1. 서론
전력반도체 SiC MOSFET 소자
전력반도체는 전기를 활용하기 위해 직류-교류 변환, 전압-주파수 조정 등 전력의 변환·변압·안정·분배· 제어를 수행하는 반도체이다. 해당 반도체의 특징은 열 특성향상, 속도강화, 고전압·고전류, 스위칭 손실 최소화 등이 가능하다는 것이다. 이러한 전력반도체 기능은 전원 또는 배터리로부터 공급되는 전력을 자동차, 스마트폰 등에서 필요로 하는 전압 및 전류로 변환하며 시스템 전체 전력을 관리한다.
최근 Si(실리콘) 대비 전력 효율과 내구성이 뛰어난 SiC(실리콘카바이드), GaN (질화갈륨) 등 화합물 기반의 차세대 전력반도체가 관련 시장의 태풍의 눈으로 부상하고 있다. 또한 탄소중립을 위한 핵심부품으로 대두되고 있으며 전력 절약을 위해 친환경, 고효율, 고신뢰성에 대한 연구개발이 진행 중에 있다. 기존 전력반도체는 스위칭 손실, 스위칭 속도, 내환경성 등의 물성적 한계로 시장의 요구에 부응하지 못하고 있는 까닭이다.
Si 반도체는 저렴한 가격, 넓은 동작온도 범위, 자연적 산화막(SiO2)형성의 이점이 있으나 물성적 한계로 인해 화합물 반도체 SiC가 부상하고 있다. SiC의 특성을 보면 1.1eV의 Si에 비해 3배의 밴드갭 (3.3~3.4eV)으로 안정적인 고온 동작과 10배의 절연파괴강도로 고전압 동작, 3배의 높은 열전도율로 보다 적은 에너지로 냉각이 용이하다는 점을 꼽을 수 있다. 또한 SiC는 Si 대비 10배 높은 전압 내구성, 30% 작은 전력손실을 가진다. 따라서 SiC의 장점은 전력 스위칭 시 손실 저감, 빠른 스위칭, 방열 시스템 부피 축소 등으로 소형화, 저전력화, 고효율화가 가능하다. 뿐만 아니라 SiC는 고전압·고내열로 에너지 절감이 가능하고, 고출력·고효율의 전력변환 스위칭소자로 사용되며 전기자동차, 태양광 인버터, ESS인 버터, 모터 드라이브 등에 적용될 수 있다.
전력반도체는 <그림 1>과 같이 전력반도체 개별소자와 파워 IC로 구분된다.
친환경 자동차 PTC 히터용 보디 다이오드 무동작의 초박막 SiC MOSFET 소자와 핵심 공정 기술이 개발되면 SiC 기반의 파워반도체는 차세대 전기자동차뿐만 아니라 태양광인버터 등의 신재생에너지분야와 하이엔드 산업용 인버터 분야에 확대 적용이 가능할 것으로 판단된다. 특히 SiC 파워반도체는 전기자 동차, 드론 등의 e-모빌리티 분야의 핵심 전력변환 소자이며 로봇과 같은 4차산업 분야의 핵심 소재 부품 이다. 주전원관리IC(PMIC) 시스템 IC 및 SiC 웨이퍼 반도체 제조 기업은 전력 반도체 및 모바일 반도체의 수요 급증으로 인해 장비의 수요가 확대될 것이 예상된다. SiC의 전기차 채택율이 2025년에 60% 이상으로 예상되며, SiC 웨이퍼의 시장 규모는 2025년에 약 1조 원으로 급성장할 전망이다. 파워반도체 및시스템 IC 회사는 국내 SK 실트론 등 웨이퍼 제조 회사와 해외 전력반도체 제조 회사의 급증을 예상하고 있으며 2025년에는 8인치 제품의 상용화가 예상된다.
이러한 전기자동차에 전력변환 시스템의 고효율화를 위해서는 SiC 상용화가 필요한데 전장용 SiC 소자는 국내 상용화가 전무하며 수입에 의존한다. SiC MOSFET 소자는 미국과 일본 등 선진국의 기술유출 금지 품목에 해당되기 때문에 국가 차원의 정책적 지원을 통한 기술 경쟁력 확보가 필요하다. 특성 확보 측면의 기술개발보다는 수요처와 연계된 상용화 측면의 기술개발과 이에 대한 지원이 시급하다고 할 수있다.
SiC 파워반도체의 핵심 제조 환경 내재화가 필요하다. SiC 파워반도체 핵심 공정 설비는 해외업체에 전적으로 의존하고 있어, 핵심 공정인 초고온 activator 설비와 공정 내재화가 이뤄져야한다. 국내 기술은 실리콘(Silicon) 파워반도체에 적용한 1300도 미만의 고온 히터 기술은 보유하고 있으나, SiC 파워반도 체에 필요한 1900도 수준의 초고온 히터 기술은 아직 보유하지 못한 상황이다. 이에 국내 기술은 메모리 중심의 실리콘 제조 공정에 집중돼있으며 파워반도체 전용인 SiC 공정 설비에 대한 지원은 미흡한 상태이다.
또한, SiC 소자의 초고온 활성물(Activator) 공정 평가를 위한 국제표준이 제정되어 있지 않다. 향후 기술개발 완료 후 상용화 시, ‘Body Diode Turn-on Free SiC MOSFET 소자’의 고 신뢰성 평가, 초고온 Activator 평가를 위해서는 표준연계가 필요할 것으로 생각된다. IEC TC47, SC47E, JEDEC에서 Body Diode Turn-on Free SiC MOSFET 소자의 고 신뢰성 평가, 초고온 Activator 평가에 대한 표준화 수행의 활발한 활동을 기대한다.
2. 현재 표준 트렌드 현황
2-1. R&D 관련 표준 동향
「IEC 60749-34-1」 국제표준은 반도체소자의 기계 기후적 환경 시험방법으로 전력반도체 모듈용 전력 사이클링 표준화로 관련이 높다. 이 표준은 내부 반도체 모듈과 내부 콘넥터의 전력소비 사이클링으로부터 초래되는 열적 기계적 스트레스에 대한 전력반도체 모듈의 저항을 결정하는 시험방법을 규정한다. 프로젝트 리더는 일본의 미쓰비시전기 전문가로 오는 2023년에 출판될 예정이다.
「IEC 60749-24」 국제표준은 반도체소자의 기계 기후적 환경 시험방법으로 가속된 수분 저항-바이어스 되지 않은 HAST 표준화로 관련이 높다. 이 표준은 습한 환경에서 비밀봉성 패키지된 반도체소자의 신뢰 성을 평가하기 위한 목적으로 고도로 가속된 스트레스 시험(HAST)을 규정한다.
「IEC 60747-15」 ED3 국제표준은 개별반도체의 격리된 전력반도체소자(IGBT) 표준화로 관련이 높다. 이 표준은 통합 제어회로를 가지고 격리된 전력반도체소자에 대한 요구사항을 규정한다. 프로젝트 리더는 일본의 미쓰비시전기 전문가로 오는 2023년 출판예정이다.
「IEC 63068-4」 국제표준은 전력반도체소자 SiC 호모에피탁시얼 웨이퍼 내에 결함을 인식하는 비파괴적 기준으로 광학적 검사와 광발광(PL)의 혼합방법을 이용해 결함을 확인 평가하는 절차 표준화로 관련이 매우 높다. 이 표준은 광학적 검사와 광발광의 2방법을 시스템적으로 결합해 4H-SiC 호모에피탁시얼 웨이퍼 내에 결함을 인식 확인하는 기준을 제공한다. 더욱이 광학적 검사와 광발광(PL) 이미지는 SiC 호모에피탁시얼 웨이퍼 내의 결함을 검사하고 분류화 가능한 예시를 보여준다. 프로젝트 리더는 일본의 공업기술연구소 전문가로 역시 2023년에 출판예정이다.
「IEC 63068-2:2019 ED1」 국제표준은 전력반도체소자 SiC 호모에피탁시얼 웨이퍼 내에 결함을 인식 하는 비파괴적 기준으로 광학적검사 방법을 이용해 결함 시험방법 표준화로 관련이 매우 높다. 이 표준은 상업용 4H-SiC 에피탁시얼 웨이퍼 내 결함 인식을 위해 광학적검사를 사용한 정의와 가이던스를 제공 한다. 더욱이 광발광 이미지를 SiC 호모에피탁시얼 웨이퍼 내에 결함을 검사하고 분류화 가능한 예시로 보여준다.
「IEC 63068-3:2020 ED1」 국제표준은 전력반도체소자 SiC 호모에피탁시얼 웨이퍼 내에 결함을 인식 하는 비파괴적 기준으로 광발광 방법을 이용해 결함 시험방법 표준화로 관련이 매우 높다. 이 표준은 상업용 4H-SiC 에피탁시얼 웨이퍼 내에 결함 인식을 위해 광발광을 사용한 정의와 가이던스를 제공한다. 더욱이 광발광 이미지와 방사스펙트럼을 SiC 호모에피탁시얼 웨이퍼 내에 결함을 검사하고 분류화 가능한 예시로 보여준다.
<표 2>에서는 국제표준화기구 IEC(국제전기기술위원회)의 반도체소자(TC 47) 기술위원회에서 국제 표준을 제개정 작업을 수행하는 작업반 위원회를 볼 수 있다.
2-2. 기술개발에 도움이 되는 주요 표준
「IEC 63275-2」 국제표준은 반도체소자 SiC MOSFET의 신뢰성 시험방법으로 보디 다이오드 동작 으로 인해 2극 감쇄의 시험방법 표준화로 관련이 매우 높다. 이 표준은 보디 다이오드 동작에 의해 SiC MOSFET 소자의 가압상태 전압이동과 온저항 이동을 평가하기 위한 시험방법이다. 프로젝트 리더는 일본의 후지전기 전문가로 2022년 내에 출판될 예정이다.
「IEC 63275-1」 국제표준은 반도체소자 SiC MOSFET의 신뢰성 시험방법으로 바이어스 온도 불안정성 시험방법 표준화로 관련이 매우 높다. 이 표준은 상승된 온도에서 지속적으로 양 게이트-소스 전압스트 레스를 걸어준 후 실온 리더아웃을 사용해 SiC MOSFET 전력소자의 게이트 문턱 전압 이동을 평가하는 시험방법이다. 제안된 방법은 스트레스와 10시간 측정 사이에 큰 지연시간을 허용함으로 회복을 얻게 된다. 프로젝트 리더는 일본의 후지전기 전문가로 역시 2022년 출판예정이다.
「KS C 5210」 국가표준은 신뢰성 보증 디지털 반도체 집적회로 통칙의 표준화로 매우 관련이 높다. 이 표준은 전자 기기에 쓰는 디지털 반도체 집적회로(이하, 디지털 IC) 중에서 특별히 신뢰성 보증이 요구되는 디지털 IC에 대한 신뢰성 보증 프로그램, 인증 시험, 품질 보증 검사, 정기적 인증 유지 시험 등의 공통적 사항에 대하여 규정한다.
「KS C 6049」 국가표준은 반도체 직접회로의 환경과 내구성 시험방법의 표준화로 큰 관련이 있다. 이 표준은 주로 산업용 및 민생용 전자기기에 쓰는 집적회로(혼성 집적회로를 제외함)의 사용 중 저장 중 및 수송 중에 받는 각종 환경 상태에서의 내성을 평가하기 위한 환경 내구성 시험방법에 대해 규정한다.
<표 3>에서는 IEC의 반도체소자(TC 47) 기술위원회에서 국제표준에 대해 개발 중이거나 완료한 현황을 볼 수 있다.
3. 미래 표준 트렌드 전망
「IEC 63284」 국제표준은 반도체소자 GaN 트랜지스터에 유도부하 스위칭용 신뢰성 시험방법 표준화로 관련이 높다. 이 표준은 GaN 전력 스위치의 온-스트레스 신뢰성을 평가하는 시험방법이다. 프로젝트 리더는 일본의 후지전기 전문가로 2022년 출판예정이다.
「IEC 63419」 국제표준은 GaN 전력변환 소자의 스위칭 신뢰성 평가절차에 대한 가이드라인 표준화로 관련이 높다. 이 표준은 GaN 전력 스위치의 스위칭 신뢰성을 평가하는 가이드라인이다. 평면증가-모드, 공핍-모드, GaN 집적 전력 솔루션과 캐스케이드 GaN 전력스위치에 응용 가능하다. 프로젝트 리더는 미국 전문가로 오는 2023년 출판이 기대된다.
「IEC 63373」 국제표준은 GaN HEMT 기반 전력변환소자용 동적 온-저항 시험방법 가이드라인 표준화로 관련이 높다. 이 표준은 일반적으로 동적 온-저항 시험은 GaN 전력 트랜지스터에 전하 트랩핑 현상을 측정한다. 또한 GaN 측면 전력 트랜지스터 솔루션의 동적 온-저항 시험용 가이드라인을 제공한다.
「JEP184」 해외단체표준은 전력전자변환(PEC)용 탄화규소(SiC) 금속산화물반도체소자(MOS)의 바이 어스 온도 불안정성을 평가하는 가이드라인의 표준화로 관련이 높다. 이 표준은 바이어스의 유무에 따라 게이트 유전영역을 갖는 SiC기반 전력전자변환 반도체소자를 규정한다. 대표적으로 MOSFET와 IGBT 와 같은 MOS 소자 관련이다.
4. 맺음말
친환경 전기자동차 PTC 히터용 보디 다이오드 무동작 SiC MOSFET 플랫폼 개발은 전장용 고신뢰성 SiC MOSFET 개발과 SiC 핵심 단위 공정 기술 및 초고온 Activator 내재화 분야의 국제·단체 표준은 글로벌시장을 선점하고 있는 일본, 미국, 한국 등이 개발을 주도하고 있다.
친환경 전기자동차 PTC 히터용 보디 다이오드 무동작 SiC MOSFET 플랫폼 개발과 관련하여서는 MOSFET의 항복전압, 온저항, 온습도 내구성, HALT 신뢰성 등의 성능지표와 SiC 소자의 Oxidation· Activation 공정, 열화 특성, 이온주입 활성화율, 산화·활성화 균질도 등의 성능지표를 국제·단체 표준화 연구개발이 이뤄질 것으로 기대된다.
국내 기술의 국제표준 선점 가능성을 보면 해당 기술위원회의 국제표준화 활동 경험(IEC TC 47 & SC47E 간사, 컨비너, PL 등 다수 전문가)을 최대한 활용할 수 있는 유망 분야이다. 해당 핵심전략 기술의 특성 및 성능 평가에 대한 국제표준이 제정돼있지 않아 표준화 연계를 통한 국제표준 선점 가능성과 필요 성이 높은 것으로 판단된다.
신규표준의 부상성 측면에서 친환경 EV용 B보디 다이오드 무동작 SiC MOSFET 기술, SiC MOSFET 평가기술은 중요한 요소기술에 포함된다. SiC MOSFET의 항복전압, 온저항, 온습도 내구성, HALT 신뢰성 등의 성능지표와 SiC 소자의 Oxidation·Activation 공정, 열화 특성, 이온주입 활성화율, 산화·활성화 균질도 등의 성능지표 또한 관련 신규표준으로 매우 적합해 표준 제정으로의 기대가 큰 부분이다.