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SiC와 GaN, 신성장 도전하는 반도체
반도체 경쟁의 새로운 격전지로 주목받고 있는 영역이 있다. 바로 SiC(탄화규소·실리콘카바이드)와 GaN(질화갈륨·갈륨나이트라이드) 반도체이다. 이들은 반도체 칩을 만드는 새로운 물질로, 이를 다룰 수 있는 공정 기술을 확보하는 데 기업들은 물론 국가까지 뛰어들고 있다.

SiC와 GaN은 주로 전력반도체에 사용된다. 전력반도체는 반도체 중에서도 연산과 제어를 담당하는 시스템 반도체, 혹은 비메모리 반도체의 일종이다. 스마트폰과 같은 소형 전자기기는 물론 세탁기, 냉장고, TV를 비롯한 각종 전기전자제품에서 전력을 변환, 제어, 분배하는 역할을 한다.

배터리를 넣거나 전원을 꽂으면 이 전력반도체가 1초에 1000번 넘게 스위칭을 하며 전기를 변환하고, 변압해 기기가 원하는 형태로 바꿔 제공한다. 그래서 크기와 형태를 가리지 않고 전자제품에 꼭 필요한 것이 이 전력반도체이다.

전력반도체는 원래 우리가 일반적으로 사용하는 반도체 소재인 실리콘(Si)를 통해 만들어졌다. 현재 전 세계 반도체 소재의 95%를 실리콘이 차지하고 있다. 실리콘이 대세인 이유는 실리콘이 지구상에서 산소 다음으로 많은 원소이기 때문이다. 사막의 모래를 퍼다가 고온으로 가공하고, 약간의 화학공정만 거치면 반도체 칩을 만드는 원판인 실리콘 웨이퍼로 가공이 가능하다.

하지만 전력반도체에 요구되는 연산 수준이 급격히 높아지면서, 기존의 실리콘 소재로는 이를 수행하기 어려운 상태에 도달했다. 전력반도체가 전력을 변환하는 과정에서 발열이 생기는데, 실리콘의 경우 150도씨를 넘어갈 경우 반도체의 특성을 잃게 된다. 다시 말해 실리콘을 기초로 만든 전력반도체가 고장나는 셈이다.

이런 상황에서 전기차 보급 등을 이유로 전력반도체에 요구되는 성능 기준은 더 높아지고 있다. 이에 따라 SiC와 GaN과 같은 신재료 반도체에 대한 관심도 높아지고 있다. SiC와 GaN은 실리콘에 비해 발열 문제가 적고, 고전력 및 고주파, 고온 환경에서도 성능을 유지할 수 있는 장점이 있다. 또한, 소형화와 높은 속도, 저전력 사용 등의 장점을 갖고 있다.

현재 SiC와 GaN 반도체에 대한 연구와 개발은 국내외 기업과 연구기관에서 활발하게 진행되고 있다. 국내에서도 관련 기업들이 기술 역량을 확보하고 새로운 시장을 개척하기 위해 노력하고 있다.

SiC와 GaN은 전력반도체 분야뿐만 아니라 다양한 분야에서의 응용 가능성이 높다. 향후 SiC와 GaN 기술의 발전이 기존 반도체 산업의 변화뿐만 아니라 신산업 창출에도 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다. 이를 통해 국내 반도체 산업이 글로벌 경쟁에서 주도적인 역할을 수행할 수 있을 것으로 전망된다.

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