생산기술특허연구회

가정용 가전기기나 산업용 기기, 자동차 등의 전원 회로와 모터에 사용되는 [파워 반도체] 소자 분야에서 실리콘 재료의 한계 상황이 임박하고 있다(GTB2007060260). 실리콘을 이을 차세대 재료로서 SiC와 GaN이 검토되어 왔으나, 어떤 재료가 더 유망할지에 대해서는 이견이 분분한 상태이다. 이런 상황 속에서 지금까지 두 가지 재료 모두를 검토해 온 일본의 롬이 향후의 파워 반도체 사업의 방향성을 밝혀 주목을 모으고 있다. 롬의 사장 겸 연구개발 본부장인 다까스씨가 내압이 200V 이하의 영역에서는 GaN을 사용하고, 1kV 이상에서 SiC를 이용하겠다는 방침을 밝힌 것이다. SiC나 GaN을 이용한 파워 반도체의 경우, 이론적으로는 두 재료 모두 실리콘을 이용한 파워 반도체보다 높은 내압 특성과 낮은 온저항 특성을 달성할 수 있다. GaN을 사용하는 경우가 SiC보다 같은 내압에서 온저항을 1/5 정도 더 낮출 수 있는 것으로 알려져 있으나, 실제 상황에서는 GaN이 차세대 파워 반도체 재료라고 단언하기 어렵다. 두 가지 재료 모두에서 아직 전자이동도, 절연파괴전계, 열전도율 등의 요구 물성값을 최대한으로 도출하고 있지 못하기 때문이다. 롬이 이번에 내압 1kV 이상에서 SiC 디바이스를 이용하겠다는 결정을 하게 된 것은 SiC 소자의 경우, 이미 1kV 이상의 내압을 가진 소자가 다수 개발되어 있기 때문이다. 한편, 개발 자체가 SiC보다 다소 늦은 편인 GaN 소자의 경우에는 갑자기 높은 내압 특성을 실현하기 어렵다는 것이 현재의 견해이다. 따라서 우선은 GaN 소자가 갖는 높은 스위칭 주파수 특성과 낮은 스위칭 손실 등의 장점을 발판으로 200V 이하의 내압이 요구되는 부문에 적용해 나간다는 방침이다. 이 정도 내압 특성이 요구되는 파워 반도체는 가정용 가전 기기에 사용되고 있어 시장 규모도 큰 편이다. 롬은 앞으로는 내압을 높여 이용 범위를 넓힐 계획이며, 600V~1kV 정도의 영역이 GaN와 SiC 소자를 사용하는 영역의 경계선이 될 것이라는 설명이다. 이론적인 물성값만으로 고려하면 GaN에서 고내압 특성과 작은 온저항 특성을 달성할 수 있을 것으로 보이기 때문이다. 이러한 롬의 판단에 대해 다른 메이저 파워 반도체 업체들도 큰 이견은 없다. 다만, GaN 소자에는 아직 반드시 해결해야 할 문제가 남아 있다. 회로 동작을 정지시켰을 때 회로를 전기적인 개방 상태로 만드는 노멀리-오프(normally-off) 상태의 소자를 만드는 일이다. 따라서 향후 롬은 GaN을 이용하는 파워 반도체 소자의 개발 과정에서, 노멀리-오프 소자의 실현을 도모하는 한편, GaN 트랜지스터의 소자 구조를 세로형으로 결정하였다. 세로형 트랜지스터는 집적도를 높일 수 있어 제조 비용을 절감할 수 있기 때문이다. 가정용 가전기기의 경우, 제조 비용의 절감은 필수적이다. 롬은 이미 캐리어 이동도가 133cm^2/Vs의 노멀리-오프 동작 소자를 시작한 바 있다. 일본의 도시바도 마이크로파 대역 증폭기의 용도로 고주파, 고출력용 GaN 파워 FET를 개발하여 발표한 바 있다(GTB2006110709). 이 GaN FET는 GaN 결정층의 구조와 칩 구조를 최적화 함으로써 발생하는 열의 분산과 고주파 특성을 양립시켜 세계 최고 출력 수준인 81.3W를 달성하였다. 한편, 지난 3월 일본의 야노경제연구소의 시장 조사 보고서에 의하면, 2006년 세계 파워 반도체 시장의 규모는 전년 대비 16.4% 증가한 약 1조 8000억엔 규모이며, 1999년부터 2006년까지의 연평균 성장률은 16.2%이다(참조URL1). 분야별로 동향을 살펴보면 다음과 같다. 먼저 정보 통신 기기 시장의 경우에는, LCD나 PDP TV 등 박형 TV의 보급에 따라 시장이 확대하고 있는 것으로 나타났다. 박형 TV는 종래의 CRT에 비해 탑재되는 파워 반도체의 수가 많아 1대당 수십 개가 사용된다. 2003년부터 박형 TV 시장의 급속한 확대가 파워 반도체 시장 규모를 늘린 것으로 보인다. 또한 PC용 파워 반도체도 호조의 실적을 나타내었다. 최근 PC용 마이크로프로세서의 고주파, 대전류화 경향과 함께 마이크로 프로세서에 공급하는 전류를 제어할 DC-DC 컨버터의 복상화가 진행되고 있는 점이 PC에 사용되는 파워 반도체의 수를 크게 증가시키고 있는 것으로 보인다. 야노 경제연구소의 분석 보고서에 의하면, 2007년의 파워 반도체 세계 시장은 정보 통신 기기용 시장을 중심으로 견조한 성장을 지속할 것으로 보이며, 시장 규모는 전년도에 비해 17.5% 증가한 1065억엔 규모가 될 것으로 전망된다. 또한 자동차 분야도 파워 반도체의 유망 시장이다. 전동 파워 스티어링(EPS)이나 파워 인도우 등의 보급에 따라 자동차 1대당 탑재되는 모터의 제어 기기가 급증하여 파워 반도체의 수요가 높아지고 있는 것이다. 작년 11월, 일본 요코하마에서 개최된 파워 일렉트로닉스 관련 기술 포럼에서 도요타자동차는 기조 강연을 수행하고, 향후 자동차 시장에서의 파워 반도체의 전망에 대해 소개한 바 있다(참조URL2). 이 강연에서 도요타는 향후 자동차 시장에서 필요할 것으로 예상되고 있는 파워 일렉트로닉스의 수량이 산업 기기 시장에 비해 최소 수십 배 이상 많고, 따라서 이 분야의 저비용화를 달성하기 위해서는 일반 산업 기기용과는 완전히 다른 파워 일렉트로닉스의 설계 방법이 필요할 것이라고 전망하였다. 다만, 일반 산업 기기 분야에서 사용되고 있는 파워 일렉트로닉스 기술과 자동차 분야에서 요구되는 기술의 차이가 워낙 커서, 어떤 방법으로 이러한 차이를 메울 수 있을 것인지가 매우 어려운 과제가 되고 있다. Nikkei Electronics, vol. 958, p.13