SiC는 반도체 소재로서, 특히 전력 변환 및 제어에 사용되는 전력 부품에 있어 탁월한 특성을 지니고 있습니다.기존 실리콘 소자와 비교했을 때, SiC는 낮은 온저항, 고속 스위칭, 고온·고전압 동작을 구현할 수 있어 전원 공급 장치, 자동차, 철도, 산업 장비 및 가전 제품 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. SiC는 인공 합성을 통해 제조가 가능해졌지만, 극도로 어려운 공정으로 인해 SiC 전력 부품의 대량 생산은 연구자들에게 큰 난제였습니다.

※ 탄화규소(SiC)란 무엇인가요?

탄화규소는 탄소와 규소 원소로 구성된 화합물 반도체 소재입니다.탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(ALN), 산화갈륨(Ga2O3) 등은 밴드갭 폭이 2.2eV보다 크기 때문에 통칭하여 광대역 반도체 소재라고 합니다. 중국에서는 이러한 소재들을 3세대 반도체 소재라고도 부릅니다.

재료 측면에서 반도체 산업은 다음과 같이 나뉩니다.

1세대 반도체 소재: 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge) 등;

2세대 화합물 반도체 재료: 갈륨비소(GaAs), 인듐인화물(InP) 등;

3세대 광대역 밴드갭 소재: 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(ALN), 산화갈륨(Ga2O3) 등

그중에서도 탄화규소와 질화갈륨은 현재 상업적 전망이 가장 밝은 반도체 소재로, 반도체 산업의 차세대 "황금길"이라고 불릴 만하다.

역사상 최초로 탄화규소가 발견된 것은 1891년으로, 미국의 애치슨이 다이아몬드를 전기분해하는 과정에서 탄소 화합물을 발견했습니다. 이것이 바로 탄화규소의 최초 합성 및 발견이었습니다. 100년이 넘는 연구 끝에, 특히 21세기에 들어서면서 인류는 탄화규소의 장점과 특성을 명확히 규명하고 이를 활용하여 다양한 신소재를 개발해 왔습니다. 그 결과, 탄화규소 산업은 급속도로 발전했습니다.

기존 실리콘 소재와 비교했을 때, 탄화규소의 밴드갭은 실리콘의 3배이고, 열전도율은 실리콘의 4~5배이며, 항복전압은 실리콘의 8배이고, 전자 포화 드리프트율은 실리콘의 2배입니다.다양한 특성 덕분에 탄화규소는 고온, 고전압, 고전류를 견딜 수 있는 고주파 및 고출력 장치 제조에 특히 적합합니다.

현재까지 알려진 탄화규소의 결정 구조는 약 200가지이며, 여기에는 입방 밀집 구조의 섬아연석 α 결정 구조(2H, 4H, 6H, 15R)와 육방 밀집 구조의 부르차이트 β 결정 구조(3C-SiC)가 포함됩니다.

그중 β 결정 구조(3C-SiC)는 질화갈륨 에피택셜 층 성장 및 탄화규소 기반 질화갈륨 마이크로파 무선 주파수 소자 제조와 같은 고주파 소자 및 기타 박막 재료용 기판 제조에 사용될 수 있다. α 결정 형태인 4H는 고출력 소자 제작에 사용될 수 있으며, 6H는 가장 안정적이며 광전자 소자 제작에 사용될 수 있다.

※ 탄화규소의 성능적 이점

실리콘 카바이드 칩만 놓고 보면, 전력 반도체 분야에서 실리콘 카바이드는 기존 실리콘 기반 전력 칩에 비해 비교할 수 없는 장점을 가지고 있습니다. 실리콘 카바이드는 더 높은 전류와 전압을 견딜 수 있고, 스위칭 속도가 빠르며, 에너지 손실이 적고, 고온에도 강합니다. 따라서 실리콘 카바이드로 제작된 전력 모듈은 커패시터, 인덕터, 코일, 방열 부품 등의 수를 줄일 수 있어 전체 전력 소자 모듈을 더욱 가볍고 에너지 효율적이며 출력 전력을 강화할 수 있습니다. 또한 신뢰성도 향상됩니다. 이러한 장점은 매우 분명합니다. 구체적인 요약은 다음과 같습니다.

1. 임피던스가 낮을수록 제품 크기가 작아지고 효율이 높아집니다.

2. 더 높은 주파수와 더 빠른 스위칭 속도에 적합합니다.

3. 고온 특성이 우수하여 고온에서도 작동 가능합니다.

※ 탄화규소는 왜 이렇게 비싼가요?

실리콘 카바이드가 미래에 엄청난 사업 전망을 가지고 있다는 것은 누구나 알고 있지만, 이 산업에 뛰어드는 사람이라면 누구나 가장 먼저 직면하게 될 실질적인 문제, 즉 이 재료를 어떻게 처리해야 할지 막막할 것입니다.

전통적인 실리콘 기반 산업의 사업 환경이 매우 성숙한 이유 중 적어도 절반은 실리콘 소재를 비교적 쉽게 구할 수 있다는 데 있습니다.실리콘 소재의 성숙하고 효율적인 제조 기술 덕분에 현재 실리콘 소재는 매우 저렴합니다. 현재 6인치 실리콘 연마 웨이퍼는 150위안, 8인치는 300위안, 12인치는 약 850위안에 불과합니다.

원자재 가격이 충분히 저렴해질 때 비로소 산업 규모를 확장할 수 있다!

현재 초크랄스키법을 이용하면 약 2~3미터 길이의 실리콘 단결정 막대를 72시간 안에 성장시킬 수 있으며, 이 단결정 막대 하나로 수천 개의 실리콘 웨이퍼를 한 번에 절단할 수 있습니다.

72시간 안에 탄화규소 단결정을 얼마나 두껍게 키울 수 있는지 아세요? 몇 센티미터도 안 돼요!!!

현재 탄화규소 단결정을 성장시키는 가장 빠른 방법은 성장 속도가 약 0.1mm/h~0.2mm/h이므로 7.2시간 동안 얻을 수 있는 결정 두께는 72mm~14.4mm에 불과합니다.

따라서 실리콘 카바이드 단일 웨이퍼 생산 비용이 얼마나 비싼지 짐작할 수 있을 것입니다. 현재 4인치 실리콘 카바이드 기판 가격은 약 2,000~3,000위안이고, 6인치 기판은 6,000~8,000위안 수준에 달합니다. 에피택셜 웨이퍼는 X2보다 훨씬 비싸고, 여전히 가격이 높고 재고가 부족한 상황입니다.

세계 최대의 탄화규소 기업인 미국의 크리(Cree)는 생산 능력의 70% 이상을 거의 독점하고 있습니다. 따라서 국내외 하류 제조업체들은 생산 능력을 확보하기 위해 크리와 장기 계약을 체결해 왔습니다.

※ 탄화규소 시장

실리콘 카바이드 MOSFET 및 실리콘 카바이드 다이오드는 태양광, UPS, 산업, 자동차 및 기타 분야에 사용됩니다.SiC는 주로 태양광 에너지 저장 장치용 인버터, 데이터 센터 서버용 UPS 전원 공급 장치, 스마트 그리드 충전소 등 높은 변환 효율이 요구되는 분야에 집중적으로 사용됩니다. 그러나 최근 전기차 및 하이브리드차(xEV)의 개발과 함께 SiC는 이 새로운 분야에서도 빠르게 부상하고 있습니다. 그 영향권은 에너지(태양광, 전기차 충전, 스마트 그리드 등), 자동차(OBC, 인버터), 인프라(서버) 등 다양한 산업 분야에 미칩니다.

요약하자면, 가까운 미래에 탄화규소가 전력 전자 산업에 혁명적인 영향을 미칠 것으로 예상됩니다!

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