반도체 생산을 위한 핵심 원자재: 웨이퍼 기판의 종류

반도체 소자의 핵심 소재로서의 웨이퍼 기판

웨이퍼 기판은 반도체 소자의 물리적 캐리어이며, 그 재료 특성은 소자 성능, 비용 및 응용 분야를 직접적으로 결정합니다. 다음은 웨이퍼 기판의 주요 유형과 그 장단점입니다.

1.실리콘(Si)

• 시장 점유율:글로벌 반도체 시장의 95% 이상을 차지합니다.

• 장점:

  • 저렴한 비용:풍부한 원자재(이산화규소), 성숙한 제조 공정, 강력한 규모의 경제성.

  • 높은 공정 호환성:CMOS 기술은 매우 성숙되어 있으며 고급 노드(예: 3nm)를 지원합니다.

  • 우수한 수정 품질:결함 밀도가 낮은 대구경 웨이퍼(주로 12인치, 개발 중인 18인치)를 성장시킬 수 있습니다.

  • 안정적인 기계적 특성:자르고, 닦고, 다루기 쉽습니다.

• 단점:

  • 좁은 밴드갭(1.12 eV):온도가 높아지면 누설 전류가 커져 전력 장치의 효율성이 제한됩니다.

  • 간접 밴드갭:매우 낮은 광 방출 효율로 LED나 레이저와 같은 광전자 소자에 적합하지 않습니다.

  • 제한된 전자 이동성:화합물 반도체에 비해 고주파 성능이 낮습니다.
    

2.갈륨비소(GaAs)

• 응용 프로그램:고주파 RF 장치(5G/6G), 광전자 장치(레이저, 태양 전지).

• 장점:

  • 높은 전자 이동성(실리콘의 5~6배):밀리미터파 통신과 같은 고속, 고주파 응용 분야에 적합합니다.

  • 직접 밴드갭(1.42 eV):고효율 광전 변환은 적외선 레이저와 LED의 기초입니다.

  • 고온 및 방사선 저항성:항공우주 및 혹독한 환경에 적합합니다.

• 단점:

  • 높은 비용:재료가 부족하고, 결정 성장이 어렵고(전위가 발생하기 쉬움), 웨이퍼 크기가 제한적입니다(대부분 6인치).

  • 취성 역학:깨지기 쉽고 가공 수율이 낮습니다.

  • 독성:비소는 엄격한 취급과 환경 관리가 필요합니다.

3. 탄화규소(SiC)

• 응용 프로그램:고온 및 고전압 전력 장치(EV 인버터, 충전소), 항공우주.

• 장점:

  • 넓은 밴드갭(3.26 eV):높은 파괴 강도(실리콘의 10배), 고온 내구성(작동 온도 >200 °C).

  • 높은 열전도도(≈3× 실리콘):뛰어난 방열성으로 더 높은 시스템 전력 밀도가 가능합니다.

  • 낮은 스위칭 손실:전력 변환 효율을 향상시킵니다.

• 단점:

  • 까다로운 기질 준비:결정 성장이 느림(1주일 이상), 결함 제어가 어려움(미세파이프, 전위), 비용이 매우 높음(실리콘의 5~10배).

  • 작은 웨이퍼 크기:주로 4~6인치이고, 8인치는 아직 개발 중입니다.

  • 처리하기 어려움:매우 단단함(모스 9.5)으로 인해 절단과 광택 작업에 ​​시간이 많이 걸림.

4. 질화갈륨(GaN)

• 응용 프로그램:고주파 전력소자(고속충전, 5G 기지국), 파란색 LED/레이저.

• 장점:

  • 초고 전자 이동도 + 넓은 밴드갭(3.4 eV):고주파(>100 GHz)와 고전압 성능을 결합했습니다.

  • 낮은 온 저항:장치의 전력 손실을 줄입니다.

  • 헤테로에피택시 호환:일반적으로 실리콘, 사파이어 또는 SiC 기판에서 성장하여 비용을 절감합니다.

• 단점:

  • 대량 단결정 성장이 어려움:헤테로에피택시가 주류이지만, 격자 불일치로 인해 결함이 발생합니다.

  • 높은 비용:네이티브 GaN 기판은 매우 비쌉니다(2인치 웨이퍼의 가격은 수천 달러에 달할 수 있음).

  • 신뢰성 과제:전류 붕괴와 같은 현상은 최적화가 필요합니다.

5. 인듐 인화물(InP)

• 응용 프로그램:고속 광통신(레이저, 광검출기), 테라헤르츠 장치.

• 장점:

  • 초고 전자 이동도:GaAs보다 성능이 뛰어나 100GHz 이상 작동을 지원합니다.

  • 파장 매칭을 통한 직접 밴드갭:1.3~1.55μm 광섬유 통신을 위한 핵심 소재.

• 단점:

  • 부서지기 쉽고 매우 비쌉니다.기판 비용이 실리콘의 100배를 초과하고 웨이퍼 크기가 제한적입니다(4~6인치).

6. 사파이어(Al₂O₃)

• 응용 프로그램:LED 조명(GaN 에피택셜 기판), 가전제품 커버 유리.

• 장점:

  • 저렴한 비용:SiC/GaN 기판보다 훨씬 저렴합니다.

  • 우수한 화학적 안정성:부식 방지, 절연성이 우수합니다.

  • 투명도:수직 LED 구조에 적합합니다.

• 단점:

  • GaN과의 큰 격자 불일치(>13%):결함 밀도가 높아 버퍼층이 필요합니다.

  • 열전도도가 낮음(실리콘의 약 1/20):고전력 LED의 성능을 제한합니다.

7. 세라믹 기판(AlN, BeO 등)

• 응용 프로그램:고전력 모듈용 히트 스프레더.

• 장점:

  • 단열성 + 높은 열전도도(AlN: 170–230 W/m·K):고밀도 포장에 적합합니다.

• 단점:

  • 비단결정:장치 성장을 직접 지원할 수 없으며, 패키징 기판으로만 사용됩니다.

8. 특수 기판

• SOI(절연체 위의 실리콘):

  • 구조:실리콘/SiO₂/실리콘 샌드위치.

  • 장점:기생 용량을 줄이고, 방사선 경화, 누설 억제(RF, MEMS에 사용)가 가능합니다.

  • 단점:대량 실리콘보다 30~50% 더 비쌉니다.

• 석영(SiO₂):포토마스크와 MEMS에 사용되며 고온에 강하지만 매우 부서지기 쉽습니다.

• 다이아몬드:극한의 방열을 위해 연구 개발 중인 가장 높은 열전도도 기판(>2000 W/m·K)

비교 요약 표

기질 선택을 위한 핵심 요소

• 성능 요구 사항:고주파용 GaAs/InP, 고전압, 고온용 SiC, 광전자용 GaAs/InP/GaN.

• 비용 제약:소비자용 전자제품에서는 실리콘이 선호되고, 하이엔드 분야에서는 SiC/GaN의 프리미엄이 정당화될 수 있습니다.

• 통합 복잡성:실리콘은 CMOS 호환성을 위해 대체될 수 없습니다.

• 열 관리:고전력 응용 분야에서는 SiC 또는 다이아몬드 기반 GaN이 선호됩니다.

• 공급망 성숙도:Si > 사파이어 > GaAs > SiC > GaN > InP.

미래 트렌드

이기종 통합(예: GaN-on-Si, GaN-on-SiC)은 성능과 비용의 균형을 맞춰 5G, 전기 자동차, 양자 컴퓨팅의 발전을 촉진합니다.