일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.1.11

새로운 파워반도체 ‘세로형 GaN’
실리콘 수준의 비용이 시야에

기존 제품보다 전력 손실을 크게 줄일 수 있는 질화갈륨(GaN)의 파워반도체 소자가 진화하고 있다. 최대의 과제인 비용 절감에 성공한 연구 성과들이 국내 대학과 기업 등에서 잇따라 등장하고 있다. 비용을 실리콘(Si) 수준으로 낮출 수 있게 된다면 자동차와 재생에너지, 산업기기 등의 분야에서 단숨에 확산되어 일본 기업이 GaN 파워반도체 소자 분야에서 주도권을 잡을 수 있을 것이다.

GaN 파워반도체 소자는 크게 두 가지이다. 하나는 실리콘(Si) 웨이퍼(기판)를 이용한 'GaN on Si'이다. 전류가 가로(수평) 방향으로 흐르기 때문에 가로형이라고 불린다. 미국의 스타트업을 중심으로 제품화되고 있으며, 스마트폰이나 노트북용으로 소형·고출력을 추구하는 고성능 전원 어댑터 등에 채택되고 있다.

다른 하나는 GaN 기판을 이용한 'GaN on GaN'이다. 전류가 세로(수직) 방향으로 흐르기 때문에 세로형이라고 불린다. 세로형은 가로형에 비해 고전압·대전류에 적합해 전동차량과 신재생에너지, 산업기기에 있어서의 전력변환기 등의 전력 손실을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다.

GaN과 함께 기대되고 있는 차세대 파워반도체로는 탄화규소(SiC)가 있다. 탄화규소 파워반도체 소자는 이미 일부 전기자동차(EV)와 철도용 인버터, 태양광 발전시스템용 파워컨디셔너, 산업용 인버터 등에 채택되기 시작했다. 하지만 재료 특성을 고려할 때 세로형 GaN 파워반도체 소자가 탄화규소 파워반도체 소자에 비해 전력 손실을 저감하는 데 적합하다는 점에서 최근 연구개발이 활발하다.

세로형 GaN 파워 소자를 실용화하는데 있어 가장 큰 과제는 비용이 높다는 점. 특히 제작에 이용되는 GaN 기판이 고가이다. 이를 해결하기 위해 GaN 기판 비용을 큰 폭으로 낮추기 위한 연구개발이 추진되고 있다.

연구개발을 선도하는 것은 국내 기업들이다. 2022년 12월, 미국 샌프란시스코에서 개최된 반도체 분야의 국제학회 'IEDM 2022' 초청 강연에서 나고야대학 대학원의 스다(須田) 공학연구과 교수는 일본을 중심으로 한 세로형 GaN 파워반도체 소자 연구개발 성과들을 소개했다.

-- 3가지 방법으로 IGBT 수준의 비용 절감 --
스다 교수는 세로형 GaN 파워반도체 소자 및 GaN 기판 비용의 큰 폭의 절감으로 이어지는 성과를 3가지 소개했다. 그 3가지란 ①고속이면서 고품질의 결정 성장법 ②대형 GaN 결정 제조 기술 ③GaN 기판의 재이용 기술이다. 이러한 성과들을 조합하면 저렴한 실리콘 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, 절연 게이트 양극성 트랜지스터) 수준의 비용 절감을 노릴 수 있다고 한다.

①고속이면서 고품질의 결정 성장법은 세로형 GaN 파워반도체 소자를 제작할 때 GaN 기판 상에 ‘드리프트층’으로서 GaN의 결정을 성장시킨다. 여기에는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법이 이용된다.

기존의 HVPE법에서는 불순물이 섞이기 쉬워 파워반도체 소자에 필요한 결정의 품질을 충족하지 못하였다. 이 때문에 저속이지만 고품질의 결정을 만들기 쉬운 ‘MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법’을 이용해왔다.

하지만 최근, HVPE법으로도 결정의 품질을 높일 수 있는 연구 성과가 나왔다. 성과는 크게 두 가지이다. 하나는 스미토모화학(사이옥스 사업부) 등으로 구성된 연구그룹의 성과로, HVPE법에서 사용되는 용기를 기존의 수정에서 다른 재료로 변경. 그 결과, 고속이면서 높은 결정 품질을 얻을 수 있었다고 한다.

다른 하나는 나고야(名古屋)대학 대학원 공학연구과의 아마노(天野) 교수 연구팀의 성과이다. 이 연구팀도 HVPE법으로 고품질의 GaN 결정을 에피성장(Epitaxial growth)시키는 데 성공했다. 또한 만들기 쉬운 n형 GaN층 뿐만 아니라, 어렵다고 알려진 p형 GaN층까지 HVPE법으로 제작할 수 있다는 것도 특징이다. 즉, pn 다이오드를 쉽게 만들 수 있는 것이다.

-- 구경(口徑)이 커질수록 생산성 향상 --
②대형 GaN 결정 제조 기술은 구체적으로는 ‘아모노서멀(Ammonothermal)법’이라고 불린다. 원리적으로 수정과 같이 대형 결정을 한번에 다수 제조할 수 있기 때문에 GaN 기판의 큰 폭의 저비용화를 기대할 수 있다.

이 아모노서멀법은 미쓰비시케미칼과 일본제강소, 도호쿠대학 다원물질과학연구소의 지치부(秩父) 교수 등으로 구성된 연구그룹이 오랜 기간 연구개발을 추진해왔다. 그리고 2021년, 미쓰비시케미칼과 일본제강소는 공동으로 양산을 위한 실증 설비를 설치했다.

현재는 구경이 100mm(4인치)이지만, 150mm(6인치)로 확대하기 위한 준비도 진행하고 있다. 구경이 커질수록 GaN on GaN 파워반도체 소자의 생산성이 향상되어 비용 절감으로 이어진다.

-- 기판을 여러 번 이용해 비용 절감 --
③GaN 기판의 재이용 기술에서는 우선 GaN 기판 상에서 GaN 파워반도체 소자를 제작한 후, 레이저광을 통해 GaN 파워반도체 소자를 기판으로부터 박리한다. 그 다음, 박리에 의해 감소된 만큼의 GaN을 결정 성장시켜 GaN 기판 두께를 원래대로 되돌리고 그 기판 위에 다시 GaN 파워반도체 소자를 형성한다.

이것을 반복해 GaN 기판을 여러 번 이용할 수 있게 된다면, GaN 파워반도체 소자에서 차지하는 기판 비용을 낮출 수 있다. 이 방법의 경우, 박리 후 GaN 결정을 성장시키는 속도가 늦어지면 비용이 많이 든다. 이 때문에 앞에서 소개한 고품질 결정을 제작할 수 있는 HVPE법의 적용을 전제로 하고 있다.

반복적으로 이용함으로써 GaN 기판의 품질 및 GaN 파워반도체 소자의 품질이 저하될 것이라는 우려도 있었다. 하지만, 실제로 2회 이용해본 결과, 품질에 문제는 없었다고 한다. 자세한 내용은 2022년 12월에 개최된 '선진 파워반도체 분과회 제9회 강연회'에서 미라이즈테크놀로지와 하마마츠(浜松)호토닉스, 나고야대학 연구그룹이 포스터 발표를 통해 공개했다.

-- 끝 --

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