GaN 및 SiC 반도체의 성장 전망

반도체 세계는 갈륨 나이트라이드(GaN)와 실리콘 카바이드(SiC)로 들썩이고 있습니다. GaN과 SiC가 오랫동안의 실리콘의 지배를 뒤흔들 준비가 되었다는 소식입니다. 전기 자동차, 재생 에너지, 소비자 전자제품을 포함한 주요 산업에 이미 큰 영향을 미치고 있는 효율성과 성능의 큰 도약 때문에 주목받고 있습니다.

이것이 왜 그렇게 큰 일인가요? 더욱 컴팩트하고, 강력하며, 에너지 효율적인 장치를 향해 질주하면서, 예전의 실리콘 일꾼은 더 이상 해내지 못하고 있습니다. GaN과 SiC는 무엇인가요? 그것들은 전력 시스템을 강화하고, 효율성을 높이며, 10년 전에는 꿈도 못 꿨던 혁신을 가능하게 하는 잠재력을 가진 새로운 인재들입니다. 이 모든 것을 반영하듯, GaN과 SiC 시장은 빠르게 성장하고 있습니다.

시장 규모 및 성장 전망

숫자를 살펴봅시다. Fact.MR에 따르면, GaN 및 SiC 반도체 시장은 2024년 추정 $1.4 billion에서 2034년까지 $11 billion으로 확장될 것으로 예상되며, 이는 연간 복합 성장률(CAGR) 22.9%에 해당합니다.Future Market Insights (FMI)는 더 낙관적인 전망을 제공하여, 2024년부터 2034년까지 CAGR 27.1%로 성장하여 시장이 인상적인 $23.7 billion에 이를 것으로 추정합니다(그림 1 참조).

광대역 갭 재료란 무엇인가?

광대역 갭(WBG) 재료(주로 GaN 및 SiC)는 반도체 기술의 최전선에 있습니다. 이 재료들은 다양한 개별 구성 요소, 전력 모듈 및 집적 회로를 만드는 데 사용됩니다. "광대역 갭"이라는 용어는 이 재료들에서 발견되는 밸런스 밴드와 전도 밴드 사이의 상당한 에너지 갭을 의미하며, 일반적으로 실리콘의 1.1 eV보다 3 eV 이상 높습니다.

광대역 갭 재료의 장점

WBG 재료의 큰 장점 중 하나는 붕괴가 발생하기 전에 훨씬 강한 전기장을 견딜 수 있다는 것입니다. GaN과 SiC는 실리콘보다 약 열 배 높은 붕괴 전기장을 자랑합니다. 이러한 특성은 넓은 밴드갭과 결합되어, 이러한 재료로 만들어진 장치가 전통적인 실리콘 기반 반도체보다 더 높은 전압, 온도 및 주파수에서 작동할 수 있게 합니다.

더 높은 작동 온도: WBG 장치는 실리콘의 한계인 약 150°C 대비 최대 200°C까지 작동할 수 있습니다.

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더 높은 전압 작동: 더 높은 붕괴 전기장은 WBG 장치가 더 작은 장치에서 훨씬 더 높은 전압을 처리할 수 있게 합니다.

더 빠른 스위칭 속도: WBG 재료는 더 높은 전자 이동성과 포화 속도로 인해 실리콘보다 최대 10배 높은 스위칭 주파수를 가능하게 합니다.

향상된 효율성: WBG 장치는 더 낮은 온 저항과 스위칭 손실을 가지고 있어, 전력 변환 응용 분야에서 더 높은 효율성을 이끕니다.

더 작은 장치 크기: WBG 재료의 우수한 특성은 더 컴팩트하고 가벼운 디자인을 가능하게 합니다.

GaN 및 SiC의 선도적 성장 응용 분야

GaN 및 SiC 반도체의 채택이 업계 전반에 걸쳐 빠르게 확대되고 있으며, 이는 그들의 우수한 성능 특성에 의해 주도되고 있습니다. 이러한 광대역 갭 재료는 GaN 및 SiC를 사용하여 혁신과 효율성을 추진하는 여러 주요 분야에서 응용되고 있습니다. 몇 가지를 살펴보겠습니다:

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전기 자동차: GaN 및 SiC는 더 높은 전압과 온도에서 작동하기 때문에 많은 자동차 응용 분야를 개선하고 전기 이동성으로의 전환에 적합합니다. 예를 들어, GaN 및 SiC는 EV 파워트레인의 효율성을 향상시켜 주행 거리를 늘리고 충전 시간을 단축시키는데 사용되며, 이는 EV에 있어 중요한 차별화 요소입니다. 

소비자 전자제품: GaN 및 SiC 재료는 성능을 희생하지 않으면서도 더 작고 가벼운 구성 요소를 가능하게 합니다. 이는 차세대 소비자 기기를 개발하고 미니어처화에 대한 지속적인 추진을 충족시키는데 가치가 있습니다.

무선 통신: 5G 네트워크와 진화하는 무선 기술은 GaN 및 SiC에 대한 상당한 기회를 창출하고 있습니다. GaN은 특히 5G 기지국에서 가치가 있으며, 두 재료 모두 위성 및 레이더 시스템에서 찾을 수 있습니다. 

재생 에너지: GaN 및 SiC는 재생 가능한 전력 변환 및 관리 시스템의 효율성과 비용 효과를 향상시킬 수 있기 때문에 지속 가능한 에너지 시스템에서 자리를 잡고 있습니다.

GaN 및 SiC 기술 발전

GaN 및 SiC 반도체 시장은 업계 거인과 혁신적인 스타트업 모두가 연구 개발에 대한 막대한 투자로 우위를 점하기 위해 치열한 경쟁을 벌이고 있습니다. 

에피탁셜 성장 기술과 고급 패키징 기술과 같은 제조 공정의 지속적인 개선은 성능을 향상시키고 수율을 개선하고 있습니다. GaN 및 SiC 제조가 더 효율적이고 비용 효과적이 되면서, 이러한 기술에 대한 장벽이 낮아져 다양한 산업에서 더 넓게 사용될 수 있게 되었습니다. 

GaN 및 SiC의 도전과 한계

긍정적인 장기 전망에도 불구하고, GaN 및 SiC 시장은 여러 도전에 직면해 있습니다. 이에는 다음이 포함됩니다: 

높은 제조 비용:GaN 및 SiC 장치의 제조 공정은 전문 장비, 복잡한 에피탁셜 성장 기술, 그리고 엄격한 품질 관리 조치를 필요로 합니다. 오늘날 이는 높은 생산 비용을 의미합니다. 이러한 높은 비용은 제조 확장성을 제한하고 상대적으로 비싼 최종 제품을 초래할 수 있으며, 일부 GaN 및 SiC 솔루션을 전통적인 실리콘 기반 대안보다 경쟁력이 떨어지게 만들 수 있습니다.

그러나 이 수익성 높은 시장을 위한 경쟁은 전통적인 실리콘 기반 반도체와의 비용 동등성을 달성하기 위한 경주를 가속화하고 있습니다. 예를 들어, 인피니언은 최근 GaN 기술에서의 돌파구를 발표했는데, 이는 GaN 장치의 가격을 크게 낮추고 회사가 시장의 큰 부분을 차지할 수 있게 할 수 있습니다. 발표에서 인피니언 CEO인 요헨 하네벡은 “향후 몇 년 안에 GaN 칩의 시장 가격이 실리콘 가격에 근접할 것으로 기대한다”고 말했습니다. 

고품질 기판의 제한된 가용성: GaN 및 SiC는 에피택셜 성장을 위한 특수 기판을 요구하며, 이러한 기판의 공급은 생산 능력과 재료 품질과 같은 요인에 의해 제한될 수 있습니다. 제한된 기판 가용성은 공급망 중단, 생산 비용 증가 및 제품 개발 지연으로 이어질 수 있습니다.

기판 경쟁: 다양한 산업 간의 기판 경쟁이 상황을 악화시키고 있으며, 때로는 GaN 및 SiC 장치 제조의 확장성을 방해하고 다양한 응용 분야에서의 더 넓은 채택을 저해하기도 합니다.

최근 매킨지 기사는 실리콘 카바이드 웨이퍼 시장의 불확실성 관리에 대해 심층적으로 다루며, SiC 웨이퍼 산업이 상당한 공급망 제약에 직면해 있다고 언급합니다. 매킨지는 예측된 수요 증가를 충족시키기 위해 개선된 계획, 다각화 및 투자를 통해 이러한 도전을 적극적으로 관리해야 한다고 말합니다.

GaN 및 SiC의 잠재력 실현

GaN 및 SiC 반도체의 미래는 매우 밝습니다. 전기차(EVs), 재생 에너지 시스템, 차세대 소비자 전자제품이 가능성의 한계를 넓히면서, 광대역 갭(wide bandgap) 재료가 중심 무대를 차지할 준비를 하고 있습니다. 

제조업체들이 생산 방법을 개선함에 따라 비용이 절감되고 산업 전반에 걸쳐 채택이 증가하고 있습니다. 업계의 도전 과제는 무엇일까요? 급증할 수 있는 수요를 따라잡으며 높은 제조 비용과 제한된 기판 공급과 같은 장애물을 극복하는 것입니다.

전통적인 실리콘과의 격차를 좁히기 위한 경쟁이 치열해지고 있으며, 인피니언(Infineon)과 같은 산업 거인들이 중요한 돌파구를 이루고 있습니다. 연구자, 제조업체, 최종 사용자 간의 협력이 성장하고 가속화됨에 따라, 이 기술들의 전체 잠재력이 점점 더 가까워지고 있습니다.