파워반도체 시장이 급성장하고 있다.
2020년에는 코로나19(신종 코로나바이러스 감염증) 사태로 파워반도체 시장 성장이 둔화됐으나 차세대 반도체는 9.6% 성장했다.
탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN)에 이어 산화갈륨(GaO) 파워반도체 양산이 시작됐고 자동차 전장화와 5G(5세대 이동통신) 진전으로 시장이 성장하는 가운데 전력 절약 요구를 충족시킬 수 있는 차세대제품에 대한 수요가 증가하고 있다.
SiC 포함 차세대제품 견인하고 GaO가 GaN 추월
후지경제(Fuji Keizai)는 글로벌 파워반도체 시장이 코로나19 사태의 영향으로 2020년 28조430억원으로 전년대비 3.8% 감소했으나 2030년에는 40조원으로 2020년에 비해 44.3% 급성장할 것으로 예측했다.
실리콘(Silicone) 파워반도체 시장은 2020년 27조5290억원에서 2030년 37조9810억원으로 38.0% 확대되고 차세대제품은 2조4900억원으로 4.8배 성장할 것으로 전망했다.
구성소재 역시 2020년에는 2조680억원으로 4.0% 감소했으나 2030년 3조7520억원으로 2020년에 비해 1.81배 증가할 것으로 예상했다.
구성소재 중에서는 전공정이 호조를 누렸으나 후공정의 다이본딩 페이스트, 납땜 등 접합소재, 절연방열기판 수요가 줄어든 영향으로 파악되고 있다.
웨이퍼는 SiC가 호조를 나타냈고 GaO를 연구개발(R&D)용을 중심으로 투입됐으며 최근에는 봉지재와 본딩와이어 등 일부 부품에서 채용이 확대되며 수요가 증가하고 있다.
SiC 파워반도체는 2020년 4930억원에서 2030년 1조8590억원으로 3.8배 급성장할 것으로 예상된다. 자동차 전장 분야에서 DC(직류)-DC컨버터와 온보드 차저, 인버터 모듈 수요가 증가하고 있다.
현재는 테슬라(Tesla)가 주로 채용해 북미 수요비중이 가장 크며 앞으로 유럽 자동차기업의 채용이 확대되고 서버, 철도 차량, 에너지, 산업용 고내압 분야에서 수요가 증가하고 있다.
GaN 파워반도체는 2020년 220억원에서 2030년 1660억원으로 7.5배 성장할 것으로 예측된다.
아시아 지역에서 AC 어댑터용 수요가 꾸준하고 서버 전원 등 정보통신기기 탑재가 시작되고 있으며 데이터센터와 5G 기지국 이용이 본격화되는 가운데 2022년 이후에는 자동차 전장 분야에서 채용이 확대될 것이 확실시되고 있다.
현재는 중국이 시장의 절반 이상을 장악하고 있으나 전동자동차(xEV) 분야를 중심으로 유럽의 영향력이 확대되고 있다.
GaO 파워반도체는 2020년 시장이 매우 작았으나 2021년 20억원, 2030년에는 4650억원으로 성장하면서 GaN를 능가할 것으로 예상된다.
GaO는 SiC와 GaN보다 고내압‧저손실 등이 우수하며 코스트가 낮아 조기 실용화가 기대되고 있다. 일반 용도에서는 내압 600V 중내압 분야에서 채용이 시작됐고 그동안 과제가 됐던 신뢰도 향상이 진행된다면 2025년 이후 자동차 전장 분야에서 채용이 가능할 것으로 판단되고 있다.
쇼와덴코, SiC 기판 자체생산 추진
쇼와덴코(Showa Denko)는 반도체용 SiC 에피택셜 웨이퍼 사업에서 SiC 기판 생산부터 에피택셜 층 적층까지 일관체제를 구축해가고 있다.
현재는 에피택셜 층만 생산하고 있으나 기판까지 자체 생산함으로써 품질과 코스트 경쟁력을 모두 강화할 계획이다.
전력 제어에 사용하는 파워반도체 가운데 에너지 절감 성능이 뛰어난 SiC 파워기기는 전기자동차(EV) 등 다양한 용도에서 수요 증가가 기대되고 있다.
쇼와덴코는 수요기업에 대한 안정적인 공급을 강화하기 위해 SiC 기판을 수요에 맞추어 필요량만큼 확보할 수 있는 체제를 확립할 필요가 있다고 판단하고 있다.
SiC 파워반도체는 현재 주류를 이루고 있는 실리콘 반도체와 비교했을 때 고온, 고전압 환경에 대한 내구성이 뛰어나고 전력 변환효율이 높을 뿐만 아니라 기기 소형화 및 고효율화 등에도 도움이 되는 것으로 평가되고 있다.
태양광 발전설비용 파워컨디셔너(전력변환장치)와 철도 모터의 구동을 제어하는 인버터, 전기자동차 고속충전 스탠드용 컨버터 등 다양한 분야에서 채용이 확대되고 있다.
쇼와덴코는 SiC 기판에 SiC 층을 적층한 에피택셜 웨이퍼를 생산하고 있다.
에피택셜 웨이퍼의 특징을 좌우하는 질소를 균일하게 첨가하는 기술과 기기 수율에 영향을 미치는 저결함 밀도 분야에 강점을 갖추고 있으며 SiC 에피택셜 웨이퍼 판매기업 가운데 최대 메이저로 자리를 잡고 있다.
최근에는 SiC 에피택셜 웨이퍼 일관체제 구축을 위해 SiC 기판 개발을 추진하고 있다.
2018년 당시 신일철주금(Nippon Steel & Sumikin) 그룹으로부터 SiC 기판 관련 특허와 기술 노하우, 연구개발(R&D) 설비 등 관련 자산을 인수함으로써 기술 개발에 도전하기 시작했으며 현재 시장 투입 시기를 정하지 못했으나 상당 수준 개발한 것으로 파악되고 있다.
쇼와덴코는 선제적 차원에서 SiC 기판 개발에 나서고 있다.
SiC 기판은 대구경화가 진행되면서 현재 직경 6인치(약 150mm)가 주류를 이루고 있으며 1장의 기판에서 얻을 수 있는 칩 수가 늘어나며 생산성이 향상돼 더욱 고전압‧대전압에도 버틸 수 있는 대형 파워반도체가 요구되고 있다.
파워반도체에 결정결함이 있으면 기기로 사용이 불가능해 1평방센티미터당 결함밀도를 줄이는 것이 필수적으로 요구되고 있다. 결정결함은 기판에서 유래될 수 있어 결함밀도를 낮추기 위해서는 기판부터 고품질화해야 하는 것으로 파악된다.
품질‧가격 경쟁력 동시에 강화
쇼와덴코는 기판과 에피택셜 층의 결함밀도를 모두 낮추기 위한 기술을 개발함으로써 더욱 높은 품질을 달성하겠다는 목표를 세우고 있다.
쇼와덴코는 SiC 기판을 6인치 사양과 차세대제품인 8인치(약 200mm) 등 2종류로 개발하고 있다.
수요기업인 파워반도체 생산기업 입장에서는 SiC 에피택셜 웨이퍼 품질이 높아지면 기기 수율이 향상되고 코스트 경쟁력을 강화할 수 있다는 이점이 있다.
후지경제는 글로벌 SiC 파워반도체 시장이 2030년 1조8590억원으로 2020년에 비해 3.8배 확대될 것으로 예상하고 있다. 철도용과 데이터센터용 외에도 자동차 전장화를 통한 수요 증가가 예상되고 있기 때문이다.
쇼와덴코는 SiC 기판을 자체생산으로 전환한 이후에도 외부로부터 조달을 계속할 예정이지만 일부를 자체 생산함으로써 필요량을 확보할 수 있는 체제는 확립할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
쇼와덴코는 파워반도체 메이저인 독일 인피니온(Infineon Technologies)과 최근 SiC 에피택셜 웨이퍼 장기공급 계약을 체결했으며 다른 수요기업과도 SiC 기판과 에피택셜 웨이퍼 모두 장기공급 계약을 체결하는 비중이 확대되고 있다.
인피니온은 전기자동차 용도의 수요 증가를 기대하고 고품질 에피택셜 웨이퍼의 안정적인 공급처를 확보하기 위해 총력을 기울이고 있다.
쇼와덴코는 세계 시장점유율 20%를 차지하고 있는 인피니온의 파워반도체에 대한 채용실적을 거둠으로써 사업을 확대할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
쇼와덴코와 인피니온의 계약은 연구개발까지 포함하고 있어 기술력 향상에 도움이 될 것으로 예상되고 있다. SiC 에피택셜 웨이퍼는 수요기업 요청에 따라 개발하고 생산하는 특수제품이며 쇼와덴코는 인피니온의 의견을 신제품 개발에 반영함으로써 설계를 최적화할 수 있을 것으로 판단하고 있다.
쇼와덴코는 지치부(Chichibu) 사업장에서 SiC 에피택셜 웨이퍼 월 9000장 생산체제를 갖추고 있으나 시장 성장에 대응해 생산능력을 확대할 예정이며 현재 25% 수준인 시장점유율을 2025년에는 30%로 끌어올리는 것을 목표로 하고 있다.
SCC, 2025년 매출액 100억엔 목표
스미토모케미칼(SCC: Sumitormo Chemical)은 GaN 에피택셜 웨이퍼용 단결정 기판 사업을 확대하고 있다.
스미토모케미칼은 반도체용 실리콘의 물성 한계를 뛰어넘는 GaN 에피택셜 웨이퍼용 단결정 기판으로 5년 이내에 매출액 100억엔을 올리겠다고 선언했다.
앞으로 파워반도체 수요를 확보하면서 4인치(약 100밀리미터) 사이즈 기판의 판매량을 현재의 3배 이상으로 확대하고 6인치(약 150밀리미터) 사이즈 단결정 기판 개발에도 나섬으로써 차세대제품 양산을 위한 준비에 속도를 낼 계획이다.
중장기적으로는 100억엔대 설비투자도 실시할 방침이다.
GaN은 SiC와 같은 화합물 반도체의 일종으로 반도체 실리콘이나 SiC를 뛰어넘는 소재 물성을 갖추고 있으며 소형화하기 쉬운 것으로 알려졌다.
2014년에는 GaN을 고휘도 청색 LED(Light Emitting Diode)에 응용한 나카무라 슈지, 아카사키 이사무, 아마노 히로시 교수 등이 노벨물리학상을 수상한 바 있다. 
스미토모케미칼은 히타치금속(Hitachi Metals)으로부터 인수한 자회사 사이옥스(Sciocs)를 통해 단결정 기판 제조와 에피택셜 성장을 통한 성막 등을 실시하고 있으며 GaN 기판 분야에서도 GaN 에피택셜 성장을 실시하는 GaN on GaN에 강점을 갖추고 있다.
GaN 에피택셜 성장공정은 MOCVD(유기금속화학기상성장법)로 실시하는 사례가 대부분이지만, 사이옥스는 기판 결정 성장에 사용하는 HVPE(하이드라이드 기상성장법)를 드리프트 층까지를 대상으로 하는 에피택셜 성장에 활용함으로써 불순물 혼입을 막을 수 있는 기술을 보유하고 있다.
결정 성장 속도도 사이옥스 기술이 MOCVD보다 10배 빠른 것으로 알려졌다.
GaN 웨이퍼 성장에 4인치 기판 3배 확대
현재 주력제품은 반도체 레이저용 2인치 사이즈이며 영상 프로젝터 등에 사용하는 반도체 레이저는 출력 성능 조건에 맞추어 GaN on Gan을 주로 사용하고 있어 반도체 레이저용 GaN 에피택셜 웨이퍼 기판과 에피택셜 성장을 모두 실시할 수 있는 사이옥스가 높은 점유율을 장악하고 잇다.
앞으로 판매량을 3배 이상의 확대하는 것을 목표로 설정한 4인치는 파워반도체 용도를 겨냥하고 있다.
예전에도 스마트폰 충전기 분야에서 실리콘 기판에 GaN 에피택셜 성장을 실시한 기기가 사용된 바 있으나 앞으로 새로 등장할 GaN on GaN 파워기기 수요를 확보하겠다는 목표를 세우고 있다.
현재 기기 생산기업들이 양산을 위해 시험제작을 반복 실시하고 있어 2022년경 실용화가 가능할 것으로 예상하고 있다.
이후 대구경제품도 파워반도체용 수요 확보에 투입할 계획이다.
차세대 GaN 기기의 유력한 경쟁자로 떠오르고 있는 고내압 SiC에 대응하기 위해서는 SiC가 조그마한 결함에도 성능이 크게 좌우된다는 단점을 가지고 있는 반면 GaN은 다소의 결함이 있어도 정상적으로 동작해 수율 면에서 이점이 있다는 것을 강조하고 있다.
SiC는 결함에 대비해 사선가공 등을 실시해야 하지만 사이옥스의 GaN 에피택셜 웨이퍼는 파도 형태로 결정을 성장시키는 마스크리스 3차원 성장기술을 통해 결함을 억제할 수 있다.
사이옥스는 그동안 GaN의 결정 성장이 어렵기 때문에 불가피하게 다른 소재 기판이나 에피택셜 성장을 조합하는 용도가 주류를 이루었으나 앞으로는 기판과 에피택셜 성장에서 모두 GaN을 사용하게 될 것으로 기대하고 있다.
여기에 SiC는 기판 공급 등을 미국 크리(Cree) 등 해외의 소수 생산기업에게 의존해야 하는 반면, GaN는 스미토모케미칼 자회사인 사이옥스가 일본에서 직접 기판 제조부터 에피택셜 성장까지 모두 실시할 수 있다는 점을 강조하고 있다.
앞으로도 사이옥스가 이바라키현(Ibaraki) 히타치시(Hitachi) 공장에서 일관생산할 예정이며 추가로 생산능력을 확대할 때도 일본에서 설비투자를 진행할 것으로 알려졌다.
스미토모케미칼은 사이옥스의 GaN 관련 사업과 갈륨비소(GaAs) 반도체를 생산하는 미국 자회사 등 화합물 반도체 사업 전체에서 5년 안에 300억엔의 매출을 올리는 것을 목표로 하고 있다.
