산업기기 및 태양 전지, 전기자동차, 철도 등 파워 일렉트로닉스 분야에서는 Si 디바이스보다 전력변환 시 손실이 적고 재료 물성이 우수한 SiC 디바이스/모듈의 실용화가 요구되고 있다. SiC는 현재 주로 사용되고 있는 실리콘에 비해 절연파괴전계강도가 약 10배 정도 높아, 차세대 전력반도체 재료로서 스포트라이트를 받고 있다.

美에너지부 산하 에너지 정보청(EIA)은 6.25 International Energy Outlook(IEO)을 통해, 2030년 세계 에너지 소비는 비 OECD 국가의 수요 증가에 따라 2005년 대비 50% 증가할 것으로 내다봤다. 유가는 현재의 법령 및 정책이 지속될 경우(reference case), 2015년 배럴당 70달러 수준까지 하락한 후 2030년 배럴당 113달러에 이를 것으로 예측했다. 또한 고유가 시나리오의 경우, 2030년에 배럴당 186달러에 이를 것이며 화석연료의 잔존 평가량도 2005년 소비량의 약 8배 규모로 전망했다. 이 같은 에너지 소비에 따른 대안으로 SiC 전력반도체가 주목받고 있다. 일본의 경우, 기존 실리콘을 모두 SiC로 대체하면 원자력 발전소 4기분의 에너지 절약 효과가 있는 것으로 조사됐다.

반도체 재료
실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)은 원소(elemental) 반도체라고 하며 단일 종류의 원자들로만 이루어져 있다. 초기 반도체 재료로는 게르마늄이 많이 사용됐으나 현재는 주로 실리콘을 많이 사용하고 있다. Si는 지구상에 존재하는 물질 중 25%를 차지해 가격이 저렴하다. 또한 게르마늄에 비해 동작온도 범위가 넓고 산소와 반응해 자연적으로 산화막(SiO2)를 형성한다는 장점을 지녔다.

전력소자, 에피층에서만 동작
현재 4H-SiC 기판은 도핑 농도가 5E18~5E19 cm3 수준에서 만들 수 있다. 이는 승화 성장(sublimation growth)이나 고온화학기상증착장치(HTCVD), 액상 에피택시(Liquid Phase Epitaxy, LPE) 등의 방법으로 만들 수 있는 한계치이다. 4H-SiC는 거의 도체처럼 작동하는 기판으로, 위에 직접 소자를 만드는 것이 불가능해 에피 기술을 이용해 저농도 층을 만들어야 한다. 실제 소자가 동작하는 부분은 에피층이며, 기판은 단지 지탱해 주는 역할을 한다. 이 같은 방법은 SiC와 Si의 가장 큰 차이점이다. 현재 공정비용 측면에서 4H-SiC의 단결정 기판 성장은 약 370 μ m를 사용하고 에피층은 10 μ m를 사용한다. 한국전기연구원 김상철 책임은 “일반 기판의 비용은 수십만 원에 불과하지만 에피가 한 장 올라가면 약 400만 원대로 비용이 상승한다”면서 “향후 SiC는 에피 기술이 가장 중요한 이슈가 될 것”이라고 말했다.

SiC의 빠른 발전
대부분의 Si 공정장비는 12인치가 중심이다. SiC는 4인치가 주로 사용되고 있으며 6인치가 도입되는 시점이다. 예를 들어, 미국 Cree 사는 현재 4인치 SiC 웨이퍼를 판매하고 있지만 내년에 6인치 웨이퍼를 양산/공급할 계획이라고 발표했다.
SiC 반도체는 공정 측면에서 많은 점이 유리하다. 12인치 웨이퍼를 주로 사용하는 Si는 기존 6인치나 8인치 공정장비를 그대로 사용할 수 없다. 반면, SiC는 Si에서 사용하지 않는 노후 장비를 공정 장비로 대부분 사용해 투자비를 절약할 수 있다(일부 단위 공정기술은 SiC의 물성이 Si와 달라 수정 적용이 필요하다).

원소	원자번호	밴드폭(eV)	녹는점(℃)	원자반경(Å)
탄소	6	5.30	3800	0.77
실리콘	14	1.12	1417	1.17
게르마늄	32	0.67	937	1.22
주석	50	0.08	232	1.40

Si는 1인치에서부터 6인치까지 진행하는 데 30년이란 시간이 걸렸다. 반면, SiC는 2000년에 2인치 웨이퍼가 상용화된 이후 12년이 지난 2012년 현재 6인치 웨이퍼가 개발됐다. Si에 비해 굉장히 빠른 속도로 개발되고 있다.

국가별 에너지 순위(International Energy Outlook, 2010(IEA)

구분	1위	2위	3위	4위	5위	6위	7위	8위	9위	10위
에너지 소비 (백만 toe)	미국 2,284	중국 2,116	러시아 687	인도 621	일본 496	독일 335	캐나다 267	프랑스 266	브라질 249	한국 227
석유소비 (백만톤)	미국 843	중국 405	일본 198	인도 149	러시아 125	사우디 122	독일 114	한국 104	브라질 104	캐나다 97
전력소비 (TWh)	미국 4,156	중국 3,252	일본 1,031	러시아 914	인도 645	독일 587	캐나다 568	프랑스 494	한국 430	브라질 429

기존 SiC 웨이퍼는 소자를 만들 때 결함을 피해 만들어야 하는 단점이 있었다. 이에 도요타가 2004년에 웨이퍼 내에 결함이 없는 Micropipe 웨이퍼를 개발했고, 이후 결함을 제어하는 기술이 발전해 현재는 웨이퍼를 대개 Micropipe free라고 명명해 판매하는 상황이다. Si은 60~70년 동안 진화/발전하면서 웨이퍼 상의 문제가 해소되었지만, SiC는 웨이퍼의 영향을 어느 정도 받고 있는 상황이다. 따라서 SiC는 웨이퍼 측면에서 좀 더 개발할 여지가 있다.



고온에서만 동작
Si에서 주로 사용되는 불순물은 As(비소)와 P(인)을 많이 사용하고 SiC는 N(질소), Al(알루미늄), Ga(갈륨)을 많이 사용한다. SiC와 Si의 공정 개념은 기본적으로 같다. 단지 재료가 달라 사용하는 온도나 주변 조건이 달라지는 것이다.
도핑 기술은 불순물을 강제로 주입하는 것으로 Si과 SiC는 같은 공정 기술을 사용한다. 하지만 Si은 확산 기술과 이온 주입 등을 선택해 사용할 수 있지만, SiC는 단단한 물질이라 확산 기술을 사용할 수 없으며 이온이 내부에 자연스럽게 주입돼지 않는다. 따라서 이온 주입 방법으로 강제적으로 주입해야 한다.
SiC는 이온 주입만을 갖고 수직 구조를 만들 수 있다. 이는 Si과의 차이점이다. Si는 주입된 이온이 1,000 ℃나 1,050 ℃ 정도에서 열처리를 하지만, SiC는 이 온도에서 이온이 활성화되지 않는다. 최소 1,500 ℃ 이상에서 자리를 찾아가는 역할을 한다. 따라서 별도로 이온이 자리를 찾는 등의 과정을 거쳐야 한다.
김상철 책임은 “SiC의 단점은 고온에서 탄소 등이 승화하면서 표면이 거칠어지는 측면이 있다”며 “AlN과 graphite 등의 capping layer가 필요하다”고 말했다.

 

단점은 산화 속도
Si은 자연 산화에 쉽게 성장하고, 절연체로써 소자를 전기적으로 절연시켜 주는 역할을 한다. 반면 SiC는 다른 재료에 비해 자연 산화막을 키우기 유리한데, Si가 산소와 반응해 절연 산화막을 키우기 때문이다. 하지만 Si에 비해 자라는 속도는 1/10에서 1/20 정도 느리다는 단점이 있다. 따라서 원하는 만큼의 두께를 얻기 위해서는 다양한 공정을 통해 두께를 맞춰야 한다.
예를 들어, SiC는 1,150 ℃(1기압 기준)에서 산화 속도를 봤을 때 500분이 지나도 불과 약 70 nm 정도 밖에 크지 않는다. 반면 Si는 70 nm을 키우는데 10~15분 정도면 충분하다. 또한 Si가 1,050 ℃에서 대부분의 공정이 끝나는 반면, SiC는 1,150~1,250 ℃ 고온에서 공정해야 한다.
또한 결정층이 3C나 4H로 만들어지는데, 카본이나 Si가 많이 함유된 결정면이 나타나 산화 두께가 달라 소자의 특성이 변하는 등의 단점이 있다.
 


차세대 전력 소자
Si 공정을 기반으로 하는 반도체 산업은 비약적인 발전을 거듭해 사회 전반에 미치는 파급효과가 매우 크다. 지금까지도 Si는 반도체 산업의 주력 소자로 여러 분야에 응용되고 있다. 하지만 오늘날 정보화 사회의 발전은 더욱 가속화되어 기존의 반도체 공정으로는 요구를 충족할 수 없다. Si는 물리적인 한계를 드러내고 있는 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 광역 에너지 금지 대역을 갖는 새로운 반도체 재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도 SiC는 고전압, 고출력 및 고주파 응용분야에 적합한 차세대 전력소자로써 선진국에서 적극적으로 개발에 나서고 있다. SiC는 앞으로 고속전철 및 전기자동차의 전력 제어, 이동통신 기지국의 고주파 증폭기 등은 물론, 발전과 송배전 분야에서 전력제어에 광범위하게 응용됨으로써 시스템의 크기와 전력손실을 줄일 수 있을 것으로 예상된다.
한편 SiC는 FET(Field Effect Transistor), LED(Light Emitting Diode), 압력센서, HBT(Hetero-junction Bipolar Transistor), SBD(Schottky Barrier Diode) 등의 응용이 연구되고 있으며 일부 상용화되고 있다.