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Nikkei X-TECH_2024.2.6

질화갈륨 파워반도체의 코스트 낮추는 QST 웨이퍼
빠르면 올해 300mm 샘플 출하

파워반도체 업계에서 ‘QST(Qromis Substrate Technology)’라고 불리는 웨이퍼(기판)가 갑자기 주목 받고 있다. 질화갈륨(GaN)으로 만든 파워반도체의 코스트를 큰 폭으로 낮출 수 있는 잠재성을 가지고 있기 때문이다. 파워반도체용으로 일반적인 사이즈의 구경 200mm(8인치)까지 제품화되고 있으며, 한층 더 큰 구경인 300mm(12인치) 제품의 샘플 출하가 빠르면 올해 안에 시작될 예정이다.

QST 웨이퍼에서 공세를 펼치고 있는 것은 2015년에 설립된 팹리스 기업인 미국의 크로미스(Cromis)이다. 대만 TSMC(臺灣積體電路製造) 산하의 뱅가드인터내셔널세미컨덕터(世界先進積體電路)에 QST 웨이퍼 및 QST 웨이퍼상에 에피택셜(에피)층을 쌓은 에피웨이퍼(Epiwafer) 제조를 위탁하고 있다.

또한, 신에츠화학공업(信越化学工業)과도 기술 라이선스 계약을 맺고 있다. 신에츠화학공업은 크로미스와는 별도로 QST 웨이퍼를 생산하고 있다.

-- 가로형 질화갈륨으로 내압 1,800V 달성 --
QST 웨이퍼의 장점은 크게 두 가지이다. 하나는 고내압화에서 요구되는 두꺼운 질화갈륨층을 형성할 수 있다는 것이다. 산업 기기나 전력 인프라, 자동차 등 내압 1kV 이상의 질화갈륨 파워 소자에서 요구되는 두께 10μm 이상을 달성하기 쉽다. 크로미스의 오드노브류도프 최고기술책임자(CTO)에 따르면 20~30μm도 가능하다고 한다.

질화갈륨 파워 소자는 전류가 가로(수평) 방향으로 흐르는 ‘가로형’과, 전류가 세로(수직) 방향으로 흐르는 ‘세로형’이 있다. QST 웨이퍼를 이용함으로써, 두 가지 형 모두 쉽게 내압을 높일 수 있다.

그 중에서도 임팩트가 큰 것은 가로형이다. 가로형 질화갈륨 파워 소자의 내압은 제품에서 650V, 연구 개발품에서 1,200V이다. 한편, QST 웨이퍼를 이용한 가로형 질화갈륨 파워소자는 연구 개발품에서 내압 1,800V를 달성했다. 내압 1,200V 이상이면 전기차(EV)를 구동하는 메인 인버터에 적용할 수 있는 수준이라고 할 수 있다.

두꺼운 질화갈륨 결정을 적층할 수 있는 것은 질화갈륨과 QST 웨이퍼의 열팽창 계수의 차이가 작기 때문이다. 질화갈륨은 유기금속기상성장(MOCVD)법으로 결정을 성장시킨다. 결정 성장 시에는 온도가 올라가고, 성장 후에 상온으로 되돌아온다. 이 때, 열팽창 계수의 차이가 작을수록, 휘어짐이나 균열이 생기기 어렵다.

가로형 질화갈륨 파워 소자는 값싼 실리콘 기판으로 제조하는 것이 일반적이다. 실리콘과 질화갈륨은 열팽창 계수의 차이가 크기 때문에 두꺼운 질화갈륨층을 형성하면 휘어짐이나 균열이 생기기 쉽다.

-- 300mm 제품도 시야에 --
QST 웨이퍼의 또 다른 장점은 대구경화할 수 있다는 것이다. 크로미스는 구경 200mm의 QST 웨이퍼를 제품화하는 데 성공. 300mm 제품도 개발 중으로, 올해 샘플 출하를 시작할 예정이다. 구경 200mm와 300mm는 실리콘 파워 소자의 사이즈와 같은 수준이지만, 질화갈륨 웨이퍼와 비교하면 크다.

세로형 질화갈륨 파워 소자에서는 질화갈륨 웨이퍼를 이용하고 있다. 세로형은 가로형에 비해 고전압·대전류에 적합하고, EV와 재생가능에너지, 산업 기기에 있어서의 전력 변환기의 손실을 대폭 낮출 수 있을 것으로 기대되고 있다. 하지만, 세로형의 실용화에는 몇 가지 과제가 있다.

대표적인 과제는 질화갈륨 웨이퍼의 구경이 작다는 것이다. 현재의 제품에서는 구경 50mm(2인치) 제품이 주류이다. QST 웨이퍼의 경우, 전술한 대로, 구경 200mm나 300mm를 노릴 수 있다.

QST 웨이퍼로 세로형 질화갈륨 파워 소자를 제작할 때의 과제는 대전류 제어를 위해 세로 방향으로 도전성을 확보하는 것이다. 이 과제의 해결 방법을 찾아낸 것은 신에츠화학공업과 OKI의 연구팀이다. 연구팀은 신에츠화학공업의 QST 웨이퍼상에 형성한 질화갈륨 결정을 OKI의 기술로 QST 웨이퍼로부터 박리하고, 다른 도전성 웨이퍼에 접합하여 세로방향으로의 도전성을 확보했다.

신에츠화학공업은 150mm와 200mm의 QST 웨이퍼 제품을 라인업하고 있으며, 300mm에도 도전하고 있다. OKI의 박리·접합 기술까지 포함하면 현재 대응하고 있는 것은 150mm까지로, 2025년 안에 200mm에 대응시킬 방침이다.

-- 코스트 절감에도 적합 --
QST 웨이퍼의 비용은 아직 높다. 연구개발 용도가 주를 이루고 있어 판매량이 적기 때문이다. “수량이 늘어나면, 머지않아 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼 수준인 200~300 달러까지 낮출 수 있을 것”(오드노블류도프 CTO)이라고 한다. QST 웨이퍼는 SOI와 동일하게 매립 산화막(BOX)을 갖추고 있어 구조가 비슷하다는 것이 그 이유라고 한다.

실리콘 기판상에 질화갈륨 결정을 성장시키는 경우에 비해, 제조 코스트가 저렴해질 가능성도 있다고 한다. 실리콘 기판을 이용할 때에는 열팽창 계수의 차이를 완화하기 위해서 실리콘 웨이퍼와 질화갈륨 결정 사이에 버퍼(완충)층을 설치한다.

이 버퍼층이 두껍기 때문에 제조 코스트가 상승하는 것이다. QST 웨이퍼에서는 버퍼층이 불필요하기 때문에 코스트 절감으로 이어질 수 있다. QST 웨이퍼가 얇아 기존의 제조라인을 유용할 수 있다는 점도 비용 절감에 기여한다고 한다.

-- 탄화규소용도 개발 중 --
크로미스는 QST를 화합물 반도체를 위한 ‘기술 플랫폼’(오도노블류도프 CTO)으로 삼고, 다용도로 사업을 전개할 방침이다. 질화갈륨뿐만 아니라 탄화규소(SiC) 등 다른 화합물 반도체에도 이용할 수 있다고 한다.

QST 웨이퍼에 질화갈륨 결정을 성장시킬 경우, QST 웨이퍼 위에 종결정(Seed crystal)으로 두께가 1㎛ 미만인 얇은 실리콘층을 설치한다. 크로미스는 이 종결정의 부분을 바꾼 QST 웨이퍼를 현재 개발 중이다. 그 중 하나로 탄화규소의 활용을 추진하고 있다. 탄화규소의 종결정 위에 탄화규소를 성장시켜 탄화규소 웨이퍼를 대신할 수 있도록 하는 것이다. 올해 안에 기술 데모를 선보일 계획이라고 한다.

<키워드>
GaN: 갈륨(Ga)과 질소(N)의 화합물로, 갈륨나이트라이드나 질화갈륨으로 불린다. GaN계 반도체는 크게 세 가지 용도가 있다. 첫째, 청색 발광다이오드(LED)나 청자색 반도체 레이저와 같은 발광 소자이다.

둘째, 이동통신에 이용되는 파워앰프와 같은 고주파 소자이다. 세 번째가 파워 반도체로, 연구 개발이 특히 활발하다. 실리콘에 비해 파워 반도체로서 재료 특성이 뛰어나기 때문에 차세대 파워 반도체 중 하나로 여겨지고 있다.

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