오늘은 간략하게 파워반도체에 대해서 다루어보도록 하겠습니다. 최근 전기차 시장에서 차량용 전력반도체의 수요가 급증하면서 반도체 시장에서 블루오션으로 자리잡고 있습니다. 개념에 대해서 다루어보도록 하겠습니다.
[질문 1] 파워반도체에 대해서 설명하세요.
파워반도체는 주로 전력을 공급하는 소자로서 전력을 사용하는 제품에 알맞은 전력으로 변환하는 스위치를 말합니다. 전력반도체의 Spec은 기존의 수십 Volt의 High Voltage 소자와 비교했을 때, 400V, 800V, 수십 A 정도의 파워를 인가합니다. 전기차 시장에서 전력반도체 수요가 증가하면서 고전압에서도 안정적으로 동작하는 소자가 개발되고 있습니다. 또한 전세계적으로 뉴딜정책이 시행되면서 탄소배출 저감 등이 중요해지면서 효율적으로 전기 에너지를 전환하는 전력반도체 시장이 점점 더 확장되고 있습니다.
[꼬리 1.1] 고전압에서 동작하는 소자가 요구되는 이유에 대해서 설명하세요.
고전압에서 동작하는 소자가 요구되는 되는 이유는 바로 전기차의 고속충전을 가능하게 하기 때문이라고 생각합니다. 전기차는 적어도 수십kW가 요구되고, 이를 충족시키기 위해서는 소자의 동작 전압을 높일 수 밖에 없습니다. 또한 전기차의 고속충전 이슈가 대두되면서 점점 동작전압을 커지고, 고전압에도 정상적인 동작이 가능한 Chip이 요구되고 있습니다.
[꼬리 1.2] 전력반도체의 소자 종류에 대해서 설명하세요.
주요 전력반도체 소자는 다이오드, 트랜지스터, IGBT (Insulated-gate Bipolar Transistor), MOSFET, 트리스터(T3STER) 등이 있습니다. 현재 스마트폰, 소형충전기, 스마트기기 등 다양한 분야에서 적용되고 있습니다. 특히 차량용반도체는 자동차의 주행 및 탑승자 안전 상황 정보를 감지, 분석, 판단하여 제어 구동하는 역할로 Micro Controller Unit (MCU), Actuator Driver IC, Power Managemetn IC (PMIC) 등이 있습니다.
[꼬리 1.3] 전력반도체의 이슈에 대해서 설명하세요.
전력반도체는 크게 나누면 Si 반도체와 화합물반도체로 나눌 수 있습니다. 기존의 전력반도체의 90% 이상은 Si 반도체가 점유하고 있습니다. 기존의 MOSFET은 Source/Drain 수평 구조의 소자입니다. 하지만 수평형 소자는 수백 V가 적용되는 환경에서 높은 전계를 견딜 수 없기 때문에 수직형 구조로 만들어집니다. 전력반도체의 수직형 구조는 소자 하단에 Drain을 놓고, n+doped Source에서 Gate에 의해 형성된 얇은 Channel을 따라 Drain으로 Carrier가 이동합니다. IGBT는 Power MOSFET과 마찬가지로 동일한 수직구조의 소자로 하단 Collector 위에 p+도핑 Layer를 두어 고전압을 견딜 수 있도록 합니다. Body에 p+ 도핑을 하기 때문에 전류특성이 좋지 않아 Switching Speed가 느리다는 단점이 있습니다. Power MOSFERT vs. IGBT
[꼬리 1.4] Si 반도체의 한계에 대해서 설명하세요.
Si 반도체는 Si 물질 자체의 물성적 한계를 가지고 있습니다. Si의 Bandgap은 1.12eV이기 때문에 고전압에서 동작하는 전력반도체 구동시 Breakdown이 쉽게 발생할 수 있습니다. 그래서 고전압/고속 동작을 만족시킬 수 없는 한게에 봉착했습니다. IGBT처럼 고전압에서 견디기 위해서 Body에 p+도핑 시, High Voltage를 견딜 수 있지만, 스위칭 속도가 매우 느립니다. 스위칭 속도를 높이면 고전압을 견딜 수 없기 때문에 Si을 대체하기 위해 SiC, GaN 소재 기반 전력반도체가 활발히 연구되고 있습니다.
[꼬리 1.5] SiC 기반 전력반도체에 대해서 설명하세요.
전력반도체에서 각광받고 있는 소재는 바로 SiC와 GaN입니다. SiC는 Bandgap이 ~3.0eV, GaN는 ~3.4eV로 Si보다 큰 값을 가집니다. 즉, 물질 자체 큰 Bandgap으로 Breakdown Voltage, BV가 높습니다. 고전압을 견딜 수 있기 때문에, 고속 능력만 확보하면 됩니다. SiC의 경우 큰 Bandgap의 소재로 Si와 동일하게 Schottky Diode와 MOSFET 차동 가능합니다. 고전압은 SiC 소재로 고속은 기존에 적용했던 구조를 채택함으로써 확보할 수 있습니다. 하지만 SiC의 Carrier Mobility가 Si보다 낮다는 약점도 존재하지만, 기존의 구조를 적용할 수 있고, Si 공정과 일부 호환이 가능하여 비용적으로 경쟁력이 있습니다.
[꼬리 1.6] GaN 기반 전력반도체에 대해서 설명하세요.
GaN 기반 전력반도체 역시 높은 Bandgap으로 Breakdown Voltage가 높습니다. HEMT/MOS-HEMT 구조가 적용됩니다. GaN 기반 반도체의 가장 큰 장점은 고전압/고속 특성이 매우 우수하다는 점입니다. HEMT 소자는 2-DEG 2차원 전차 Gas 층이 있기 때문에 Carrier Mobility가 높아 전류특성 또한 우수합니다. SiC처럼 고전압은 물질로 고속은 구조로 기존의 Si 한계를 극복했습니다. 또한 Si 기반 반도체보다 1/3 크기까지 Scaling이 가능하다는 장점이 있습니다. 하지만 GaN의 단점은 Si 공정과 호환되지 않는다는 점입니다. GaN 기반 전력반도체를 양산하기 위해서는 새로운 Line을 깔아야 하며, 고품질의 GaN 계열 층을 Epi Layer로 성장해야 한다는 점에서 기술적인 진입장벽이 높습니다. Si 기판이나 사파이어 기판을 사용하며, 박막간의 Lattice Mismatch로 인해 Interface 마다 Trap이 발생합니다. 그래서 고품질의 GaN을 성장하기 위해서는 Stress 같은 Mechanical 긴장을 완화시켜주기 위해 i-GaN, AlGaN와 같은 GaN 계열 Buffer Layer를 성장시켜주어야 합니다. 현재 기술은 높은 수준까지 도달했으며, 생산단가 등을 고려했을 때 시장 점유에는 아직까지 한계가 있다고 생각합니다. 2020~2026년 GaN 전력반도체 시장 전망Si 기반 전력반도체와 GaN 기반 전력반도체 크기 비교
[질문 2] Galvanic Isolation 기술에 대해서 설명하세요.
전력반도체 Chip의 요구되는 전압 Spec은 점점 더 커지고 있으며, 고전압을 견디기 위한 Isolation 기술들이 주목받고 있습니다. 그 중에 대표적인 기술이 Galvanic Isolation 기술입니다. Galvanic Isolation은 전기적으로 분리된 것을 의미하며, 직접적으로 전기적 연결 없어 두 Chip 간에 전류가 흐르지 않습니다. 전류의 흐름은 없지만, 전력 또는 전기적 신호는 이동할 수 있는 특징이 있습니다. 대표적인 Galvanic Isolation은 Photon을 이용한 Optocoupler, Inductive 특징을 이용한 Transformer, Capacitive 특징을 이용한 HVC 가 있습니다.
[꼬리 2.1] Galvanic Isolation이 필요한 이유에 대해서 설명하세요.
Chip 내부에는 무수히 많은 Device들이 존재하고, 고전압 및 저전압 제어 회로 간의 전기적 연결을 제거해야 합니다. 즉, 수백 또는 수천 볼트의 전압 회로에서 Low Voltage 회로를 보호해야 할 필요가 있습니다. 이는 두 독립된 회로간에 전류 흐름을 제거해야 한다는 것을 의미합니다. 이때 적용할 수 있는 기술이 바로 Galvanic Isolation입니다. (Isolation이 없을 경우, 고전압으로 인한 안전사고가 날 수 있음.)
[꼬리 2.2] 전류가 흐르지 않는데 어떻게 신호가 전달되는지 원리에 대해서 간략하게 설명하세요.
Capacitor의 기본적인 원리가 적용됩니다. Capacitor는 교류 전압이 인가되면 DC 성분을 Filtering 할 수 있습니다. 고전압의 DC 성분은 제거되고 전기적 Signal만 Low Voltage Circuit으로 전달되는 것입니다. 이러한 원리를 적용하여, 고전압 및 저전압 회로 간의 전류의 흐름을 배제하고 Signal만 전달하여 제어 할 수 있습니다.
오늘 하루도 고생 많으셨습니다. 요즘 핫한 이슈인 만큼 한 번 즈음 꼭 읽어보시는 것을 추천드립니다.
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