보배드림

◈ GaN 반도체 이야기--SSPA

https://www.bobaedream.co.kr/view?code=army&No=132105

◈ GaN 반도체 이야기--GaN 용어정리

https://www.bobaedream.co.kr/view?code=army&No=132115

◈ GaN 반도체 이야기--SiC Wafer 제조 1편

https://www.bobaedream.co.kr/view?code=army&No=132130

지난번 SiC Wafer 제조 이야기를 이어 나가도록 하겠습니다.

내용이 다수 지루 하나, GaN 반도체에서의 핵심 내용 중 하나 이니

잘 읽어 보도록 하세요.

2. SiC 타입별 특성

2.1 SiC 결정 구조.

 SiC는 여러가지 다형성(polytype) 결정구조를 가집니다.

 결정구조에 따른 타입은 아래와 같습니다.

2.2 SiC 결정 구조에 대한 특성.

위의 표에서 보듯이 밴드갭 과 전자이동도를 보면 4H-sIc가 월등히 우수함을

알수 있듯이, 현재 SiC wafer는 4H-SiC가 표준 입니다. 

3. 도핑(doping)이란?

SiC 결정이 성장할 때 알루미늄(Al), 질소(N), 붕소(B) 등의 도펀트(Dopant)를 

기체상이나 고체상으로 투입하여 Wafer 타입이 결정이 됩니다.

이 과정을 “in-situ doping”이라고도 합니다.

도핑 농도에 따라 웨이퍼 전체의 기본 전기적 특성(도전성, 저항 등)을 결정하며 

이로 인해 웨이퍼 자체의 타입 (N형/P형, 저항값 등)은 이미 잉곳 단계 에서 

정해져 버립니다.

    ☞ 웨이퍼 가공 후에 N,P형을 만들수 있으나, 주로 Gate, Source, Drain등 

        형성용으로 사용 합니다, 즉 국소적으로 행하게 됩니다.

4. 도핑에 따른 SiC 웨이퍼 타입은 아래와 같습니다.

4.1 Conductive Sic wafer (도전성 SiC 웨이퍼)

   가. 특징

 a. n형 또는 p형이 도핑된 도전성(conductive) SiC 웨이퍼

  ☞ P형(positive :양극성), N형(Negative : 음극성)

      b. 알루미늄(Al), 질소(N), 붕소(B) 등을 도핑해서 전하 이동이 가능한 형태

      c. 일반적으로 N형 4H-SiC가 가장 많이 사용.   

   나.주요용도 

      a. 전력 반도체 디바이스 : MOSFET, SBD(Schottky Barrier Diode), JFET, IGBT 

      b. 전기차 인버터, 태양광 인버터, UPS, 산업용 전원장치,고속 정류기  

   다.장점 

      a. 높은 전압 견디는 능력 (Breakdown voltage ↑)

      b. 고온(200℃ 이상)에서도 안정 동작

      c. 실리콘보다 3~10배 높은 전력 → 전력 손실이 작음,

      d. Switching 속도 빠름

       ☞ 반도체의 N형,P형의 차이점은 아래 내용으로 검색

          “[반도체 웹툰 NANO] 2화. 반도체의 원리, N과 P”

  4.2 Semi-insulating SiC wafer (반절연 SiC 웨이퍼)

     가.특성

       a. 도핑 농도를 조절하여 전도성은 낮추고, 완전 절연은 아닌 상태

       b."전자 소자용 절연기판" 역할을 함

       c. 표면 근처의 소자만 작동하고, 기판 자체는 전기적으로 간섭하지 않도록 설계 

          즉 고주파 소자 제작에 적합

     나.주요 용도

        a. RF 디바이스 (무선통신) LNA(Low Noise Amplifier), HEMT, MESFET구조 등

       b. 마이크로파(Microwave), 5G 통신 모듈,위성 통신장비,고주파,고출력 증폭기 등

     다.장점

       a. 전기적 간섭 최소화→ 신호 왜곡이 없음

       b. 기판을 통해 흐르는 전류 방지 → 소자 성능 향상

       c.낮은 누설전류 → 잡음 줄이고 신호 선명도 향상 

  4.3 HPSI(High Purity Semi-Insulating) wafe r(고순도 또는 고저항 반절연 SiC 웨이퍼)

    가.특징

      a. 가장 높은 저항 특성(>10?Ω·cm 이상)을 가지는 반절연형 웨이퍼

      b. Fe,V, Cr등 Compensating dopant를 넣어서 전도성을 억제

      c. 매우 높은 순도 + 낮은 결함

   나.주요용도

     a. RF Power Amplifier, 군용 X-band, Ku-band, Ka-band 레이더

     b. 고출력 송신기, 군용 레이더,위성용 고출력 송수신기

     c. 우주/항공용 RF통신모듈(내방사선 특성이 우수해 우주 환경에 적합)

     d. 고출력 고주파 증폭기 (방송용 송신기, 고출력 레이저 구동 등)

   다.장점

     a. 전계 효과 전이 억제 → 누설 전류 감소

     b. 열전도성 우수 → 고출력 발열 억제

     c. 높은 신뢰성과 내구성 → 고온에서도 안정성 확보

     d. 고주파·고출력에서 성능 우수

     e. 기판이 거의 완전 절연체처럼 동작

     f. 디바이스 간 간섭 방지, 전기 노이즈 없음

  여기서 AESA레이더에 쓰이는 SiC Wafer가 바로 반절연 SiC 웨이퍼 와 HPSI 웨이퍼 입니다.

  특히 X-Band 이상의 고출력 AESA 레이더는 HPSI 웨이퍼가 필수 입니다.

  HPSI는 미국의 울프스피드사 와 일본 스미모토등 소수 업체 에서만 생산이 되는 

  수출 통제품이라, 중국, 러시아등 에는 수출이 금지 되어 있습니다.

  얼마전에 흥미로운 뉴스가 떴더군요.

  미국의 울프스피드 사가 파산 신청 했다는 내용 입니다.

 앞서 이야기 했던 SiC Ingot을 만드는 회사가 전세계에 그리 많지 않습니다.

 특히 서방측에 반절연 SiC 와 HPSI를 생산 공급 업체는 한손가락으로 꼽을정도 이고,

 그중 1위 업체가 울프스피드사 입니다.

 그래서 파산 소식에 대해 관련 업체가 요동을 치고 있습니다.

 서방측 중에서 고품질의 RF반도체 파운드리 서비스를 하는 대표적인 업체가 

 대만 윈세미컨덕터, 미국 울프스피드, 유럽 UMS 입니다

 참고로 대한민국이 개발 중 또는 양산 AESA 레이더에 들어가는 GaN 소자는 웨이비스에서 

 양산 체계를 구축 하지 전 까지는 저 세개 업체를 통해 파운드리 개발 또는 생산 하였습니다.

 현재 KF-21의 레이더 역시 파운드리로 생산 된 GaN 소자를 사용 합니다.

 위에 언급한 대만의 윈세미컨덕터, 유럽의 UMS, 한국의 웨이비스에서 생산 또는 파운드리

 서비스에 필요한 반절연 SIC 웨이퍼 와  HPSI 웨이퍼 를 공급하는 업체가 바로 울프스피드

 사 입니다......특히 X-Band 이상에 필요한 HPSI는 거의 독점체계라 파장이 큽니다.

 일본의 스미모토 정공에서도 생산 공급을 하지만 이쪽은 민수 와 내수쪽으로 많이 생산을

 합니다....여담 이지만, 지난 일본의 수출통제로 갈등을 빚을때 다행이도 SiC 웨이퍼가 없었습니다.

 그래서 안도의 한숨을 쉬는 동시에 위기감으로 GaN 소자관련 하여 국산화가 추진력을 얻게 됩니다.

 아래는 SiC Ingot 생산 부터 제품화 까지 순서도 입니다.

아래는 ingot 생산부터 wafer 제조 공정까지 시각적으로 잘 표현한 곳 입니다.

https://www.sksiltron.com/ko/wafer/process.do

지루한글 끝까지 읽어 주셔서 감사 합니다.

다음 이야기는 반도체 8대 공정 중 위 순서도의  Epitaxy 를 중심으로 이야기를 하도록 하겠습니다