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점점 더 진화하는 와이드 밴드갭 반도체 기술

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글/장-자크 들릴(JJ Delisle), RFEMX 대표

제공/마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

전기 제어, 통신, 전원, 구동, 센싱을 사용하는 거의 모든 기술 시스템이 전동화되어 전기적으로 연결되었다. 1950년대 초부터 이러한 전동화를 위해 중요한 역할을 해온 것이 실리콘(Si)이다. 실리콘은 놀라울 정도로 범용성을 지닌 반도체 소재로서, 수십 년에 걸쳐서 발전해 왔다. 하지만 실리콘은 높은 전력, 높은 주파수, 효율, 방사 저항, 낮은 잡음, 광전자 성능에 있어서 한계를 갖고 있다. 3세대 반도체, 특히 와이드 밴드갭(WBG) 반도체는 기존의 실리콘 반도체에 비해 성능 상의 이점들을 제공하기 때문에, 상업성 있는 반도체 제조 인프라와 공정을 개발하기 위해서 그만한 시간과 노력을 들일 만한 가치가 있었다.

많은 4족, 3족-5족, 2족-6족 화합물 반도체 소재들이 와이드 밴드갭, 즉 밴드갭이 넓다. 이들 소재는 포토닉스, LED, 레이저에는 흔히 사용되고 있지만, 다른 반도체 애플리케이션에 광범위하게 적용할 수 있는 소재는 한정돼 있다. 주도적으로 사용되고 있는 WBG 반도체 기술은 실리콘 카바이드(SiC)와 질화갈륨(GaN)이다. 다이아몬드(C) 반도체는 여러 가지 매력적인 특성이 있기는 하지만, 다이아몬드 반도체 제조에 더는 상대적으로 높은 비용이 저변을 확대하는 데 걸림돌이 되고 있다. SiC와 GaN은 고전력, 고주파수, 고효율, 고방사(high-radiation) 환경에 점점 더 많이 사용되고 있으며, 다른 반도체 기술로는 다다를 수 없는 수준의 성능을 달성할 수 있게 해준다. 더욱이 SiC와 GaN 기술이 점점 성숙해지면서 상당한 규모의 경제를 이루고 있고, 웨이퍼 크기를 늘리게 되었다. 그럼으로써 비용을 낮췄을 뿐 아니라, 기존에 실리콘을 사용하던 많은 애플리케이션에 이들 기술을 활용할 수 있게 되었다(그림 1, 2).

2023년의 SiC

SiC는 가장 성숙한 WBG 반도체 기술로서, 수십 년에 걸쳐서 개발되어 왔다. SiC는 최근에 고전압 고전력 전기차(EV) 충전 인프라에 점점 더 많이 채택되고 있다. EV 및 충전 인프라 제조사들이 800V 혹은 그 이상의 EV 시스템으로 전환함에 따라 이러한 추세는 앞으로도 계속될 것이다. SiC는 고압 직류(HVDC) 송전 및 재생 에너지 애플리케이션에서도 도입이 늘고 있는데, 이러한 애플리케이션에서는 전압이 높을수록 도체의 크기를 줄이고 손실을 줄일 수 있다. SiC는 동급의 실리콘 기술과 비교해 보면 비용이 여전히 약 3 ~ 4배 더 높다. 따라서 높은 비용에도 불구하고 더 높은 전압을 필요로 하는 애플리케이션들만이 SiC를 사용하는 것이 논리적으로 타당할 것이다. 예컨대 태양광(PV)이나 그 밖에 다른 재생 에너지 애플리케이션을 들 수 있다. 더 높은 전압이 가능하다면 인덕터나 트랜스포머 같은 수동 소자들을 더 작고 가벼운 것을 사용할 수 있고, 이는 시스템 비용을 낮추고 시장 경쟁력을 높이는 데 도움이 된다.

SiC는 역률 보정(PFC) 회로, AC-DC 정류기, DC-AC 인버터, 배터리 충전기, 데이터센터 전원장치 같은 고전압 고온 활용 사례에 주로 사용되고 있다. EV 시장만 해도 6인치 SiC 웨이퍼 수요가 2021년에 125,000장에서 2030년에 4,000,000장으로 큰 폭으로 증가할 것으로 전망됨에 따라서 SiC 제조를 위한 투자가 활발하게 이루어지고 있다. 현재는 200mm SiC 웨이퍼 생산을 늘리는 데 초점이 맞춰져 있지만, 향후에는 더 큰 웨이퍼 크기도 개발될 수 있을 것이다. 그렇게 되면 SiC 디바이스는 가격이 더 낮아지고 더 다양한 애플리케이션에 활용될 수 있을 것이다.

[그림 1] 전력대와 주파수에 따른, 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 질화갈륨(GaN), 실리콘 수퍼정션(Si SJ), 절연형 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)/게이트 턴오프(GTO) 사이리스터 디바이스 비교 (출처: 저자)

[그림 2] 2022년 하반기 현재, Si, GaN, SiC 디바이스의 전압대 비교

2023년의 GaN

SiC가 전통적인 실리콘을 사용하기에 여의치 않은 600V 이상 애플리케이션에 주로 사용되는 반면, GaN 기술은 600V 미만 애플리케이션에서 활발하게 Si 기술을 대체하고 있다. GaN 트랜지스터의 또 다른 이점은 전자 이동도가 Si 및 SiC보다 수 배에 달한다는 것이다. 이 때문에 GaN 디바이스는 훨씬 더 높은 주파수로 동작할 수 있다. 그러므로 GaN은 스위칭 디바이스와 RF 기술에 대해 더 높은 주파수와 전력 레벨에서 WBG의 이점을 제공한다. 하지만 GaN 반도체는 열 전도도가 SiC의 절반 이하에 불과해, 전력을 취급할 수 있는 용량이 떨어진다. 높은 전력대에서 극히 높은 전압을 사용하는 애플리케이션일 경우, 설계 엔지니어들이 SiC 디바이스를 좀더 선호하는 이유 중 하나가 바로 이 때문이다(그림 3).

현재 GaN 전력 반도체 디바이스는 주로 400V 미만 애플리케이션 시장을 주도하는 편이다. SiC 전력 반도체는 800V 이상에 달하는 애플리케이션에서 주도권을 쥐고 있다. 400V ~ 800V 애플리케이션에서는 GaN과 SiC가 경쟁 관계이다. 더 높은 전압의 GaN 기술이 상업적으로 가능해진다면 이 경쟁은 더 넓은 범위 및 전압대로 확대될 것이다. 실제로 2022년 하반기에 1200V GaN 디바이스가 등장하면서 높은 전압대에서 GaN과 SiC의 경쟁이 확실히 심화되고 있다. 2000V 이상의 전력 반도체 시장은 규모가 비교적 작기는 하지만, 대형 산업용 시스템들이 갈수록 전동화되고 지속가능한 재생 에너지 기술들이 전통적인 전력망 시스템에 통합되는 추세여서 앞으로는 이 시장도 서서히 커질 것이다.

현재 SiC 서브스트레이트 및 제조 비용은 GaN 디바이스보다 높고, 5kW 이상 시스템의 최종 디바이스 비용은 GaN과 SiC가 비슷하다. 하지만 SiC 디바이스는 현행 GaN 공정보다 다이 크기가 더 작다. 1200V 및 1700V 블로킹 전압용 SiC 디바이스가 이미 상용화되었으며, 이보다 높은 전압의 디바이스 개발을 위한 연구가 계속되고 있다. GaN 트랜지스터는 900V까지 이르고, 2022년 10월 현재 1200V가 개발되었다. 데모 용도로는 SiC 디바이스에 필적하는 성능을 가진 1200V 수준까지 도달한 상태지만, 상업적 용도로는 적어도 2025년까지는 출시되지 못할 것이다. 일부 예측에 따르면, 2025년에 1200V GaN MOSFET 가격은 SiC MOSFET으로 예상되는 암페어당 16센트보다 낮을 것으로 전망된다. GaN은 설계가 단순하고 서브스트레이트 비용이 더 낮기 때문에 이것이 비용 우위로 이어질 수 있을 것이다.

GaN으로 규모의 경제를 이루고자 더 큰 크기의 GaN 웨이퍼를 개발하기 위한 노력이 계속되어 왔다. GaN과 관련한 또 다른 개발로서, 동일한 웨이퍼 상에서 GaN과 Si를 모두 지원하는 듀얼 프로세스를 들 수 있다. 이는 마치 동일한 디바이스 상에서 전원 장치와 고전력 RF 장치를 개발하는 것 같은, 고밀도 디지털 전자장치를 개발할 수 있게 할 것이다.

그 밖에 다른 WBG 반도체

SiC, GaN 외의 다른 WBG 반도체 기술을 개발하기 위한 연구들도 활발하게 진행 중이다. 이 중에서 가장 장래성 있는 WBG 반도체 기술은 산화 갈륨(Ga2O3)과 입방형 질화붕소(cubic boron nitride, CBN)이다(표 1). 이들 물질은 오늘날 다양한 애플리케이션에 사용되고 있으나, 반도체 디바이스에 상업적으로 사용되기까지는 아직 갈 길이 멀다. Ga2O3는 아직은 많은 물성이 밝혀지지 않은 상태이며, 실제 제조가능한 Ga2O3 공정을 개발하기 위한 연구가 계속되고 있다. 

다음은 현재 사용되고 있거나 미래에 가능성이 있는 대표적인 WBG 반도체 소재들을 정리한 것이다:

• 실리콘 카바이드(SiC)

• 질화 갈륨(GaN)

• 다이아몬드(C)

• 질화 붕소(BN)

• 산화 아연(ZnO)

• 셀렌화 아연(ZnSe)

• 황화 아연(ZnS)

• 텔루르화 아연(ZnTe)

• 산화 갈륨(III)(Ga2O3)/산화 알루미늄 갈륨(III)((Al2Ga)2O3)

• 산화 인듐(I2O3)

현재 가장 순조롭게 개발되고 있는 WBG 반도체 소재는 BN이다. BN은 주로 광전자 및 발광 애플리케이션용으로 연구되고 있다. BN은 간접적인 밴드갭을 나타내므로 p-도핑과 n-도핑이 모두 가능하고 예측되는 항복 전계가 높다. 또한 BN은 포화 전자 속도와 열 전도도가 높고, 가장 단단한 물질 중의 하나로 알려져 있다. 시뮬레이션을 통해서 예측되는 발리가(Baliga) 및 존슨(Johnson) 성능지수(figures of merit, FoM)을 감안했을 때, BN은 전력 변환 및 고전력 고주파수 디바이스에 사용하기에 적합할 것이다. 하지만 BN은 도핑 상태와 실제 특성들이 아직 알려지지 않았다.

맺음말

현재는 SiC와 GaN이 고전력 고주파수 시장을 주도하고 있으며, 다른 WBG 반도체 기술들이 개발 및 상용화되기까지는 이러한 추세가 계속될 것이다. 그때까지는 약 10여 년의 시간이 걸릴 것이므로 앞으로 몇 년 간은 SiC와 GaN이 계속해서 성장할 것이다. 중간 전력대에서 SiC와 GaN이 경쟁하고, 더 높은 전압대에서는 SiC 디바이스가 GaN 디바이스보다 우위를 차지할 것이다. 두 기술 모두 Si보다 훨씬 비싼데, SiC와 GaN이 Si 기술의 변두리에서 경쟁하는 동안은 계속 그럴 것이다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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