무어의 법칙을 넘어, 3세대 반도체 소재 기술이 정점에 도달하다  
     
21세기 초부터 인공지능, 5G, 자율주행과 같은 새로운 애플리케이션의 등장으로 칩 성능에 대한 요구 조건이 높아졌습니다. 이는 또한 반도체 제조 공정 및 신소재 분야의 지속적인 혁신을 촉진했습니다. 무어의 법칙을 뛰어넘을 가능성이 있는 3세대 반도체 소재 기술로서, 이들은 이제 전성기를 맞이하고 있습니다.

3세대 반도체 소재는 광대역 밴드갭 반도체라고도 하며, 밴드갭 폭이 넓은(Eg≥2.3 eV) 반도체 소재를 말합니다. 주류 소재인 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN), 그리고 비주류 소재인 산화아연(ZnO), 다이아몬드, 질화알루미늄(AlN) 등이 3세대 반도체 기술의 대표적인 소재입니다. 1세대 및 2세대 반도체 소재와 비교했을 때, 3세대 반도체는 넓은 밴드갭 외에도 우수한 항복 전계 강도, 열전도율, 전자 포화율, 방사선 저항성을 갖추고 있습니다. 이러한 특성 덕분에 고온, 고주파, 방사선 저항성, 고출력 소자 제조에 유리하며, 에너지 효율이 높은 에너지 변환 시스템에 대한 시급한 요구를 충족할 수 있습니다. Omdia의 "2020 SiC 및 GaN 전력 반도체 보고서"에 따르면, SiC 및 GaN 전력 반도체의 전 세계 매출액은 2020년 말까지 8억 5,400만 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 향후 10년간 연평균 두 자릿수 성장률을 기록하며 2029년에는 50억 달러를 넘어설 것으로 전망됩니다.

전기 자동차, 5G, 빅데이터 등 다양한 신기술 응용 분야가 반도체 소재 분야에 새로운 발전 기회를 제공하고 있습니다. 전력 소모가 많은 데이터 센터, 각종 충전기, 내연기관을 대체할 전기 자동차용 트랙션 모터 인버터와 같은 분야에서 에너지 효율 향상은 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 소비에서 발생하는 이산화탄소 배출량을 줄이는 데 기여할 것입니다. 또한, 신소재는 재생 에너지의 대규모 보급을 촉진합니다. 예를 들어, 광대역 갭 전력 반도체는 태양광 및 풍력 발전의 효율을 향상시킬 수 있습니다.

 

한편, 5G 기반 사물인터넷(IoT)의 구축 및 적용으로 만물인터넷(IoE)이 대규모로 보편화되고 있으며, 수십억 명의 사용자, 기계 및 장치가 대용량 데이터, 고해상도 이미지 및 고화질 비디오 스트림을 실시간으로 공유할 수 있게 되었습니다. 원격 수술, 자율주행 자동차, 드론 배송 등 수많은 난제들이 개념 단계에서 현실 단계로 도약할 것입니다. 이러한 발전은 인공지능(AI)과 머신러닝의 이점뿐만 아니라, 더욱 향상된 처리 성능, 높은 대역폭 및 짧은 지연 시간을 갖춘 신소재의 등장과도 불가분한 관계에 있습니다.

ST는 혁신을 선도하며 3세대 반도체 기술 응용 분야를 적극적으로 도입하고 있습니다.  
     
1990년대 초, ST는 2인치 웨이퍼를 기반으로 SiC MOSFET 트랜지스터와 다이오드를 개발 및 출시해 왔습니다. 수년간의 장기적인 투자 끝에 ST는 관련 핵심 제조 공정에 대한 주요 특허를 획득했습니다. 에피택셜 층, 에지 종단 설계, 게이트 산화막 층 등 고전압 트랜지스터 및 다이오드 제조 분야에서 ST의 전문성은 SiC 개발을 성공적으로 이끌어가는 데 중요한 역할을 했습니다.ST는 이러한 성장세를 발판으로 삼아 급성장하는 전기 자동차(EV) 산업에서 핵심 SiC 공급업체로 자리매김했습니다.ST의 SiC 제품은 주로 전기 자동차 온보드 충전, 메인 인버터, DC-DC 컨버터, 산업용 드라이브, 태양광 발전 및 기타 응용 분야에 사용됩니다. 동시에 ST는 5G 기지국 및 통신탑, 전력 스위치, 가전 제품, 산업용 충전기 및 전원 어댑터와 같은 응용 분야를 위한 GaN 소자 개발에 지속적으로 투자하고 있습니다. 현재 GaN-on-silicon RF 제품을 설계 중이며, 이를 통해 ST는 제품 포트폴리오를 극대화할 수 있을 것입니다.  
SiC MOSFET 분야에서 ST는 안정적인 공급망을 구축하고 있습니다. 스웨덴의 Norstel AB를 성공적으로 인수하여 완전한 수직적 공급망 통합을 완료했고, Cree 및 SiCrystal과 장기 웨이퍼 공급 계약을 체결했으며, 자체 생산 능력도 지속적으로 확장해 왔습니다.ST는 SiC 분야에서의 성공을 발판으로 삼고 있습니다.GaN 분야로 계속 진행하세요또한, 산업 사슬의 상류 및 하류와 적극적으로 협력하고 있습니다. 갈륨 질화물 혁신 기업인 엑사간의 지분 과반수를 인수하고, TSMC의 업계 선도적인 GaN 제조 공정을 채택했으며, 레티와 협력하여 실리콘 기반 갈륨 질화물 전력 변환 기술을 개발하고, MACOM과 협력하여 실리콘 기반 GaN 생산 능력을 증대하는 등의 노력을 기울이고 있습니다.          ST masterGaN® 플랫폼 출시: 더 작고, 더 가볍고, 더 빠른 GaN 충전 시대를 열다  
     
전원 공급 장치의 소형화 추세는 수십 년 동안 지속되어 왔으며 앞으로도 새로운 시장 응용 분야를 가능하게 할 것으로 예상됩니다. 또한 전력 밀도 증가는 에너지 효율 향상의 핵심이며 설계자들이 매우 중요하게 여기는 요소입니다. 그러나 더욱 소형화되고 효율적인 전원 솔루션을 구현하는 데에는 여전히 주요 기술적 한계가 존재합니다.  
혁신의 새로운 물결을 일으키는 GaN 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 기술은 전력 공학 분야에 혁명을 일으키고 있습니다. GaN 파워 FET 트랜지스터는 기존 실리콘 기반 전력 솔루션의 성능 한계를 뛰어넘어 실리콘 기반 MOSFET으로는 결코 달성할 수 없었던 고속, 고효율, 고전력 밀도를 구현하고 새로운 응용 시장을 개척하고 있습니다. 수십 년간 전력 변환 시장을 선도해 온 ST는 탁월한 기술력과 시스템 전문성을 바탕으로 이러한 혁신의 물결에 발맞춰 더욱 폭넓은 시장 응용 분야를 아우르는 새로운 제품과 솔루션을 지속적으로 출시하고 있습니다.  
최근 ST는 실리콘 기반 하프 브리지 드라이버 칩과 GaN 트랜지스터 한 쌍을 통합한 세계 최초의 제품 플랫폼인 masterGaN®을 출시했습니다. 이 통합 솔루션은 소비자 가전 및 산업용 애플리케이션을 위한 차세대 경량, 에너지 절약형 400W 이하 충전기 및 전원 어댑터 개발을 가속화하는 데 도움이 될 것입니다.  
   
GaN 기술은 전자 장치가 처리할 수 있도록 합니다.더 많은 권력반면 기기 자체는 다음과 같이 됩니다.더 작고, 더 가볍고, 에너지 효율이 더 높습니다.이러한 개선 사항은 스마트폰용 초고속 충전기 및 무선 충전기, PC 및 게임 콘솔용 USB-PD 소형 어댑터는 물론 태양광 에너지 저장 시스템, 무정전 전원 공급 장치, 고급 OLED TV 및 클라우드 서버와 같은 산업용 애플리케이션에 혁신을 가져올 것입니다.   
오늘날 GaN 시장에서는 개별 전력 트랜지스터와 드라이버 IC가 흔히 사용되므로 설계자는 최적의 성능을 구현하기 위해 이러한 부품들을 어떻게 조화롭게 작동시킬지 숙지해야 합니다. STMicroelectronics의 masterGaN 솔루션은 이러한 어려움을 해결하여 제품 출시 기간을 단축하고 기대 성능을 달성하는 동시에 패키지를 더 작고 간단하게 만들고 회로 부품 수를 줄여 시스템 신뢰성을 향상시킵니다. GaN 기술과 STMicroelectronics의 통합 제품의 장점을 활용한 이 새로운 제품을 사용하는 충전기 및 어댑터는 기존 실리콘 기반 솔루션보다 효율성이 뛰어납니다.크기는 80% 줄이고, 무게는 70% 줄이며, 충전 속도는 2배 향상시켰습니다..  
   
      masterGaN 제품 플랫폼의 고유한 장점  
     
ST마이크로일렉트로닉스 아날로그 제품 사업부의 수석 부사장 겸 총괄 책임자인 마테오 로 프레스티는 "ST의 독자적인 masterGaN 제품 플랫폼은 시장에서 검증된 당사의 전문성과 설계 역량을 기반으로 하며, 고전압 스마트 전력 BCD 공정과 GaN 기술을 통합하여 공간 절약형, 에너지 효율적이고 친환경적인 제품 개발을 가속화할 수 있습니다."라고 말했습니다.
 

masterGaN1은 STMicroelectronics의 masterGaN 플랫폼의 첫 번째 제품으로, 두 개의 하프 브리지 구성 GaN 전력 트랜지스터와 하이 사이드 및 로우 사이드 드라이버 칩을 통합했습니다. masterGaN1은 9mm x 9mm GQFN 패키지에 1mm의 얇은 두께로 포장되어 현재 양산 중입니다. 또한 STMicroelectronics는 고객이 전력 제품 프로젝트를 신속하게 시작할 수 있도록 제품 평가 보드도 제공합니다.

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