반도체 - 전력용 반도체(업데이트) - (1)

2022/02/21 - 수정
2022/02/11 - 게시

 

반도체는 실리콘 웨이퍼로 제작을 한다. 실리콘은 평소에 전기가 잘 통하지 않지만, 외압을 가하면 전기가 흐르는 도체 성질을 띠게 된다. 이 같은 특성을 이용해 반도체를 사용해 전자기기위 스위치 역할을 수행하고 있다. 

 

전력을 제어하는 전력반도체(또는 파워반도체)는 전기차·신재생 에너지 설비의 핵심 부품이다. ​전력반도체는 일반적으로 ‘반도체’라고 부르는 메모리 반도체와 차이가 반도체 소자가 감당하는 전압이 높고 전류용량이 크다는 것입니다. 전압의 경우 600~ 10000V이고 전류는 수A~수백A 수준입니다.

 

전력반도체는 전력을 제어하는 반도체로서 가전기기, 조명을 비롯한 모든 전기·전자제품에서 반드시 필요하다. 대표적으로 전기차 배터리의 직류 전기를 교류 전기로 바꾸어 모터(전동기)에 공급하는 인버터의 핵심부품이 전력반도체다. 

 

보통 반도체의 소재로 실리콘(Si) 소재를 사용했으나 최근 전력용반도체에 탄화규소(SiC·실리콘카바이드), 질화갈륨(GaN), 산화갈륨(Ga2O3) 등 3대 핵심소재를 기반으로 한 차세대 전력반도체 시장이 부상하고 있다.

 

SiC ( 실리콘카바이드)

SiC (실리콘 카바이드)는 실리콘 (Si)과 탄소 (C)로 1:1 구성된 화합물 반도체 재료로 다이아몬드 다음으로 단단하고 실제 다이아몬드처럼 투명하다. 절연 파괴 전계 강도가 Si의 10배, 밴드갭이 Si의 3배로 매우 우수하며, 디바이스 제작에 필요한 P형, N형의 제어가 넓은 범위에서 가능하므로 Si의 한계를 뛰어넘는 파워 디바이스용 재료로 사용되고 있다. SiC는 절연 파괴 전계 강도가 Si에 비해 약 10배 높으므로, 600V~수천V의 고내압 파워 디바이스를 Si 디바이스에 비해 높은 불순물 농도 및 박막의 드리프트층에서 제작할 수 있다. [7]

 

SiC반도체는 모터 드라이브 및 기타 고전압/대전류 응용 분야에 이점이 있다. SiC는 탄소와 실리콘이 단단히 결합되어 있어서 단결정 Si보다 결정 구조가 안정적이라서 절연 파괴 전계 강도가 높아 활성층을 앏게 만들 수 있다. 이런 특성을 이용해 더 높은 항복 전압과 더 낮은 손실을 가진 장치를 구현할 수 있다

 

예를 들어 SiC 전력반도체로 전기차 인버터를 만들면 지금까지의 실리콘(Si) 반도체 인버터를 사용했을 때보다 에너지 효율이 최대 10% 높아지고 인버터의 부피와 무게를 줄일 수 있다고 한다. 또한 SiC 반도체 소재는 미국 기업의 대중국 금수 품목에 포함되는 등 미·중 기술전쟁의 대상이기도 하다.

 

응용 제품으로 전력망 장치, AC전송 시스템, 고전압 직류 시스템, 전원 공급 장치 및 인버터, RF장치 및 셀룰러 기지국, 조명제어 시스템, 산업용 모터 드라이브, 화염 감지기, EV 모터 드라이브, EV충전소, 풍력 터빈, 태양광 발전 시스템 등 다방면에서 활용을 하고 있다.

 

Tesla는 2017년 SiC MOSFET을 자사 전기 자동차 Model 3에 도입하면서 EV 모터 드라이브 등의 응용분야 시장확대를 주도 하고 있다고 한다.

 

북미지역 SiC 사용처와 시장규모 

북미지역 SiC 사용처와 시장규모, Kotra해외시장 뉴스

 

 

 

GaN(질화갈륨)

GaN 반도체는 기존의 Si 반도체 공정과의 호환성이 우수하고 고속 동작과 소형 제작에 유리하다. GaN 반도체는 SiC보다 훨씬 더 안정적인 결합 구조와 더 높은 절연 파괴 전계 강도를 가지고 있어 전원 공급 장치 및 소형/고주파 응용 분야에서 이점이 있다. SiC 반도체보다 높은 항복 전압을 가질 수는 없지만 고주파 응용 분야에 적합하며 스위칭 전원의 경우 고주파에서 스위칭함으로써 인덕터 및 기타 주변 부품의 소형화가 가능하다. 향후 GaN 소자는 1kW 이하의 전원 공급 장치에 적용될 것으로 예상되며, 소형 설계에 대한 수요가 높을 것으로 전망된다.

 

GaN 반도체 장치 시장은 구체적인 사용처에 따라 전원 드라이브, 전원 공급 장치 및 인버터, 무선 주파수(RF), 조명 및 레이저로 나눌 수 있다. 미국에서 현재 GaN 전력 장치는 저용량, 고급형 태양광 인버터에서 볼 수 있으며 스마트폰을 비롯한 다양한 모바일 장치의 급속 충전기에 점점 더 많이 사용되고 있는 추세다. 미국의 Power Integrations사는 급속 충전기 시장을 위한 GaN 전력 IC를 제조하는 대표적 업체다.

 

SiC와 GaN은 화합물 반도체라고도 불린다. 기존의 실리콘 반도체는 규소(Si)의 단일 원소로 되어있지만, SiC는 탄소와 규소의 화합물이고 GaN은 갈륨과 질소의 화합물이기 때문이다.

 

 

 

SiC, GaN의 강점 영역

Kotra해외시장 뉴스

주요 핵심소재의 특징

지원 단계, 디일렉 [4]

 

 

 

Ga2O3 (갈륨폭사이드)

 

 

전력반도체 업황

 

차세대전력반도체 제품 개발

2025년까지 차세대 전력 반도체 상용화 제품을 5개 이상 개발하고, 6∼8인치 파운드리(위탁생산) 인프라를 국내에 구축한다는 계획이다. [4]

 - 신규 지원사업은 2022년부터 2025년까지 진행될 예정으로, 총 예산은 320억원 규모다.

 - 수요연계 및 시제품 제작 지원

 - 반도체 설계·검증 기반기술 강화

 - 제조 공정 확보 등을 추진할 계획

 - 국내 유일의 6인치 SiC 반도체 시제품 제작 인프라인 '파워반도체 상용화 센터'를 활용해 시제품 제작 서비스를 제공

 

DB하이텍

DB하이텍은 고객사가 설계한 전력관리반도체(PMIC), 디스플레이구동칩(DDI), 이미지센서 등을 위탁생산하는 파운드리 회사다. DB하이텍이 제조하는 칩은 모두 8인치 실리콘 웨이퍼를 기반으로 하고 있다. 이런 가운데 GaN과 SiC 공정 도입으로 파운드리 서비스 확대가 가능하다.

 - 2021년 SiC, GaN 설비 추진 검토 [3]

 

국내 개발 탄화규소 SiC 전력반도체 상용화

KERI가 개발한 ‘트렌치 구조 SiC 전력반도체 모스펫’ 제조 원천 기술은 종합적인 기술 패키지를 SiC 전력반도체 전문업체인 ㈜예스파워테크닉스(http://www.ypt.co.kr/en/) 에 최근 기술 이전했다. 연구팀은 장비 구매부터 양산화 라인 구축까지의 전 프로세스를 지원하는 등 그동안 수입에 많이 의존했던 SiC 전력반도체의 국산화 및 대량 생산화를 적극 지원할 예정이다. [2]

 

아이브이웍스

아이브이웍스(https://www.ivwkr.com/) 는 전력소자용 질화갈륨(GaN) 에피웨이퍼를 생산하는 업체,

 

SiC 위에 GaN을 얹는 형태의 에피웨이퍼(Epi Wafer)를 기존의 4인치보다 확대된 6인치 생산에 성공했다. 추후 8인치 공정도 진행할 계획이다. [5]

 - https://thevc.kr/ivworks 총 314억 투자 유치

 

 

에이프로(Apro)

에이프로세미콘이 GaN 전력반도체용 웨이퍼 생산을 위한 8인치용 유기화학증착장비(MOCVD) 장비를 도입했다고 밝혔다. 그리고 2021/10월 GaN 에피웨이퍼 양산을 개시했다. [5][6]

 - 미국 Veeco사의 장비 (Apro공시)

 

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[1] 차세대 전력 반도체, 미래 전자 제품의 혁신을 주도한다, Kotra 

KOTRA 해외시장뉴스

[2] 자동차용 SiC전력반도체 국산화

자동차용 SiC전력반도체 국산화 성공…"반도체 대란 해소 도움"

 

 

[3] https://m.etnews.com/20210622000230

DB하이텍, GaN·SiC 전력 반도체 만든다

 

 

 

[4] http://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=11754 

정부, SiC · GaN 전력 반도체 육성한다 - 전자부품 전문 미디어 디일렉

 

 

[5] https://byline.network/2021/01/28-131/

 

 

[6] https://m.etnews.com/20211012000155

에이프로세미콘, GaN 에피웨이퍼 양산 개시 "이차전지 장비 적용 예정"

 

[7] https://www.rohm.co.kr/electronics-basics/sic/sic_what1

SiC 파워 디바이스란?: SiC 반도체의 특징 | 전자 기초 지식 | ROHM - ROHM CO., LTD.

 

[8] ‘급이 다른’ SiC 전력반도체 

‘급이 다른’ SiC 전력반도체 – Sciencetimes