▲ 한국반도체산업협회 안기현 전무가 `산화갈륨 전력반도체 세미나`에서 인사말을 전하고 있다.

전기차, 신재생에너지 등 신산업 성장에 힘입어 차세대 반도체로 각광받고 있는 화합물 기반의 전력 반도체 신소재로 SiC(탄화규소), GaN(질화갈륨), 산화갈륨(Ga₂O₃)이 주목 받고 있다. 선제적인 산화갈륨 기술 확보를 위해서는 웨이퍼 제조 및 관련 장비 기술 개발 등이 시급한 것으로 나타났다.

‘산화갈륨 전력반도체 기술로드맵 세미나’가 산화갈륨 얼라이언스 주최로 23일 한국반도체산업협회 9층 세미나실에서 개최됐다. 이번 세미나는 아직 초기단계인 산화갈륨 소재를 활용한 전력반도체 기술개발 및 산업생태 구축을 위해 마련됐다.

안기현 한국반도체산업협회 전무는 인사말을 통해 “전력반도체는 미래 핵심 성장 분야로서 화합물 반도체 소재로 산화갈륨이 SiC, GaN 다음으로 주목받고 있는 만큼 산화갈륨 관련 기술을 선제적으로 확보해야 한다. 이를 위해 현재 4,400억 규모의 화합물 반도체 예타를 준비 중” 이라며 “산화갈륨을 포함해 화합물 반도체 산업 경쟁력이 더욱 강화되길 바란다”고 전했다.

전력반도체는 전력용 파워스위칭 소자와 제어 IC로 구성돼 전자기기에 들어오늘 전력을 장치에 맞게 전력을 변환, 분배 및 관리하는 ‘두뇌’ 역할을 하는 반도체다. 4차 산업혁명 시대에 접어들면서 전기차, 로봇, 신재생에너지 등 관련 산업이 급성장 하면서 전력반도체의 수요는 급증하고 있다.

전력반도체의 신뢰성과 효율성이 이슈가 되면서 전력반도체 소재로 사용돼온 실리콘(Si) 대신 고전압·고내열·고집적 등 성능이 우수한 SiC(탄화규소), GaN(질화갈륨), Ga2O3(갈륨옥사이드) 산화갈륨(Ga₂O₃) 등 화합물 기반 신소재의 전력반도체가 주목받고 있다.

특히 산화갈륨은 최근 몇 년 동안 전력 전자 분야에서 잠재적인 응용으로 더 주목을 받고 있는 차세대 와이드 밴드갭(WBG) 반도체 물질로, 전력반도체 소자로 활용되기 위한 원료, 단결정 및 에피박막 소재다. 밴드갭은 가전자대의 상단과 전도대의 하단 사이의 반도체 에너지 차이를 말한다. 밴드갭이 넓을수록 즉, 에너지 차이가 클수록 더 높은 온도, 전압, 주파수 등에서 작동할 수 있다.

산화갈륨은 밴드갭이 4.8eV로 실리콘(1.1eV)보다 훨씬 크고 SiC(3.3eV), GaN(3.4eV)등 다른 와이드 밴드 갭 반도체 보다도 커 전력변화기, 모터드라이브, 인버터 등과 같은 전력 전자 장치의 고전압, 고출력 응용에 효과적일 것으로 보인다. 또 다른 재료에 비애 원재료가 풍부하고 비용이 저렴하며, 열적으로도 안정적이여서 고온 용도에 더 적합해 높은 파괴전압이 요구되는 전력전자 응용분야에서 활용도가 높은 재료로 세계에서 많은 기관들이 연구 개발하고 있다.

하지만 산화갈륨 반도체 시장은 아직 초기 단계로 상용화 및 대량생산을 위해서는 웨이퍼 제조 기술 및 구조개발, 장비 기술, 검사·분석 기술 개발이 필요하다.

▲ 배시영 한국세라믹기술원 센터장이 ‘산화갈륨 소재 기술 동향’에 대해 소개하고 있다.

이날 세미나에서 배시영 한국세라믹기술원 센터장이 ‘산화갈륨 소재 기술 동향’에 대해 발표했다. 배시영 센터장은 “산화갈륨은 기존 WGB 소재대비 1/4수준의 제조비용과 MV급 소자를 구현할 정도로 물성이 우수하다. 이에 전세계 산화갈륨 반도체 시장은 2020년에서 2030년 동안 연평균 66.9% 성장해 2030년에는 1조 7천억 규모의 시장을 형성할 것으로 예측된다”고 설명했다.

다만 “일본 NCT사에서 2015년 최초 사용화 이후 현재 4인치 기판까지 전 세계에 독점 공급중이고, 미국과 중국, 일본을 중심으로 전력 소자 개발이 치열하게 진행되고 있는 만큼 국내에서도 산화갈륨 선제적인 연구개발을 위해 고순도 원료와 생산단가를 낮추기 위한 노력이 필요하다”고 전했다.

▲ 장성환 넥서스비 본부장은 ‘산화갈륨 장비 기술 동향’에 대해 발표하고 있다.

장성환 넥서스비 본부장은 ‘산화갈륨 장비 기술 동향’에 대해 설명했다. 장 본부장은 “산화갈륨 기반 소자의 상용화 및 대량생산을 위해서는 장비 기술 개발이 필수적이다. 현재 산화갈륨은 초기단계로 산화갈륨의 시장성이 충분히 확보된 이후에 장비시장도 성장할 것”이라고 말했다.

또 “산화갈륨 반도체 장비는 단결정 성장 장비와 에피증착 장비로 나눠 설명 할 수 있는데, 단결정 장비에서 현재 일본 NCT사가 EFG(엣지필름공급) 방법으로 4인치급을 시양산 중이며, 향후에는 CZ(초코랄스키)가 양산 측면에서 유리할 전망”이며, “에피증착 장비는 성장속도면에서 HVPE나 Mist-CVD가 유리하지만 양산성 측면에서 MOCVD의 개발이 빠르게 진행될 것으로 보인다”고 말했다.

이어서 홍승훈 ANA-IP 특허사무소 변리사는 ‘산화갈륨 IP R&D 동향’에 대해 발표했다. 홍승훈 변리사는 “산화갈륨 관련 기술 특허는 일본이 선두를 달리고 있다. 일본의 타무라, 플로스피아는 일본 뿐만이 아니라 미국, 유럽, PCT(특허협력조약)에서도 다출원하고 있다. 또한 2021년 9월부터 2022년 11월까지 추가된 특허는 460건으로 중국이 240건(52%)으로 절반 이상을 차지 했으며 △일본 87건(19%) △미국 63건(13%) 등 세계 각국에서 활발한 움직임을 보이고 있다”고 설명했다.

경신수 파워큐브세미 연구소장은 ‘산화갈륨 소자 기술 동향’에 대해 설명했다. 경신수 연구소장은 “산화갈륨 전력 반도체 소자구조는 다이오드와 트랜지스터로 구성돼 있다. 산화갈륨의 트랜지스터 상용화를 위해서는 채널이 0V 중심으로 제어되는 Normally-off 소자가 필수적”이라며 “산화갈륨 기술개발을 위해 재료-공정-소자-신뢰성평가-어플리케이션 적용 평가‘를 연계하는 기술개발이 필요하다”고 강조했다.

황완식 항공대 교수가 ‘산화갈륨 MI 동향’에 대해 발표했다. M.I(Measurement&Inspection)는 반도체 생산 과정에서 결함과 신뢰성을 확보하기 위해 단위 공정에서 소자에 이르는 전과정을 분석해 수율 증대를 통한 생산성을 높이는 과정이다. 황완식 교수는 “M.I 관련한 국낸외 기술개발은 현재까지 산화갈륨에 맞춰 이뤄진 적이 없으며 일본의 Novel Crystal사가 에피층 두께 정보를 제공하고 있는 것이 전부다”라고 말했다.

이에 그는 “차세대 소재로 주목받고 있는 산화갈륨의 소재, 소자에 대한 측정장비 및 검사/분석 기술개발이 필요하다. 산화갈륨 기반 장치의 정확한 측정 및 분석을 공정 제어 미 품질 보증에 매우 중요한 만큼 산화갈륨두께측정, 웨이퍼 검사, 전기적 특성 평가, 결함 측정에 대한 기준 및 연구개발이 필요하다”고 말했다.

국내에서는 산화갈륨 기술력 확보를 위해 다각적인 노력들이 진행되고 있다. 정부는 2021년 산화갈륨 소재를 기반으로 한 전력반도체 생태계 구축을 위해서 ‘산화갈륨 얼라이언스(K-GOAL)'를 출범 시켰다.

얼라이언스는 한국반도체산업협회·한국반도체연구조합과 함께 힘을 합쳐 여러 기업 및 연구기관들과 산화갈륨 기술 확보를 위한 연구개발 및 사업을 추진하고 있다.

▲ 산화갈륨 전력반도체에 관심 있는 많은 기업 및 기관 관계자들이 세미나에 참석했다.