전력용 반도체(WBG) GaN 모스펫과 SiC 모스펫 비교

우리가 알고있는 반도체는 보통 Si(실리콘)으로 만든다. 그래서 고체전자공학에서도 Si의 격자구조 등에 대해 자세히 배운 것이다. 기존의 Si반도체를 넘어서 전력용 반도체라고 미래의 반도체라고 불리는 것이 있다. 전력 반도체(Power semiconductor)는 전기 에너지를 활용하기 위해 직류와 교류 변환, 주파수와 전압 변환 등의 제어를 수행하며 스마트폰, 가전제품, 자동차 등에 사용되는 중요한 소자이다. 또한, 전력용 반도체는 기존의 Si 반도체보다 Band gap(Eg)이 더 커서 Wide Band Gap(WBG)반도체라고도 불린다.

Band Gap이란 energy band diagram에서 conduction band(Ec)와 valence band(Ev) 사이의 영역을 의미한다. 그리고 Wide Band Gap은 말 그대로 Band Gap이 더 넓다는 것이다. Wide Band Gap 반도체에는 대표적으로 GaN(질화갈륨)반도체와 SiC(탄화규소) 반도체가 있다. Si의 Band gap은 온도에 따라 달라지지만 대략 1.1eV정도인 반면, 화합물 기반 소자는 3배 정도 넓은 3.3eV정도 된다.

전력 반도체가 급부상하고 있는 이유는 기존 Si 반도체에 비해 conduction loss와 switching loss가 작고(efficiency 좋음), blocking voltage가 높다는 것이다. 다시 말해서, 더 작은 크기로 더 높은 전압에서 견딜 수 있으며 loss가 적어 효율이 높다는 것이다. SiC, GaN 반도체는 Si 반도체에 비해 가격이 높고 공정이 복잡하여 아직 연구 단계에 있지만, 이러한 부분이 해결된다면 전기자동차, 태양광발전, 모바일 기기 등 점차 많은 곳에서 사용될 것이다. 효율이 높으면서도 소형화가 가능한 전력 변환 장치를 요구하는데 Si 반도체는 앞서 말한 limit들이 존재하기 때문이다. [1]

앞으로 전력용 반도체 시장은 GaN과 SiC MOSFET으로 나눠질 것으로 예상되고 있다. GaN과 SiC로 나뉜다는 것은 서로 다른 특성이 있고 서로 다른 장점이 있기 때문이다. 따라서 우리는 언제 SiC 혹은 GaN을 사용해야하는지 파악해야할 것이다.

Possible application of GaN and SiC from the aspect of outpower and operating frequency [2]

시장에서 현재 더 많이 사용되고 있는 것은 SiC이고 부분적으로 상용화가 되고 있다. GaN 기반 전력반도체는 이제 막 시작하는 초기단계라서 gate driver가 많지 않다는 단점이 있다. 각 소자의 물성때문에, SiC MOSFET은 고전력에, GaN은 중, 저전력에 사용될 것으로 예상된다. 또한 GaN은 높은 동작 주파수에서 사용 가능하나, SiC는 비교적 낮은 동작 주파수에서 사용 가능하다.
따라서 SiC는 고출력 밀도 및 고전압화를 필요로 하는 가전, 신재생 에너지, 전기자동차 분야에서 loss가 적은, 높은 효율의 전력변환에 사용되고, GaN은 소형화, 고전압, 고속 스위칭에 의해 높은 효율, loss가 적은 소자로 전력망, 정보통신(ICT) 부분에서 사용될 것이다.

 앞으로 더 높은 전력을 사용하면서도 device는 소형화, 즉 고효율의 전력변환을 하는 방향으로 나아가야하는 것은 분명하기에 전력반도체 시장이 더욱 커질 것이고 유망한 분야이다. 아직 우리나라에서 이 분야를 잘하는 기업이 많지 않다는게 아쉽긴 하다. 최근 SK(주)가 투자회사로 변신하며 4개의 분야를 정해 투자를 하고 있는데 그 중 하나가 이 전력용 반도체이다. 그래서 SK(주)가 국내 기업 중 SiC 반도체를 하는 예스티의 관계사 예스파워테크닉스에 268억을 투자하기도 했다. 앞으로 우리나라에서도 이 분야를 잘하는 기업이 많이 나왔으면 좋겠다.


출처
[1] 중소기업 전략기술로드맵 2021-2023 시스템반도체, 중소벤처기업부, pp.306-337
[2] Comparison Between Competing Requirements of GaN and SiC Family of Power Switching Devices, 2020, Yuanhang Zhang, p6