 높은 성장 전망

• 화합물 전력 반도체는 작동온도 상한이 500 ~ 600 ℃로 높고 열전도율이 높아 전열면적이 적어도 냉각이 용이해 인버터 소형화 가능

• 또한 송배전용이나 분산 전원용 전력 소자로 화합물 반도체를 적용할 경우 전력 변환 손실을 큰 폭으로 줄일 수 있어 소비전력이 감소하고 주변부품의 생략 혹은 소형화가 가능해 전력변환기의 크기 또한 감소시킬 수 있음

• 기계공학의 정수라 불리우는 F1 자동차 경주차에 화합물 반도체가 보편적으로 사용되고 있음

• 화합물 반도체를 적용하면 부품 부피와 무게를 획기적으로 줄일 수 있어 화합물 반도체 적극 활용

• 화합물 전력 반도체 산업은 해외에서도 상용화 초기 단계에 있음

• 화합물 전력 반도체 중 사업성 높은 GaN과 SiC 전력 반도체가 시장 관심을 받고 있으며 대부분의 글로벌 리딩 기업들이 GaN과 SiC에 집중

• 다만 생산 비용이 Si전력 반도체 대비 높고 공정 개발이 성숙되지 않아 생산성이 떨어짐

• 하지만 전기차 보급 확산으로 시장이 빠르게 성장해 기술이 점차 축적되고 있어 생산성이 점진적으로 향상될 것으로 예상

• 2인치 화합물 반도체 웨이퍼 가격이 12인치 실리콘 웨이퍼보다 40배 가량 비싸지만 점차 경제성 확보할 것으로 기대

 

GaN

• 질화갈륨(GaN)은 우수한 전자 이동성과 강한 파괴 전압, 우수한 열전도 특성을 지니고 있어 높은 스위칭 주파수 효율성을 필요로 하는 전력 과 라디오 주파수(RF)소자에 이상적

• 가전, 통신 하드웨어, 전기자동차를 막론하고 전력 변환율 향상, 전력 밀도 증진, 배터리 수명 연장, 스위칭 속도 향상이 필요

• 요구조건에 맞추기 위해 새로운 체계의 전력용 반도체 개발이 필수적

• GaN은 2005년 이후로 여러 산업에 상당한 파급효과를 끼쳤음

• GaN은 SiC와 유사한 성능 이점을 제공하지만 비용 절감 가능성은 더 높음

• SiC보다 저렴한 실리콘이나 사파이어 기판에서 GaN 전력 소자를 양산할 수 있기 때문에 가격과 성능 두 마리 토끼를 잡을 수 있음

• GaN은 청색 LED제조에 필수 재료로 사용되고 있어 조명용 백색 LED 상품화에 크게 이바지 하고 있으며 전체 LED의 약 80%가 GaN 기반

• 무선통신 부문에서는 고전자 이동 트랜지스터(HEMT)나 모놀리식 마이크로 집적회로(MMIC)등 고출력 무선 주파수 기기에도 채택

• 전력 반도체는 크게 군수, 무선 통신망, 고전력 및 케이블 TV/위성통신섹터가 주된 사업영역이며 전력 공급 애플리케이션을 담당

• 자동차 분야에서는 하이브리드 자동차용 온보드 충전기 어댑터 / 자동차용 DC-DC컨버터 / LIDAR용 드라이버에 사용

• GaN MMIC는 설계의 높은 난이도가 요구되지만 전체적인 생산단가 절감 및 고신뢰성을 바탕으로 한 대량 생산 가능성으로 RF 시스템 각 분야로 빠르게 확산되고 있음

• GaN 트랜지스터를 사용하고 있는 엔드제품 중 최근 가장 빠르게 대량 생산되고 있는 제품은 USB C타입 전원 어댑터와 충전기임

• 휴대폰과 노트북 PC를 빠르게 충전할 수 있음

• 많은 GaN장치는 파운더리 서비스 공급자를 통해 제작되고 있으며 표준 실리콘 웨이퍼에 대한 GaN 상피 결정 성장 및 불륨 증가에 따라 잠재적으로 무제한 생산 용량 확장 또한 가능할 것으로 전망

• GaN은 가격이 비싸고 집적도가 높은 IC 회로(intergrated Circuit) 제작엔 한계가 있음

• GaN을 구성하는 Ga와 N원자간 내부 전기장이 높고 전자와 정공의 결합에너지가 낮아 양자효율이 떨어짐

• 또한 Al2O3나 SiC기판과 원자간 거리 차이가 커 박막 제조시 결함이 많이 발생하고 이 결함이 소자 수명과 특성을 저해함

• GaN은 결합 후 과잉 전자가 많은 n형 반도체의 특성을 보이기 때문에 정공 수가 많은 p형 반도체로 도핑하는 과정이 까다로움

• 사업 경제성을 높이기 위해선 미니멈 6인치 이상의 웨이퍼 생산능력을 보유해야함

 

SiC

• 실리콘과 탄소를 일대일로 결합해 만든 SiC는 탄화규소 또는 실리콘 카바이드로 표현

• 다이아몬드 다음으로 단단한 특성 때문에 반도체 재료보다는 사포나 숫돌 등 연마용 재료로 많이 사용했음

• SiC를 반도체로 이용하려면 약 2,400 ℃ 초고온에서 단결정을 만든 후 얇게 절단 공웨이퍼를 제작해야 함 (기술 난이도 上)

• SiC 반도체는 같은 두께의 실리콘에 비해 약 10배의 전압을 견뎌낼 수 있어 고전압 고열에서 정상 작동 가능

• Si반도체 1/10크기로 동등한 전압 제어 기능을 확보할 수 있어 부피를 줄일 수 있음

• SiC전력 반도체는 기존 재료인 실리콘 대비 10배의 전압과 5배 고열에도 동작 가능해 고전압이 쓰이는 전기차에 적합(600V)

• 가격은 Si 대비 2배 이상이지만 주행거리를 10%이상 늘릴 수 있고 충전시간을 줄일 수 있어 필수 부품으로 자리 잡을 전망

• SiC는 Si 보다 밴드갭이 넓어 절연파괴 전압(Breakdown Voltage)이 큰 소자를 제조할 수 있음 (2.86 ~3.2 eV)

• 결국 소자를 얇게 할 수 있으며 도프 농도를 높일 수 있어 온저항(RON)을 줄여 냉각 장치 무게와 부피까지 줄여 연비가 상승

• SiC 전력 반도체 2020년 7억 달러 → 2030년 100억 달러로 연평균 +32% 성장 할 것으로 전망

• 도요타 자동차는 2014년 부터 SiC 전력 반도체를 채용한 하이브리드 자동차를 시범 운용 중

• HV/EV의 모터용 인버터에 SiC 전력반도체를 사용하면 고내열, 고속 스위칭, 고온 동작 등의 장점으로 인해 인버터 고효율화, 저소음, 소형화, 경량화, 공간 절약 등을 기대할 수 있음

• 전기차에 탑재되는 모터 회로 1개 스위치에 2~3개의 IGBT 칩을 병렬로 실장하는데 SiC는 회로에 탑재하는 칩의 개수를 줄일 수 있어 인버 터 소형화와 비용 절감을 가능하게 해줄 수 있음

• 실장 칩 개수를 줄이기 때문에 주변 부품 간소화 가능하며 시스템 경량화 및 소형화 가능

• SiC MOSFET은 2020년 약 3억 2천만 달러 시장을 형성했으며 SiC 전력 반도체 중 가장 빠른 성장세를 보여줄 것으로 기대됨

• Low-Voltage = PFC(Power Factor Corrector), Inverter, 5G 스위칭 전원 등

• Medum-Voltage = 전기자동차의 인버터, UPS

• High-Voltage = Wind Turbines, Rail Traction, 송배전 분야 전력제어

• 현재는 PFC와 태양광용 인버터 분야를 중심으로 사용 확대되고 있지만 향후 전기자동차 분야로 빠르게 확대될 것

• SEMI는 SiC전력반도체 시장이 2024년까지 연평균 +30%성장해 20억달러가 될 것으로 전망

• 24년까지 SiC전력반도체 시장이 20억달러 규모까지 성장할 것으로 전망 (2020년 글로벌 파워반도체 시장 344억 달러) • SiC의 경우 파워반도체(전력반도체)의 형태로만 개발되고 있으며 해외기업이 시장을 선도하고 있음

• 세계 20위권 내 국내 기업 없음

• 전력 반도체용 SiC 소재는 일부 상용화되어 판매되고 있지만 고품질화와 가격 현실화 문제가 남아있음

• SiC는 물성이 뛰어나지만 반도체 제조 시작점인 고품질 단결정 및 박막 제조가 어려워 일부 해외 선진기업만 상용화에 성공

 

 

해외기업: Infineon(인피니온), ROHM, On Semiconductor, CREE, II-VI

국내기업: 실리콘웍스, 예스티, 에이프로, RFHIC