일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2024.1.22

SiC와 GaN의 용도 구분을 확실하게
파워 반도체 업체들 전략 공개

반도체 대기업이 파워반도체의 성능 향상과 비용 절감을 추진하고 있다.  SiC(탄화규소)에서 큰 점유율을 확보하고 있는 스위스 ST Microelectronics(이하, ST 마이크로)는 새로운 구조의 저손실 SiC 파워 소자를 개발한다.

파워반도체 최대기업인 독일 Infineon Technologies(이하 인피니언)는 GaN(질화갈륨)의 비용 삭감을 본격적으로 추진한다. 차량 탑재용 파워 반도체 업체인 덴소는 저비용 신형 Si IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터) 개발에 주력한다.

2023년 12월에 전시회 ‘SEMION Japan 2023’과 함께 열린 세미나에서 파워반도체 대기업이 기술 전략을 공개했다. 등단한 것은 앞에서 소개한 3사이다.

ST 마이크로는 미국 테슬라의 전기자동차(EV)에 SiC 파워 소자가 채택된 것을 계기로 SiC 사업이 성장했다. 2023년도의 SiC 사업 매출은 약 12억 달러가 될 것으로 예측했다.

-- Super Junction형에 주력 --
그 ST 마이크로는 SiC MOSFET(카바이드 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)에서 경쟁사와는 다른 전략을 채택한다. 상당수가 'Trench형'에 주력하는 가운데 ST 마이크로는 'Planar형'에 주력한다.

Planar형은 Trench형에 비해 구조가 심플하여 제조가 쉽다. 한편, Trench형은 저항값(온 저항)을 낮추기 쉬워 저손실화에 적합하다. ST 마이크로는 자체 기술을 통해 Planar형에서도 낮은 손실을 실현할 수 있다고 판단해 Planar형에 집중하고 있다.

다음은 ‘Super Junction 구조’의 제품화를 노린다. 얼마나 높은 전압으로 이용할 수 있는가를 나타내는 지표가 되는 ‘내압’과 온 저항은 트레이드오프 관계에 있다. 내압을 높이면 온 저항이 올라간다. 온 저항을 낮추면 내압이 낮아진다.

이 구조에서는 이 트레이드오프 관계를 완화할 수 있다. 그만큼 같은 내압으로 낮은 온저항을 실현하기 쉬워 손실 저감으로 이어진다. Si에서는 제품화가 완료되었지만 SiC에서는 아직 연구 개발 단계에 있다.

-- 300mm의 Si 웨이퍼로 GaN --
인피니언의 경우, 차세대 파워반도체에서는 오랜 세월에 걸쳐 SiC 중심이었지만 최근에는 GaN에도 주력하고 있다. SiC에 비해 GaN는 저비용화와 기능 집적에 적합하다고 보고 있기 때문이다. 이는 저가로 구경이 큰 Si 웨이퍼를 이용할 수 있는 것에 기인한다.

현재의 구경 150mm(6인치)에서 구경 200mm(8인치)의 Si 웨이퍼로 이행하고 있다고 한다. 앞으로 300mm(12인치) 웨이퍼의 이용도 내다보고 있다. 이것은 Si IGBT 수준의 크기이다. 웨이퍼 구경이 클수록 생산성이 높아져 비용 절감으로 이어진다.

Si 웨이퍼를 이용하기 때문에 동일 웨이퍼 상에 다른 소자를 만들어 집적하기 쉽다. 예를 들면, 전류센서와 온도센서, 게이트 드라이버 등이다.

GaN 파워 소자에 대해 신뢰성을 문제시하는 목소리도 아직 있다. 이에 인피니언은 업계에서 표준화된 신뢰성 사양을 달성할 뿐만 아니라 자체적으로 높은 기준을 마련하고 이를 통과함으로써 높은 신뢰성을 확보할 수 있다고 설명한다.

고내압/고출력 용도는 SiC, 저/중내압과 저/중출력 용도는 GaN으로 보고 있다. GaN의 주 용도가 스마트폰과 노트북 전원 어댑터다. 앞으로 차량탑재 충전기에 대한 채택을 노린다.

-- HEV에는 RC-IGBT --
덴소는 경쟁사와 마찬가지로 SiC에 주력하고 있지만 자체 구조인 Si IGBT도 어필한다. EV에는 SiC, 하이브리드차(HEV)에는 Si IGBT라는 방침이다.

SiC 파워 소자를 적용하면 전력 손실을 줄일 수 있다. 같은 항속거리라면 전력 손실이 적은 만큼 배터리 용량을 줄일 수 있으므로 배터리 비용을 삭감할 수 있다. 배터리 용량이 큰 EV에서는 비용 삭감 효과가 크지만 HEV에서는 EV만큼 배터리 용량이 크지 않다.

그래서 HEV에는 저렴한 Si IGBT가 적합하다고 보고 있다. 덴소가 자랑하는 것이 IGBT에 다이오드를 집적해 1칩화한 자체 구조의 ‘RC-IGBT’이다. 인버터나 컨버터라고 하는 전력 변환 회로에서는 IGBT와 같은 트랜지스터와 다이오드를 세트로 이용한다. 이것들을 1칩화함으로써 각각을 따로 준비하는 경우에 비해 파워 소자의 사이즈를 약 30% 줄일 수 있다. 그 만큼 비용 삭감으로 이어진다.

덴소의 RC-IGBT는 예를 들어 도요타자동차의 HEV '프리우스'의 5세대 제품에 채택되었다. 기존의 RC-IGBT 대비 특성을 높이면서 만들기 쉬운 구조로 생산성을 높였다.

■ Super Junction 구조
MOSFET(금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터) 구조의 일종이다. 기존 구조에서는 ‘Drift층’이라고 불리는 부분에 n형층을 이용한다. Super Junction 구조에서는 n형층의 일부에 p형 영역을 형성하여 n형층과 p형층이 교대로 줄을 서도록 하고 있다.

이 구성을 통해 온 저항을 낮추기 쉽도록 한다. 실리콘(Si) MOSFET에서는 내압이 수백 V인 제품에서 낮은 온 저항을 실현하기 위해 이용한다. 다양한 기업이 제품화하고 있다. 한편, SiC에서는 연구 단계에 있다.

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