Special 차세대 AI 산업 핵심 반도체 세라믹 기술 동향(2)

탄화규소(Silicon Carbide) 전력반도체 소자 기술 및 시장 동향

김형우_한국전기연구원 차세대반도체연구센터 센터장

탄화규소(SiC, Silicon Carbide)는 기존에 전력반도체 소자에 많이 사용된 실리콘(Si, Silicon)을 대체할 수 있는 물질로 각광받기 시작한 소재로 20세기 후반부터 본격적인 연구·개발이 되기 시작한 소재이다. 탄화규소를 이용한 전력반도체 소자는 탄화규소가 가지는 뛰어난 소재적 특성을 바탕으로 탄소저감을 위한 고효율 전기 시스템을 필요로 하는 최근의 추세에 적합한 소자로 평가받고 있으며, 2010년 이후 급속도로 기술 개발이 이루어진 전기자동차의 보급에 힘입어 시장도 빠르게 성장하고 있다. 본 고에서는 이러한 탄화규소 기반의 전력반도체 소자의 기술과 시장 동향에 대해 소개하고자 한다.

1. 서론

1950년대에 고체 상태의 반도체 소자가 사용되기 시작한 이후로 우리가 사용하는 대부분 전기기기들은 실리콘 기반의 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), 다이오드와 같은 소자들을 사용해왔다. 실리콘을 기반으로 하는 이러한 소자들은 개발 초기에는 발전소와 같은 산업 기반 시설에서 주로 사용되었지만, 1960년대에 MOSFET 소자가 개발된 이후부터는 가전, 사무기기와 같은 소형 전자기기에도 사용되기 시작했다.

  실리콘을 기반으로 하는 반도체 소자의 보급은 산업 발전의 원동력이 되기도 하였지만 이로 인한 전기에너지의 과다 사용은 환경오염, 지구온난화와 같은 새로운 문제를 일으키는 원인이 되기도 하였다.

  20세기 후반 들어 이러한 문제점들을 해결하기 위해 전기에너지 효율 향상과 관련된 많은 연구가 이루어지면서 기존의 실리콘 기반 소자의 특성을 향상하기 위한 연구도 이루어졌다. 하지만, 실리콘 소재가 가지는 재료적인 한계로 인해 소자의 특성 향상도 한계에 부딪힐 수밖에 없었으며, 이에 따라 실리콘을 대체할 수 있는 새로운 소재 및 이에 기반한 소자 개발의 필요성이 증가하기 시작하였다.

  탄화규소는 질화갈륨(GaN, Gallium Nitride)과 함께 실리콘을 대체할 수 있는 차세대 물질로 주목받기 시작한 소재로 20세기 후반부터 본격적인 연구·개발을 통해 소자에 적용이 되기 시작하였다.

  탄화규소에 기반한 전력반도체 소자는 탄화규소가 가지는 뛰어난 전기적, 열적 특성으로 인해 실리콘 기반 전력반도체 소자에 비해 높은 효율을 가지고 있어 전기 시스템의 에너지 효율 향상을 통한 탄소저감과 이를 바탕으로 한 지구온난화 저감이라는 최근의 전 세계적인 추세에 적합한 소자이다[1-2].

  또한, 실리콘 기반 전력반도체 소자에 비해 높은 항복전압과 낮은 손실을 가지며, 300℃ 이상의 고온에서도 사용이 가능하기 때문에 고효율 전기 시스템뿐만 아니라 우주·항공 산업과 같은 극한 환경용 시스템에서도 실리콘 기반 전력반도체 소자를 대체할 수 있는 것으로 평가받고 있다. 

그림 1. 탄화규소 기반 전력반도체 소자 적용 분야[3]

2. 탄화규소 기반 전력반도체 소자 기술 개발 동향

2-1. 탄화규소란?

반도체용 재료로서 탄화규소는 매우 뛰어난 특성을 가지고 있는데 그림 2에 나타낸 것처럼 전기적, 열적인 특성이 실리콘이나 질화갈륨과 같은 다른 소재에 비해 우수하기 때문에 전력반도체 소자에 적합한 소재로 여겨지고 있다.

  물론 그림 2에서 나타낸 것처럼 최근에는 산화갈륨(Ga₂O₃)이나 다이아몬드와 같이 탄화규소에 비해 전기적, 열적 특성이 뛰어난 소재들이 차세대 반도체 소자용 소재로 주목을 받고 있으나, 산화갈륨의 경우 낮은 열전도 특성과 p-type 도핑이 어렵다는 점, 다이아몬드의 경우는 n-type 도핑이 어렵고, 대면적 웨이퍼 생산이 어렵다는 문제점이 있어 아직까지는 본격적으로 전력반도체 소자에 적용되지는 못하고 있다.

  그림에서도 볼 수 있듯이 탄화규소의 경우 실리콘에 비해 3배 이상 큰 밴드갭(Bandgap)과 10배 이상 큰 임계전계(Breakdown field)를 가지고 있어 탄화규소 기반 전력반도체 소자가 실리콘 기반 소자에 비해 높은 항복전압을 가질 수 있도록 해주며, 뛰어난 열전도(Thermal conductivity) 및 포화 전자속도(Saturation velocity) 특성은 낮은 통전 손실과 함께 우주·항공, 군사 분야 등 극한 환경 분야에서의 사용을 가능하게 해준다[4-5].

  이러한 장점에도 불구하고 탄화규소는 단결정 성장을 위해서는 2000℃ 이상의 고온이 필요하고, 내부에 다수의 결함(Defects)들이 존재하며, 소자 제작을 위해서는 1700℃ 이상의 고온 공정이나 고에너지 이온주입 공정과 같은 고난도의 기술이 필요하다는 기술적인 어려움으로 인해 소자의 개발에 많은 어려움을 겪어왔다. 또한 최근 많이 낮아지기는 했으나 여전히 실리콘 웨이퍼에 비해 높은 탄화규소 웨이퍼의 가격은 탄화규소 기반 전력반도체 소자의 시장 침투력을 떨어뜨리는 원인으로 작용하고 있다.

그림 2. 반도체 소재별 특성 비교 

2-2. 탄화규소 기반 전력반도체 소자

탄화규소 기반 전력반도체 소자는 실리콘 전력반도체 소자와 같이 단극(Unipolar) 소자와 양극(Bipolar) 소자로 구분할 수 있다. 현재까지 연구 및 개발된 탄화규소 기반 전력반도체 단극 소자로는 MOSFET, JFET(Junction Field Effect Transistor), SBD(Schottky Barrier Diode)

 등이 있으며, 양극 소자에는 BJT, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), Thyristor 등이 있다[6-8]. 하지만, 그림 3에 나타낸 것과 같이 탄화규소의 경우 넓은 밴드갭으로 인한 높은 문턱전압, p-type 불순물의 높은 활성화 에너지(Activation energy)에 따른 높은 저항성 등의 문제로 MOSFET, SBD와 같은 단극 소자만이 상용화되어 있고, 양극 소자는 초고전압 소자의 형태로 연구만이 진행되고 있다.

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