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Nikkei X-TECH_2023.10.25

차세대 파워반도체 '산화갈륨'
2024년에 다이오드 양산

산화갈륨(Ga2O3)을 전개하는 스타트업 기업인 노벨 크리스탈 테크놀로지(사이타마현)는 향후 제품화 계획을 공개했다. 우선 다이오드 양산을 2024년에 시작한다. 트랜지스터는 2025년에 샘플 출하를 개시하고, 2026년에 양산을 목표로 한다. Ga2O3는 뛰어난 재료 특성을 갖고 있는 차세대 파워반도체 중 하나로 기대감이 커지고 있다.

차세대 파워반도체로는 실리콘 카바이드(SiC)와 갈륨나이트라이드(GaN)가 잘 알려져 있고, 제품이 속속 등장하고 있다. 이들은 실리콘(Si)에 비해 밴드갭이 넓어 ‘와이드 밴드갭(WBG) 반도체’로 불린다.

Ga2O3 제품의 등장은 이제부터지만 SiC나 GaN에 비해 파워반도체 재료로서 높은 잠재력을 갖고 있다. 파워반도체의 성능 지표가 되는 ‘Baliga 성능 지수’에서 Ga2O3는 SiC의 10배 이상이라고 한다. 이러한 이유로, 전력 인프라나 재생가능에너지, 철도와 같은 특히 고내압이 요구되는 용도에서 SiC 파워 소자를 능가하는 특성을 실현할 수 있다고 보고 활발한 연구개발이 이루어지고 있다.

Ga2O3에는 다양한 결정 구조가 있고, 노벨 크리스탈은 그 중 베타(β)형을 전개한다. 베타형의 특징은 웨이퍼 제품이 있다는 것이다. 노벨 크리스탈은 구경 100mm(4인치)의 베타형 Ga2O3 웨이퍼나 에피 웨이퍼를 제품화하고 있다.

많은 기업이나 연구기관이 노벨 크리스탈의 웨이퍼를 이용한 연구 성과를 학회나 논문으로 발표하고 있다. 노벨 크리스탈은 구경 150mm(6인치) 제품의 연구 개발에도 착수했다.

노벨 크리스탈은 웨이퍼 제품을 사업의 주축으로 삼으면서 Ga2O3 파워 소자도 직접 제작함으로써 Ga2O3 파워 소자의 뛰어난 특성을 어필하고 시장을 개척하고 있다. 그를 통해 웨이퍼의 판매 증가를 노린다.

2024년에 양산하는 것은 내압이 1200V, 출력 전류가 10A 정도인 다이오드다. 일본의 파운드리(제조 수탁) 사업자에게 제조를 위탁한다. Ga2O3의 프로세스에서 필요한 일부 장치를 노벨 크리스탈이 구입해 파운드리의 라인에 설치할 계획이다.

트랜지스터도 개발 중이다. 2025년에 샘플 출하를 개시하고, 2026년 무렵에 양산을 목표로 한다. 이와 병행해 베타형 Ga2O3의 과제 해결에도 주력한다. 베타형 Ga2O3에는 열전도율이 낮아 방열하기 어렵고 도핑으로 p형 반도체를 만드는 것이 어렵다는 과제가 있다. 그래서 p형 반도체의 경우는 다른 재료를 조합하는 방법으로 해결을 도모하고 있다.

■ 키워드
산화갈륨(Ga2O3): 갈륨(Ga)과 산소(O)의 화합물이다. 실리콘(Si)뿐만 아니라 실리콘 카바이드(SiC)나 갈륨나이트라이드(GaN)에 비해 파워반도체로서 재료 특성이 뛰어나 차세대 파워 반도체의 하나로 꼽힌다.

고내압 소자에 적합한지 여부를 판단하는 지표인 ‘밴드갭’이 넓다. Si보다 밴드갭이 넓은 SiC나 GaN은 ‘와이드 밴드갭(WBG) 반도체’, 밴드갭이 더 넓은 Ga2O3는 ‘울트라 와이드 밴드갭(UWBG) 반도체’의 하나다. 파워반도체의 성능 지표가 되는 ‘Baliga 성능 지수’에서 Ga2O3는 SiC의 10배 이상이라고 한다. 이 높은 잠재력 때문에 전 세계에서 연구개발이 이루어지고 있다.

Ga2O3는 결정 구조가 다른 몇 가지 유형이 있다. 대표적인 것은 α형과 β형이다. 일장일단이 있지만 공통 과제는 p형 반도체를 만들기 어렵다는 것이다. 이 과제 해결을 위한 연구가 활발하다.

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