SiC 중심 질화·산화갈륨 시장 급성장 … TG, 칩화 기술개발 착수

파워반도체 시장이 2030년 50조원에 달할 것으로 예상되는 가운데 질화갈륨(GaN)을 중심으로 기술 개발이 가속화되고 있다.
후지경제(Fuji Keizai)에 따르면, 글로벌 파워반도체 시장은 2030년 5조3587억엔으로 2021년에 비해 2.6배 성장할 것으로 예상된다. 차세대 파워반도체도 2030년 1조엔에 달할 전망이다.
실용화가 진행되고 있는 탄화규소(SiC) 파워반도체 채용이 증가하고 있고 질화갈륨 파워반도체나 산화갈륨 파워반도체 시장이 형성되고 있기 때문이다.
2021년에는 전체 파워반도체 시장이 전년대비 20.7% 성장했다.
비대면 수요가 이어졌고 백색가전을 중심으로 일반기기 분야 수요가 회복됐을 뿐만 아니라 산업분야 설비투자 활성화, 5G(5세대 이동통신) 관련 정보통신기기 호조 등이 성장을 견인했다.
중국, 유럽의 자동차 및 전장 분야와 에너지 분야 수요 증가도 영향을 미쳤다.
2022년에는 글로벌 시장이 11.8% 성장할 것으로 예상되나 부재 공급부족으로 성장속도가 다소 둔화될 가능성이 제기되고 있다.
실장이 진행되고 있는 SiC 파워반도체는 글로벌 시장이 2022년 1206억엔으로 59.5% 성장하고 2030년에는 9694억엔으로 12.8배 급성장할 것으로 예상된다.
전력 효율화 목적으로 서버전원 등 정보통신 분야나 태양광발전을 포함한 에너지 분야에서 수요가 증가하고 있고 전동차, 충전 인프라 보급으로 자동차‧전장 분야 수요가 발생하는 등 신규 어플리케이션 개발이 기대되고 있다.
파워반도체 기술 개발도 속도를 내고 있다.
일본 TGC(Toyoda Gosei)는 GaN 파워반도체 개발을 가속화하고 있다.
2022년 4월 시작한 환경성 프로젝트에서 칩화(소자화) 기술이 담당영역으로 추가됐고 2021년 완료한 환경성 프로젝트에서 확립한 나트륨 플랙스법, 포인트 시드법으로 150mm(6인치) 이상 기판 제작기술의 생산성 향상에 착수했다.
대전력과 고속동작을 모두 갖출 수 있는 종형 파워반도체용 GaN 칩을 실현해 2024년부터 샘플 공급에 나서고 협업 파트너와 함께 사업모델을 구축해나갈 예정이다.
파워반도체는 산업기기, 자동차, 가전 등의 전력 제어에 사용되며 GaN 파워반도체는 현재 주류를 이루고 있는 실리콘(Silicone)계나 차세대제품으로 기대되는 탄화규소(SiC)보다 넓은 밴드갭을 갖춘 것이 특징으로 뛰어난 스위칭성을 실현할 수 있다.
On/Off 변환 시 손실(발열)을 저감할 수 있다는 점에서 재생에너지나 전동자동차의 전력 손실을 저감 가능한 파워반도체로 주목받고 있다.
다만, 생산성이 낮고 코스트는 높은 단점이 있다.
GaN은 융점이 섭씨 2500도로 실리콘보다 1000도 이상 높아 실리콘 기판처럼 용융해 종결정을 제작(단결정화)하기 위해서는 초고압‧고온 프로세스가 필요해 기존 생산설비에서는 상업 생산하기 어려운 것으로 파악되고 있다.
또 청색 LED(Light Emitting Diode)용 GaN 반도체에 사용되는 기상성장법(MOCVD)은 전위(원자 배열이 선형으로 흐트러져 있는 결함)가 대량으로 발생하는 문제가 있어 LED용과 달리 대전류 대응이 필요한 GaN 파워반도체는 전위를 최소화할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
TGC는 오사카(Osaka)대학과 공동으로 미세가공으로 사파이어 기판 위에 GaN 극소 종결정을 분산 배치하는 포인트 시드법과 800도/수십기압 질소환경에서 액체 나트륨에 수백회 침전을 반복하는 나트륨 플랙스법 등의 새로운 기판 성장법을 개발했다.
미와(Miwa)기술센터에 설치한 GaN 결정 육성장치를 사용해 150mm 이상의 대구경화에 성공했으며 오사카대학이 제작한 2인치 결정의 전위밀도가 10의 4승평방센티미터대에 달하기 때문에 결정을 이용해 제작한 2인치 기판을 칩으로 평가한 결과 고품질화로 성능을 개선할 수 있음을 확인했다.
신규 프로젝트는 파나소닉(Panasonic), 나고야(Nagoya)대학과 공동으로 진행하며 전기자동차(EV)용 인버터 등을 대상으로 실증실험을 진행할 예정이다.
150mm 기판은 기존 50mm(2인치) 대비 16배에 달하는 800개의 칩을 필요로 해 GaN 기판의 고품질‧대면적‧저코스트화를 조기에 확립함으로써 시장을 개척하고 협업 파트너 탐색에 나설 계획이다. (K)