하나금융투자 2021년 반도체 전망 중 화합물 반도체 전망

아날로그 반도체 공급사의 실적 턴어라운드와 화합물 반도체 사업 태동에 주목

아날로그 반도체 1위 공급사 텍사스 인스트루먼트는 2020년 3분기부터 실적 턴어 라운드를 시작했다. 연간 매출 증감률은 2020년 -2.9%, 2021년 +8.4% (컨센서스 기준)이다. 자동차용/5G/중국향 수요 개선 때문이다. 삼성전자는 아날로그 반도 체 중 카메라 이미지 센서 분야에서 점유율을 21.7%까지 늘리며 Sony와의 격차를 줄였다. 한편 방산용으로 제한적으로 쓰이던 화합물 반도체가 5G 통신장비/스마트 폰/EV로 적용분야를 늘린다. 연간 시장 성장률은 GaN +116%, SiC +19%이다.

 

 

화합물 반도체 - 전력 반도체 중심으로 스터디(GaN, SiC)

 

5G와 EV 시장 개화를 계기로 화합물 반도체 중에 GaN, SiC 주목 필요

화합물 반도체 시장의 규모가 아직 작기 때문에 미국 반도체 업종에서도 유의미한 시가총액의 수혜주를 찾기가 어렵다. 실리콘 카바이드 (SiC) 화합물 반도체 업종에서 Two Six가 수직계열화를 추진하고 있는데, 전사 매출에서 SiC가 차지하는 비중은 4~5%에 불과하다. FY 2020년 (2019년 7월 ~ 2020년 6월)의 매출이 26억 달러였으니, SiC 웨이퍼에서 모듈까지 망라한 관련 매출은 1,100~1,500억 원 내외로 추정된다.

 

이처럼 화합물 반도체를 주력으로 공급하는 Two Six에서도 관련 매출이 제한적이나 반도체 업종에 관심이 있는 투자자라면 2021년 주요 테마로서 화합물 반도체에 관심을 가져야 한다고 판단된다. 전방산업의 수요가 전통적인 방산 분야에서 기지국용 통신장비, 5G 스마트폰, EV로 확장되고 있기 때문이다.

 

Two Six의 경우 화합물 중에 GaAs (갈륨비소) 6인치 웨이퍼를 기반으로 활발하게 사업을 전개하고 있으며 M&A를 통해 에피 웨이퍼, 전공정, 웨이퍼 테스팅 공정을 수직계열화했다. New Jersey의 Warren Fab에서는 2017년부터 현재까지 수 억개의 3D 센싱용 VCSEL array를 생산, 출하했으며, Texas의 Sherman Fab에서는 2020년부터 VCSEL을 생산, 출하하기 시작했다. 한편 스위스의 Zurich Fab에서는 2020년부터 edge emitting laser diode (EELD 소자)를 양산하고 있다.

 

화합물 반도체는 과거에 군사용, 인공위성용 등 특수 분야에서만 필요로 하던 반도체이다. 화합물 반도체 중에서 Gallium Nitride (GaN) RF 디바이스의 선두주자로 꼽히는 Cree (CREE US)는 GaN 소재로 만들어진 Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMICs) 등의 제품을 미국 국방부에 공급한다. MMIC는 이후에 5G스몰 셀 네트워크에 서 최대한의 주파수 (예: 90GHz)를 지원하는 소자로 사용된다. 향후에 밀리미터파가 자율주 행차량간의 데이터 송수신에 적용될 가능성이 크다. 이에 따라 화합물 반도체에 대해 지금부터라도 조금씩 서플라이 체인에 대해 알아두어야 할 필요가 있다.

 

 

아날로그 반도체 기업의 화합물 반도체 사업 진출

아날로그 반도체 기업 중에서 On Semiconductor의 경우 Tier 1 고객사로부터 Silicon Carbide 제품의 주문을 받는다고 밝혔다. 자동차 시장의 고객사로부터 주문을 받기 시작한 것으로 추정된다. On Semiconductor의 Intelligent Sensing Group (ISG) 사업부에서는 자동차용 라이다 (LiDAR) 센서군의 제품 중에서 SiPM과 SPAD를 주력 기술로 내세우고 있다. On Semiconductor는 2018년 5월에 SensL사를 인수하며 SiPM 기술을 확보했다. SiPM은 Silicon Photomultiplier를 의미한다. 라이다 센서가 자율주행차량에서 먼 거리를 측정하려면 날씨가 맑고 태양빛이 밝을 때도 멀리서 다가오는 물체 (차량, 사람)의 미약한 반사광을 감지해야 하는데, 그 물체로부터 반사되는 광량이 매우 적으므로, SiPM이라는 감지기 (感体機)가 필요하다. SPAD는 SiPM을 만들기 위한 기술이며, Single Photon Avalanche Diode (단일 광자 검출기)를 의미한다. 단일광자 검출기는 광자 하나를 검출할 수 있는 광 검출기이다. 광 검출기는 의료기기, 불꽃 감지 시스템 등의 분야에서 쓰였다. SPAD는 입사된 빛이 전자 (Electron)와 정공 (Hole)을 생성시키고, 이처럼 만들어진 전자와 정공이 흘러가며 전류를 생성하는 소자를 의미한다. On Semiconductor는 SiC 화합물 반도체 제품을 산업용 분야에도 판매하고 있다. SiC로 만들어진 모듈을 PV 시장뿐만 아니라 다른 대체에너지 시장에서도 판매하고 있다.

화합물 반도체 중에 국내에서 인지도가 높은 화합물은 3족/5족 원소로 이루어진 GaN (질화 갈륨)이다. 탄화규소 (SiC, 실리콘 카바이드) 기판 위에 질화갈륨을 성장시킨 구조를 GaN on SiC라고 부르는데, GaN on SiC 트랜지스터는 기지국용 통신장비 중에 40GHz 이하 주 파수에 적용되어 신호를 증폭 (원하는 크기로 확대)하는 데 쓰이고, 기존 제품 대비 물리적 크기가 작고 열전도성이나 전력 사용량 측면에서 유리하다. 기존에 사용되던 트랜지스터는 LDMOS라고 불리는데, LDMOS는 Lateral MOSFET을 의미하며 기지국용 전력증폭기의 최종 출력 증폭단에서 저비용의 장점을 내세워 많이 사용되고 있다.

 

 

아날로그 반도체 기업 중에서 ST마이크로의 경우 가장 활발하게 화합물 반도체 시장의 개화에 대응하고 있다. 프랑스의 반도체 기업 SOMOS Semiconductor (이하 SOMOS)를 인수 한다고 발표했다. 2018년에 설립된 SOMOS는 실리콘 기반 PA (Power Amplifier, 전력증 폭기)와 RF FEM (Front-End Modules) 설계에 특화된 팹리스 기업이다. ST마이크로는 인수를 통해 자동차에 편중되어 있던 화합물 반도체 제품 포트폴리오를 5G 영역까지 확대할 예정이다. ST마이크로가 5G 분야에 진출하며 사업분야를 다각화한 것은 처음이 아니다. 2019년 2월에는 스웨덴의 SiC (실리콘 카바이드) 웨이퍼 제조업체 Norstel AB의 지분 55% 를 인수했다. 한편 ST마이크로는 GaN (질화갈륨) 기반의 파워 솔루션을 공급하는 프랑스 기업 Exagan의 인수 작업 또한 전개하고 있다. ST마이크로는 M&A를 통해 포트폴리오를 확장하는 한편, 2020년 2월에는 TSMC와의 협업을 발표했다.

 

 

SK실트론은 M&A를 통해 화합물 반도체 사업에 진출

SK실트론은 ST마이크로와 마찬가지로 M&A를 통해 화합물 반도체 사업에 진출했다. 2019 년 9월 10일, DuPont de Nemour 의 자회사인 DDP Specialty Electronic Materials US 9, LLC와 실리콘 카바이드 웨이퍼 생산과 관련한 기계장치, 특허권 등을 포함한 사업부를 미화 4억 5천 만 달러에 양수하는 계약을 체결해 2020년 2월 29일에 인수 작업을 완료했 다. 실리콘 카바이드 웨이퍼는 SK실트론의 기존 주력 제품에 해당되는 실리콘 웨이퍼 (Si Wafer) 대비 耐고압, 耐고온, 低저항의 특성을 지녀, 전력 반도체의 핵심 소재로 사용되고 있다. 실리콘 카바이드의 특성은 순수 실리콘 대비 높은 다결정 성장이 가능하다. SiC Wafer의 경우 제조기술 및 양산제품의 품질을 확보하기 난해한 특징을 가지고 있어, 기술 진입장벽이 높다. SK실트론의 양수 기업에서 주력으로 공급 중인 제품은 4인치 및 6인치 웨이퍼이다. 6인치 제품의 기술개발 및 생산시설 확충에 따라 100mm 제품의 시장에서 6인치 제품 중심의 시장으로 빠르게 전환되고 있다. SK실트론 측에서 기대하는 수요는 자동차의 전장화와 전기차용 SiC 인버터이다. SiC Wafer의 높은 제조단가로 인해 전력반도체 시장 내에서 제한적으로 사용되었으나, SiC Wafer의 생산성 및 원가경쟁력 개선 시, SiC Wafer 를 적용한 전력반도체 수요가 증가할 전망이다. 전기차의 에너지 효율성 증대, 배터리 원가 절감 필요성 등에 따라 인버터에 SiC 반도체가 채택되는 사례가 늘어나고 있으며, 차량 내 동력구동 외 공조, 자율주행, 인포테인먼트 등 전기사용량이 증가하여 기존 Si 인버터 대비 에너지효율성이 높은 SiC 인버터의 채택이 확대되는 추세이다. SiC Wafer의 주요 고객은 ST마이크로, Infineon 등 전력반도체 제조업체로 대부분 유럽, 미국, 일본 등 해외업체이다. SK실트론의 자료에 따르면, SiC Wafer를 제조하는 업체는 미국, 독일, 일본 등에 다수 존재하나, 6인치 제품의 양산에 본격 진입하여 전력반도체 고객에 공급할 역량을 확보한 업 체는 소수 업체에 불과하다. 현재 SiC Wafer 시장은 빠르게 6인치 제품 중심의 시장으로 전환되고 있으며, 선도업체와 후발업체들과의 기술격차로 향후 SiC Wafer 시장의 경쟁구도는 상위 선도업체 위주로 형성될 것으로 보인다.

 

보고서 링크: 아날로그 반도체 업황 개선과 화합물 반도체 태동(하나금융투자)