SiC, GaN 기반의 WBG 반도체, 채택 늘고 있어
5G, EV 이어 클라우드, AI 분야 수요 증가 추세
온세미, SiC 공정 개발 완료... SiC 기판 개발 중


기존 실리콘(Si) 소재 기반 반도체보다 높은 전압을 허용하고, 손실도 낮은, 실리콘카바이드(SiC) 및 갈륨나이트라이드(GaN) 소재 기반의 와이드밴드갭(Wide-bandgap; WBG) 반도체의 활용빈도가 증가하고 있다.

최근 온세미컨덕터는 650V SiC MOSFET를 출시하며 자사의 WBG 디바이스 제품군을 확대했고, 이를 통해 이전에는 서비스가 부족했던 전력 대역에서 보다 향상된 효율성을 제공하고 있다. 다음은 온세미컨덕터의 제품 라인 담당 매니저인 브랜든 베커(Brandon Becker)와의 2021년 시장 전망에 대한 일문일답이다.


Q. 5G, 전기차(EV) 등 떠오르는 분야에서 SiC, GaN 등을 기반으로 하는 WBG 반도체의 채택이 눈에 띈다. 그러나 여전히 기존 Si 기반 반도체의 점유율이 큰데, 올해 SiC, GaN 기반 반도체 분야를 어떻게 전망하는지?
A. SiC, GaN 소재를 활용한 반도체는 높은 효율과 전력 밀도를 요구하는 애플리케이션에 계속 적용될 것입니다. 비용 측면에 보면, WBG 반도체를 채택하면, 전체 시스템 비용을 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 설계자는 애플리케이션의 냉각 시스템을 제거하고, 수동 소자의 크기와 비용을 절감할 수 있습니다. 이는 Si 기반 반도체보다 WBG 반도체의 스위칭 주파수가 높으므로 가능합니다. 곧 두 반도체를 조합한 솔루션들이 등장할 것입니다. 가령, Si IGBT와 SiC 다이오드를 결합하여 시스템 비용은 줄이면서 효율성과 신뢰성을 높인 인버터 등이 있습니다.


Q. 5G 분야에서 SiC MOSFET의 적용 사례가 얼마나 늘고 있는지?
A. 5G는 이론상 LTE보다 20배 빠른 통신 속도를 제공합니다. 하지만 고속 통신의 구현에는 더욱 많은 전력을 처리하고, 하드웨어가 과열되지 않도록 열효율이 우수하며, 전력 효율에 최적화된 디바이스가 필요합니다. SiC 소재는 까다로운 환경에서 사용하기 매우 적합하여, SiC MOSFET는 이러한 성능상의 목표를 달성할 수 있습니다. 또한, SiC는 이러한 장점을 통해 클라우드 및 AI 서비스 제공에 있어 중요한 역할을 하게 될 것입니다. 현재 해당 분야의 애플리케이션 수요가 많이 증가하고 있으며, 높은 전력 밀도에 대한 요구는 설계자들의 주요 관심사입니다.

Q. 타사 디바이스 대비 온세미 SiC MOSFET만의 차별점은?
A. 온세미는 내부 공급망, 제조 전문성, 합리적인 가격에 제공되는 입증된 SiC MOSFET 디바이스 성능, 우수한 평가를 받는 고객 지원 등 다양한 경쟁 우위를 확보하고 있습니다. 온세미는 전 세계 전력 반도체 업계 2위 자리를 차지하고 있으며, 고객들과 긴밀한 관계를 유지하며 그들의 시스템 설계에 중요한 역할을 하고 있습니다. 현재까지 온세미는 900·0200V SiC MOSFET 제품군을 확장해 왔습니다. 올해에는 650V SiC MOSFET 기술을 발표했고, 이를 구현하고자 초기 엔지니어링 단계에서 고객들과 함께 작업하고 있습니다.

해당 기술이 정식 출시되면 고객들이 요구하는 짧은 리드 타임을 제공할 수 있도록 생산 능력을 최대화하는데 집중할 계획입니다. 또한, 자동차 트랙션 인버터, 온보드 충전기, EV 충전 시스템, 태양광 발전기, 태양광 인버터, 서버 전원공급장치, 통신 및 무정전 전원공급장치를 포함한 다양한 애플리케이션에 걸쳐 고객과 지속해서 협력하고 있습니다. 이 외에도 전문 조명과 오디오, 의료, 전력 도구, 어플라이언스, 보조 모터 분야 등에서의 WBG 기술 수요에 대응하고 있습니다.


Q. 온세미의 SiC 디바이스가 EV에 적용된 사례가 있는지?
A. 온세미는 세계 곳곳의 자동차 기업들과 긴밀히 협력하고 있습니다. 현재 SiC MOSTFET 및 다이오드가 다양한 EV에 적용되고 있습니다. 특히, 전 세계 자동차 업계의 OEM들과 다양한 협력 프로젝트를 진행하고 있으며, 진행 상황은 제품, 자격, 평가 및 개발 유형에 따라 다릅니다. 온세미는 또한 다양한 EV 레퍼런스 디자인을 고객에게 제공하고 있습니다.

Q. 새로운 650V SiC MOSFET의 경쟁력에 대한 근거는 무엇인지?
A. 온세미 SiC MOSFET는 650V 내압에서 업계 최고의 Rsp(RDS(on)×넓이)를 구현할 수 있는 첨단 박형 웨이퍼 기술을 활용한 새로운 활성 셀 설계법에 따라 제작됐습니다. D2PAK7L 및 To247 패키지로 제공되는 △NVBG015N065SC1, △NTBG015N065SC1, NVH4L015N065SC1, NTH4L015N065SC1 SiC MOSFET은 12mΩ(밀리옴)의 온저항을 제공합니다.

온세미의 최신 웨이퍼 기술은 에너지 손실 수치 지수에 대하여 최적화됐기에 차량용 및 산업용 애플리케이션에 최적의 성능을 제공합니다. 내부 게이트 저항(Rg)을 이용하면 설계자가 외부 게이트 저항을 추가하여 인위적으로 디바이스의 속도를 더 낮출 필요가 없어지므로 더 높은 설계 유연성을 제공합니다. 또한, 높은 서지와 아발란치를 견디며, 쇼트 서킷 견고성을 제공하여 내구성과 신뢰성을 높이며, 디바이스 수명 역시 높입니다.


Q. Si, SiC 및 GaN 소재의 향후 방향성을 어떻게 전망하는지?
A. SiC와 GaN 소재는 미래 전자기기의 필수요소가 될 것입니다. 지금도 두 소재는 특유의 물리적 특성을 기반으로 전에는 만들 수 없었던 디바이스를 탄생시키고 있습니다. SiC MOSFET는 지난 50년에 걸쳐 완성됐으며, 현재도 꾸준히 개선되고 있습니다. 온세미는 특정 애플리케이션에 맞게 WBG 기술을 맞춤화하고 있습니다. 이와 더불어, 고객이 가능하다고 생각하는 한계를 뛰어넘어, 첨단 디바이스를 지속해서 혁신하여 고객이 원하는 바를 이뤄내도록 돕고자 합니다.


Q. 향후 2~3년 이내에 SiC, GaN 반도체가 가장 많이 사용될 분야는?
A. 산업용 전력 및 에너지 생성 애플리케이션 분야에서 SiC 시장점유율이 꾸준히 확대할 것으로 예상합니다. 특히 자동차 트랙션 인버터 분야에서 급속한 성장세를 보일 것으로 기대하고 있습니다. GaN 소재는 전력 밀도를 설계상 우선순위로 두고 있는 소비자 전원 공급장치와 같은 애플리케이션에 대대적으로 채택될 것으로 보입니다. 더욱 까다로운 다른 애플리케이션에도 적용할 수 있지만, 향후 약 3년간은 소비자 분야와 같은 수준의 채택률을 보이지는 않을 것입니다.


Q. SiC MOSFET 개발에 대한 어려움을 온세미는 어떻게 극복했는지?
A. 현재 가장 큰 도전과제는 SiC 기판 개발로, 온세미를 비롯한 반도체 제조업체들이 이를 해결하기 위해 큰 노력을 기울이고 있습니다. SiC 기판은 기존 Si 보울(boule)과 매우 다릅니다. 사용되는 장비부터 공정, 처리 방법, 절단 방법 등에 이르는 생산과 관련된 모든 것이 SiC 소재를 위해 특별히 개발돼야 합니다.

온세미는 결함 밀도를 낮추기 위해 많은 R&D를 진행했으며, 이를 통해 비용구조 개선을 이뤘습니다. 덕분에 고객들 사이에서 SiC MOSFET 채택이 가속화되고 있습니다. 또 다른 어려움으로는 에피택시얼 성장(epitaxial growth), 팹(fab) 처리 및 패키징이 있지만, 비단 여기에만 국한되지 않습니다. 개별 공급망 단계에는 매일같이 해결이 필요한 고유의 엔지니어링 도전과제가 따릅니다.


Q. 코로나19 팬데믹이 SiC 원자재 공급과 SiC MOSFET 설계, 제조, 공급에 어떠한 영향을 미쳤을 것 같은데, 온세미의 대응책은?
A. 온세미는 모든 원자재 공급을 면밀하게 모니터링하고 있습니다. 다수의 검증된 공급처를 두고 있어 공급 연속성을 유지하고, 신속한 대응이 가능합니다. 또한, 당사 내외부 여러 곳에서 제품을 인증하는 전문가팀을 운영하며 어떠한 지점에서도 SiC 디바이스 제조가 중단되는 일이 없도록 만전을 기하고 있습니다.