본 고에서는 50년 가까이 사용되어 온 Si 파워디바이스가 성능 한계에 도달하였고, 플러그인하이브리드자동차 등 전기자동차, 전철, 재생에너지, 데이터센터 및 스마트그리드 용으로 고온작동, 대전력/고주파 전력변환용으로 개발되고 상업화가 시도되고 있는 와이드 갭 반도체인 SiC/GaN 등 차세대 파워 디바이스의 기술동향을 조사 분석한다.

전력은 발전으로부터 산업용 모터, 휴대형 전자기기 등에서 최종적으로 사용될 때까지 여러 단계의 전력변환과정을 거치면서 50% 가까운 전력을 소모하고 있다. 본 고에서는 차세대 전력변환소자인 SiC/GaN 파워반도체 디바이스의 개발동향을 기술하고 있다. 변환효율 85% 내외의 실리콘 반도체를 SiC/GaN 등 차세대 파워디바이스로 교체하면 전력변환효율을 95%로 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 소형경량화, 고내전압 고속 스위칭 및 고온 작동 특성 등을 활용할 수 있어 에너지소비를 크게 저감시킬 수 있어 지구온난화와 에너지자원 소비를 획기적으로 저감할 수 있게 된다. 반도체 기술에 패러다임 시프트가 일어나고 있는 것이다.

전력 에너지 흐름과 파워 일렉트로닉스/파워 디바이스             

전력은 발전으로부터 철도, 전기자동차, 휴대전화 등 디지털기기, 에어컨, 냉장고 등에서 소비될 때까지 전류를 교류로부터 직류로, 직류로부터 교류로 전환하면서 주파수를 변화, 전압을 낮추거나 높이는 등 4가지로 분류되는 전력변환을 거친다. 이 과정에 사용되고 있는 기술이 파워 일렉트로닉스 기술이고 여기에 사용되는 소자가 파워 일렉트로닉스 디바이스(전력변환소자)이다.
그림 1은 전력의 흐름을 전력변환 단계별로 구분하여 파워 일렉트로닉스의 적용영역을 나타낸 것이다.



이 과정에서 최대 50%정도의 전력손실이 발생하고 있다. 지구 온난화저감을 위하여 전력에너지의 효율적 사용과 CO2를 배출하지 않는 전력시스템(태양광발전, 배터리전기자동차 등)에의 사회적 요청이 커지고 있다. 발전으로부터 소비까지의 전력흐름 가운데서 전력변환기술이 미치는 역할은 매우 커서 이를 대상으로 한 파워 일렉트로닉스의 혁신이 필수적이다.
파워 일렉트로닉스의 열쇠가 되는 것이 파워 디바이스이고 파워 디바이스는 전력을 변환하기 위하여 전력을 효율적으로 제어하는 반도체 디바이스이다. 1960년대에 정류다이오드, 사이리스터 등이 상용화되고 1980년대 후반에 Si-IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 개발된 후에는 이를 적용한 인버터의 보급으로 전력이용 효율이 크게 향상되었다. 50년 가까이 디바이스 구조는 발전되어 왔으나 반도체 재료는 일관되게 실리콘(Si)이 사용되어 왔다.
고 내압, 고 전류, 고온 작동, 고주파수 용 파워디바이스에의 시장요구와 통전/스위칭시의 에너지소비를 저감할 수 있을 것으로 기대되는 새로운 반도체 소자에의 요구가 탄화규소(SiC: Silicon Carbide)와 질화갈륨(GaN: Gallium Nitride) 등의 차세대 와이드 갭 반도체소자의 개발을 활발하게 만들었다.

차세대 파워디바이스 SiC/GaN           

Si를 대체할 것으로 기대되어 개발되고 있는 것이 SiC과 GaN 및 다이아몬드 등 와이드 밴드 갭(WBG:wide band gap, 금지대 폭) 반도체이다. 이들은 Si와 비교하여 결정격자가 조밀하여 밴드 갭이 약 3배, 절연파괴전계가 약 10배, 전자포화속도가 약 2배, 열전도가 약 3배가 되는 등 파워디바이스로서는 빼어난 물성치를 가지고 있다. 이들의 대표격인 SiC/GaN 반도체를 사용한 파워 디바이스는 파워 일렉트로닉스기술에 몇 10년에 한 번 일어나는 커다란 변혁(paradigm shift)을 가져오고 있다. 현재까지의 Si를 사용한 Si 파워 디바이스를 사용한 파워일렉트로닉스를 제1세대라 하고 SiC 등을 적용하는 파워일렉트로닉스를 차세대(제2세대) 파워일렉트로닉스라고 부른다.
Yano경제연구소는 2011년 전체 파워디바이스의 세계 시장규모를 156억 7,000만$으로 시산하고, 에어컨, 산업용 모터 용 인버터 등의 신흥국에서의 보급이 확대되면서 2017년에는 261억 2,000만$로 성장할 것으로 전망한다. 이들의 도입으로 전력변환 효율이 70%정도 향상되어 에너지소비를 저감시켜 지구온난화를 완화시켜줄 것으로 기대되기 때문이다.





그림 2는 10kV 인버터회로에 사용되는 다이오드와 스위칭 디바이스의 소재로 Si를 사용하였을 때와 SiC를 사용하였을 경우의 전력손실량을 실험적으로 측정하여 나타낸 것이다. 한 쌍의 Si 다이오드와 IGBT스위칭 디바이스, SiC 다이오드와 Si 스위칭 하이브리드, 전압을 얻기 위하여 직렬로 연결한 경우의 All-Si, Si다이오드와 SiC 하이브리드, All-SiC의 경우를 비교하고 있다. 30kW의 손실이 5kW의 손실로 저감되고 있음을 증명했다.

그림 3과 그림 4는 일본에 SiC 차세대 파워 디바이스와 파워 일렉트로닉스가 기술개발 단계별로 도입되었을 경우의 전력에너지 소비 저감효과를 나타낸 것이다. 일본에서만 2030년까지 100만 kWe 원자력발전소 6기의 도입효과와 같은 것으로 전망한다.

Kyoto대학의 Prof. H. Matsunami의 1987년의 ‘Step제어 Epitaxial 경정성장’과 1993~1995년에 걸친 ‘1.75kV내압 Schottky 다이오드’의 개발로 열려진 실용화의 길은 1991년의 CREE의 SiC 결정시판과 2001년의 Infineon에 SBD(Schottky Barrier Diode)의 시판으로 이어지고 2010년 Rohm의 Double-Trench MOSFET의 개발로 본격적인 산업화개발경쟁시대로 돌입했다.
SiC Schottky Barrier Diode(SBD)는 2001의 Infineon의 시판이 후, 미국의 CREE, SemiSouth, 이태리/프랑스의 STMicro, 일본의 Rohm, 신일본무선 등이 내압 600~1.200V에서 1A급에서 50A 급을 시판하고 있다.
스위칭 디바이스로는 pn접합의 활용으로 게이트산화막 신뢰성에 우려가 없는 JFET(Junction Field Effect Transistor : 접합형 전계효과트랜지스터)가 Infineon, SemiSouth로부터 시판되고 있으나 normally-on 작동 디바이스기 때문에 전기회로측면에서의 과제가 본격적인 실용화에 어려움을 겪고 있다.
큰 기대가 모아지고 있는 normally-off(E-mode: Enhancementmode) 스위칭 디바이스인 SiC MOSFET(Metal Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor : 금속-산화물 반도체 전계효과 트랜지스터)는 반전층의 이동도향상과 산화막의 장기안전성이 과제로 남아 이의 극복을 위한 개발경쟁이 치열하게 전개되고 있다. 일본의 Rohm이 Double Trench구조의 MOSFET를 개발하여 소면적, 고효율, 대전류의 가능성 면에서 한 발 앞서 가는 양상을 보인다.
스위칭디바이스의 신뢰성과 성능대비 가격이 실용화 요건을 충족시키지 못하여 도입이 지지부진하였으나 Rohm의 성과로 신뢰성이 확보되어 SiC-SBD와 SiC-MOSFET를 탑재한 본격적인 파워모듈이 출시됨에 따라 SiC 파워디바이스시대가 열렸다고 할 수 있다.
GaN 디바이스분야에서는 UCSB출신의 벤처기업 Tranphorm의 것이 2013년도 WEF(World Economics Forum)가 선정한 Technology Pioneer의 하나로 선정됨에 따라 E-Mode 스위칭의 실용화 시대에 도입했다고 볼 수 있다. 또한 이들은 GaN 디바이스를 사용한 파워모듈도 발표하고 있다.
본 고에서는 50년 가까이 사용되어 온 Si 파워디바이스가 성능 한계에 도달하였고, 플러그인하이브리드자동차 등 전기자동차, 전철, 재생에너지, 데이터센터 및 스마트그리드 용으로 고온작동, 대전력/고주파 전력변환용으로 개발되고 상업화가 시도되고 있는 와이드 갭 반도체인 SiC/GaN 등 차세대 파워 디바이스의 기술동향을 조사 분석한다. 또한 SiC/GaN 파세대 파워디바이스개발이 Kyoto대학⇒CREE/Infineon⇒Rohm 등 일본 기업의 catch-up과 UCSB/Transphorm 등으로 이어져 온 실용화, Si와 SiC/GaN의 반도체 특성과 이들을 도입한 파워모듈 및 파워시스템의 실용화가 향상시킬 에너지변환효율, 산업화를 위한 value chain과 value chain별 top-runner를 조사하여 상업화동향을 분석한다. 아울러 최근의 학술연구동향을 소개한다.
파워 디바이스분야의 시장점유율 50%이상을 지배하고 있는 일본의 반도체 산업기술이 그들의 소재산업과 초미세 가공기술이 필수적인 파워일렉트로닉스의 특성을 살려 차세대 파워 일렉트로닉스 분야에서도 유지해 가려고 하는 일본은 DRAM, 스마트 폰, TV 등에서 한국, Taiwan 등에 뒤진 쓰라린 경험을 파워 일렉트로닉스분야에서는 되풀이 하지 않겠다는 각오를 읽을 수 있다.
차세대 파워디바이스는 21세기 먹거리 산업이면서 에너지소비 저감, 환경친화형자동차의 핵심소재이면서 전력계통 전반에 영향을 미치는 핵심기술이다.

기술의 개요                                 

Si와 차세대 SiC/GaN 등 와이드 갭 반도체
물성특성비교 및 특성개선         
표 1에서는 Si와 차세대 파워반도체인 4H-SiC와 GaN의 물성 비교표이다. 대표적인 차세대 파워 반도체인 SiC와 Si와의 파워 디바이스의 성능차이는 다음과 같이 설명될 수 있다.



절연파괴전계가 한 자리 수 크기 때문에 Si대비 두께를 1/10으로 줄일 수 있다. 디바이스 동작시 발생하는 열은 디바이스 활성영역의 고유 on저항에 비례한다. 한쪽 pn 단계접합1에서의 간단한 해석으로부터 고유 on 저항은 절연파괴전계의 3승에 반비례하기 때문에 SiC는 Si와 비교하여 2~3자리 수 작게 된다.
SiC의 금지대폭은 Si의 약 3배이다. 파워디바이스를 사용할 때 발생하는 열로 고온이 되어도 진성커리어의 발생이 매우 작아 특성변화가 작다. 실온과 동등한 동작특성을 기대할 수 있다. 전류밀도도 크게 할 수 있어 작은 디바이스 면적으로도 충분하여 전체를 소형화할 수 있다.
실리콘의 밴드 갭은 1.1eV로 작기 때문에 열적으로 여기 된 커리어수가 불순물농도에 대하여 무시할 수 없을 정도로 커진다. 즉 p형, n형의 구별이 되지 않는 상태가 되어 디바이스로서의 성능을 상실한다. 이와는 대조적으로 와이드밴드 갭 반도체 디바이스는 밴드 갭이 넓어 비교적 고온에서도 커리어 수의 증가가 없어 디바이스로서의 기능을 상실하지 않는다. 그림 5는 Si와 SiC DMOS(Doble Diffusion Metal Oxide Semiconductor)의 고온 시 off-leak 특성이다. Si의 경우 150℃와 175℃의 off-leak가 발생하고 있으나 밴드 갭이 3.3eV인 SiC의 경우 200℃ 이상에서도 off-leak가 발생하고 있지 않다. 열적으로 생성되는 커리어 수가 작기 때문이다.



on 저항, 스위칭 에너지손실 등에 의하여 발생하는 열도 실리콘에 비하여 작고 열전도율이 커 열 발산이 용이하여 디바이스의 온도상승이 실리콘 디바이스와 비교하여 작아진다. 내압이 크고 전류밀도를 크게 할 수 있어 소형화가 가능하여 이것 또한 열 발산을 용이하게 하여 냉각시스템의 소형화를 가능하게 한다. 고주파화로 피동적 요소인 리악토르와 컨덴서를 소형화할 수 있어 시스템을 소형화 할 수 있다. 이러한 특성들은 하이브리드 자동차/배터리 전기자동차 등 제한된 공간의 고온 환경 하에서 작동해야 하는 인버터 등에 매우 유리하다. Denso/Toyota/Toyota 중앙연구소 등이 협력하여 적극적으로 개발하는 이유이다.
다수 커리어 디바이스인 SBD와 MOSFET에서는 전류를 운반하는 커리어는 전자 또는 정공이다. 스위칭 시에 문제가 되는 스위치 off 시간은 디바이스의 공격층 용량에 축적되는 커리어의 방출시간이 된다. 현행 Si 디바이스의 핵심인 Si-IGBT는 소수 커리어 디바이스이기 때문에 스위치 off 시간은 on 시에 주입된 소수 커리어가 소멸할 때까지의 긴 시간이 된다. 또한 디바이스보호를 위하여 스위치 on/off 시의 급격한 전압변동을 흡수하기 위하여 리악토르(코일)와 스너버(저항과 용량)를 필요로 한다. 이들 주변 부품에 의한 전력 손실도 크다. 그림 6은 SiC SBD와 SiC MOSFET의 구조 개념도이다.



그림 7은 스위치 off 시의 소멸시간 비교도이다. 스위치-off시의 tail 전류가 Si-IGBT의 경우 비하여 SiC DMOSFET(Double-Diffusion Metal-Oxide Field Effect Transistor, 이중확산 금속-산화물 전계효과트랜지스터)에서는 최대 스위칭로스가 최대 90% 삭감되는 것을 보여주고 있다. 또한 on저항의 온도특성을 살피면 SiC DMOSFET에서는 온도의존성을 보이지 않고 고온에서도 on-저항이 매우 낮음을 볼 수 있다.

2010년에 Rohm이 양산을 개시한 SiC DMOSFET는 내압 600V에서 on-저항이 0.4Ω으로 같은 내압, 같은 칩 크기의 Si DMOSFET와 비교하여 1/10이하의 저 on-저항을 실현했다. 스위칭시간은 Si 디바이스가운데 on-저항이 상대적으로 낮은 Si-IGBT와 비교하여 약 1/5로 단축하여 실리콘 디바이스에서는 실현할 수 없었던 고속스위칭과 저 on-저항을 실현했다.
그림 8은 디바이스 특성차이를 고려하여 가상적인 Si-MOSFET와 이상적인 SiC-MOSFET에서의 특성을 비교한 것이다. SiC의 열전도율은 금속의 구리(Cu)와 같은 크기의 열전도율을 갖기 때문에 열 방산이 커, SiC 파워디바이스에서는 기기의 냉각이 공냉으로 충분하여 간소화 소형화 할 수 있다.

현재 사용되고 있는 Schottky Diode, 파워트랜지스터, 사이리스터, GTO(Gate Turn Off 사이리스터), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), 파워MOSFET 등 파워 디바이스의 대부분은 Si(일부 GaAs)디바이스이고, 보다 혁신적이고 저손실을 실현하기 위해서는 SiC, GaN 등의 와이드 갭 반도체를 사용한 디바이스가 기대되고 있다. SiC는 밴드 갭이 Si의 2~3배이다. 이 때문에 절연파괴전계가 한자리 수만큼 크고, 포화전자속도는 2배, 열전도는 3배 크기 때문에 통전상태에서의 저항 값이 Si 디바이스보다 2자리 수만큼 낮아질 것으로 예상된다.
작동온도 상한이 500~600℃로 높고 열전도도가 높기 때문에 전열면적이 적어도 냉각이 용이하다. SiC는 하이브리드자동차, 연료전지 자동차 및 배터리 전기자동차 등에서 사용되고 있는 인버터를 소형화·저손실화 할 수 있다. 송배전용이나 분산전원용의 전력소자로 SiC를 적용할 수 있게 되면 전력변환시의 손실을 크게 저감할 수 있게 된다.
에너지 절약과 환경부하저감을 위하여 스마트 그리드구축에 논의가 활발하다. 교류 6,6000V 등이 사용되고 있는 송배전용으로는 초고압 디바이스가 필요하게 된다. 이를 위하여 충분한 두께를 필요로 하고 전도도 변조를 이용한 저 on 저항을 실현하기 위하여 바이폴라 디바이스인 SiC IGBT의 개발이 필요하게 된다.
현재 1200V클래스의 파워 모듈에는 Si IGBT와 FED(Fast Recovery Diode)으로 이루어 진 조립품이 널리 사용되고 있다. Rohm은 2012,3월 하순부터 100kHz이상의 고주파구동을 가능하게 하는 SiC-MOSFET와 Si-SBD를 조합한 1200V/120A의 Full SiC 모듈을 개발하여 양산출하 했다.
태양광발전 power conditioner, 산업기기, server, air-con 용 등에서 많은 저 부하상태에서의 효율개선이 요구되고 있었다. 이는 순방향전압을 저감하면 역방향 leak전류가 커지는 어려움이 있어 이의 실현이 어려웠다. 이를 프로세스와 디바이스 구조 개선으로 극복하여 순방향전압을 1.35V로 낮춘 SiC SBD를 양산 시판한다.

SiC/GaN 등 와이드갭 반도체 파워디바이스와 응용분야별 요구성능   
응용분야별 요구성능(출력성능, 주파수성능, 전력변환율)        
그림 9는 응용분야별 요구 성능을 저 손실, 고내압, 고온작동, 고 파괴내량, 고속 동작 및 대 전류의 SiC의 물성한계를 반경으로 하였음을 표시한 6축 좌표에 Si 물성한계를 나타낸 것이다. 여기에는 Si-Super junction 및 Si-IGBT 등 미세가공으로 Si의 물성한계를 넘는 디바이스가 개발되기 시작했다.
각각의 응용분야에 대응한 고유의 디바이스개발이 필요함을 보여주고 있다(ASPD:Application Specific Power Device). 그림 10은 자동차 분야에서의 요구별 성능과 특성을 비교한 것이다.

SiC/GaN 등 와이드갭 반도체 파워디바이스의 시장전망      
SiC 파워반도체 시장전망       
Yole Development는 하이브리드자동차 및 전기자동차 등 환경친화형 자동차의 전력화, 태양광발전 및 풍력발전 등의 분산 전원시스템, 가전 및 산업기기에서의 모터용 인버터 등 SiC 파워 디바이스시장을 견인하는 2015년경에는 8억$의 시장으로 성장할 것으로 예측하고 있다. 그림 11은 Yole의 자료를 기초로 Rohm이 작성한 SiC파워디바이스의 용도별 시장전망이다.

Si이 주도하고 있는 파워 디바이스 시장에서 SiC디바이스의 시장 진입율을 연도별로 표시한 Yole의 전망치이다. 2012년에 0.5%인 것이 2020년에는 4.0%를 초과할 것으로 전망된다.
Tsukuba Power Electronics Constellation에서는 SiC시장은 개발이 순조로우면 5년 후에는 600~700억 엔 정도로 확대될 것이 라는 예측도 있고 한국, Taiwan 및 중국 등 신흥국이 가격경쟁력을 앞세워 진출할 수도 있다는 것을 염두에 두어야 한다고 경고한다.
파워 일렉트로닉스 전체의 시장규모는 약 6조 엔으로 산업, 가전, 분산전원, 자동차, 전철, IT 기기 등 광범위하게 적용되고 있다. 이들 시장에서는 녹색 파워 일렉트로닉스의 특징인 저손실화, 소형화, 고속화, 고온작동대응에의 기대가 크다. 녹색 파워 일렉트로닉스 분야는 금후 CO2 삭감대책 등에 수반하여 시장규모가 증가할 것으로 예상된다.
2050년에 녹색 파워 일렉트로닉스가 공헌할 수 있는 내압이 수 100V이상의 디바이스 시장에서 약 10조JPN으로 현재의 약 10배로 증가할 것으로 추정되고 있다.

이것이 널리 보급되었을 경우의 에너지 절약효과는 범용 인버터의 보급효과까지 포함한 추정으로는 2030년에 원유 환산으로 약 5,3000만kL에 이른다. CO2환산으로 8,300만톤으로 시산된다.

GaN 파워반도체 시장전망           
Yole Development가 전망하는 GaN 반도체시장은 2011년에는 250만$을 밑돌았으나 2012년에는 1,000만$규모, 2016년에는 5억$로 성장할 것으로 전망했다. International Rectifier와 Efficient Power Conversion의 2개 기업이 주도하여 1,000만$을 밑돌 것이나, 2013년에는 다수의 GaN파워디바이스메이커가 평가단계를 거쳐 양산으로 이행하는 기간이 되어 시장규모는 5,000만$에 도달 할 것으로 본다.
2015년에는 12~15 개 기업 전체로 150㎜ 웨이퍼 소비량이 10만 매에 달하여 내압 600V의 GaN파워디바이스가 보급됨에 따라 새로운 시장이 개척될 것으로 전망하고 2016년에 5억$로 성장할 것으로 본 것이다. 2016년 이후에는 전기자동차 시장에서의 GaN에 대한 평가의 확립으로 10억$규모로 성장할 가능성이 있는 것으로 본다. 이는 완성차 메이커가 SiC 및 GaN 가운데 어느 것을 선정하는가, 그 시기는 언제인가에 따라 시장은 크게 움직일 것으로 전망한다.