SiC 전력 반도체 주도권 경쟁

SiC 실리콘 카바이드 소재를 이용한 전력 반도체가 업계에서 주목받고 있다. 전력 반도체는 상황에 따라 전압과 전류를 알맞게 제어하는 역할을 하고, 운용비를 줄이고 핵심 칩 구동을 최적화할 수 있다. 

실리콘 반도체는 폭증하는 전류를 감당하지 못해 발열과 전력손실을 일으키며 기능 저하를 일으킨다. 발열을 방지하기 위해 냉각장치를 사용하면 공간과 비용이 필요하다.

실리콘 카바이드 반도체는 열에 강하고 칩 크기도 줄일 수 있다. 전류나 전압이 높아져도 안정적인 온도를 유지하면서 전력을 전달하는 물질이다. 하지만 구현이 어렵고 비용이 많이든다. SiC칩은 높은 와이드 밴드갭 성질을 가지고, 전하와 정공의 이동도를 제어할 수 있는 범위를 조절할 수 있는 장점을 가진다. 이로인해 고전압 대전류의 우수한 전기적 특성을 가지고 있다. 밴드갭은 3.4eV로 높은 온도가 발생해도 이동 공간 자체가 넓어 전자 이동도 및 임계전계 조절에도 제격이다.

실리콘 반도체가 175도씨 온도에서 성능 한계가 온다면, SiC 반도체는 400도씨에도 멀쩡하고, 실리콘 반도체보다 10배 높은 전압을 견딜 수 있다. 크기 또한 10분에 1로 줄일 수 있다.

SiC 칩은 또 다른 차세대 전력 반도체로 각광받는 갈륨나이트라이드(GaN) 칩과 비교했을 때 스위칭 속도(동작속도)는 다소 느린 편이다. 그러나 고전압과 고온을 견뎌내는 우수한 특성으로 전기차·항공·우주·철도 분야 등 적용 범위가 확장되는 추세다.

SiC 반도체는 현실적인 한계도 있다. 화합물 형태인 SiC 웨이퍼는 기존 실리콘보다 제조 과정이 상당히 까다롭고 난도가 높아 수요에 비해 공급이 부족하다. 통상 실리콘 칩은 8인치나 12인치 웨이퍼에서 만들어지지만, 아직 SiC 웨이퍼 크기는 최대 6인치에 불과하다. 더군다나 SiC 웨이퍼 가격은 동일 크기 기준 실리콘 웨이퍼보다 최대 10~15배나 비싸다. 이에 따라 SiC 반도체 가격은 기존 칩보다 높은 편이다. 떠오르는 시장을 잡기 위해 주요 반도체 업체들은 SiC 기술 확보와 양산품 제조에 상당히 적극적으로 투자하고 있다. SiC 반도체 10대 기업이 시장 70%를 장악할 정도로 주요 반도체 업체들이 이미 상당한 기술 진전을 이뤘다.

실제 테슬라는 SiC 반도체를 이용해 배터리 용량을 키우면서 전력 반도체 모듈 부피를 혁신적으로 줄여 원가절감을 구현한 것으로 알려졌다.
SiC 시장에서 가장 눈에 띄는 행보를 이어가고 있는 회사는 스위스 ST마이크로일렉트로닉스(ST)다. 테슬라 전기차 모델 '테슬라3'에 SiC 전력 반도체를 최초 공급한 ST는 소자 제작뿐 아니라 SiC 웨이퍼 기업 노스텔AB 지분을 100% 인수하는 작업을 진행했다. SiC 웨이퍼 공급 부족을 고려해 아예 웨이퍼 회사를 사들인 것이다. 또 지난해 12월에는 SiC 웨이퍼를 가장 잘 만드는 크리와 SiC 웨이퍼 공급 계약을 기존 2억5000만달러에서 5억달러로 늘리면서 웨이퍼 확보 작업의 방점을 찍었다.
미국 크리는 SiC 웨이퍼 제조뿐 아니라 소자 업체인 울프스피드를 세워 전력 반도체 기술 확보에 상당히 적극적으로 움직이고 있다. 또 독일 인피니언 테크놀로지스, 일본 로옴 등도 관련 제품을 출시하면서 주요 SiC 업체로 경쟁력을 확보 중이다.
업계에 따르면 현대자동차는 자사 연구소에 SiC 기반 전력 반도체 개발 조직을 만들고, 국내외 반도체 기업과 협력해 관련 칩 제조 기술을 적극 연구하고 있다.

 

전자신문 "반도체 업계, SiC 전력 반도체 주도권 경쟁 가열" 2020.04.22

https://www.etnews.com/20200422000110