뉴스에 나오는 ‘3세대 반도체’란? 탄화규소와 질화갈륨 쉽게 이해하기

뉴스에는 ‘3세대 반도체’ ‘전기차용 탄화규소’ ‘GaN 고속 충전기’ 같은 말이 자주 나온다. 뉴스에서 말하는 3세대 반도체는 대개 두 가지 소재, 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)을 가리킨다. 두 소재의 공통점은 ‘밴드갭(band gap)’이 실리콘보다 훨씬 넓다는 것이고, 그래서 와이드 밴드갭 반도체라고도 부른다. 여기서 ‘3세대’는 칩을 만드는 소재를 말하는 것이지 더 새로운 세대의 실리콘 공정을 뜻하지 않으며, ‘2나노’와는 별개의 이야기다.

왜 ‘3세대’라고 부를까?

이것은 중국어권 언론이 흔히 쓰는 분류로, 대체로 소재가 본격적으로 쓰이기 시작한 순서를 따른다.

• 1세대: 실리콘과 게르마늄으로, 둘 다 단일 원소다. 오늘날 칩의 대다수는 실리콘으로 만든다.
• 2세대: 갈륨비소, 인화인듐 같은 화합물 반도체, 즉 두 가지 이상의 원소가 결합한 소재다. 휴대폰에서 무선 신호를 증폭하는 부품이나 광통신용 레이저에 흔히 쓰인다.
• 3세대: 탄화규소(실리콘과 탄소)와 질화갈륨(갈륨과 질소)으로, 역시 화합물이며 밴드갭이 특히 넓다.

영어권에서는 보통 ‘몇 세대’라고 하지 않고 곧바로 와이드 밴드갭 반도체(wide-bandgap semiconductor, WBG)라고 부른다. 또한 ‘3세대’가 앞의 두 세대를 대체했다는 뜻도 아니다. 세 세대의 소재는 지금 모두 쓰이고 있다.

밴드갭이란?

‘반도체란?’에서는 ‘손’에 비유해 설명했다. 실리콘 원자는 네 개의 손으로 이웃 원자와 손을 잡고 있고, 이렇게 붙잡힌 전자는 움직이지 못한다. 전자가 손을 놓고 자유롭게 움직이려면(즉 전도하려면) 약간의 힘, 곧 에너지를 주어야 한다. 전자가 ‘뛰어올라’ 전도를 시작하는 데 필요한 최소한의 에너지가 바로 밴드갭이다.

계단 하나를 떠올리면 된다. 전자는 계단 위로 뛰어올라야 움직일 수 있고, 계단이 높을수록 뛰어오르기 어렵다.

단위 eV는 전자볼트라고 하며, 전자 하나가 1볼트의 전압에 밀려 얻는 에너지다.

소재	밴드갭(대략)
실리콘	1.1eV
갈륨비소	1.4eV
탄화규소	3.2~3.3eV
질화갈륨	3.4eV

탄화규소와 질화갈륨의 계단은 실리콘의 약 3배 높이다. 이것이 ‘와이드 밴드갭’의 의미다.

밴드갭이 넓으면 무엇이 좋을까?

더 높은 온도를 견딘다

온도가 높을수록 원자가 더 심하게 진동하고, 그 진동으로 일부 전자가 속박에서 벗어난다. 실리콘은 계단이 낮아서, 너무 뜨거워지면 스스로 뛰어오른 전자가 의도적으로 도핑해 넣은 전자보다 많아진다. 그러면 스위치를 꺼도 꺼지지 않고 계속 누설 전류가 흐른다. 탄화규소와 질화갈륨은 계단이 높아서 실리콘보다 훨씬 높은 온도에서도 정상적으로 스위칭한다.

더 높은 전압을 견딘다

전압이 매우 높으면 소재 내부의 전계가 강해져 움직이는 전자를 매우 빠르게 가속한다. 이 전자가 원자에 부딪히면 다른 전자를 튕겨 내고, 튕겨 나온 전자가 또 더 많은 전자를 튕겨 낸다. 눈사태처럼 불어나면 소자는 전압을 막아 내지 못하고 망가질 수 있다. 계단이 높은 소재는 훨씬 강한 전계가 걸려야 전자를 튕겨 낼 수 있다. 탄화규소와 질화갈륨이 견디는 전계는 실리콘의 약 10배다.

스위칭이 빠르고 낭비되는 전력이 적다

10배의 전계를 견딜 수 있으면, 같은 전압을 막는 데 필요한 층의 두께를 약 10분의 1로 줄일 수 있다. 이 층이 얇으면 전류가 흐를 때의 저항이 훨씬 작아지고, 소자도 작게 만들 수 있다. 소자가 작으면 스위칭할 때마다 채우고 비워야 하는 전하가 적어지므로(‘트랜지스터란?’에서 말한 작은 컵처럼) 스위칭이 빨라지고 열로 낭비되는 전력도 줄어든다.

‘스위칭이 빠르다’는 것은 왜 중요할까?

이 두 소재는 흔히 전력을 다루는 스위치(전력 소자)로 쓰이기 때문이다. 콘센트의 전기나 전기차 배터리의 전기는 변환해야 휴대폰이나 모터가 쓸 수 있다. 스위치를 1초에 아주 많이 켰다 껐다 하며 전력을 잘게 잘라 낸 뒤, 필요한 전압으로 다듬는다. 스위칭할 때마다 전력이 조금씩 낭비되어 열이 된다. 스위치가 낭비하는 전력이 적으면 전기를 아끼고 덜 뜨거워진다. 스위칭이 빠르면 내부의 코일과 커패시터를 작게 만들 수 있어 충전기도 함께 작아진다.

탄화규소와 질화갈륨은 각각 어디에 쓰일까?

두 소재가 잘하는 분야는 조금 다르다.

• 탄화규소: 더 높은 전압과 더 큰 전력에 강하고, 열 방출도 실리콘보다 낫다. 전기차에서 모터에 전력을 공급하는 부분, 차량 탑재 충전기, 충전소, 그리고 태양광 발전 전력을 전력망에 연결하는 설비에서 흔히 볼 수 있다.
• 질화갈륨: 매우 빠른 스위칭에 강하며, 전압이 그렇게 높지 않은 곳(대략 수백 볼트 이내)에 주로 쓰인다. 휴대폰과 노트북의 고속 충전기, 서버 전원 장치, 그리고 기지국과 레이더에서 무선 신호를 증폭하는 부품에서 흔히 볼 수 있다. 청색·백색 LED도 질화갈륨 계열의 소재로 만든다.

그렇다면 왜 모두 이 소재로 바꾸지 않을까?

• 결정을 키우기 어렵다: 실리콘 잉곳은 녹은 실리콘에서 회전시키며 끌어올려 만든다(‘웨이퍼는 왜 둥글까?’). 탄화규소는 주로 2,000℃가 넘는 고온에서 분말을 기체로 만든 뒤, 작은 시드 결정 위에 천천히 응결시키는 방식으로 만든다. 실리콘 잉곳을 끌어올리는 것보다 수십 배에서 100배 넘게 느리고, 결정 안에 결함도 생기기 쉽다.
• 단단해서 자르기 어렵다: 탄화규소의 경도는 다이아몬드에 가깝다. 자르기도 연마하기도 어렵고, 시간이 많이 든다.
• 웨이퍼가 작고 비싸다: 탄화규소 웨이퍼는 15cm(6인치)가 흔하고 20cm(8인치)로 대구경화가 진행 중이다. 30cm(12인치) 실리콘 웨이퍼보다 작아 한 장에서 만들 수 있는 소자가 적은데, 한 장 한 장은 훨씬 비싸다.
• 질화갈륨은 대개 다른 웨이퍼 위에 키운다: 큰 질화갈륨 결정은 만들기가 매우 어려워서, 보통 실리콘, 탄화규소, 사파이어 웨이퍼 위에 얇은 질화갈륨 층을 성장시킨다. 두 소재는 원자 간격이 달라서, 크기가 다른 두 종류의 벽돌을 억지로 쌓아 올린 것처럼 경계면에 결함이 생기기 쉽다.
• 수율: 결함이 떨어진 소자는 전압을 막지 못하거나 누설 전류가 생길 수 있다. 큰 전류를 다루는 소자는 대개 크게 만들기 때문에 결함에 걸릴 확률도 높아, 수율을 높이기 어렵다(뉴스에서 말하는 ‘수율’).

게다가 휴대폰 프로세서나 메모리처럼 100억 개가 넘는 작은 스위치를 담는 칩은 스위치를 작게, 많이 만드는 데 의존하므로 와이드 밴드갭의 장점을 쓸 일이 없다. 전압이 높지 않은 전원 칩은 실리콘으로도 충분하다. 그래서 대부분의 칩은, 전력을 다루는 칩의 대부분도 포함해, 여전히 실리콘으로 만든다.

‘2나노’와 같은 이야기일까?

아니다. ‘2나노’는 실리콘 칩의 한 공정 세대 이름으로, 같은 면적에 스위치를 얼마나 많이 넣을 수 있는지를 겨룬다(뉴스에서 말하는 ‘2나노’에서 다뤘다). ‘3세대 반도체’는 소재를 바꾸는 것으로, 높은 전압과 큰 전류, 고온을 견딜 수 있는지를 겨룬다.

전력을 다루는 스위치는 큰 전류를 흘리고 높은 전압을 막아야 하므로 원래 크게 만들어야 하고, 가장 미세한 선폭이 필요하지 않다. 뉴스에서 말하는 ‘성숙 공정’에서 다룬 전원 칩과 같다. 양쪽은 서로 다른 문제를 풀고 있을 뿐, 어느 쪽이 더 앞선 것은 아니다.

다음에 뉴스를 볼 때는 이렇게 읽으면 된다

• ‘3세대 반도체’: 대개 탄화규소와 질화갈륨, 즉 밴드갭이 넓은 두 소재를 가리킨다. 새로운 세대의 실리콘 공정이 아니다.
• ‘전기차, 탄화규소로 전환’: 차량에서 모터와 충전의 전력을 다루는 스위치를 탄화규소로 만든다는 뜻이다. 변환할 때 낭비되는 전력이 조금 줄고, 부품을 조금 작게 만들 수 있다.
• ‘GaN 고속 충전기’: 충전기 안의 스위치를 질화갈륨으로 만든 것이다. 스위칭이 빨라 충전기를 더 작게 만들 수 있다.
• ‘4세대 반도체’: 뉴스에서 산화갈륨, 다이아몬드처럼 밴드갭이 더 넓은 소재를 가끔 이렇게 부른다. 대부분 아직 연구 단계이거나 초기 단계다.

fab24hr에서는

게임 속 팹이 만드는 것은 실리콘 칩이다. 박스 하나에 지름 30cm(12인치) 실리콘 웨이퍼 25장이 들어가며, 탄화규소나 질화갈륨을 만드는 팹은 없다.

하지만 만드는 방법은 상당 부분 통한다. 탄화규소 소자도 웨이퍼 위에서 포토 공정으로 패턴을 찍고, 식각하고, 막을 키우고, 원자를 박아 넣고, 고온으로 가열한다. 차이는 조건에 있다. 탄화규소에 넣은 원자는 스스로 거의 확산하지 않기 때문에, 국부적인 도핑은 거의 이온 주입에만 의존한다. 주입 후에는 1,500℃ 이상에서 어닐링해야 하는데, 실리콘 웨이퍼를 퍼니스에서 산화하거나 어닐링할 때 흔히 쓰는 800~1,200℃보다 훨씬 높다.

‘직장인의 하루’의 ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 공정 엔지니어를 찾은 다음, 이름 아래의 ‘주입’이나 ‘퍼니스’를 누르면 실리콘 웨이퍼의 도핑과 가열을 맡게 된다. 게임 속 회사, 인물, 장비는 모두 가상이다. 이 글은 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼으며, 자료마다 다른 숫자는 규모만 적었다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.