Technology Brief - Technology Brief 04
파워 반도체소자 현황 및 전망
윤석열 R&D경영연구소 대표
친환경 에너지에 대한 요구가 커지면서 솔라셀/풍력발전 및 전기자동차 분야에서 전력을 효율적으로 관리하기 위한 고전압, 고출력 파워 반도체소자 필요성이 점차로 증가하고 있다.
파워 반도체소자 중에서 최근에 각광을 받으면서 개발 중인 것이 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN) 소자이다.
이들 재료는 전도대역과 가전자 대역(Band Gap) 에너지가 커서, 높은 전압에도 절연파괴 없이 동작이 가능하다는 장점을 갖고 있다.
실리콘을 사용하는 파워소자는 고전압에서 절연파괴를 방지하기 위해서 실리콘 두께를 두껍게 해야 하는데, 실리콘 두께가 두꺼워지면 저항이 커지기 때문에 고전압에서 고전류를 흘리면 저항 열에 의한 전력소비가 커지는 문제가 있다.
그러나 탄화규소 및 질화갈륨으로 제조한 파워 반도체소자는 얇은 두께를 갖는 수직구조 및 MOS 트랜지스터 구조를 구현할 수 있어서 고전압에서 전류를 흘리더라도 저항이 낮기 때문에 소비전력이 기존 실리콘 파워소자에 비해 현저히 낮아지게 된다.
또한, 열 발생이 적기 때문에 냉각시스템도 소형화할 수 있거나 없앨 수 있게 된다.
이러한 특성을 활용하면 전기자동차의 엔진부피를 줄일 수 있기 때문에 차량설계 및 연비개선 측면에서도 매우 유리하다.
탄화규소 반도체소자를 제작하기 위해서는 탄화규소 단결정이 필요한데, 미국 Cree社는 6인치 구경을 갖는 탄화규소 단결정기판 양산화에 성공하여 대구경화에 의한 가격경쟁력을 확보한 바 있다.
질화갈륨 소자는 실리콘기판 위에 기상화학증착법(MOCVD)에 의한 GaN 에피텍시 성장기술이 개발되면서 8인치 크기의 GaN-on-Si 기판이 제작되고 있다.
실리콘 위에 GaN를 성장시키기 위해서는 실리콘과 GaN의 열팽창계수 차이에 의한 균열발생이 가장 큰 문제였는데, 최근에 연구된 에피성장 기술로 성장시키면 압축응력을 가할 수 있게 되어 냉각할 때 열팽창계수 차이로 인한 인장응력에 의한 균열을 억제할 수 있게 되었다.
이러한 GaN-on-Si 기술은 LED 제작에도 사용되고 있으며, GaN를 성장할 때 고가의 사파이어 기판을 사용하지 않고 LED를 제작할 수 있기 때문에 LED 가격을 낮출 수는 있는 유망한 기술이다.
일본 반도체업체들이 DRAM 및 Flash 메모리 분야에서 경쟁력을 잃으면서, 에너지 절감에서 유망한 기술인 파워 반도체 연구에 많은 연구를 기울이고 있다.
도시바는 탄화규소 전력반도체 생산을 위해 히메지 공장에 신규투자를 단행하였고, 롬사 및 파나소닉 등도 탄화규소 전력반도체의 시장 활성화를 위해 많은 연구를 하고 있다.
이러한 탄화규소 반도체를 연구하는 일본 업체로는 후지전기와 미쓰비시가 있으며 신규공장을 건설중에 있다.
파나소닉은 질화규소 소자에 집중하고 있으며 향후 전력반도체를 자사 반도체사업의 핵심으로 만들 계획을 발표하였다.
히타치 또한 전력반도체사업을 재편하였고, 전력반도체사업의 설계, 제조 및 기타 운영부문까지 히타치 전력반도체 디바이스(Hitachi Power Semiconductor Devices)에 이전하여 조직을 재편하는 움직임을 보이고 있다.
앞으로도 친환경 에너지 및 전기자동차 분야에서 전력소모가 적은 신규 파워 반도체 소자의 중요성은 더욱 커질 것이다.
특히 기존 실리콘 반도체소자에 비해 소비전력을 줄일 수 있는 탄화규소 및 질화갈륨 파워 반도체소자는 재료는 다르지만 기존 실리콘공정을 그대로 사용할 수 있다는 점에서 반도체 경쟁력이 우수한 우리에게는 새로운 기회요소가 될 수 있을 것으로 생각된다.