[경제][산업] 화합물 반도체

반도체 / 비메모리 / 반도체 소자 / 소재/ 차세대 / 다음세대 신소재

화합물 반도체

’화합물 반도체’는 2 종류 이상의 원소로 구성되어 있는 반도체
대표적인 화합물 반도체는 SiC, GaN, GaAs 등이 있다.
근시일내 폭발적 성장을 나타낼 것으로 확실시 되는건 GaN(질화갈륨)과 SiC(실리콘 카바이드)
원소의 조합을 목적에 따라 변화 –> 특화성이 있는 반도체를 제조 가능
화합물 반도체의 주된 어플리케이션
- 시스템 반도체
- 개별 소자
- 광 소자
화합물 반도체 시장 기술 성숙도도 ’시스템 반도체 점유율’과 비슷하다.(me: 아무래도 많이 사용하는 쪽이 기술수준이 높다.)
시스템 반도체 점유율
- 미국 58.1%
- 일본 18.5%
- 한국 5.1% 수준
화합물 반도체가 폭넓게 사용된 시장은 방위산업 분야 였지만 5G 통신망 확대, 전기차 시장 성장, 신재생 에너지 생산시설 확대로 보편적사용이 가시화되고 있음
- 5G 통신망
- 전기차 시장
- 신재생 에너지 생산시설

단원소 반도체

Si(실리콘), Ge(게르마늄)과 같은 ’단원소 반도체’와 구분된다. 이 단원소 반도체가 우리가 흔히 부르는 반도체이다.
반도체 공정 선폭이 10나노 미만에 다다르며
--> 생산공정의 어려움
--> Si의 물성 한계에 따른 근본적 문제점이 부각

10나노 이하의 극미세 공정 - 트랜지스터 크기를 미세화 –> 소자 간 간격이 좁아져(좁은 선폭) –> 저항이 증가 –> 메탈 저항(RC delay)이 커진다. –> 발열 문제가 발생

RC Delay 란?

RC = Resistivity * Capacity. 두 수를 곱하면 시간의 단위가 되는데 이를 time constant라고하며, R,C로인한 Delay가 일어나는 정도를 표현함. RC Delay는 미세공정에서 필연적으로 커질 수 밖에 없음. 따라서 Resistivity, Permittivity를 낮추기 위해 Al –> Cu / SiO2 –> Low K

누설전류 –> 발열현상

인텔은 그래서 HKMG 구조를 이용(ref. 4)

화합물 반도체 소재

화합물 반도체 소재는 다양하다.( GaAs, InP, GaN, ZnO, SiC, SiGe, GeSbTe 등)
각각이 특유한 전기적 특성을 보유한다.
실리콘 보다 전자 이동 속도가 5 ~ 10배 이상 빠르다. –> 전자이동속도가 빠르면 전력 소모량이 적다. –> 실리콘 보다 전력 소모량이 10배이상 적다.

대체로 다음 4가지 특성이 있다.

High Speed
High Voltage
high Frequency
High T℃ application

GaN - 전력 변환 장치 사용에 용이(RF 장비 및 가전) - 빠른 스위칭 속도와 - 밴드갭이 Si 대비 3배가 높다. SiC - 전기차 및 전력 변환 장치 사용에 용이 - 고전압과 고내열성을 보유 - 밴드갭이 Si 대비 3배가 높다.

이미 GaN, SiC는 8인치 웨이퍼 상용화 단계에 돌입

글로벌 자동차 반도체 전문 기업들
전력반도체 전문 업체들

극내 기업은 글로벌 리딩 기업과의 기술 격차 존재

국내 기업들은 이제 4인치 웨이퍼 상용화를 끝냄
6인치에 도전중

향후 가장 빠르게 성장할 것으로 예상되는 전기차 시장과 RF시장

생산 능력

전세계 804개의 전력 및 화합물 반도체 생산시설(SEMI, 2019년 기준)
- 이 생산시설 CAPA는 200mm(8인치) 웨이퍼 기준 ‘월 800만장’
2024년에는 약 38개의 신규 생산시설이 추가로 운영을 시작예정
- +20%의 생산량이 증가한 ’월 960만장’이 될 것으로 전망
각국은 공격적 투자를 이어갈 듯
- 향후 전기차, 5G 시대 주도권 확보를 위해서
  --> 전력 및 화합물 반도체 산업에서의 리딩 파워가 필요
하지만 지금의 반도체 회사들이 실리콘 기반 반도체 생산을 위해 투입한 투자금액이 너무 커 신소재와 신기술이 개발되더라도 쉽게 반도체 생산 공정을 바꾸기는 어려움
- 그래서 화합물 반도체를 실리콘 기판 위에 집적시켜 화합물 반도체 채널을 이용한 트랜지스터를 제작하는 시도 또한 진행
중국 : 가장빠른 성장세
- 전력 반도체 CAPA는 2024년까지 +50% 증가,
- 화합물 반도체 capa는 +87% 성장할 것으로 전망
- me: 중국은 실리콘 기반 반도체 생산시설에 투자한 금액이 상대적으로 적어서 빠르게 옮겨갈 수 있을듯.
대만
- 전력 반도체에 집중하는 듯.
북미 지역
- 화합물 반도체 생산량 증가에 중점을 두는 듯.

반도체 분류

Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체

Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 기존 실리콘 반도체보다 높은 전자 이동도를 보이며 소비전력도 적어 고성능 핵심소재로 인식
제조공정이 비싸다.
지금까지는 방위산업, 우주개발, F1 등 특수 분야에 한정적으로 이용되고 있다.
현재(2021-04) 질화갈륨(GaN)와 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 안티몬화인듐(INSb)의 연구가 활발히 진행중
전자 이동속도는 기존 실리콘 반도체보다 수십 배 빠르다
소비전력은 기존 반도체 대비 1/8 ~ 1/10 수준

최근 각광을 받고 있는 기술

효과적이지만 저비용의 화합물 반도체 소자를 제작하는 방식 주목 –> Si반도체 생산 공정을 최대한 활용

필요한 부분에만 인듐갈륨비소(InGaAs)를 접착
접착제를 사용하지 않고 서로 다른 기판을 접합하는 기술인 ‘웨이퍼 본딩’ 공정 이용
실리콘 기판 위 전자가 이동하는 ‘반도체 채널’ 부분에만
Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체인 인듐갈륨비소(InGaAs)를 얇고 균일하게 형성

화합물 반도체의 시장규모 순위

해외 시장
1. 솔라셀 소재
2. LED소재
3. 전자/전력 소재
국내 시장
1. 전자/전력 소재
2. 솔라셀 소재
3. LED소재

LED 시장

화합물 반도체의 활용도는 점차 증대
1996년 InGaN 청색 LED에 형광 물질을 결합시켜 제작한 고휘도 백색 LED의 등장
--> 반도체 조명시대를 열기 시작
90년대 중반 이후 질화갈륨(GaN) 청색 LED가 개발
--> LED를 이용한 총천연색 Display가 가능
UV LED
- 최근 사용 어플리케이션이 늘어나고 있다.
- 화합물 반도체를 활용해 제작
- 375nm이하의 UV 파장에서는 LED의 효율이 급격히 감소
- 이를 위해 활성층에 대한 ‘응력’ 및 ’전위 밀도’를 감소시켜야한다.
- 이를 위해 n형, p형 AlGaN/GaN 초격차층을 삽입

태양전지 시장

화합물 반도체인 GaAs계 태양전지는 주로 위성용 태양전지에 적합한 특성
- 일반 태양 전지는 ’실리콘 웨이퍼’를 사용
GaAs 기술은 주로 위성 산업이 발전한 선진국 위주로 발전
- 대표적 국가: 미국, 러시아, 일본, 독일
갈률비소계 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체
- 공정 소요시간이 오래 걸린다.
- 사용하는 소재들이 고가
- --> 주로 고성능 전자부품 시장을 형성
- --> 위성산업이 이에 적합한 산업
Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 태양전지
- 대기권 밖 우주에서 효과적
  - 광전변환 효율이 Si보다 15% 이상 높고
  - 온도 안정성 우수
  - 방사능 내성 우수
화합물 반도체를 이용한 태양전지 시스템
- 현재 스펙트로랩(Spectrolab, 보잉의 자회사)와 엠코어(emcore)가 상용화를 준비
- InGaP/GaAs/Ge 구조
- 비집광시 28 ~32%, 집광시 37~ 40%의 전환 효율

전력 반도체 시장

전력 반도체는 ’전력 변화’에 쓰이는 반도체
신규 수요로 급성장
- 스마트 그리드
- 전기차 등
글로벌 전력 반도체 시장
- 2019년 400억달러
- → 2020년 450억달러까지 +12.5% 성장
화합물 전력 반도체 시장 규모
- 2021년 10억달러(1조 2천억원)에도 달할 것으로 전망
SiC, GaN전력 반도체의 판매액(Omdia 조사)
- 2018년 5억 7100만달러 → 2020년 8억 5400만달러로
- 2년간 +49.6%성장함
해외에서도 상용화 초기 단계
화합물 전력 반도체 시장은 향후 10년간 매년 두 자릿수성장을 지속해 2029년 시장 규모는 50억달러를 넘어설 것으로 전망

국내 전력 반도체 시장

소비량의 90%를 해외에서 공급받고 있다
PMIC(전력 관리 반도체)일부만 국내 생산중
생산 채산성 맞지 않음
- 이유: 해외 기업 특허선점
최근, 전기차 보급 확대 --> 화합물 전력 반도체 시장이 집중을 받고있음 --> 글로벌 기업들의 투자와 연구가 집중

전력반도체 분류

SiC전원 모듈 두가지

SiIGBT와 SiC다이오드로 구성된 ‘하이브리드 SiC전원 모듈’
순수 SiC모듈

하이브리드 SiC전원 모듈의 사용처

태양광 인버터
무정전 전원 공급 시스템
산업 애플리케이션

Full SiC 전원 모듈은 높은 성장 전망

전기차, 충전기 적용이 확대될 것으로 예상

전력 반도체별 기술 발전 단계

전력 모듈 소형화 + 소비 전력 감소

작동온도 상한이 500 ~ 600 ℃로 높다.
열전도율이 높다. –> 전열면적이 적어도 냉각이 용이 —> 인버터 소형화 가능
전력 변환 손실을 큰 폭으로 줄일 수 있다.
- 송배전용이나 분산 전원용 전력 소자로 화합물 반도체를 적용
- 손실 감소 –> 소비전력이 감소한다.
- 손실 감소 –> 주변부품의 생략 가능 –> 소형화 가능 –> 전력변환기의 크기 감소 가능
F1 자동차 경주차에 화합물 반도체가 보편적으로 사용
화합물 반도체를 적용하면 부피, 무게를 확 줄일 수 있다.

사업성

사업성 높은 전력 반도체: GaN과 SiC
- 대부분의 글로벌 리딩 기업들이 GaN과 SiC에 집중
생산 비용이 Si전력 반도체 대비 높다.
- 공정 개발이 성숙되지 않음 –> 생산성이 떨어짐

생산성이 점진적으로 향상될 것으로 예상

전기차 보급 확산 –> 시장이 빠르게 성장 –> 기술이 점차 축적 –> 생산성이 점진적으로 향상될 것으로 예상
현재, 2인치 ‘화합물 반도체’ 웨이퍼 가격이 12인치 ‘실리콘’ 웨이퍼보다 40배 가량 비싸다.

GaN 전력 반도체

GaN 반도체

References

[경제] 비용의 성격별 분류에서 재고자산 변동의 의미

작성자: koosal - 7월 14, 2019

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