차세대 전력칩(SiC, GaN)

기존 실리콘(Si) 소재보다 전력 효율이 높고 고온·고전압을 견딜 수 있는 실리콘 카바이드(SiC) 전력 반도체 시장의 패권 경쟁이 치열하다.

1. 전력 반도체란?

전력을 필요로 하는 곳에서 전력의 변환 / 변압 / 분배 / 제어 등의 역할을 하는 반도체다. 따라서 전력이 쓰이는 모든 곳에 전력반도체가 존재한다. 일반적으로 전 세계 전력의 50%는 모터를 돌리기 위해 사용된다. 모터는 MCU의 명령을 받아 교류/직류 변환을 하는데(인버터) 이때 전력반도체가 쓰인다.

중요한 것은 과거와 달리 전기차, 전력 그리드, 신재생 발전, 데이터센터, 5G 인프라, 공장자동화 산업의 기술발전으로 해당 산업에서 쓰이는 반도체 기능과 성능이 발전하면서 ‘고전압+고전류+고열’의 가혹한 환경이 되었다는 점이다. ​

기존의 ‘Si 전력반도체’는 고전압, 고전류, 고열 환경에서 제 기능을 못하기 때문에 이런 환경에서도 작동할 수 있는 반도체와 소재가 필요하게 되었고, 이에 따라 ‘SiC, GaN 소재의 전력반도체’가 등장하게 되었다.

2. 전력 반도체 분류

1. Discrete (개별소자)

아래 보는 것처럼 아주 단순하게 생겨서 반도체라고 하기에는 부품에 가까운 On/Off를 담당하는 것을 소자라고 한다.

1) 다이오드

• 교류/직류를 변환해 주는 역할로 주로 자동차, 오디오, 스피커 등에 사용된다.

2) 트랜지스터

• MOSFET : 고속 스위칭, 고전압/고전류 적용 어려움 -> TV 모니터, EV 모터

• IGBT : 저속 스위칭, 고전압/고전류 적용 유리함 -> 산업용 인버터, EV 인버터

2. IC(집적회로)

앞서 Discrete 소자들과 반도체가 한데 모여서 하나의 회로를 이루어 전력 시스템을 제어, 변압, 변환하는 반도체를 말한다.

• PMIC, Control IC, Driver IC 등으로 우리가 흔히 ‘전력반도체’라고 부르는 최종 칩 형태가 이것이다.

3. 전력반도체 소재

1. 기존의 전력반도체 소재 (Si)

기존에는 우리가 흔히 아는 단원소 실리콘 웨이퍼(Si)로 만들어진 전력반도체를 사용해도 문제가 없었다. 그러나 반도체 기술의 발달로 10nm 미만의 영역에 접어들면서 물성에 한계가 생겼다. 소자 간 간격이 좁아지면서 발열 문제가 생겼고, 5G부터 고주파수로 인한 Si 물성의 한계, 전기차의 고전압으로 인한 물성의 한계 등의 문제가 생겨났다.

이런 물성의 한계를 극복하고 차세대 전력반도체를 원활하게 작동시키기 위해 새로운 소재가 적용됐는데, 이게 바로 SiC, GaN 반도체다.

2. 차세대 전력반도체 소재 (SiC, GaN)

그렇다면 물성과 관련해서 Si와 SiC, GaN 반도체 간에는 어떤 차이가 있을까?

밴드갭 (Energy Gap) ​

전자가 결합 상태를 벗어나기 위한 최소한의 에너지량을 말한다. 쉽게 말해 밴드갭이 적으면 쉽게 전자가 통하므로 사용자가 원하지 않을 때 누전되는 사고가 발생하는 것이고, 높으면 고전압 환경하에서 버틸 수 있으니 안전하게 사용할 수 있음을 의미한다.

Si 1.1eV에 비해 SiC와 GaN은 대략 3.2~3.5eV로 높은 밴드갭 보여줌 -> 고전압 환경에서 버틸 수 있으며, 전력효율성↑

절연파괴강도 (Breakdown Field)

버틸 수 있는 전압 강도를 말한다. 당연히 높을수록 고전압 환경하에서 작동할 수 있음을 의미한다. Si 0.3에 비해서 SiC, GaN은 3.0으로 10배 높다. 전기차, 신재생 발전, 전력 그리드의 고전압 환경은 600V~1,200V로 높기 때문에 Si 반도체는 버티질 못하고 SiC, GaN 반도체가 필요하다.

온도

Si 반도체가 버틸 수 있는 온도 한계는 100~130도 밖에 안된다. 전기차는 특히 화재가 나면 불이 꺼지지도 않기 때문에 고온에서도 버틸 수 있는 반도체가 필요하다. 데이터센터 역시 수천 개의 컴퓨터에서 나오는 열이 모이는 공간으로 이를 버틸 수 있는 반도체가 필요하다.

4. 차세대 전력칩(SiC, GaN) 정리

1. SiC (Silicon Carbide, 탄화규소)

• 고온(600도)과 고전압(1,200V)에도 버틸 수 있는 강한 내구성

• GaN의 전압 한계치인 650V에 비해 2배 가까운 고전압을 버틸 수가 있어서 산업용 모터, 전기차에 사용됨

• SiC는 전자 장치의 전압 변환 시 전력효율이 98%라서 전력 그리드, 신재생 발전에 매우 유리

2. GaN (Gallium Nitride, 질화갈륨)

• SiC보다는 낮지만 고온(200~400도), 고전압(650V)에서 작동 가능 -> 전기차에는 SiC에 비해 적용이 어려움

• 대신 GaN은 특히 고주파수에 강하기 때문에 5G, RF 칩은 GaN이 필수적

• 신호처리 속도 역시 Si에 비해 10배 이상 빨라서 EV OBC, EV 충전 인프라, 무선 충전기, LiDAR에 적용

• 고주파수를 사용하는 우주항공 분야와 국방(스텔스 전투기, 레이더, 이지스함, 미사일 등)에도 주로 사용됨

출처 : 노을프라푸치노