반도체 기술 탐구: 전력반도체 개요

1. 전력반도체 개요

 

1.1. 정의 

전력반도체는 전력을 사용하는 모든 기기에서 전원 또는 배터리로부터 공급되는 전력을 자동차, 조명, 노트북, 스마트폰 등 다양한 시스템이 필요로 하는 전압과 전류 수준으로 변환하고 시스템 전체의 전력을 관리하는 역할을 수행한다.

좀더 자세하게 말하면, 전력반도체는 PCB와 전자부품들로 구성된 전자회로 내에서 1) 전력변환, 2) 변압, 3) 전력안정, 4) 전력 분배 및 전력제어 등을 수행하는 데 사용되는 반도체 및 부품으로 정의할 수 있다.

 

전력반도체는 일반적으로 ‘반도체’라고 부르는 메모리 반도체와 차이가 있으며, 전력반도체는 이 반도체가 감당하는 전압이 높고 전류용량이 크다. 전압의 경우 600~ 10000V이고 전류는 수A~수백A 수준이다.

최근 전력반도체가 주목받는 이유는...

 

1) 전력을 사용하는 기기가 다양화되고, 모바일 기기의 종류와 숫자가 늘어남에 따라 저전력으로도 제품들의 사용 시간을 늘리는 것에 대한 필요성이 높아지고 있는 상황이기 때문이다. 전력을 공급하고 배분하는 과정에서 발생하는 필연적인 전력손실을 최소화 하는 것이 더 중요해졌디 때문이다.

 

2) 전기차 판매 증가 때문이다. 전기차에는 배터리의 직류 전기를 교류 전기로 바꾸어 모터에 공급하는 인버터가 있는데, 이 인버터의 핵심부품이 바로 전력반도체인 것이다.

 

 

1.2. 종류와 분류

1.2.1 구조적 분류 

 

전력반도체는 우선 기능의 수준에 따라 단순한 구조의 Discrete(스위치 소자)와 보다 복잡한 구조의 IC(집적회로)로 분류된다. 최종 완제품은 Discrete와 IC 단독 또는 모듈 형태로 탑재된다.

 

 

Discrete는 on-off와 같은 단순 기능을 담당하는 범용적 부품으로, 트랜지스터와 다이오드로 구분된다. 트랜지스터 제품은 MOSFET과 IGBT가 있다. MOSFET을 대체하기 위해 만들어진 소자가 IGBT다.

 

MOSFET은 고속 동작(스위칭)에 적합하나, 고전류ㆍ고전압 제품군에는 사용이 어렵다. 전류 밀도가 높은 IGBT는 고전류와 고전압 상황에서도 적용이 가능하다. 다만 IGBT는 MOSFET 대비 속도가 느리다는 단점이 있어, 현재 각각의 특성에 따라 주요 적용처가 나뉘어 채택되고 있다. MOSFET은 저/중전력 가전 고속스 위칭 어플리케이션에, IGBT는 중/대전력 및 고전압 산업용 모터 구동 어플리케 이션에 주로 사용된다.

 

 

개별소자 중 파워 다이오드는 정방향으로 전류가 흐르지만, 역 방향으로는 전류가 흐를 수 없는 구조로 되어있으며, 다른 전력반도체 종류들과 달리 파워 다이오드는 상당한 양의 전류를 이송할 수 있다.

 

<출처: Semiconductor Device Laboratory 보고서>

 

IC는 여러 Discrete 소자를 한 개의 칩 속에 집적한 부품이다. Discrete와 달리 특 정 목적(통신, 제어, 신호변환 등)을 위해 쓰이는 비범용적 특성을 가지고 있다. 전력반도체 모듈(Discrete+IC) 내에서는 IC가 Discrete를 컨트롤하는 역할을 수행한다.

 

전력반도체는 응용분야와 내압 특성에 따라 적합한 개별소자(Device), 집적회로(IC) 및 다중소자를 패키지로 집적한 모듈(Module) 형태로 존재하며 산업응용분 야에 따라 전력레벨이 다른 반도체 소자가 사용되고 있다.

전력반도체 산업은 웨이퍼, 설계, 제조, 패키지 (Package)/모듈(Module) 프로세스가 유기적으로 연결된 일체형 산업이며, 각종 산업에서 전자제품이 적용되는 산업으로 구분된다.

설계 분야는 기존 시스템반도체와 달리 단순 IP를 활용한 설계보다 주로 공정 경험을 활용한 공정설계기술로 진행되며, 큰 전력을 처리하는 디스크리트 및 모듈 형태의 전력반도체 소자는 사용 시 구동을 위한 구동용 파워 IC를 필요로 한다. 전력반도체는 소량 다품종 생산 특성과 공정 및 패키지/모듈 기업이 핵심이 되는 분야로서 시스템 반도체보다 더욱 더 고객의 요구에 맞추어야 하는 산업이다.

전력반도체는 다양한 분야에 연관 응용되고 있으 며, 모바일 기기의 증가와 전기자동차 개발과 맞물려 적용범위가 확대되고 있는 추세이며, 전력반도체는 수요기업별로 다품종 소량생산에 유리한 품목으로 다른 시스템반도체보다 활용범위가 다양하다.

 

 

1.2.2 소재적 분류 

 

원래 전력반도체 소재는 보통의 반도체 처럼 Si였다. 기존 제품 환경에서는 Si로 전력반도체를 만드는 것으로도 충분했다. 그러나 고전압, 고주파 등 제품 환경이 변화하면서 Si는 완전한 성능을 구현하기에 한계를 맞이했다.

 

Si의 대안으로 화합물 반도체가 부각되고 있는데, 화합물 반도체는 두 종류 이상의 원소 화합물로 구성돼 있는 반도체를 말한다. 반면 Si는 이러한 관점에서 단원소 반도체라고 부를 수 있다.

 

SiC, GaN과 같은 화합물 반도체는 Si 대비 고전압, 고주파, 고온 등의 환경에서 우위를 가지고 있다. 화합물 반도체가 고전압, 고주파, 고온 등의 환경에서도 버틸 수 있는 이유는 단원소 반도체 대비 적합한 물리적 특성을 가지고 있는데, 다음과 같이 3가지의 특성으로 요약할 수 있다.

 

① 와이드밴드갭(WBG): 밴드갭이란 원자에서 전자가 원자핵에 묶여 있는 상태에서 갖게 되는 에너지를 갖고 있는 가전대역과, 전자가 원자핵으로부터 분리되어 원자 사이를 돌아다니면서 전기를 전달할 수 있는 상태에서 갖게되는 에너지를 갖게되는 전도대역의 에너지 준위 차이를 말한다.

 

따라서, 외부에서 에너지를 받게되어 가전대역에 있는 전자가 전도대역으로 이동할 때 전기가 흐르게 될 수 있는 것이다. 도체일수록 밴드갭이 얇아, 작은 외부 에너지로도 쉽게 전기가 통하고 부도체일수록 밴드갭이 넓어, 전기가 통하려면 큰 외부의 에너지가 필요하다.

 

SiC와 GaN은 Si 대비 밴드갭이 3배 넓어 고온에서도 반도체 성질이 유지될 수 있다. Si 는 최대 사용온도가 175℃인 반면, SiC는 200℃ 이상에서도 사용 가능하다.

 

 

② 높은 절연파괴전계(항복전계): 절연파괴전계란 절연이 파괴될 수 있을만큼의 강도를 갖는 전계(혹은 전기장, Electric Field)를 의미한다. 절연이 파괴되면 반도체의 성질을 유지할 수 없기 때문에, 반대로 절연파괴전계는 반도체 성질을 유지할 수 있는 최대의 전계를 말한다. 전계는 주어진 상황에서 전압과 밀접한 관련을 갖고 전압과 비례하기 때문에 있어서 이 전계의 한계를 전압으로도 말한다.

 

전압 = 전계 X 거리

Si 대비 화합물 반도체인 SiC와 GaN은 절연파괴전계가 10배 높다. 즉 높은 전압에서도 성능을 발휘할 수 있으며, 동일 전압에서 디바이스 크기를 Si 대비 10 배 축소시킬 수 있다.

 

 

③ 높은 열전도도: 고온에서 열이 발생하더라도 화합물 반도체는 단원자 반도체인 Si 대비하여 열전도도가 높아 적은 에너지로도 충분히 냉각이 가능하다. 냉각 비용 감소와 더불어 냉각 장치도 줄일 수 있어 공간 활용도도 개선된다.

 

이러한 이유로 최근에는 SiC(Silicon carbide, 탄화규소)를 소재로 한 전력반도체의 수요가 급증하고 있으며, 이와 같은 새로운 소재를 사용하는 전력반도체를 차세대 전력반도체로 부른다.

차세대 전력반도체는 위에서 설명한 3가지 특징 중 가장 중요한 것이 와이드밴드갭(WBG)이기 때문에 와이드밴드갭 전력반도체라고 부르기도 한다. 주된 물질은 SiC, GaN, 인공다이아몬드 등이며, 열특성향상, 속도강화, 고전압/고전류 가능 및 스위칭 손실 최소화 등이 가능한 전력반도체이다.

SiC 전력반도체 제조용 웨이퍼 ⓒKERI

 

 

전력반도체 소재의 2가지 축: SiC vs GaN

 

Si를 대체하여 전력반도체에 사용될 화합물 반도체는 SiC와 GaN으로 압축되고 있다. 둘 다 Si 대비 우수한 특성을 가지고 있는데, 각각의 특성과 개발 상황에 따라 주요 사용처가 나뉘어 적용되고 있다.

 

① SiC: 고전압 Si(실리콘)과 C(카바이드)가 결합된 형태의 화합물 반도체다. Si 대비 밴드갭이 3 배 넓고 절연파괴전계가 10배 높아 고전압용으로 적합하다. 현재 전기차, 철도, 에어컨, 태양광 인버터 등에서 사용되고 있으며, 향후 전기차가 핵심 적용처로 될 것으로 전망된다.

 

② GaN: 고주파 Ga(갈륨)과 N(나이트라이드)가 결합된 형태의 화합물 반도체다. GaN 반도체는 Si 또는 SiC, GaN에 GaN을 성장시켜 제조한다. GaN은 온-저항이 낮고 입/출력 Capacitance가 낮아 스위칭 손실을 최소화할 수 있다. 또한 스위칭 속도(동작 속 도)도 빠르기 때문에 고주파 환경에서 동작이 가능하다. SiC와 마찬가지로 밴드 갭이 3배 넓고 절연파괴전계가 10배 높아 고전압 환경에서도 적합하다.

 

다만 아직 고내압 구현에는 어려움이 있어 현재는 고주파용으로 주로 사용되고 있다. 5G RF, 무선 충전기 등에서 주로 사용되고 있으며, 향후 라이다 센서, 고속 충전 등을 중심으로 채택이 확대될 것으로 전망된다. 고속 충전은 모바일 기기 뿐만 아니라 전기차 등에서도 필수적인 역할을 할 예정이다.

 

 

조금 앞서 나가는 SiC

여러 WBG 중에서도 SiC(Silicon carbide, 탄화규소)를 소재로 한 전력반도체의 수요가 급증하고 있다. SiC 전력반도체는 탄소와 규소를 1:1로 결합한 화합물로 만들었는데, 다이아몬드 다음으로 단단하고 실제 다이아몬드처럼 투명하다. SiC 전력반도체는 같은 두께의 실리콘에 비하여 약 10배의 전압을 견뎌낼 수 있고, 섭씨 수백도 고온에서도 동작하며 전력 소모도 작아 에너지 효율을 높일 수 있다.

SiC 전력반도체로 전기차 인버터를 만들면 지금까지의 실리콘(Si) 반도체 인버터를 사용했을 때보다 에너지 효율이 최대 10% 높아지고 인버터의 부피와 무게를 줄일 수 있다. 무거운 냉각장치도 줄이거나 아예 없앨 수 있게 된다. 전력손실도 줄이고 차제 중량도 줄어드니 이중으로 에너지 효율을 높일 수 있기 때문에 주목을 받고 있다.

SiC 전력반도체로 인버터를 만들면 부피와 무게가 줄어들고 에너지 효율이 최대 10% 좋아진다. ⓒKERI

 

 

 

1.3. 전력반도체 Wafer의 제조 공정

 

1.3.1. Si Wafer 제조 공정

 

웨이퍼(Wafer)는 반도체 소자의 기본 재료로 사용되는 기판을 말한다. 웨이퍼는 잉곳(Ingot)에서 원판으로 썰어내 추출된다. 잉곳이란 Si(실리콘), GaAs(갈륨아세나이드) 등의 원료 물질을 활용해 만든 원기둥을 말한다.

 

① Poly Silicon Stacking: 원재료인 고순도의 다결정 실리콘과 불순물(게르마늄, 인, 붕소 등)을 석영(Quartz) 도가니에 채워넣는 공정이다.

 

② Ingot Growing: 앞서 석영도가니에 넣은 다결정 실리콘을 고온에서 녹여 단 결정 실리콘 잉곳으로 성장시키는 공정이다. 2가지 제조법이 있다.

 

 

- 쵸크랄스키법(Czochralski Method): 고온에서 도가니 내에 있는 실리콘을 녹인 후 봉(Seed)를 도가니에 넣는다. 봉은 단결정 구조의 틀이라고 이해하면 쉽다. 녹은 실리콘이 있는 도가니에 봉을 넣으면 구조에 맞춰 실리콘 원자가 달라붙는다. 이후 봉을 회전시키면서 뽑아내면 최종적으로 단결정 잉곳이 만들어진다.

 

- 부유대역법(Floating Zone Method): RF 코일을 이용하는 방식이다. RF 코일로 다결정 실리콘을 둘러싼 후 전류를 가하면 열이 발생하면서 실리콘이 녹는다. 이후 코일 온도를 낮추면 실리콘이 식으면서 굳고, 이 과정에서 불순물이 분류 된다. 순수한 단결정 실리콘이 만들어진다.

 

일반적으로 많이 쓰이는 방법은 쵸크랄스키법이다. 부유대역법에 비해 공정 속도가 빠르며 직경이 큰 잉곳을 만들 수 있다는 장점이 있다.

 

 

1.3.2. SiC/GaN Wafer 제조 공정: Epitaxial Layer 공정

 

SiC와 GaN와 같은 화합물 반도체는 다원자이기 때문에 또한 녹는점이 매우 높기 때문에 Si와 같은 ingot을 제조하는 형태로 wafer를 만들기가 어렵다. 따라서, 기반이 되는 기판 위에 기상으로 Eiptaxial layer라고 불리는 단결정 박막을 증착하는 방식으로 ingot을 만든다.

 

 

Epi 공정을 한 뒤 칩 제조 공정을 진행하면 Epi 층 아래 부분은 제거하는 작업이 진행된다.

 

향후 Epi 공정은 SiC와 GaN 모두 중요도가 부각될 전망이다. 전체 공정 중 Epi 공정이 차지하는 부가가치는 약 40% 정도 수준이 될 것으로 예상된다. 기존 Bare 웨이퍼 가격 대비 Epi 공정을 진행한 Epi 웨이퍼의 가격은 최소 2배~최대 10배 가까이 높아진다.

 

현재 글로벌 기술 개발 수준을 보면 SiC 대비 GaN의 기술 수준이 아직 낮은 상 황이다. 관련 Epi 기술에 대한 개발이 지속되고 있다. 향후 GaN Epi 관련 기술 수준이 올라옴과 함께 GaN 반도체에 대한 활용도도 높아질 것으로 예상된다.

 

 

GaN on GaN과 같은 반도체는 아직 이론과 달리 실제 구현은 어려움이 크다. SiC와 GaN 반도체는 각각 적용처가 나뉘고 있으나, 향후 GaN 반도체의 구현이 원활하게 될 경우 GaN 반도체도 SiC 반도체가 사용되는 전기차 등의 분야까지 확대될 전망이다.

 

 

 

 

1.4. 전력반도체 시장

 

전력반도체 시장은 현재 미국과 일본이 주도. 한국 기업은 시장 점유율 1% 미만. 국내 시장의 크기는 20억 달러 정도로 90%를 수입에 의존한다.

2017년 기준 전력반도체 시장 1위는 독일의 인피니언(Infineon). 2015년 18.7%의 점유율을 보이며 13년 연속 전력반도체 시장 세계 1위를 수성하고 있고, 그 뒤로 온세미컨덕터, 미쓰비시전기, ST마이크로일렉트로닉스, 르네사스, NXP 등이 존재한다.

시장조사업체 야노리서치에 따르면, 전 세계 전력반도체 시장 규모는 전기차 시장의 성장에 힘입어 2018년 206억 7,500만 달러(약 23조 4,661억원)에서 연간 8% 성장하여 2021년 249억 달러(약 28조원)로 성장 전망되며, 특히 전기차 및 하이브리드차, 신재생 에너지 등 의 차세대 산업이 발전하고 효율적인 에너지 사용이 증 가하면서 이 성장율은 더 커질 것으로 예상된다.

또 다른 시장조사업체인 Omdia에 따르면, 전체 전력반도체 중 SiC, GaN 등의 화합물 반도체 기반 전력 반도체의 판매액은 2018년 5억 7100만 달러 → 2020년 8억 5400만 달러로 2년간 + 49.6% 성장하였다.

SiC, GaN와 같은 화합물 전력 반도체시장은 향후 10년간 매년 두 자릿수 성장을 지속해 2029년 시장 규모는 50억 달러를 넘어 설 것으로 전망된다.

SiC 전원 모듈은 Si IGBT와 SiC 다이오드로 구성된 하이브리드와 순수 SiC 모듈로 구분할 수 있다. 하이브리드 SiC 전원 모듈은 태양광 인버터, 무정전 전원 공급 시스템 및 산업 애플리케이션에 사용되고있다. 반면 Full SiC 파워 모듈은 전기차와 충전기에 적용이 확대될 것으로 예상되어 높은 성장 전망된다.

SiC 대비 GaN의 시장이 크지 않은 편이다. 이온 주입, 항복전압 등의 다양한 기술적인 문제가 잔존하고 있어서 제품 개발에 어려움을 겪고 있다. 뿐만 아니라 제조공법 상 대구경화는 난제로 자리잡고 있어서, 단기간 내의 해 결은 다소 어려울 것으로 보인다. 그러나 SiC보다 좋은 성능 구현이 가능하여 개발 가치는 충분해 보인다. 최근에는 콜드 스플릿과 같은 기술이 개발되어 Si 기판 위에 화합물 반도체를 적층하거나, 사용된 SiC 기반을 재사용하여 생산성을 높이는 방식이 진행되고 있다.

현재 시장에서는 600 V 이하 급에서 GaN이, 600 V 이상 급에 서는 SiC가 두각을 나타내는 경향이 있다. 그러나 미국 Avogy 사에서 1,700 V 급의 GaN-on-GaN 소자를 발표하여 대전력용 전력반도체에 사용 가능성을 보여주기도 하였다. GaN 기판 제작 기술을 해결하면 SiC 소자와 견줄 수 있는 가능성을 지니고 있는 것으로 판단되지만, 기술의 어려움으로 인하여 빠른 시일 내 상용화는 어려 움이 있을 것으로 사료된다.

화합물 전력 반도체 산업은 해외에서도 상용화 초기 단계에 있다. 화합물 전력 반도체 중 사업성 높은 GaN과 SiC 전력 반도체가 시장 관심을 받고 있으며 대부분의 글로벌 리딩 기업들이 GaN과 SiC에 집중하고 있다.

다만 생산 비용이 Si전력 반도체 대비 높고 공정 개발이 성숙되지 않아 생산성이 떨어지고 있는 상황이다. 하지만 전기차 보급 확산으로 시장이 빠르게 성장해 기술이 점차 축적되고 있어 생산성이 점진적으로 향상될 것으로 예상된다. 2인치 화합물 반도체 웨이퍼 가격이 12인치 실리콘 웨이퍼보다 40배 가량 비싸지만 점차 경제성 확보할 것으로 기대된다.

 

 

 

참고 문헌

신한투자증권, Science Times, Material Square, IBK투자증권, WBG 전력반도체 최신 기술 및 동향, 전기자동차용 고신뢰성 파워모듈 패키징 기술 (한국생산기술연구원 용접접합연구실용화그룹 마이크로 조이닝 센터), 전력반도체 기술개발 동향 [1] 한국전력소자산업협회 개소식 및 기념 심포지움 발표자료 집, KPDIA, 2016. [2] 시스템반도체, KEIT PD 이슈 리포터, 2015. [3] 초절전 고성능 미래반도체 나노소자 기술개발 추진방안 연 구, 기초연구기획사업(이병훈), 2015. [4] 차세대 전력반도체 SiC와 GaN의 응용, 우현민, 안준영, 이명 준, 나재두, 전기의 세계 63-5호, 대한전기학회, 2014. [5] 전력반도체 신산업 창출 및 육성전략, KEIT PD 이슈 리포터, 2014. [6] 반도체산업 재도약전략, 산업부, 2013. [7] 반도체연구추진동향, KSIA, 2013. [8] Gartner Report, Gartner, 2012. [9] iSuppli Report, iSuppli, 2011. [10] 고효율 전력․에너지반도체 기술개발사업, KISTEP, 2012. [11] 반도체산업의 2020 비전과 전략, 산업연구원, 2007.

 

뜨리스땅

 

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/354

반도체 기술 탐구: 전력반도체 개요(계속) - 기술 개발 동향

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/282

반도체 기술 탐구: 전력 반도체 패키지 소재

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/355

반도체 시장 탐구: 전력 반도체 시장 (1)

 

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/282

반도체 기술 탐구: 전력 반도체 패키지 소재

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/363

반도체 산업 탐구: 국내 전력반도체 관련 기업 분석

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/289

전력 반도체 기업 동향: 네패스/네패스 아크

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/288

전력 반도체 기업 동향: SK실트론

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/287

전력 반도체 기업 동향: 아이에이 / 트리노테크놀로지 / 파워트론

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/284

반도체 기술 탐구: 자동차용 전력 반도체

 

 

 

 

 

참고 동영상

https://youtu.be/JiQ6Zp27BdE

https://youtu.be/-i6RF8cjiRw