SK실트론 차세대 전력 반도체 핵심 소재, 'SIC 웨이퍼' 과감한 투자에 주목하라!

탄화규소(SiC) 웨이퍼는 전력 반도체 분야에서 주목받는 차세대 소재로, 기존 실리콘(Si) 웨이퍼의 한계를 극복하며 다양한 응용 분야에서 활용되고 있습니다. 이 글에서는 SiC 웨이퍼의 개념, 실리콘 웨이퍼의 한계점, SiC 웨이퍼의 장점, 응용 분야, 국내외 개발 현황, 그리고 시장 전망과 규모에 대해 자세히 설명하겠습니다.

SiC 웨이퍼의 개념

SiC 웨이퍼는 고순도의 다결정 SiC 분말을 승화, 결정 성장, 절단, 연마, 세정 등의 과정을 거쳐 제조된 얇은 판 형태의 반도체 기판입니다. 주로 100mm(4인치)와 150mm(6인치) 직경으로 생산되며, 최근에는 200mm(8인치) 웨이퍼 개발도 진행 중입니다. SiC 웨이퍼는 주로 다이오드(Diode), 금속산화물반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)와 같은 고전력 모듈에 사용됩니다.

울프스피드가 제조한 SIC웨이퍼 (사진출처:울프스피드)

실리콘 웨이퍼의 한계점:

실리콘 웨이퍼는 오랜 기간 반도체 산업의 주류 소재로 사용되어 왔지만, 고전압, 고온, 고주파 환경에서 다음과 같은 한계점을 보입니다:

1. 밴드갭 에너지의 제한: 실리콘의 밴드갭 에너지는 약 1.1eV로, 고온에서의 전도 전자 증가로 인해 누설 전류가 증가하고 소자의 안정성이 저하됩니다.
2. 열 전도도의 한계: 실리콘의 열 전도도는 약 150 W/m·K로, 고전력 소자에서 발생하는 열을 효율적으로 방출하는 데 한계가 있습니다.
3. 항복 전계 강도의 제한: 실리콘의 항복 전계 강도는 약 0.3 MV/cm로, 고전압 소자 설계 시 제한 요소로 작용합니다.

이러한 한계로 인해 고전력, 고온, 고주파 응용 분야에서는 실리콘 웨이퍼의 대안으로 SiC 웨이퍼가 주목받고 있습니다.

SiC 웨이퍼의 장점

SiC 웨이퍼는 다음과 같은 우수한 특성을 지니고 있어, 고전력 반도체 소자에 적합합니다:

1. 넓은 밴드갭 에너지: SiC는 약 2.3eV의 넓은 밴드갭 에너지를 가지며, 이는 고온 환경에서도 낮은 누설 전류와 높은 안정성을 제공합니다.
2. 우수한 열 전도도: SiC의 열 전도도는 약 490 W/m·K로, 실리콘보다 약 3배 이상 높아 고전력 소자에서 발생하는 열을 효율적으로 방출할 수 있습니다.
3. 높은 항복 전계 강도: SiC는 약 2.8 MV/cm의 높은 항복 전계 강도를 가지며, 이는 고전압 소자 설계 시 유리한 특성입니다.
4. 높은 전자 포화 속도: SiC는 높은 전자 포화 속도를 가져 고주파 응용 분야에서도 우수한 성능을 발휘합니다.

이러한 특성들로 인해 SiC 웨이퍼는 고전력, 고온, 고주파 응용 분야에서 실리콘 웨이퍼를 대체할 수 있는 유망한 소재로 평가받고 있습니다.

SiC 웨이퍼의 응용 분야:

SiC 웨이퍼는 다음과 같은 다양한 분야에서 활용되고 있습니다:

1. 전기차(EV): SiC 기반 전력 반도체는 전기차의 인버터, 온보드 충전기(OBC), DC-DC 컨버터 등에 적용되어 에너지 효율을 향상하고 시스템의 소형화 및 경량화를 가능하게 합니다.
2. 신재생 에너지: 태양광 및 풍력 발전 시스템의 전력 변환 장치에 SiC 소자를 적용하여 에너지 변환 효율을 높이고 시스템의 신뢰성을 향상할 수 있습니다.
3. 산업용 모터 드라이브: SiC 기반 전력 반도체는 고전력 모터 드라이브 시스템에서 에너지 손실을 감소시키고, 시스템의 효율성과 내구성을 향상시킵니다.
4. 통신 장비: 고주파 특성이 우수한 SiC 소자는 5G 통신 기지국의 전력 증폭기 등에 적용되어 고주파 신호 처리에 효과적입니다.
5. 항공우주 및 방위 산업: SiC의 우수한 내열성과 내방사선 특성으로 인해 항공우주 및 방위 산업의 고신뢰성 전자 장치에 활용됩니다.

이처럼 SiC 웨이퍼는 다양한 산업 분야에서 기존 실리콘 기반 소자를 대체하며 그 활용 범위를 넓혀가고 있습니다.

SiC 웨이퍼의 국내외 개발 현황:

국내외 여러 기업과 연구기관이 SiC 웨이퍼의 개발 및 생산에 주력하고 있습니다.

• 국내 현황:

SK실트론: 2020년 미국 듀폰의 SiC 웨이퍼 사업부를 인수하여 SiC 웨이퍼 시장에 진출하였으며, 현재 100mm 및 150mm SiC 웨이퍼를 생산하고 있습니다.

SK실트론 (사진출처:SK실트론)