최근 전 세계적으로 AI, 5G 등 디지털 뉴딜과 전기차, 신재생 등 그린 뉴딜에 대한 관심이 증폭됨에 따라 차세대 전력반도체가 급부상하고 있다. 전력반도체는 전력의 변환, 변압, 안정, 분배, 제어 등 전 과정을 처리하는 핵심 부품이며, 전자기기의 디지털화 및 다기능화, 전기차 배터리, 신재생 에너지 발전 등에 필수적인 요소로써 그 수요가 급격히 증가하고 있다.
기존의 전력반도체인 실리콘(Si)에 비해, 차세대 전력반도체로써 주목받고 있는 실리콘 카바이드(SiC), 질화갈륨(GaN)는 아래의 표와 같이 넓은 밴드갭과 우수한 소재 특성 덕분에 고온 및 고전압에서 사용할 수 있고 전력 변환의 효율이 우수하며 고속 동작이 가능하다.
이러한 우수한 물성을 바탕으로 전력반도체 시장이 2023년 약 530억 달러 시장으로 성장할 것으로 전망되는 가운데, 전기차, 전력기기 등에서 전력반도체 수요 증가 및 전비 향상, 효율 향상 등의 요구로 SiC, GaN 등의 차세대 전력반도체 물질인 화합물 반도체의 수요가 급증할 것으로 전망된다.
글로벌 시장조사기관 Market and Market에서 조사한 SiC 전력반도체 시장조사 보고서에 의하면 자동차 산업 부문에서 글로벌 SiC 전력반도체 시장 규모는 2018~2020년 사이에 연평균 47.3% 성장했고 2021~2026년 예측 기간 동안 연평균 29%로 다른 부문보다 월등한 비율로 성장할 것으로 전망된다.
특히 SiC전력반도체의 구체적 사용처로 EV 모터 드라이브 부문은 2021~2026년 예측 기간 동안 시장 규모가 무려 연평균 40% 성장할 것으로 예상돼 SiC 반도체의 시장 전망을 밝게 하고 있다. GaN 반도체 장치 시장은 구체적인 사용처에 따라 전원 드라이브, 전원 공급 장치 및 인버터, 무선 주파수(RF), 조명 및 레이저로 나눌 수 있다.
시장조사기관 Market and Market에서 2021년 발행한 GaN 반도체 시장 보고서에 의하면 글로벌 GaN 반도체 장치 시장은 급성장할 것으로 예측하며, 특히 전원 드라이브 분야는 무려 연평균 122.5%의 성장률을 보일 것으로 전망된다.
미국, 중국, 일본 등 글로벌 주요 국가에서는 차세대 전력반도체에 대한 선제적인 지원 정책을 추진 중이다. 미국은 에너지부를 통해 와이드밴드갭(WBG) 반도체를 개발하는 ‘파워 아메리카(Power America)’ 사업을 출범 및 추진 중이며, 중국은 2021년 양회에서 3세대 반도체(화합물 반도체)를 ‘7대 첨단 과학기술’에 포함시켜 자립화한다는 계획을 발표하였고, 일본은 전략적 이노베이션 창조 프로그램의 일환으로 ‘차세대 파워 일렉트로닉스 사업’을 개시하여 WBS 기반 웨이퍼 소재, 전력반도체 소자, 모듈 및 응용기술 개발을 추진하고 있다.
대한민국 정부는 전력반도체 기술력 제고를 위해 2017년부터 지금까지 총 830억 원 규모의 ‘파워반도체 상용화 사업’을 추진중이며, 이와 함께 전력반도체 신뢰성 평가 인증센터, 차세대 전력반도체 소자 제조 전문 인력 양성 등 성장 기반을 지원하고 있다. 하지만, 기술력 부족과 해외 기업의 특허 선점 등으로 인해 수요의 90% 이상을 수입에 의존하여 기술 자립의 필요성이 요구되고 있다. 특히, 주요국들은 군사용으로 활용될 수 있는 화합물 반도체 소재 기술을 국가에서 엄격하게 관리하기 때문에 국내 밸류 체인 확보의 필요성이 더욱 커지고 있다.
아래 표와 그림과 같이 차세대 전력반도체는 소재에 따라서 활용되는 분야 및 환경이 다르다. SiC 전력반도체의 경우 고전압, 고효율의 특성을 가지고 있으며, 이러한 특성을 기반으로 모터 드라이브, 고전압 및 대전류 응용 분야에 이점이 있다.
특히, 기존의 Si 장치보다 더 높은 항복 전압과 동시에 낮은 손실을 가진 장치를 구현할 수 있어 전력망 장치, AC 전송 시스템, 고직류 시스템, 전원 공급 장치 및 인버터, RF 장치 및 셀룰러 기지국, 조명 제어 시스템, EV 모터 드라이브, EV 충전소, 풍력 터빈, 태양광 발전 시스템 등 다방면에서 그 활용도가 커지고 있다.
SiC 전력반도체 소자는 그 활용 용도에 따라서 다이오드(diode), MOSFETs, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 (IGBT) 등으로 나뉠 수 있다. 이 중 그림 2와 같이 SiC MOSFET은 구조적으로 planar 형태에서부터 superjunction 구조까지 개발될 것으로 전망된다. 현재 선진국에서 planar 형태는 제품화까지 완료되었으며, trench MOSFET과 superjunction MOSFET의 제품화를 위한 연구 개발이 진행 중이다.
GaN의 경우 현재 상용화가 진행되고 있는 구조가 GaN-on-Si으로써 기존의 Si 반도체와의 호환성이 우수하여 공정이 용이하고 고속 동작과 소형화가 가능하기 때문에 고속 충전시스템, 자동차의 라이다, 통신 분야 등에 사용된다. GaN은 SiC보다 훨씬 안정적인 결합 구조와 더 높은 절연 파괴 전계 강도를 가지고 있어 전원 공급 장비 및 소형/고주파 응용 분야에 장점을 가진다. SiC 반도체보다 항복 전압은 다소 낮지만, 높은 포화 속도(Saturation velocity) 덕분에 고주파 응용 분야에 적합하다. 향후 GaN 소자는 1kW 이하의 전원 공급 장치에 적용될 것으로 예상된다.
GaN 전력반도체 소자는 AlGaN/GaN 이종접합 구조 형성 시 생성되는 이차원 전자가스층(2DEG)으로 인해 normally-off 동작을 위한 P-GaN gate, monolithic integration, AlGaN 장벽층 식각 등의 기술이 요구된다.
업계의 전력반도체 시장에 대한 관심이 커져가는 가운데, 특히 SiC, GaN 기반 전력반도체가 가지고 있는 신뢰성, 안정성 등을 더욱 높인 우수한 제품에 대한 시장의 요구는 나날히 커질 것으로 보인다. LX세미콘이 앞으로 전력반도체 시장에서도 큰 걸음을 내딛는 기업이 될 것으로 기대한다.
