[최근 전력 반도체 시장의 주요 이슈에 대해 이야기 해 보세요.]
전기차의 보급이 확대 되면서 더 많은 전력을 필요로 하는 첨단 어플리케이션의 등장으로 전력을 변화, 분배, 변압 및 제어하는 전력 반도체의 중요성이 더욱 커지고 있습니다. 특히 이런 상황속에서 기존 실리콘을 사용하는 전력 반도체 소자에 새로운 화합물인 실리콘 카바이드와 갈륨 나이트라이드를 사용한 전력 반도체의 필요성이 점점 더 중요해 지고 있습니다.
[그럼 왜 실리콘카바이드, 갈륨나이트라이드가 관심을 받고 있을 까요?]
첨단 반도체와 이를 뒷받침하는 데이타 센더는 더 많은 전력을 요구합니다. 그만큼 효율적으로 전력을 관리해야 하는 요구가 있습니다. 뿐만아니라 첨단 반도체에서 발생하는 높은 발열과 전압을 견딜 수 있는 전력 반도체가 필요합니다.
실리콘을 사용하는 전력 반도체는 이러한 첨단 어플리케이션의 요구사항에 많이 부족한 상황입니다. 실리콘 카바이드와 갈륨나이트라이드 전력반도체는 소재 자체의 밴드갭이 실리콘에 비해 3배 이상 되기 때문에, 고전압, 고주파, 고온 환경에서도 안정적으로 동작이 가능합니다. 특히 고온을 견디도록 큰 부피의 방열 시스템이 필수적으로 필요했던 실리콘 기반의 전력 반도체와 달리 공간 활용 측면에서 큰 장점이 있습니다.
이러한 이유로 올해 80%가 넘는 점유율을 보이는 실리콘 기반의 전력반도체 점유율은 점점 그 비율이 줄어 들것으로 예상되며, 수년안에 실리콘 카바이드가 25% 정도 갈륨나이트라이드의 점유율이 6% 정도 성장 할 것으로 예상됩니다.
[실리콘카바이드와 갈륨나이트라이드 전력 반도체의 특징에 대해 설명해 주세요]
실리콘 카바이드 전력 반도체의 경우 고전압, 고온에서도 안정적으로 동작이 가능한 소자 입니다. 탄소와 규소가 결합된 실리콘 카바이드 소재는 다이아몬드 다음으로 단단하여, 가공의 어려움이 있었으나, 현재는 6인치와 8인치 웨이퍼를 사용하고 있습니다. 실리콘 카바이드는 실리콘 전력 반도체에 비해 전력 손실이 30%정도 적고, 반도체 성질을 유지할 수 있는 최대 전압(절연파괴전계)가 실리콘 대비 10배 이상 높습니다.
갈륨 나이트 라이드의 경우에는 동작 속도가 매우 높습니다. 이런 면에서 고주파 소재로 적합한 소자 입니다. 빠른 전자 이동이 가능한 특성으로 급속 충전기 어플리케이션에 유리합니다. 그리고, 차세대 통신 분야에서도 관심을 갖고 있습니다. 미래에는 전기차 충전 시스템, 데이터 센더, 에너지 저장 장치 등 많은 분야에서 활요이 증가 할 것으로 예상 하고 있습니다. 갈륨나이트 라이드 전력 반도체는 실리콘카바이드보다 실리콘이나 사파이어 기판 같은 저렴한 소재로 양산이 가능하다는 점에서 실리콘 카바이드 대비 비용 효율이 좋습니다.
[실리콘 카바이드와 갈륨나이트라이드의 차이점에 대해서 이야기 해보세요]
이 두 소재는 초기에 비슷한 물성으로 인해 모두 고전력 소자로 개발을 진행했습니다. 그런데, 개발 단계에서 실리콘 카바이드는 수직형 소자로 개발 되었고, 수직형 소자는 주로 고전압 소자로 장점이 있습니다. 전력반도체는 수평형 보다는 수직형이 성능이나 가격면에서 장점이 있습니다. 주로 1200V, 650V 이상의 어플리케이션을 목표로 하고 있습니다.
갈륨나이트라이드는 개발 단계에서 수평형 소자로 연구개발이 되었습니다. 고전압 보다는 저전압에 적합합니다. 동급에서는 실리콘이나 실리콘 카바이드 대비 성능이 좋습니다. 아직은 개발 부분에서 많은 발전이 필요합니다. 미래에는 가전, 급속충전기, 모바일, 데이터 센터 등 으로 확장 될 것입니다.
참고사이트
https://sshmyb.tistory.com/341
[전력 반도체 제조 순서에 대해서 간략히 설명해 보세요]
다음은 일반적인 제조 순서 입니다.
1. 웨이퍼 준비
- 재료의 결정 성장 : 단결정 실리콘, 실리콘 카바이드, 갈륨나이트라이드 등의 결정 성장을 통한 웨이퍼 제조.
- 웨이퍼 절단 및 연마 : 단결정을 얇게 절단한 후 매끄럽게 연마
- 웨이퍼 클리닝 : 초음파 세척, 화학 세정 등을 통한 불순물 제저
2. 에피텍셜 성장
- 에피택시 : 웨이퍼 위에 고순도 반도체 층을 증착하여 정밀한 전기적 특성을 부여한다. 실리콘 웨이퍼 위에 실리콤 층을 성장 시키거나, 실리콘 카바이드 위에 실리콘 카바이드 층을 성장.
3. 산화 및 절연층 형성
- 산화 공정(퍼니스, 열처리 장비 등) : 웨이퍼 표면에 산화막(SiO2)을 형성하여 절연층 또는 보호층으로 사용 한다.
- 박막 증착(PVD, CVD 등) : Si3N4 등의 절연 물질이나 다른 기능성 박막을 증착 한다.
4. 포토리소그래피
- 감광층 도포 : 웨이퍼 표면에 포토레지스트 도포
- 노광 및 현상 : 마스크를 통해 자외선을 조사하여 원하는 패턴을 형성 한다.
- 식각(ICP-RIE 등) : 화확적 또는 플라즈마 방식으로 불필요한 부분을 제거한다.
5. 이온 주입 및 확산
- 이온 주입(이온 임플란터) : 불순물(도핑원소)을 웨이퍼에 주입해 전기적 특성을 조정한다.
- 열 확산(RTP, 퍼니스 등) : 주입된 불순물이 웨이퍼 내에서 확산되도록 열처리
6. 전극 및 금속화
- 금속 증착(PVD, CVD 등) : 웨이퍼에 전극으로 사용할 금속(알루미늄, 티타늄 등)을 증착.
- 패터닝 : 금속을 원하는 형태로 가공.
- 어닐링 : 금속과 반도체의 접합 특성을 개선하기 위해 열처리.
7. 패시베이션
- 보호층 형성 : 웨이퍼를 보호하기 위해 절연 물질로 박막을 코팅, Si3N4, SiO2 등 사용.
8. 검사 및 테스트(In-Line Inspection)
- 결함 검사 : 광학 및 전기적 검사를 통해 웨이퍼 표면 및 회로 결함 확인.
- 기능 테스트 : 전기적 특성(전류, 전압)을 확인하여 품질 보증.
9. 다이싱 및 패키징
- 다이싱 : 웨이퍼를 개별 침으로 절단.
- 칩 본딩 : 개별 침을 패키지 기판에 부착.
- 와이어 본딩 : 칩과 패키지 간 전기적 연결을 위한 금속 와이어 연결
- 몰딩 및 패키징 : 칩을 외부 환경으로부터 보호하기 위한 캡슐화
10. 최종 검사
- 기능 테스트 : 패키징 된 전력 반도체의 성능 확인
- 신뢰성 테스트 : 열, 전기적 스트레스 테스트를 통해 내구성 검증
11. 출하
- 제조된 전력 반도체는 고객의 용구에 맟춰 포장 후 출하.
참고 사이트
https://store-us.semi.org/products/s00200-semi-s2-environmental-health-and-safety-guideline-for-semiconductor-manufacturing-equipment?utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=HQ-OA-20220419--SEMIViewsGoogle&utm_content=134973579783&utm_term=semi%20s2&utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=standards&gad_source=1&gclid=Cj0KCQiAuou6BhDhARIsAIfgrn5brchjmhjniITE74l1Yd5-BHX2PkW24l1Ra_9hhxy14E5GFLaieUwaAqpDEALw_wcB
