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탄화규소를 이야기할 때 대부분의 관심은 전기자동차와 전력반도체용 n형 4H-SiC 웨이퍼에 집중된다.
하지만 SiC에는 또 하나의 매우 중요한 시장이 있다.
바로 고주파 통신과 RF 소자용 반절연 SiC 기판이다.
5G 및 차세대 통신 시스템, 위성 통신, 레이더, 항공우주 및 방위용 고출력 RF 시스템에서는 질화갈륨(GaN) 기반 고주파 소자가 널리 사용된다.
이 가운데 고출력 GaN RF 소자를 구현하는 대표적인 구조가 GaN-on-SiC다.
여기서 SiC 기판은 단순한 기계적 지지체가 아니다.
고주파 특성, 열 방출, 전기적 절연과 소자의 장기 안정성에 영향을 미치는 핵심 소재다.
왜 GaN을 SiC 위에 성장시키는가?
GaN은 높은 전자 이동 속도와 높은 항복 전계를 갖는 와이드밴드갭 반도체다.
이러한 특성 때문에 높은 주파수에서 큰 전력을 증폭해야 하는 RF 소자에 적합하다.
하지만 고출력 RF 소자의 중요한 문제 중 하나는 열이다.
트랜지스터가 높은 주파수에서 큰 전력을 처리하면 매우 작은 활성 영역에서 상당한 열이 발생한다.
열이 제대로 방출되지 않으면 채널 온도가 상승하면서 소자 성능과 장기 신뢰성이 저하될 수 있다.
SiC가 GaN RF 소자의 기판으로 사용되는 중요한 이유가 바로 높은 열전도도다.
GaN에서 발생한 열을 빠르게 기판 방향으로 전달할 수 있기 때문이다.
이 때문에 GaN-on-SiC 구조는 높은 출력 밀도가 필요한 기지국, 레이더, 위성 통신과 전자전 시스템에서 오랫동안 중요한 기술로 사용돼 왔다.
왜 일반 n형 SiC가 아니라 반절연 SiC인가?
전력 MOSFET용 SiC 웨이퍼는 일반적으로 전기가 통하는 n형 도전성 기판이다.
수직형 전력소자는 전류가 웨이퍼 두께 방향으로 흐르기 때문에 낮은 기판 저항이 필요하다.
RF 소자는 상황이 다르다.
GaN HEMT와 같은 RF 소자는 주로 표면 방향으로 전류가 흐르는 수평형 구조를 사용한다.
기판을 통해 불필요한 전류가 흐르면 RF 신호 손실이 증가할 수 있다.
따라서 매우 높은 전기저항을 가진 기판이 필요하다.
이것이 **고순도 반절연 SiC(High Purity Semi-Insulating SiC)**가 사용되는 이유다.
현재 상용 HPSI 4H-SiC 기판은 100 mm와 150 mm 직경으로 공급되며, 대표적인 제품에서는 1×10⁸ Ω·cm 이상의 높은 저항률이 요구되고 있다. RF용 SiC 소재 공급업체들은 GaN 에피택시와 함께 통신, 항공우주 및 방위 응용을 주요 시장으로 제시하고 있다.
높은 저항률이 RF 성능에 중요한 이유
RF 신호는 일반적인 직류와 다르게 매우 높은 주파수에서 동작한다.
수 GHz 이상의 신호에서는 작은 기생 커패시턴스와 전도 손실도 전체 시스템 성능에 영향을 줄 수 있다.
기판이 충분히 절연되지 않으면 RF 에너지가 기판으로 누설되면서 전력 손실이 증가한다.
또한 소자 사이의 전기적 절연도 어려워질 수 있다.
반절연 SiC는 높은 기판 저항을 제공함으로써 이러한 기생 전류를 억제하는 데 도움을 준다.
따라서 HPSI SiC의 중요한 품질 지표는 단순한 평균 저항률이 아니다.
웨이퍼 전체에서 높은 저항 상태가 얼마나 균일하게 유지되는지도 중요하다.
고순도 반절연 SiC와 바나듐 도핑 방식
초기의 반절연 SiC에서는 바나듐과 같은 보상 도핑 원소를 이용해 높은 저항을 구현하는 방법도 사용됐다.
바나듐은 깊은 에너지 준위를 형성해 자유 캐리어를 보상할 수 있다.
그러나 RF용 고품질 소재에서는 불순물 도핑 자체가 새로운 결함이나 트랩의 원인이 될 수 있기 때문에 더 높은 순도의 결정 성장 기술이 중요해졌다.
오늘날 대표적인 고순도 반절연 SiC 제품은 바나듐을 사용하지 않는 방식으로 높은 저항률을 구현한다.
이는 SiC 결정 성장 과정에서 잔류 불순물과 점결함을 정밀하게 제어해야 한다는 의미다.
따라서 HPSI SiC는 일반적인 도전성 SiC와는 다른 결정 성장 및 저항률 제어 기술을 요구한다.
GaN 에피택시를 위해 표면 품질도 중요하다
반절연 특성만 좋다고 해서 우수한 RF 기판이 되는 것은 아니다.
GaN 에피층은 SiC 표면에서 성장하기 때문에 표면 상태가 에피택시 품질에 직접적인 영향을 미친다.
표면에는 깊은 연마 스크래치나 가공 손상이 없어야 한다.
또한 낮은 표면 거칠기와 안정적인 웨이퍼 형상이 필요하다.
일반적으로 에피택시용 SiC 기판의 Si-face는 화학기계적 연마를 통해 매우 매끄러운 표면으로 마무리된다.
표면 아래에 연마 과정에서 발생한 손상층이 남으면 후속 에피택시 성장 과정에서 결정 결함이나 표면 이상으로 이어질 수 있다.
따라서 RF용 SiC 웨이퍼의 가치는 저항률, 결정 품질과 표면 가공 품질을 함께 평가해야 한다.
결정 결함도 RF 소자에 영향을 준다
GaN-on-SiC에서는 GaN과 SiC가 서로 다른 결정 구조와 격자 특성을 갖는다.
에피택시 과정에서 다양한 전위와 응력이 발생할 수 있다.
SiC 기판 자체의 결정 결함과 표면 이상도 후속 GaN 에피택시 결과에 영향을 줄 수 있다.
RF 트랜지스터는 매우 작은 영역에서 높은 전력 밀도로 동작하기 때문에 국부적인 재료 불균일성이 장기 신뢰성과 소자 성능에 영향을 줄 가능성이 있다.
따라서 생산용 HPSI SiC에서는 낮은 결함 밀도뿐 아니라 웨이퍼 간 반복성과 로트 일관성도 중요하다.
RF 시장에서 150 mm가 중요한 이유
RF용 GaN-on-SiC 산업도 점차 더 큰 웨이퍼 직경으로 이동해 왔다.
웨이퍼 직경이 증가하면 한 장에서 생산할 수 있는 RF 칩의 수가 증가한다.
동시에 반도체 공장의 자동화 장비와 호환성을 높일 수 있다.
현재 150 mm HPSI SiC는 상용 RF 소재 플랫폼으로 공급되고 있다.
하지만 직경이 커질수록 높은 저항률을 웨이퍼 전체에서 균일하게 유지하고 Bow, Warp와 표면 품질을 안정적으로 관리하는 것은 더욱 어려워진다.
그래서 RF용 SiC 역시 단순한 직경 경쟁보다 실제 소자 수율과 에피택시 품질이 중요한 경쟁 기준이 되고 있다.
전력용 SiC와 RF용 SiC는 다른 시장이다
전력반도체용 SiC와 RF용 SiC는 같은 4H-SiC 단결정을 사용하지만 요구되는 재료 특성은 상당히 다르다.
전력용 n형 SiC 기판에서는 낮고 균일한 전기저항과 고품질 에피택시가 중요하다.
반면 RF용 HPSI SiC에서는 높은 저항률과 낮은 RF 손실, 우수한 열전도도와 GaN 에피택시 호환성이 중요하다.
따라서 SiC 웨이퍼를 구매할 때 단순히 직경과 두께만 지정하는 것은 충분하지 않다.
최종 응용 분야가 전력소자인지 RF 소자인지에 따라 도핑 방식, 저항률, 결정 방향, 표면 처리와 검사 기준이 완전히 달라질 수 있다.
전기자동차가 SiC 시장의 성장을 이끌고 있지만, 통신, 레이더, 항공우주 및 고주파 시스템 역시 SiC 소재의 중요한 응용 시장이다.
특히 높은 출력 밀도와 높은 주파수를 동시에 요구하는 시스템이 확대될수록 GaN-on-SiC와 고순도 반절연 SiC 기판의 역할은 계속 중요할 것으로 예상된다.