차세대 반도체라 불리는 GaN 반도체와 실리콘 카바이드 반도체

GaN 반도체

GaN 반도체는 갈륨(Gallium)과 질소(Nitrogen)의 결합으로 만들어진 이진 III / V 직접 밴드갭 반도체입니다. 이는 1990년대 이후 파란색 발광 다이오드에서 일반적으로 사용되어 왔습니다. 이 화합물은 Wurtzite 결정 구조를 가진 매우 단단한 물질입니다.

 

그 넓은 밴드갭인 3.4 eV는 광전자, 고전력 및 고주파 장치의 응용 분야에서 특별한 성질을 제공합니다. 예를 들어, GaN은 비선형 광학 주파수 두배을 요구하지 않고 자주색(405 nm) 레이저 다이오드를 가능하게 하는 기판입니다. 이는 다른 그룹 III 질화물과 마찬가지로 이온화 방사선에 대한 민감도가 낮아 위성용 태양 전지 패널에 적합한 재료로 만듭니다. 군사 및 우주 응용 분야도 장치가 고방사 환경에서 안정성을 보인 것으로 이익을 얻을 수 있습니다.

 

GaN 트랜지스터는 갈륨 비소(GaAs) 트랜지스터보다 훨씬 높은 온도에서 작동할 수 있고 훨씬 높은 전압에서 작동할 수 있기 때문에 마이크로파 주파수에서 이상적인 전력 증폭기가 됩니다. 또한 GaN은 THz 장치에 대한 유망한 특성을 제공합니다. 고전력 밀도와 전압 붕괴 한계로 인해 GaN은 5G 셀룰러 기지국 응용 분야의 유망한 후보로 나타나고 있습니다. 2020년대 초반부터, GaN 전력 트랜지스터는 저전압 DC로 교류 전력을 변환하는 전자 장비의 전원 공급에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

 

GaN 반도체의 장점

 

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실리콘 카바이드 반도체

실리콘 카바이드(SiC)는 실리콘과 탄소로 이루어진 단단한 화학 화합물입니다. 이것은 극히 드문 광물인 모이산나이트로 자연에서 발생하는 반도체이지만, 1893년 이후 연마제로 사용하기 위해 분말과 결정으로 대량 생산되어 왔습니다. 실리콘 카바이드의 입자들은 소결을 통해 결합하여 매우 단단한 세라믹을 형성할 수 있으며, 고내구성이 요구되는 응용 분야, 예를 들어 자동차 브레이크, 자동차 클러치, 방탄 조끼의 세라믹 판 등에서 널리 사용됩니다. 큰 단일 결정체의 실리콘 카바이드는 Lely 방법으로 성장시킬 수 있으며, 이들은 합성 모이산나이트라고 불리는 보석으로 절단될 수 있습니다.

실리콘 카바이드의 전자 응용 분야, 예를 들어 조기 라디오에서의 발광 다이오드(LED)와 검출기는 1907년경 처음으로 시연되었습니다. SiC는 고온 또는 고전압에서 작동하거나 둘 다 작동하는 반도체 전자 장치에 사용됩니다. 실리콘 또는 갈륨 비소와 비교하여, 실리콘 카바이드(SiC)는 19세기 말에 시작된 상대적으로 어린 기본 재료입니다. 1891년 Edward Acheson은 연마제로 사용되는 결정 SiC를 생산하는 방법을 개발했습니다. 이 방법은 오늘날까지도 사용되고 있습니다.

 

GaN, SiC 특성 비교

SiC 반도체는 약 5억 달러의 매출로 아직 작은 니치 제품입니다. 그러나 업계 전문가들은 전기 자동차로 인해 2020년부터 2022년 사이에 연간 10~25%의 빠른 매출 성장을 예상하며, 2023년 이후에는 40% 이상 성장할 것으로 예상합니다. 주요 실리콘 카바이드 칩 제조업체로는 Infineon, Onsemi (ON Semiconductor), Rohm Semiconductor, STMicroelectronics (STM) 및 Wolfspeed가 있습니다.

실리콘 카바이드는 전력 응용 분야에 완벽하게 적합한 반도체로, 특히 실리콘이 사용 가능한 전압의 열 배까지 고전압을 견딜 수 있는 능력 덕분입니다. 실리콘 카바이드 기반의 반도체는 높은 열전도율, 높은 전자 이동성 및 낮은 전력 손실을 제공합니다. 실리콘 카바이드는 그 재료 특성 때문에 실리콘의 잠재적인 대체재로 간주되며, 이러한 이점들은 전력 전자에서 실리콘 카바이드의 사용을 촉진하고 있습니다.

실리콘 카바이드 반도체 장치의 중요한 응용 분야 중 일부로 전기 자동차 배터리 충전기, 차량 내 충전기, DC-DC 변환기, 하이브리드 전기 차량 파워트레인, 에너지 회수, 광전지 인버터, 풍력 터빈, MRI 전원 공급, X선 전원 공급, 에어컨, 보조 전원 공급자, 통합 차량 시스템 및 전력 분배가 있습니다. 전력 전자에서의 다양한 응용 분야로 인해 SiC의 사용은 앞으로 크게 증가할 것으로 예상됩니다.

 

SiC 모듈의 장점

 

실리콘 카바이드 반도체 장치의 사용이 증가하는 신흥 산업, 예를 들어 전기 자동차 및 전력 전자 산업의 종말에 대한 시장 성장이 예상 기간 동안 촉진될 것입니다. 실리콘 카바이드 반도체 장치의 전기 차량 충전 인프라에서의 채용 증가는 시장에 중요한 성장 기회를 만들고 있습니다.

그러나 실리콘 카바이드(SiC)와 관련하여 몇 가지 단점도 있습니다. 실리콘 카바이드는 자연 광물로서는 이용할 수 없습니다. 따라서 Si에서 화합물을 생산하기 위해 과도한 용광로 기술이 필요합니다. SiC 제조에서 도핑에 어려움이 있습니다. 이는 그 화학적 불활성, 물리적 강도 및 다른 불순물의 낮은 확산 계수 때문입니다.

전반적으로 실리콘 카바이드(SiC) 반도체는 우수한 재료 특성과 다양한 응용 분야로 인해 밝은 미래를 가지고 있습니다. 앞으로 몇 년 동안 계속 인기와 사용이 증가할 것으로 예상됩니다.

 

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SK가 주도 중인 차세대 반도체

한국 정부는 실리콘 카바이드(SiC)와 갈륨 질화물(GaN) 전력 반도체의 생산을 촉진하고자 합니다. 무역, 산업 및 에너지부는 2025년까지 5개 이상의 상용 전력 칩을 개발할 것이라고 목표를 세웠습니다. SiC와 GaN으로 만들어진 전력 칩은 전기 자동차와 에너지 공장의 인버터, 인공 지능 및 5G 응용 분야에서 사용됩니다. 또한 부산의 정부 시험 시설을 통해 프로토타입을 제조하는 회사들에게도 도움을 줄 것입니다.

 

GaN 장비 시장 이익

 

한국의 GaN 반도체 기술 특허 등록 분석에 따르면, 한국의 회사와 기관은 올해 1분기 총 320건의 새로운 특허 중 3건만 등록하여 불과 0.9%에 불과합니다. 한국의 특허 등록은 후발주자로 간주되는 인도보다 뒤처집니다. 인도는 4건의 특허를 등록했습니다. 이 내용은 글로벌 기술 정보 회사인 KnowMade가 제공한 데이터를 기반으로 합니다.

시장 조사 회사인 Market Research Future에 따르면, GaN 칩 시장은 2020년 24.7억 달러에서 2030년까지 10배 이상 성장하여 296억 달러가 될 것으로 예상됩니다. 전문가들은 한국 칩의 미래에 대해 우려를 표하며, 미온적인 반응이 기술적 격차를 넓힐 수 있다고 경고합니다. 성균관대학교 정보 및 통신 공학부 양영우 교수는 “한국은 차세대 칩 제조 기술에서 심각하게 뒤처지고 있다”고 말했습니다.

 

SK Siltron은 RFHIC 및 Yes Power Technix와 합작하여 실리콘 카바이드(SiC) 및 갈륨 질화물(GaN) 반도체와 관련된 기술을 개발할 예정입니다. RFHIC는 GaN RF 칩 전문 회사이고, Yes Power Technix는 100mm와 150mm 웨이퍼을 기반으로 한 SiC 전력 관리 IC를 제조하는 회사입니다. SK Corporation은 Yes Power Technix의 33.6% 지분을 보유하고 있으며, 추가로 1200억 원을 투자하여 최종적으로 95.81%의 지분을 확보할 계획입니다.

 

이 계획은 SK 그룹의 지주회사인 SK Corporation의 승인을 기다리고 있습니다. SK Siltron은 RFHIC와 합작을 위해 협상 중입니다. SK Siltron은 웨이퍼를 제공할 것이며, RFHIC는 SiC 및 GaN에 대한 전문 지식을 제공할 것으로 예상됩니다. 이들은 내구성과 전력 효율성이 더 높기 때문에 일부 칩에서 실리콘을 대체하고 있습니다. 자동차, 통신 및 방위 분야에서 사용되는 반도체가 점점 더 SiC 및 GaN 칩을 채용하고 있습니다. SK Siltron은 유일한 한국 웨이퍼 생산 회사입니다. 현재 한국과 미국에서 SiC 웨이퍼를 생산하면서 정부 지원 프로젝트 하에 GaN 웨이퍼도 개발 중입니다.