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Nikkei Electronics_2023.2 특집 요약 (p40~68)

포스트 탄화규소(SiC) 시장
새로운 재료를 사용한 파워 디바이스가 등장

차세대 파워디바이스 재료인 탄화규소(SiC) 시장이 급속하게 확대되고 있는 가운데 그 다음을 내다본 움직임도 활발해지고 있다. 산화갈륨, 질화알루미늄갈륨, 다이아몬드와 같은 새로운 재료를 사용한 파워 디바이스가 등장, 이제 연구개발 단계를 벗어나 실용화 단계에 다가서려 하고 있다.

제 1부: 총론
군사 및 우주 분야에서 포스트 탄화규소에 진입 여지, 전자포에 사용될 가능성도

'차세대 파워반도체는 비싸기 때문에 팔리지 않을 것이다'. 이러한 예상과는 달리 군사와 우주 등 특수 용도로 울트라 와이드 밴드 갭(UWBG) 반도체에 대한 기대가 높아지기 시작했다. 이러한 용도는 요구 성능을 충족시키는 것이 최우선으로, 다소 비용이 높아도 용인하는 경향이 있다.

예를 들면 미군은 기술 확립을 목표로 예산을 급속히 늘리고 있다. 양산이 시작되면 UWBG 반도체는 제조 공정의 성질상 탄화규소보다 저렴하게 공급되는 것이 결코 불가능하지 않다고 한다.

파워반도체 재료로 주목받고 있는 산화갈륨(Ga2O3)이 2023년 드디어 시장에 등장한다. 실리콘(Si), 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN)에 이은 모처럼만의 신재료이다. 디바이스 구조는 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)로, 전원의 PFC(역률 개선) 회로 등에서의 활용을 전망할 수 있다. 향후 산화갈륨 시장이 급속히 확대되어 2030년에 질화갈륨 시장 규모를 뛰어넘을 것이라는 전망도 나오고 있다.

산화갈륨을 필두로 한 ‘울트라 와이드 밴드갭(UWBG) 반도체’(일반적으로 밴드갭 에너지가 질화갈륨(3.4eV)보다 넓은 재료의 총칭)는 저손실화(탄화규소 대비 3분의 1 이하로 감소)와 고내압화, 일부는 고주파 동작용으로 수동 부품을 소형화할 수 있다. 최근 산화갈륨 이외의 재료에서도 한계를 뛰어넘은 것들이 많이 개발되고 있어 2030년경에는 그 종류가 단번에 증가할 것으로 전망된다.

-- 군사 및 방위, 우주 분야에 활로 --
그렇다면 UWBG반도체는 도대체 어디서 쓰이는 것일까? 우선 민생 용도로의 대규모 수주 가능성은 현재로서는 상당히 낮다고 말할 수 있다. 발매 초기의 신재료 디바이스는 가격이 비싸 유저의 손이 닿기 어렵고, 탄화규소나 질화갈륨용에 초기 비용을 투입한지 얼마 되지 않은 고객이 다시 재료를 바꾼다는 것은 어렵기 때문이다.

비교적 가능성이 높은 것은 군사 및 방위와 우주 분야이다. 이와 같은 특수 용도에서는 비용을 도외시하고 높은 성능을 요구하는 경향이 있기 때문이다.

군사 및 방위 용도로의 개발 사례는 최근 급증하고 있다. 미국 국방부의 UWBG 반도체 연구개발 예산은 2022년에 전년 대비 7배 급증했고, 2023년에는 865만 달러(약 12.1억엔)에 달할 전망이다.

UWBG 반도체는 고주파 대응과 고출력 성능을 활용해 군사용 레이더나 레일건(전자포)과 같은 초고출력 무기에 활용할 수 있기 때문이다. 특히 레이더에서는 상대 공격을 포착하는, 즉, 적을 뛰어넘는 응답성이 요구되기 때문에 UWBG 반도체에 대한 요구가 절실하다.

다이아몬드 웨이퍼를 개발하는 오브레이(Orbray, 애더먼드 나미키정밀보석(並木精密宝石)이 2023년 1월에 회사명 변경)는 “군사 산업에서도 상담이 들어오고 있다”(오브레이 다이아몬드 기판 개발총괄본부의 김 성우 부통괄 본부장)라고 말한다.

β-산화갈륨 기판을 개발·판매하는 노벨크리스탈테크놀로지도 2020년까지 방위장비청의 안전보장기술 연구추진제도의 일환으로 연구를 실시했다. 연구 성과 보고서에는 ‘고내압 대전류 펄스 전원용’이라고 기재되어 있으며, 방위장비청이 개발에 주력하고 있는 레일건 전원의 스위칭에 사용될 가능성이 있다.

2022년 8월에는 군사기술 수출관리에 관한 국제적 합의인 '바세나르 협정(The Wassenaar Arrangement)'에서 새롭게 산화갈륨과 다이아몬드가 규제 대상에 추가된 것도 이러한 군사 및 방위 목적의 연구가 활발해지고 있다는 것을 말해준다.

우주 용도로도 UWBG 반도체는 적합성이 높다. “다이아몬드는 방사능, 고온, 저온 등 가혹한 환경에 뛰어난 내성이 있어 우주 이용에 적합하다. 예를 들어 인공위성에서 사용되는 전자기기에 사용될 수 있다”(김 본부장).

밴드갭이 크다는 것은 그만큼 결정을 구성하는 원자 간 결합이 강하다는 것이다. 즉, UWBG 반도체는 재료로서 깨지지 않는 경향이 있다. 다이아몬드 외에 적어도 ꞵβ-산화갈륨과 질화알루미늄(AlN)도 높은 고온 특성을 가지고 있는 것으로 확인되었다.

실리콘이나 탄화규소에는 없는 유일무이한 강점을 활용한다면, 코스트 부담을 상쇄해 탑재가 추진될 가능성이 있다. 같은 이유로 원자력 발전소의 전자기기에도 활용의 여지가 있다.

-- 차량용 채택에 대한 의견 둘로 나뉘어져 --
하지만 노벨크리스탈테크놀로지뿐만 아니라 α형이라고 하는 다른 결정 구조의 산화갈륨을 개발 및 판매하는 FLOSFIA(교토 시)도 최초의 실용 사례는 민생용 전원이다. 우선 제품을 내놓고 시장 반응을 살피기 위함이거나, 제품 개선 사이클을 돌리려는 의도로 풀이된다.

일반적으로 AC 어댑터 등의 전원은 신뢰성에 대한 요구가 그다지 높지 않다. FLOSFIA의 자료에 따르면, 이 분야에서는 판매 교섭 개시부터 납품까지의 기간이 3개월~1년 정도로 짧다고 한다.

민생 용도를 고려했을 때 파워반도체의 수요 규모가 커서 큰 성장을 전망할 수 있는 것이 전기자동차(EV) 분야이다. 만일 양산을 통해 저비용화가 추진된다면, UWBG 반도체는 차량용 시장에 진입할 수 있을까?

예를 들면 탄화규소는 세계 최초의 SBD(독일 Infineon Technologies제품, 2001년)와 MOSFET(ROHM제품, 2010년)의 제품화 이후 태양광발전시스템 등에서 오랜 기간 조금씩 실적을 쌓아왔고, 테슬라 ‘Model 3’(2017년)의 인버터 채택으로 크게 주목 받게 되었다.

Model 3를 계기로 미국 GM과 도요타자동차도 탄화규소 채택을 결정, 2025년경에는 매출이 단숨에 늘어날 것으로 전망된다. 즉, 최초 실용화부터 차량 탑재에 이르기까지 약 20년이 걸린 것이다.

UWBG 반도체업체들은 차량 탑재 용도에 사업 기회가 있을 것으로 보고 있다. “최근 EV의 온보드차저(OBC) 등의 용도에서는 채택 검토에서 발매까지의 기간이 단축되는 추세라는 것을 영업 활동을 통해 느끼고 있다. 2030년경 차량용에서의 매출을 시야에 넣고 있다”(FLOSFIA의 히토라(人羅) 대표이사).

“탄화규소의 보급으로 실리콘 외 다른 재료를 사용하는 허들이 낮아진 것은 찬스이다. 차량용뿐만 아니라 폭넓은 분야에서 다이아몬드도 침투할 수 있을 것이다”(와세다대학 벤처스의 오타(太田) 대표이사 제너럴파트너인). 조사업체인 후지경제도 산화갈륨의 자동차 분야 채택이 추진될 것으로 보고 있다.

하지만, 재료 연구에 종사하는 복수의 연구자들로부터 “희망적 관측이 너무 강하다”라는 목소리도 나오고 있다. “자동차회사는 초기 코스트를 투입해 (특수 열설계 등이 필요한) 탄화규소로 이제 막 전환했다. 좋은 재료가 나왔다고 해도 짧은 기간에 여러 번 바꿀 것이라고는 보기 어렵다”(질화물 반도체 연구자). “자동차는 신뢰성이 중시되기 때문에 적어도 당장 보급되기는 어려울 것 같다”(다른 파워 반도체 재료 연구자).

탄화규소 제조사도 같은 견해이다. 미국 onsemi의 하산 엘 코우리(Hassane El-Khoury) 씨는 “산화갈륨과 관련된 많은 기업들이 설립되고 있지만 하나의 디바이스를 만드는 것과 폭넓게 사업을 전개할 수 있는 것은 다른 이야기이다.

연구개발에 수 십 년의 세월이 소요되어 성숙기를 맞이한 탄화규소와는 다르다. 또한 다이아몬드는 탄화규소보다 싸지지 않을 것”이라며 UWBG반도체 등장에 위기감을 느끼지 않는다고 한다.

-- 대부분의 UWBG 반도체, 저렴하게 만들 수 있어 --
하지만, UWBG 반도체는 탄화규소 대비 적어도 비용 측면에서는 향후 경쟁할 가능성이 높다. 탄화규소는 2022년 11월 현재, 6인치 10만엔 전후로 거래되고 있다. 반면 β-산화갈륨은 현재 4인치 60만엔 정도로 상당히 비싸지만, 제조 방법은 '융액성장법'이라는 양산성이 뛰어난 방법이 채택되고 있다.

노벨크리스탈테크놀로지에 따르면, 양산 효과와 고가의 이리듐(Ir)을 사용하지 않는 '도가니' 사용 등이 향후 가능하게 될 경우, “2028년경에는 6인치 4만엔의 목표를 세울 수 있을 것이다”(노벨크리스탈테크놀로지)라고 한다. 향후의 탄화규소 가격 저하를 전망한다고 해도 좋은 승부가 될 수 있다.

질화알루미늄도 마찬가지로 현재는 2인치 80만엔 이상으로 매우 높지만, 제조는 탄화규소와 같은 승화법을 이용하기 때문에 양산 효과로 저렴해질 가능성이 있다. FLOSFIA도 사파이어의 지지 기판을 박리해 재활용하는 기술을 보유, 초기 양산 시점부터 가격을 낮출 수 있다고 한다.

2018년경부터 갑자기 주목 받기 시작한 루틸형 이산화 게르마늄(r-GeO2) 역시 인공수정 합성에 사용되는 수열합성이라는 저렴한 방법으로 벌크 결정을 만들 수 있다.

따라서, 대부분의 UWBG 반도체는 재료 합성 측면에서 저비용화의 잠재력이 있다고 할 수 있다. 기술이 충분히 성숙기를 맞이한 후, 시장의 수요가 발생하게 된다면, 탄화규소 수준의 코스트 경쟁력도 불가능하지 않다.

-- 백화요란(百花燎亂)의 재료군 --
그럼 여기서 각각의 UWBG 반도체가 가진 구체적인 특징을 살펴보자.
 

기술적 성숙도에서 가장 뛰어난 것은 산화갈륨으로, 이미 실용화되고 있다. 밴드갭이 보다 큰 알파형 결정구조와 안정된 상태이면서 양산성이 뛰어난 베타형이 있으며, 각각 일장일단이 있다. 산화갈륨 디바이스가 탑재된 전원기기가 실제로 시장에 나오게 되는 것은 전술한 바와 같이 2023년이 될 것으로 보인다.

그 다음으로 성숙도가 높은 것이 다이아몬드이다. 내압, 이동도, 열전도율, pn양 제어 등 각 특성들을 높은 수준에서 균형있게 갖추고 있어 UWBG 반도체의 도달점 중 하나로 보는 경향도 강하다.

2022년 8월에 설립된 와세다대학 발 벤처기업 Power Diamond Systems는 다이아몬드 디바이스의 조기 실용화를 목표로 하고 있다. 과제였던 기판의 대형화도 오브레이가 2021년 9월, 2인치화에 성공했다. 남은 과제는 코스트와 도핑이다.

질화알루미늄갈륨(AlGaN)은 질화갈륨의 갈륨(Ga)원자 일부를 알루미늄(Al)원자로 치환한 혼정재료로, 질화갈륨 이상의 내압을 확보할 수 있다. 이것은 파워디바이스 외에 고주파 디바이스나 발광 소자로서의 연구도 추진되고 있다. 같은 질화물 반도체의 질화갈륨을 통해 시장에 진입할 가능성도 있어, “알루미늄 조성이 0.5 이하인 것은 산화갈륨의 대항마가 될 수 있다”(노벨크리스탈테크놀로지)라고 한다.

질화알루미늄은 모든 양이온 원자에 알루미늄을 이용하는 질화물 반도체로, 질화갈륨과 동일한 결정구조이기 때문에 그 연장선에 위치하는 재료이다. “질화알루미늄갈륨의 형제와 같은 것이라고 할 수 있다”(NTT 물성과학기초연구소의 다니호(谷保) 특별 연구원). 2022년 4월, NTT가 극히 초기적인 질화알루미늄 트랜지스터를 세계 최초로 개발했다고 발표했다. 하지만 실용화까지는 아직 갈 길이 멀다.

입방정질화붕소(c-BN)는 “반도체 중 가장 높은 절연 파괴 전계”(NTT)를 가지고 있어 파워 디바이스로서 최고의 잠재력이 있다. “전체적으로 재료로서의 성질은 다이아몬드에 가깝다”(도쿄도립 산업기술연구센터)라고 한다.

하지만 단결정 육성이 매우 어렵고, 결정구조가 질화갈륨이나 질화알루미늄의 울츠광형과 다른 입방정형인 점 등, 일반적인 방법으로는 잘 처리되지 않는 재료이기도 하다. 이것도 실용화와는 거리가 먼 재료라고 할 수 있다.

-- pn 양립도 중요한 과제 --
밴드갭이 넓은 재료는 일반적으로 p형과 n형의 양립이 어렵다. 이 점은 코스트에 이은 UWBG 반도체의 큰 과제이다.

예를 들면 산화갈륨은 p형 제어가 어렵고, SBD나 MOSFET의 내압 확보에 p형이 되는 이종 재료를 사용하는 등 공학적 고안이 필요하다. 또한, 같은 재료만으로는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)와 같은 바이폴라 디바이스를 만들 수 없는 등, 디바이스로서의 자유도가 현저하게 떨어진다.

질화알루미늄도 p형 제어가 어렵다. “p와n의 양립이 안된다는 점만으로 디바이스로서 기능하지 않는다고 포기하는 것은 성급한 판단이다”(질화물 반도체의 연구자)라고 하는 의견도 있다. 하지만 보완할 방법이 필요한 만큼, 코스트가 높아지는 것도 사실이다.

-- 주변 부품과의 협조 불가결 --
또한 UWBG 반도체는 디바이스만 만들면 되는 것은 아니다. 실리콘이나 탄화규소와는 다른 차원의 성능을 가지고 있기 때문에, 전자기기에 구현해 능숙하게 사용하기 위해서는 주변 부품의 설계도 중요하다. 구현기술과 알고리즘 설계 등 폭넓은 기술을 결집하지 않으면 안 된다.

일반적으로 파워디바이스가 고주파화되면 주변 부품(코일이나 유도계수)을 소형화할 수 있지만, 그만큼 디바이스나 회로의 기생 성분이 상대적으로 늘어난다는 과제가 있다. 대응 방안으로는 고주파 회로를 가급적 작게 집적화하여 기생 성분을 줄일 필요가 있다.

또한 고주파화는 스위칭 1회 당 손실은 줄어들지만, 시간 당 스위칭은 늘어나기 때문에 합계치로서 손실은 커진다. 이것을 억제하기 위해 스위치의 전환 알고리즘 등을 연구할 필요가 있다.

방열 설계도 중요하다. 탄화규소와 마찬가지로 전력 효율을 높여 방열량을 줄이고, 구리 등 열전도율이 높은 소재 위에 칩을 구현, 접착 재료의 내열성을 확보하는 것 등이 급선무이다.

제2부: 산화갈륨
잠재력은 탄화규소의 몇배, 실용화는 2023년을 목표로

포스트 탄화규소를 노리는 '울트라 와이드 밴드갭 반도체' 중에서도 산화갈륨을 사용한 파워반도체 디바이스는 산업화가 가장 빠르게 진행되고 있다. 산화갈륨은 탄화규소 보다 몇 배나 높은 잠재능력을 가지고 있으며, 2023년에는 민생 전원 용도로 탑재가 시작될 전망이다.

제3부 : 포스트 횡형(橫型) 질화갈륨
부상하기 시작한 질화갈륨에서 벌써부터 차세대 연구 활황, 고내압·고주파에 도전

파워디바이스로서는 특이하게 수평 구조를 가진 질화갈륨(GaN). 재료로서 유례없는 좋은 특성을 가지고 있어 알루미늄과의 혼정(混晶)이나 종형화(縱型化) 등 폭넓은 디바이스 연구가 활발하다.

제4부 : 다이아몬드
궁극의 파워디바이스 다이아몬드, 이르면 2030년에 보급이 시작될 수도

보석 이미지가 강한 다이아몬드는 파워 디바이스 재료로서도 매우 높은 물성값을 자랑하며 궁극의 파워 디바이스라고 불리고 있다. 이러한 다이아몬드는 지금까지 많은 과제들을 안고 있었지만, 그것들을 착실히 클리어해 실용화에 다가가고 있으며 사회 구현을 목표로 하는 벤처기업들도 설립되고 있다.

-- 끝 --

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