와이드밴드갭 반도체와 22년 동고동락

STMicroelectronics
마우리지오 마리아 페라라(Maurizio Maria Ferrara) 상무
파워트랜지스터 부문(ADG) WBG & 파워 RF 사업부


20년 전, 와이드밴드갭(Wide-bandgap, WBG) 반도체는 400V SiC 쇼트키 다이오드로 제한됐다. 지금은 1200V SiC 쇼트키 다이오드, 정류기(rectifier), BJT, JFET, MOSFET, 사이리스터를 비롯해 와이드밴드갭 혜택을 더 많이 제공할 수 있도록 설계된 다양한 전력 모듈과 통합 디바이스로 제품 범위가 확대됐다.
ST는 자동차 애플리케이션을 위한 SiC MOSFET 양산 공급을 시작한 최초의 회사이다. ST는 2017년에 전년대비 19.7% 성장한 83억 5,000만 달러의 매출을 달성했다. 이 중 자동차 부문 매출은 전체 매출의 30%인 24억 달러를 기록했다. 이는 전년대비 10% 이상 성장한 것이다.
ST가 전략적으로 집중하고 있는 분야는 ‘스마트 드라이빙’과 ‘IoT’이다. 여기서 ST는 1,500억 달러 규모의 유효시장(Service Available Market, SAM)에 제품과 솔루션을 공급하고 있다. ST는 환경 친화적(greener) 스마트 드라이빙을 실현할 수 있는 SiC 기반 고효율 전력반도체를 제공한다.
페라라 상무는 2016년부터 WBG & 파워 RF 사업부를 이끌며 SiC MOSFET의 양산 공급을 주도한 인물이다. 다음은 고전압 스위칭 혁명을 주도하고 있는 SiC의 시장 잠재력과 ST의 리더십에 대한 페라라 상무의 프레젠테이션 내용이다.

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왜 SiC인가?

SiC는 기존 실리콘(Si)이 가지고 있는 한계를 극복한 와이드밴드갭 재료입니다. ST가 집중하고 있는 SiC 디바이스는 Si에 비해 밴드갭이 3배, 절연파괴전계가 10배입니다. 높은 전계는 더 높은 전압을 허용하며, 같은 전압인 경우 디바이스 크기를 Si 대비 10배 더 작게 만들 수 있습니다. 그럼에도 스위칭 속도를 10배로 올릴 수 있기 때문에 효율을 극대화할 수 있습니다. 이는 차량용 전력 모듈 사이즈를 4배 이상 줄일 수 있음을 의미합니다. 전력 소자의 경우 에너지 손실을 줄이는 것이 가장 중요합니다. SiC 디바이스는 동일한 전압과 칩 사이즈의 Si 디바이스에 비해 손실(저항)을 90%까지 줄일 수 있습니다.

20년의 SiC 개발 역사

ST의 SiC 개발 역사는 20년 전으로 거슬러 올라갑니다. 1996년부터 이탈리아 남부 시칠리아 주에 있는 카타니아에서 SiC 개발을 시작했습니다.

실제로 팹에서 제품을 생산한 것은 2003년부터입니다. 제조 원가를 낮추고 양산성을 확보하기 위해서는 웨이퍼 사이즈를 늘려 수율을 개선해야 합니다. ST는 4인치 웨이퍼부터 SiC 디바이스를 판매하기 시작했으며, 2018년부터 모든 SiC 제품을 6인치 웨이퍼로 생산하고 있습니다.



SiC 혁신

SiC가 예상보다 빠르게 도입되고 있습니다. 2017년 하반기에 100만개 이상 선적됐으며 올해는 지난해 대비 11배 증가할 것으로 예상합니다. 현재 2세대 제품이 양산되고 있으며, 2019년 3세대 제품이 양산될 예정입니다. 비즈니스 옵션으로는 고객이 선택할 수 있는 표준 제품, 맞춤형 제품, 베어 다이(bare die) 제품이 있습니다.

ST는 Si-MOSFET과 SiC-MOSFET 제조 분야에서 오랜 경험을 축적했습니다. 현재 산업용과 자동차용으로 사용 가능한 1200V, 650V 정격의 SiC MOSFET과 다이오드에 집중하고 있습니다. 2017년 3분기부터 2세대 650V(50A/50mΩ, 110A/20mΩ), 1200V(40A/40mΩ, 90A/25mΩ) 자동차 등급 SiC 제품을 양산 공급하고 있으며, 1700V(6A/1Ω, 25A/90mΩ) 제품도 올 하반기 양산 예정입니다.

타깃 애플리케이션

SiC 디바이스는 다양한 고전력 애플리케이션에 사용됩니다. SiC 개발 및 양산을 견인하는 애플리케이션 분야는 전기차(EV)입니다. 전기차는 배터리 가격과 짧은 주행거리가 확산의 걸림돌이 되고 있습니다. 리튬이온배터리의 kWh당 가격은 계속 떨어지고 있으며, 전기차 가격은 2025년쯤 내연기관차와 같아질 것으로 예상됩니다.

배터리전기차(BEV)의 대표적인 애플리케이션으로는 고속 충전기, 온보드 차저, DC-DC 컨버터, 트랙션 인버터 등을 들 수 있습니다. 플러그인하이브리드차(PHEV)부터는 트랙션 인버터 크기와 배터리 용량이 커지기 때문에 많은 SiC 반도체가 필요합니다.

ST는 전 세계 주요 전기차 OEM들과 긴밀히 협력하고 있습니다. 이들과의 개발 프로젝트 중 80%가 SiC 제품을 포함하고 있습니다.

전기차를 위한 SiC

개발자들은 자신들이 직면한 환경적, 공간적 제약과 함께 예산 압박을 극복할 수 있는 솔루션을 찾고 있습니다. SiC는 더 빠른 스위치 속도와 낮은 손실, 고온 동작이 가능하기 때문에 외부 부품 사이즈를 작게 설계할 수 있습니다. 예를 들어 SiC와 비슷한 가격대의 수동부품인 코일의 사이즈를 75%까지 줄일 수 있습니다. 부품 사이즈 외에도 SiC를 사용하는 중요한 이유는 동작 온도입니다. 실리콘은 175℃ 이상 온도가 올라가면 신뢰성을 담보할 수 없습니다.

반면 ST는 플라스틱 패키지로 최대 200℃의 접합온도를 보장하는 유일한 업체입니다. ST SiC MOSFET은 200℃의 높은 온도에서도 경쟁사보다 낮은 온저항(R_DS(on))을 제공합니다. 이는 열관리의 단순화로 시스템 폼팩터를 더 작게 설계할 수 있음은 물론, 열악한 자동차 환경에서 높은 신뢰성을 제공합니다. 또한 전통적인 Si IGBT에 비해 다이 사이즈가 더 작습니다. 예를 들어 2세대 1200V SiC MOSFET의 다이 사이즈는 1200V Si IGBT와 650V Si IGBT에 비해 5분의 1에 불과합니다. 이는 온저항의 차이(15배)에 따른 결과입니다.

          
          
SiC MOSFET은 외부에 프리휠링 다이오드(freewheeling diode)가 필요한 실리콘 IGBT와 달리 매우 빠르고 견고한 고유의 SiC 바디 다이오드를 내장하고 있습니다. 때문에 보다 소형의 시스템을 설계할 수 있습니다. 또한 표준 게이트 드라이버와 완벽하게 핀투핀 호환되므로 별도의 전용 게이트 드라이버를 구성할 필요 없이 기존 솔루션을 쉽게 대체할 수 있습니다.
결론적으로 SiC MOSFET은 Si IGBT에 비해 더 낮은 시스템 비용과 더 작은 시스템 사이즈, 더 단순한 토폴로지 도입을 가능하게 해 개발자들이 직면한 고민을 해결해줍니다.

ST 리더십

ST는 여러 자동차 제조사와 다수의 협력 프로그램을 진행하고 있습니다. SiC MOSFET 선적량은 2015년 대비 지난해 5배로 늘었으며, 올해는 11배로 늘 것으로 예상합니다. ST는 AEC-Q101 인증 650V~1200V SiC 다이오드 및 MOSFET를 모두 제공합니다.

ST는 SiC MOSFET 시장의 리더로서 완전한 “자체” 제조공정과 전용 구조, R&D, 웨이퍼 팹 등을 갖추고 있으며 생산량을 늘리기 위해 투자를 꾸준히 하고 있습니다.

                                           

ST의 SiC MOSFET 제품은 친환경차(Eco-car) 애플리케이션 시장을 겨냥하고 있습니다. 5년 안에 10억 달러 이상의 누적 매출을 달성할 계획이며, 자동차 분야가 SiC MOSFET 전체 매출의 90%를 차지하게 될 것입니다.

전기차에 추가되는 트랙션 인버터의 설계 요건은 효율, 고온 동작, 빠른 스위칭입니다. ST는 이러한 특징을 제공하는 750V~1200V SiC MOSFET 베어 다이 및 모듈 솔루션을 공급합니다. 또한 온보드 차저를 위한 정류 및 전력 보정용 650V 또는 1200V SiC 다이오드 및 모듈 솔루션을 제공합니다. DC-DC 컨버터용으로는 1200V 디스크리트 솔루션을 공급하고 있습니다. 이들 솔루션은 모두 ST의 1세대 및 2세대 기술 플랫폼으로 양산되고 있습니다.

SiC는 산업용과 자동차 애플리케이션을 위한 고효율 고전력 솔루션의 증가로 인해 핵심 기술이 되었습니다. ST는 SiC를 2003년부터 개발해오면서 기술에 대한 깊은 이해와 제조 노하우를 가지고 있습니다. 또한 현재 시장에 공급되고 있는 SiC MOSFET과 다이오드 중에서는 최고 레벨이라고 자부합니다. 끝으로 강조하고 싶은 것은 AEC-Q101 인증 SiC MOSFET 제품의 유일한 양산 업체라는 점입니다.

8인치 웨이퍼 이행 계획

향후 5년 동안은 6인치 웨이퍼가 대세를 이룰 것입니다. 그 이후 8인치 웨이퍼로 진행할 것으로 예상합니다. 사실상 6인치 SiC 잉곳 자체도 많은 스크래치를 포함하고 있습니다. 그다지 수율(yield)이 높지 않습니다. 이대로 8인치로 가게 되면 수율은 더 떨어질 것입니다. 6인치 잉곳 자체도 이미 공급 부족(Shortage) 상태입니다. 따라서 8인치를 SiC 양산 제품에 적용한다는 것은 현실적으로 어렵다는 생각입니다.

플래너 타입, 경쟁서 앞서

결론부터 말하면, 트렌치(Trench) 타입이 성능 면에서 플래너(planar) 타입보다 우위에 있다고 말하기 어렵습니다. 트렌치 타입이 이론적으로는 우수하지만, 기술적 한계로 인하여 품질 면에서 균일하지 못하고 수율도 매우 낮습니다. 반면 플래너 타입은 이미 안정화된 기술이기 때문에 양산 시 높은 수율과 성능을 보장합니다.

사실 ST의 2세대 플래너 타입 SiC MOSFET은 최고라고 하는 최신 트렌치 타입과 R_DS(on)이 비슷합니다. 더욱이 현재 ST가 개발하고 있는 3세대 플래너는 자사의 2세대 플래너 타입은 물론, 경쟁사 트렌치 타입보다 현저히 R_DS(on)이 낮습니다. ST도 2020년을 목표로 양산성을 고려한 트렌치 타입 제품을 준비하고 있습니다.<끝>

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