[경제][산업] 화합물 반도체

작성자: koosal -

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.

  1. High Speed
  2. High Voltage
  3. high Frequency
  4. 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

관련 기업

  • 해외: Infinion, ROHM, On Semiconductor, CREE, Ⅱ-Ⅵ
  • 국내: 실리콘웍스, 예스티, 에이프로, RFHIC

해외

  • 인피니언(Infinion)
    • 2014년 8월, ’GaN 기술’을 보유한 ’인터내셔널 렉티파이어’를 30억달러(3조 2400억원)에 인수
      • 인피니언은 전력반도체 시장에서 입지를 강화하기 위해
      • 인수 금액은 인피니언 설립 이후 최대 규모
    • 2018년 11월, 콜드 스플릿 기술을 개발한 시텍트라 인수를 결정
      • 콜드 스플릿 기술은 SiC웨이퍼를 절단해 하나의 웨이퍼에서 칩 수를 두배로 생산 가능하게 해주는 기술
    • 핵심 관련 기업과의 ‘화합물 반도체 생태계’ 조성을 준비
  • 투식스
    • 스웨덴 기업인 Ascatron을 인수
    • SiC Substrate와 SiC Epiwafer까지 공급
    • 시장 지배력 높이고 있다.
  • 일본 반도체 기업 로옴(ROHM)
    • 2018년 6월 전력 반도체 업체인 GaN시스템과 협업 –> 본격적으로 GaN 전력 디바이스 사업을 시작
    • GaN시스템은 트랜지스터, 로옴은 전자부품 설계, 제조 기술을 제공하기로 협약
    • GaN 시장에서 가장 급속하게 성장하고 있는 아시아를 중심으로 사업을 전개
    • SiC 파워 디바이스를 탑재할 차량용 애플리케이션 기술을 교류
      • 중국 신에너지 자동차용 구동 분야 기업인 ’리드라이브테크놀로지’와 2017년부터 협력관계
      • 이를 발판으로 양사는 2020년 6월 중국 상하이 자유무역시험구에 ’SiC 기술 공동 연구소’를 개설함.

국내

  • 시장 규모가 크고 경제성이 높은 화합물 반도체 전자 소자는 대부분 GaAs, GaN, SiC, SiGe로 제작
    • GaAs
    • GaN
    • SiC
    • SiGe
  • 한국 정부도 차세대 전력 반도체로 꼽히는 화합물 반도체를 중심으로 대규모 전력 반도체 연구 개발을 추진 중
  • 부산테크노파크
    • 파워반도체 상용화 센터를 구축해 운영
    • 국내 전력반도체 클러스터로 SiC 파워 반도체 신뢰성 평가 및 위탁생산(파운더리) 시설 운영
  • 메모리에 편중된 현 반도체 산업 구조를 다원화 하기 위해 파운더리 비즈니스 비메모리 반도체 설계 기술까지 고도화해 글로벌 반도체 패권 을 전반적으로 확대 시키려는 노력을 하는 중

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

See Also

  1. 미세공정에 따른 변화와 문제 :: 편하게 보는 전자공학 블로그
  2. 잇(IT)러닝 :: [전자소자] 16.Short Channel Effect와 해결방법
  3. KM-studio : 반도체: 미세공정의 발전
  4. RC delay (RC딜레이)란? :: 편하게 보는 전자공학 블로그
  5. [반도체 공정] 용어정리

References

  1. 01-자동차-전기차 보급 확대를 기다리는 화합물 반도체_20210413_IBK투자_이건재_594761.pdf
  2. 02-IT-전환의 시대_화합물 반도체_20210727_IBK투자_이건재_594761.pdf_586787.pdf
  3. 삼성전자, 또 진격… ‘8나노 RF 공정기술’ 개발 : 비즈N
  4. GAA에 대한 기초 (feat. 반도체 scaling의 지속을 위한 형태 변경) : 네이버 블로그

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