IBK투자증권은 화합물 반도체 중에서 GaN과 SiC 등 2종의 반도체가 발전 가능성이 가장 높다면서도 SiC, 특히 SiC 전력반도체에 주목하고 있다. IBK투자증권 이건재 연구원은 4월 13일 발표한 ‘전기차 보급 확대를 기다리는 화합물 반도체’와 7월 27일 발표한 ‘전환의 시대 화합물 반도체’등 두 번에 걸친 화합물 반도체에 대한 보고서를 통해 SiC 전력반도체를 집중분석했다. 이 연구원은 “SiC 전력반도체가 고효율과 소형화에 적합해 EV(전기차)의 성능을 획기적으로 향상시킬 필수 부품으로 자리 잡을 전망”이지만 “제조 공정이 어려워 선진국이 과점하고 있다”고 지적했다.  

실리콘과 탄소를 일대일로 결합해 만든 SiC는 탄화규소 또는 실리콘 카바이드로 표현된다. 다이아몬드 다음으로 단단한 특성 때문에 반도체 재료보다는 사포나 숫돌 등 연마용 재료로 많이 사용했다.

SiC를 반도체로 이용하려면 약 2,400 ℃ 초고온에서 단결정을 만든 후 얇게 절단 공웨이퍼를 제작해야 한다. 기술 난이도도 높다. 하지만 장점은 많다. SiC 반도체는 같은 두께의 실리콘에 비해 약 10배의 전압을 견뎌낼 수 있어 고전압 고열에서 정상 작동이 가능하다. Si반도체 1/10크기로 동등한 전압 제어 기능을 확보할 수 있어 부피를 줄일 수 있다.

SiC전력 반도체는 기존 재료인 실리콘 대비 10배의 전압과 5배 고열에도 동작 가능해 고전압이 쓰이는 전기차에 적합하다. 가격은 Si 대비 2배 이상이지만 주행거리를 10%이상 늘릴 수 있고 충전시간을 줄일 수 있어 필수 부품으로 자리 잡을 전망이다.

SiC는 Si 보다 밴드갭이 넓어 절연파괴 전압(Breakdown Voltage)이 큰 소자를 제조할 수 있다. 결국 소자를 얇게 할 수 있으며 도프 농도를 높일 수 있어 온저항(RON)을 줄여 냉각 장치 무게와 부피까지 줄여 연비가 상승한다.

SiC 전력 반도체 시장은 규모는 2020년 7억 달러에서 2030년 100억 달러로 연평균 32% 성장 할 것으로 전망된다. 도요타 자동차는 2014년부터 SiC 전력 반도체를 채용한 하이브리드 자동차를 시범 운용 중이다. HV/EV의 모터용 인버터에 SiC 전력반도체를 사용하면 고내열, 고속 스위칭, 고온 동작 등의 장점으로 인해 인버터 고효율화, 저소음, 소형화, 경량화, 공간 절약 등을 기대할 수 있다. 전기차에 탑재되는 모터 회로 1개 스위치에 2~3개의 IGBT 칩을 병렬로 실장하는데 SiC는 회로에 탑재하는 칩의 개수를 줄일 수 있어 인버터 소형화와 비용 절감을 가능하게 해줄 수 있다. 실장 칩 개수를 줄이기 때문에 주변 부품 간소화 가능하며 시스템 경량화 및 소형화 가능하다. 

SiC 전원 모듈은 Si IGBT와 SiC 다이오드로 구성된 하이브리드와 순수 SiC 모듈로 구분할 수 있다. 하이브리드 SiC 전원 모듈은 태양광 인버터, 무정전 전원 공급 시스템 및 산업 애플리케이션에 사용되고 있다. 풀(Full) SiC 파워 모듈은 전기차와 충전기에 적용이 확대될 것으로 예상되어 높은 성장이 전망된다.

SiC MOSFET은 2020년 약 3억 2천만 달러 시장을 형성했으며 SiC 전력 반도체 중 가장 빠른 성장세를 보여줄 것으로 기대된다.

SEMI는 SiC전력반도체 시장이 2024년까지 연평균 30% 성장해 20억달러가 될 것으로 전망하고 있다. 2024년까지 SiC 전력반도체 시장이 20억달러 규모까지 성장할 것으로 전망하고 있다.

SiC의 경우 전력반도체의 형태로만 개발되고 있으며 해외기업이 시장을 선도하고 있다. 이 분야에서 세계 20위권 내 국내 기업은 없다. SiC는 물성이 뛰어나지만 반도체 제조 시작점인 고품질 단결정 및 박막 제조가 어려워 일부 해외 선진기업만 상용화에 성공했기 때문이다. 전력 반도체용 SiC 소재는 일부 상용화되어 판매되고 있지만 고품질화와 가격 현실화 문제가 남아 있다.