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Nikkei X-TECH_2024.4.4

질화갈륨(GaN) 파워반도체의 보급 가속
자동차・IT기기 전용이 견인

질화갈륨(GaN) 파워반도체의 보급이 가속하고 있다. 각 업체들이 제품 라인업의 확충이나 생산 체제 강화를 급속하게 추진하고 있다. 성능이 향상되고, 유저가 사용하기 쉬운 디팩토 스탠다드(사실상의 표준)가 되는 제품도 등장하는 등 다양한 기기로 확산될 것 같다.

2024년 2월에 미국 캘리포니아주 롱비치에서 개최된 파워반도체 연례 이벤트 ‘APEC’은 국제학회이면서 병설 전시장의 규모가 크다. 그 전시장에서 특히 눈에 띄었던 것이 GaN을 이용한 파워반도체 소자(GaN 파워소자)다. 스타트업 기업에서 대기업까지 각 업체들이 많은 신제품을 전시했었다.

-- 생산능력 강화 --
시장 확대를 전망하며 각 업체들은 GaN 파워소자 생산 체제를 강화하고 있다. 파워반도체 최대 기업인 독일 인피니언 테크놀로지스는 말레이시아 쿨림(Kulim)의 거점에 건설하는 신공장에서 탄화규소(SiC) 파워소자뿐만 아니라 GaN 파워소자도 생산할 예정이다.

현재의 GaN 파워소자 제품은 염가의 실리콘(Si) 웨이퍼로 제조하고 있다. 인피니언은 구경 150mm(6인치)에서 200mm(8인치)로 옮겨가고 있다.

스위스 ST마이크로일렉트로닉스도 GaN 파워소자에 주력한다. ST마이크로일렉트로닉스는 2020년에 프랑스의 스타트업 기업 Exagan을 인수했다. 아날로그 반도체 대기업인 미국의 텍사스 인스트루먼트(TI)도 이미 GaN 파워소자에 주력하고 있다.

일본에서는 롬(Rohm)이 GaN 파워소자 제품 라인업을 확충하고 있다. 도시바 산하의 도시바 디바이스&스토리지는 24년에 양산을 시작한다. 르네사스 일렉트로닉스는 미국 스타트업 기업 트랜스폼(Transphorm)을 인수한다고 2024년 1월에 발표했다. 이것을 발판으로 본격 참가하다.

대기업의 스타트업 기업 인수가 이어지고 있는 것을 보면, 향후 GaN 파워소자의 에코시스템(생태계)은 대기업이 중심이 된다. 태풍의 눈이 될 만한 것은 중국 기업이다. 특히 이노사이언스 테크놀로지가 야심적인 증산 계획을 세우고 있다. 이노사이언스는 벨기에 연구기관 imec의 기술을 바탕으로 2015년에 설립된 기업이다.

이노사이언스의 GaN 파워소자 제품은 전원 어댑터를 중심으로 채택됐으며 누계 6억개를 출하한 것으로 알려졌다. 왕성한 수요에 대응하기 위해서 더욱 증산한다. 26년까지 200mm의 Si 웨이퍼 환산으로 월 생산 7만장으로 끌어올릴 계획이다. 2022년은 월 생산 1만장이었다.

무엇보다 이노사이언스는 인피니언으로부터 GaN 관련 기술에서 인피니언의 미국 특허를 침해했다고 제소 당했다. 그 행방에 따라서는 이노사이언스의 기세에 그늘이 드리울지도 모른다.

-- 계속되는 성능 향상 --
GaN 파워소자의 성능도 향상되고 있다. 대표적인 것은 고내압화이다. 내압은 ‘어느 정도의 전압으로 이용할 수 있는가’의 지표로, 내압이 높을수록 고전압 용도에 적합하다.

Si 웨이퍼로 제조하는 GaN 파워소자 제품은 비용을 억제하기 쉬운 한편, 내압을 높이기 어렵다. 고내압품의 주류는 600V 전후다. 민생기기 용도로는 충분하지만 자동차나 산업기기 등 고전압이 필요한 용도로는 더 높은 내압이 요구된다.

고내압화의 기법으로서 GaN 웨이퍼를 사용하는 방법이 있다. 이론적으로는 고내압화에 적합하지만 아직 웨이퍼의 구경이 작고, 비용이 크다는 과제가 있다. 그래서 사파이어 웨이퍼로 고내압화를 도모하는 움직임이 나왔다.

트랜스폼은 사파이어 웨이퍼를 이용한 내압 1200V의 GaN 파워소자를 개발했다. 2025년의 양산을 목표로 한다. 트랜스폼에 따르면, Si 웨이퍼를 이용한 경우, 800V 이상이면 리크 전류가 증가해 문제가 되지만, 사파이어 웨이퍼라면 절연성이므로 이 문제가 발생하기 어렵다고 한다.

사파이어 웨이퍼는 Si 웨이퍼보다도 고가이지만 LED에서 사용되는 것으로 보아 GaN 웨이퍼보다도 구경이 크고 가격도 저렴하다. Si 웨이퍼에 비해 결정 결함이 발생하기 어렵고 고내압화하기 쉽다고 한다. 미국의 파워 인테그레이션스도 내압 1200V의 GaN 파워소자를 전개한다. 파워 인테그레이션스는 웨이퍼의 종류를 공개하지는 않았지만, 관계자들은 사파이어라고 본다.

전류를 양방향으로 흐르게 할 수 있는 GaN 파워소자도 나왔다. 이른바 쌍방향 스위치로 불리는 유형이다. 예를 들면, 집과 전기자동차(EV)의 양방향에서 전력을 주고받는 충전기로 이용한다. 한쪽 방향의 일반적인 GaN 파워소자에 비해 충전기에서 이용하는 소자 수가 적다. 이 때문에 소형화와 비용 삭감을 도모할 수 있다. 미국 나비타스 세미컨덕터가 전개하고 있으며, 24년에 양산할 예정이다.

-- 디팩토 스탠다드 제품도 등장 --
보급을 뒷받침하고 있는 것은 디팩토 스탠더드가 되는 제품의 등장이다. 그것은 ‘Top Side Cooling(TSC)’이라 불리는 타입의 패키지 제품이다. 패키지 윗면에 금속부분을 노출시켜 열저항을 낮춰 냉각 성능을 높였다. 기존의 ‘Bottom Side Cooling’ 타입의 패키지에 비해 열저항을 약 30% 줄일 수 있다.

TSC 패키지를 주도하는 것은 인피니언이다. 인피니언의 TSC 패키지품은 “채택하는 기업이 많아 디팩토 스탠다드가 되어 가고 있다”(복수의 파워반도체 기업).

인피니언은 과거 산업기기용 파워모듈(파워반도체를 탑재한 모듈품)에서 패키지의 디팩토 스탠더드를 장악해 매출을 늘려왔다. 같은 일을 GaN 파워소자에서도 노리고 있는 것 같다.

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