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도약기 맞은 와이드 밴드 갭 기술 - SiC 기술의 주류 진입

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글/Dr. Peter Wawer, 산업용 전력 제어 사업부 사장, 인피니언 테크놀로지스

지난 몇 년 사이에 실리콘 카바이드(SiC)와 갈륨 나이트라이드(GaN) 같은 대안적인 반도체 소재를 개발하기 위한 투자가 크게 늘었다. 최근 들어서는 SiC 트랜지스터가 제조 비용 측면에서 더더욱 향상됨으로써, SiC 전력 반도체가 성공적으로 양산되고 다양한 분야의 전자 디자인에 채택될 수 있는 중대한 전환점을 맞고 있다. SiC가 가격이 낮아지고 공급이 늘어남에 따라서, 에너지 효율 향상에 관한 법규적 및 상업적 요구와 끊임 없이 계속해서 시스템 비용을 더더욱 낮추고자 하는 요구를 충족하는 것이 과제인 전력 디자이너들이 이 기술을 다시 찾기 시작했다.
고전력 고전압 전력 컨버터는 여타 회로 장치들에 비해서 소형화하기가 여전히 비교적 어렵다. 이것은 왜 그러냐 하면, 열을 적절히 소산시켜야 하는데 회로는 더 작게 하면서 열 밀도가 높아지면 이것을 하기가 더 어려워지기 때문이다. 전력 반도체 분야로 SiC가 등장하고 더 우수한 전력 밀도와 효율을 제공함으로써 많은 새로운 가능성의 문이 열리고 있다. 그럼으로써 SiC 기반 디바이스가 실리콘 기반 MOSFET, IGBT, 다이오드의 한계를 극복할 수 있는 경쟁자로서 당당하게 서게 되었다.
전력 다이오드와 트랜지스터에 SiC와 GaN 같은 대안적인 반도체 소재를 사용하고자 하는 것은 효율, 전력 밀도, 시스템 비용 절감 같은 이유에서다. 어떤 신기술이 위험성보다 이점이 더 크다고 판단되면 남보다 앞서서 이러한 신기술을 도입하려는 얼리 어댑터들은 있기 마련이다. 그러다가 가격대 성능비가 이 신기술로 이전하기에 충분히 매력적이게 되면 다른 이들도 뒤를 따를 것이다. 예를 들어서 실리콘 IGBT와 SiC 쇼트키 다이오드를 사용한 하이브리드 전력 모듈은 높은 스위칭 주파수를 사용하는 태양광 전력 컨버터 분야에서 이미 주류로 자리잡고 있다.
SiC가 실리콘을 곧바로 대체할 수 없다는 사실이 지난 몇 년 동안에 도입을 가로막는 중대한 요인이었다. 소재에 대한 의구심과 그러므로 또한 제품 품질에 대한 의구심 때문에 디자이너들이 이 ‘미지의 세계’로 발을 들여놓기를 주저하였다.
하지만 태양광 인버터와 부스트 회로가 이미 SiC MOSFET 기술이 제공하는 이점들을 활용해서 향상을 거두고 있으며, 무정전 전원장치(UPS)와 충전기가 그 뒤를 따르고 있다. 모터 드라이브, 트랙션, 자동차 애플리케이션 같이 실리콘에 좀더 ‘밀착’된 것으로 여겨지는 분야들 역시도 결국에 이 기술을 도입하면서 이 새로운 소재가 폭넓게 채택되고 사용될 것으로 기대된다.
하지만 모든 새로운 경향과 마찬가지로 호황기가 되어서 생산이 폭증하면 장점과 단점이 있다. 여러 곳의 업체들이 SiC 서브스트레이트 웨이퍼 공급 시장에 진입하고 있다. 이것은 다시 말해서 생산이 늘고 경쟁이 치열해지면 가격 하락으로 이어질 것임을 의미한다. 또한 R&D에 대한 투자를 늘리면서 품질과 신뢰성이 눈에 띄게 향상되고 있다. 4인치~6인치에서 결국에 8인치 SiC 웨이퍼로 가면 앞으로 몇 년 사이에 가격이 크게 떨어질 것이고, SiC 웨이퍼 품질은 전반적으로 향상되고 있다. 그러면 수율이 향상될 것이고, 이것은 SiC가 가격에 민감한 애플리케이션들로까지 채택되도록 하는 일대 분수령이 될 것이다.
하지만 SiC 디바이스 업체들은 제품 품질이나 가격 면에서 큰 편차를 보이고 있다. 일부 회사들은 시장에서 검증되지 않은 ‘틈새’ 업체들로서, 이러한 많은 업체들이 살아 남기 위해서 뭉칠 것이다. 또 다른 일부는 확고한 입지를 다지고 있는 반도체 회사들로서 엄격하게 통제되는 제조 프로세스와 품질 조건으로 자체적으로 대량 생산을 할 수 있는 역량을 갖추었다. 이 기술이 폭넓게 도입될 수 있기 위해서는 고객들이 자사가 선택한 반도체 회사가 수요에 맞춰서 고품질의 제품을 꾸준히 공급할 것이라는 확신을 할 수 있어야 한다.
시장에서 신뢰를 얻기 위해서는 SiC 전력 반도체 회사가 자사 제품의 신뢰성에 대한 확고한 믿음을 심어주어야 한다. 이것은 스펙 개발을 위한 거듭된 시험에서부터 내열 패키지 소재와 신뢰할 수 있는 생산 기지에 이르기까지 전반적인 것들을 포괄한다. 이것을 달성해야만 SiC 디바이스가 진정으로 주류로 자리잡을 수 있을 것이다.
자사 디자인으로 SiC를 채택하고 에너지 스마트 시대를 향해서 한 걸음 도약하고자 하는 얼리어댑터 고객들은 자사 애플리케이션에 적합한 전문적인 제품을 보유하고 혁신이나 신뢰성 면에서 검증된 이력을 쌓고 있는 업체와 손을 잡아야 할 것이다. 고객들은 신뢰할 수 있는 대량 생산 능력과 뛰어난 품질 기준으로 우수한 제조 역량을 갖춘 회사를 선택하고자 할 것이다.
상용 SiC 기술의 선도자로서 인피니언은 2001년에 벌써 세계 최초로 SiC 기반 다이오드를 시장에 선보였다. 뒤이어서 2006년에는 SiC 소자를 포함하는 상용 전력 모듈을 출시하였다. 이제 인피니언은 다이오드로 5세대 SiC 기술을 제공하게 되었으며, 조만간 SiC 및 GaN MOSFET 기술을 기반으로 한 최초의 와이드 밴드 갭 제품을 내놓고자 준비하고 있다. 또한 인피니언은 다른 회사들과 달리, 실리콘에 탄탄한 토대를 두고서 실리콘에서부터 하이브리드와 전문적인 와이드 밴드갭 솔루션에 이르기까지 포괄적으로 다양한 유형의 최적화된 전력 제품들을 제공한다.