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신소재/부품 파워 반도체 분야 나노 기술/소재 개발동향

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2019-08-05 11:40:00
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○ 고효율 전력변환을 가능케 하는 초저손실 전력제어용 디바이스(파워 디바이스)를 실현하는 연구. SiC, GaN, Ga2O3, 다이아몬드 등의 와이드 갭 반도체는 Si에 비해 원리적으로 내부 손실이 적고 고효율화에 적합하나 많은 과제가 있음. 결정품질 향상, 고정도 열설계/파워 매니지먼트, 모듈/회로 기술, 주변부재/수동부품, 장기 신뢰성 향상 등.

 

○ 에너지 자원이 빈곤한 우리는 비효율적인 에너지 대량소비를 근본적으로 재검토하여, 기존의 화석연료 에너지에서 자연 에너지로의 전환을 촉진함과 더불어, 에너지 변환효율을 근본적으로 향상, 에너지 자급율을 개선하는 것이 시급함. 이러한 활동은 결과적으로 이산화탄소 배출량을 절감하고, 지구온난화, 이상기후, 사막화 등 환경문제의 해결로 이어짐.

- 한편, 모든 에너지 소비 중의 전기에너지 비율은 매년 증가 추세이며, 전기 에너지의 수송/변환/제어/공급과 관련된 광범위한 관련 기기의 소전력화 요구가 높아지고 있음. 구체적으로는 재생가능 에너지의 유효 활용으로 태양광 발전의 직류전력을 교류로 변환하는 인버터의 손실 저감, 이동ㆍ수송의 전동화(E-mobility)를 촉진하여 철도나 자동차의 전동화ㆍ고효율화를 한층 더 높이는 것이 중요함. 이러한 직류전압 변환을 수행하는 DC-DC 컨버터나 직류를 교류로 변환하는 인버터 등의 전기 에너지 변환에는 초퍼 제어나 펄스 복변조 등의 파워 스위칭이 이용되며, 그 기본 성능은 파워 반도체 디바이스 성능으로 결정됨.

 

- 따라서, 고효율 전력변환/스위치용 파워 반도체 디바이스 개발/보급이 중요. 또한, 전력망 장거리화에 따른 송전 손실 증대를 억제하기 위한 송전 전압의 고압화가 진행 중이며, 파워 반도체 디바이스에 높은 내전압, 저손실(저 이온저항)이 요구되고 있음.

 

○ 현재 보급된 파워 반도체는 반도체에 실리콘(Si)을 이용한 것으로, 미세화 기술 발전, 웨이퍼 품질 향상, 제조 프로세스 저온화 등 새로운 제작 프로세스의 도입이나 디바이스 구조 개량(슈퍼 정션 MOSFET, IGBT의 세대교체 등)으로 성능 향상 중. 또한 확대되는 전력화 사회에 발맞춰 Si 파워 반도체를 계속적으로 확대 보급하기 위하여, 웨이퍼에서 프로세스 디바이스에 이르는 일관적인 수직 통합에 따라 디바이스 성능의 한계가 지적되고 있음. 따라서 원리적으로 고내압화와 저이온 저항의 양립이 가능한 탄화 실리콘(SiC)이나 질화 갈륨(GaN) 등 Si 보다 금지대 폭(밴드 갭)이 넓은 반도체를 이용한 파워 반도체의 조기 실용화가 요구되며, 재료/프로세스에서 디바이스/회로/실장을 아우르는 광범위한 연구개발이 필요.

 

○ 이와 같은 차세대 파워반도체 디바이스 개발과 그 응용회로ㆍ시스템 기술 확립이 실현되면, 재생 가능 에너지에 의한 발전, 전력 인프라(직류전송이나 계통연계), 철도, 자동차뿐만이 아니라, 산업(공장)이나 민간(가전), 확산을 지속 중인 정보통신기기, 나아가 향후의 IoT 사회의 기반이 되는 통신 인프라 등 광범위한 소전력화로 이어짐.

 

○ 지금까지 파워 반도체에 관해서는 다음과 같은 국내외의 노력이 이루어짐.

 

○ Si는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)용 고품질/양산화를 목표로 웨이퍼의 신기술 개발이 NEDO에서 시작됨. Si 파워 디바이스는 현재 산업경쟁의 중심이며, 특히 고내압계는 유럽ㆍ미국에 비해 경쟁력을 유지 중. 저내압계는 특히 미국을 중심으로 반도체 메이커가 전원 메이커로서의 입장도 확립 중.

 

○ SiC의 경우, 각종 파워 디바이스의 제품화가 진행 중. 웨이퍼는 미국 Cree社(2016년에 파워 관계 부문을 Infineon으로부터 매수)나 다우코닝社가 선행 중이나 독일의 SiCrystal이나 일본의 신니테츠 주금도 양산을 시작 중이며, 4인치 웨이퍼는 고품질 제품을 세계의 여러 메이커로부터 입수 가능. 6인치 웨이퍼도 출하되고 있으며, 여러 메이커가 6인치 제조라인 구축을 진행 중.

- 중국(대만 포함)도 신규 투자로 진출 시작. SiC의 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)는 2001년에 SiCED(현재는 Infineon)를 시작으로 상품화 된 이래, 착실히 온저항 저감 등의 성능향상이 진행되었으며, 현재는 일본과 유럽ㆍ미국의 여러 메이커가 시판 중. 이미 에어콘 에너지 절감형 인버터에 사용 중이며, 철도 차량용 인버터 실험을 완료, SiC-SBD를 탑재한 야마노테선 신형 차량이 영업 운전을 시작함. SiC의 MOSFET는 Si-IGBT보다도 뛰어난 디바이스 성능을 지닌 SiC-MOSFET가 여러 메이커로부터 시판되었으며, 아울러 온저항 저감이 가능한 SiC 트랜치 MOSFET의 양산도 개시됨. 롬이나 Infineon 등 몇 개사로부터 내압 1200V, 동작 전류 100A 급 SiC-MOSFET의 제품화가 발표됨. 모듈 개발도 활발하여, Si-IGBT와 SiC-SBD와 일체화한 풀 SiC 모듈이 개발/상품화 됨. 제품화 면에서는 롬이나 미쯔비시전기 등 일본 메이커가 선두를 달리고 있음. 앞으로는 기판을 포함한 디바이스의 저비용화와 고성능화, 아울러 디바이스 모듈의 장기 신뢰성 확인이 중요.

 

○ GaN은 지금까지 자립 기판 재료 개발이 늦어진 관계로 Si 등 이종기판 위의 헤테로 에피택셜 성장층을 이용한 디바이스 개발이 진행되어 왔음. 그러나, 커다란 격자 부정합 때문에 Si 기판 위의 에피택셜층에는 고밀도 결함이 도입됨. 이 때문에 향후에는 GaN 기판을 이용한 호모 애피택셜 성장이 바람직하며, GaN 기판의 성장기술 연구개발도 가속 중. 비용 면에서 비교하면, “GaN-on-GaN”의 두개의 기술에 2극화가 시작됨. 자립 GaN 기판은 LED나 LD용으로 2인치 기판이 HVPE법으로 생산되고 있으나, Si나 SiC와 같은 종형(縦型) 파워 디바이스를 제작하기에는 아직 결함 밀도가 높기 때문에 제작 방법을 비롯, 결함 저감, 양산성을 포함한 기술 개발이 필요.

 

○ GaN을 이용한 전자 디바이스는 고주파 파워 디바이스로서 제품화가 선행되고 있음. 특히 소형 고출력 휴대전화 기지국 용도로 AlGaN/GaN 헤테로 접합 FET(HEMT)의 제품화가 메이커 중심으로 진행 중.

 

- 한편, 파워 스위칭 용도로는 시장 투입이 뒤쳐져 있었으나 근래에 EPC사, TransPhorm사, GaN systems사, ON-Semoconductor社 등이 제품화 중. 또한 GaN 디바이스를 이용한 전력 제어용 모듈도 일부 출하가 시작되어, SiC보다 저내압인 600V 제품을 중심으로 AC 어댑터, 서버용 전원, LED용 전원, 태양광 발전 시스템용 파워 컨트롤러 등의 제품화가 검토되고 있음.

 

○ 다이아몬드는 뛰어난 열전도성과 커다란 밴드 갭을 지닌 반도체이며, 파워 디바이스로서 매력적인 특성을 가짐. 일본에는 다이아몬드 CVD 합성 관련 선도적인 연구, 인에 의한 n형 도핑 등 해당 분야의 획기적인 선행연구가 있으며, 반도체 기초물리 및 원리 실증 실험이 계속적으로 진행되고 있음. 다이오드나 정션 FET(JFET), 바이폴라 트랜지스터(BJT), 금속반도체 접합 FET(MESFET), 최근에는 MOSFET 실증 등도 보고되고 있음.

 

○ SiC나 GaN보다도 밴드 갭이 큰 산화 갈륨(Ga2O3)의 파워 디바이스 응용 연구가 시작됨. Ga2O3는 비교적 쉽게 대형결정을 제작가능하며, n형 도핑이 가능. 무색투명하여 전기전도가 뛰어나기 때문에 GaN LED용 기판으로서 주목받아 왔으나, 최근에는 파워 디바이스용 기판으로 사업 전개가 보고되고 있음. 초기 단계이지만 기판 유통이 시작되어, 향후 연구자가 늘어날 가능성이 있음.

 

○ 와이드 갭 파워 반도체 디바이스의 연구개발은 빠른 단계에서 보급하여 산업 경쟁력으로 만들기 위한 SiC, GaN 등 와이드 갭 반도체 웨이퍼의 고품질화, 대구경화나 디바이스 구조 최적화, 신뢰성 높은 디바이스 제작 프로세스 개발, 고정도 열 설계/파워 매니지먼트, 주변회로 부품 개발 등이 필요. 또한 Si의 대체품이 아닌, Si로는 달성할 수 없는 와이드 갭 반도체의 특성을 살린 새로운 응용을 염두에 둔 종합적인 연구개발을 가속할 필요가 있음. 기초 물성면에서는 모든 와이드 갭 반도체에 있어서 결정 전위와 결함 제어, 표면/계면 관련 과제가 많고, 과거 Si나 GaAs 등에서 축적된 결정 품질 향상, 표면/계면 제어 지식이나 시책을 토대로 기초 기반연구를 진행할 필요가 있음.

 

 

[2019 나노테크놀로지나노융합산업 기술개발 전략과 시장 동향] 보고서 상세 보기

http://www.irsglobal.com/shop_goods/goods_view.htm?category=03000000&goods_idx=82991&goods_bu_id=

 

 

 

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