Special AX 시대 선도하는 전력반도체 기술 개발 동향(1)

SiC 전력반도체 소자의 기술 및 시장 동향

김형우_한국전기연구원 차세대반도체연구센터 센터장/책임연구원

SiC(Silicon Carbide)는 GaN(Gallium Nitride)와 함께 전력반도체 분야에서 실리콘(Si, Silicon)을 대체할 수 있는 차세대 반도체 소재로 1980년대부터 전력반도체 소자에 적용 연구가 시작되었으며, 21세기부터 본격적으로 양산용 전력반도체 소자에 사용되기 시작하였다. SiC를 이용한 전력반도체 소자는 SiC가 가지고 있는 뛰어난 전기적·물리적 특성을 바탕으로 지구온난화와 기후변화, 환경오염의 주된 원인인 이산화탄소 등 온실가스 배출을 줄이기 위한 고효율 전기 시스템 등 탄소저감 기술 개발에 적합한 소자로 평가되고 있다. 또한 2010년 이후 급속도로 개발되고 있는 xEV, 신재생 에너지, 우주·항공 산업 분야의 성장에 힘입어 시장도 빠르게 성장하고 있다. 본 고에서는 이러한 SiC 소재 기반의 전력반도체 소자의 기술과 시장의 동향에 대해 알아보고자 한다.

1. 서론

20세기 중반 고체 상태의 반도체 소자가 사용되기 시작한 이래로 대부분의 전기를 사용하는 기기들은 실리콘 기반의 MOSFET(MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, Diode, BJT BJT: Bipolar Junction Transistor, SCR SCR: Silicon Controlled Rectifier

)과 같은 반도체 소자를 사용하고 있으며, 현재에도 전체 전기기기들의 80% 정도는 여전히 실리콘 기반의 소자를 사용하고 있다. 실리콘을 기반으로 하는 이러한 소자들은 개발 초기에는 발전소, 송배전망과 같은 산업 기반 시설에서 주로 사용되었으나, 1960년에 미국 벨 연구소의 강대원 박사와 마틴 아탈라 박사에 의해 MOSFET이 개발된 이후에는 TV, 라디오, 프린터, 복사기 등 소형 가전·사무기기에도 사용되기 시작했다.

  실리콘 소재에 기반한 반도체 소자의 보급은 산업 발전의 원동력이 되기도 하였으나 전기기기의 보급 및 확산에 따른 전기에너지의 과다 사용은 기후변화, 환경오염과 같은 문제의 원인이 되기도 하였다.

  20세기 후반부터 이러한 문제들을 해결하기 위해 대기전력 절감 기술 개발과 같이 전기에너지 사용을 줄이기 위한 많은 연구가 이루어졌고, super-junction MOSFET과 같이 실리콘 기반 소자의 효율을 향상하기 위한 연구도 이루어졌다. 하지만 실리콘 소재가 가지는 한계로 인해 소자 특성 향상도 한계에 부딪힐 수밖에 없었으며, 이에 따라 고효율 전기기기에 적합한 반도체 소재와 소자 기술 개발의 필요성이 증가하게 되었다.

  SiC는 GaN과 함께 실리콘을 대체할 수 있는 차세대 반도체 소재로 SiC 소재가 가지는 뛰어난 전기적·물리적 특성을 바탕으로 실리콘 기반 반도체 소자에 비해 높은 효율을 가질 수 있는 반도체 소자 특히 전력반도체 소자에 적합한 소재이다. 

  SiC 전력반도체 소자는 이론적으로 실리콘 기반 전력반도체 소자에 대비 1/10 수준의 작은 온-저항과 10배 이상의 높은 항복전압을 가지고 있기 때문에 전기기기의 에너지 소비 효율 향상이 가능해 고효율 전기기기 및 시스템 개발을 통한 탄소저감과 이에 기반한 지구온난화 극복이라는 전 세계적인 추세에 적합한 소자이다[1-2]. 또한 125℃ 이상의 고온에서는 사용하기 어려운 실리콘 기반 전력반도체 소자와는 달리 SiC가 가지는 뛰어난 열전도성을 바탕으로 300℃ 이상의 고온에서도 정상 동작이 가능하기 때문에 우주·항공, 국방 분야 등 극한 환경용 시스템에서도 실리콘 기반 전력반도체 소자를 대체할 수 있는 것으로 평가되고 있다.

그림 1. SiC 기반 전력반도체 소자 적용 분야[3]

  그림 1은 SiC, GaN 및 Si 기반 전력반도체 소자들이 적용되는 영역을 나타낸 것이다. 그림에서 볼 수 있는 것처럼 SiC 전력반도체 소자의 경우 송배전망, 신재생 에너지, xEV, 가전·사무기기 등 다양한 분야에 적용이 되는 것을 볼 수 있다. SiC 반도체 소자가 처음 개발된 시점에는 SiC 기반 반도체 소자가 기존의 실리콘 반도체 소자가 적용된 모든 분야에서 실리콘 반도체 소자를 대체할 수 있을 것으로 여겨졌지만, SiC 기반 반도체 소자가 가지고 있는 낮은 표면 이동도, 높은 가격 등과 같은 몇 가지 문제점들로 인해 아직은 특정한 영역에서만 실리콘 기반 반도체 소자를 대체하고 있다.

  하지만 여전히 세계 각국의 기업, 연구기관 및 대학들이 지속적으로 SiC 소재 및 소자 기술 개발에 박차를 가하고 있기 때문에 장기적으로 많은 분야에서 실리콘 기반 전력반도체 소자를 대체할 수 있을 것으로 판단된다.

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<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2025년 12월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>