코히어런트, 전기차용 실리콘 카바이드 전력 기판에 10억 달러 투자 유치

펜실베이니아주 색슨버그에 본사를 둔 코히어런트(Coherent)는 4월 8일, 일본의 자동차 부품 공급업체인 덴소(DENSO)와 미쓰비시 전기(Mitsubishi Electric)가 자사의 실리콘 카바이드 사업에 $1 billion을 투자했으며, 소하일 칸(Sohail Khan)의 지휘 하에 해당 사업을 운영할 신설 자회사의 지분 12.5%을 비지배 지분으로 보유하게 되었다고 발표했다. 신사업 및 광대역 갭 전자 기술 부문 전무 부사장이 이끄는 이 자회사는 해당 사업을 운영할 예정이다.

SiC란 무엇인가요?

전기차 수요가 증가함에 따라 제조사들은 비용을 절감하고 효율을 높이기 위해 실리콘 카바이드(SiC) 전력 반도체 칩에 더 많은 투자를 하고 있다. SiC 소자는 실리콘(Si) 소자보다 비용 대비 에너지 변환 효율이 더 높은 것으로 입증되었다.

SiC 반도체는 기존 실리콘(Si)에 비해 더 높은 주파수에서 스위칭이 가능하여 속도와 효율을 높이는 동시에 전력 손실을 줄여줍니다. 또한 발열량이 적어 모터가 더 많은 에너지를 흡수할 수 있게 되어 배터리 주행 거리가 늘어납니다.

SiC 전력 반도체는 수많은 장점을 갖추고 있지만, 비용 및 웨이퍼 공급 문제로 인해 광범위한 채택은 여전히 제한을 받고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 펜실베이니아에 본사를 둔 레이저 및 회로용 스위치 제조업체인 코히어런트(Coherent)는 SiC 생산만을 전담하는 자회사를 설립했으며, 코히어런트는 이번 조치로 2022년에 약 10억의 매출 증가를 기대하고 있다.

코히어런트의 소하일 칸(Sohail Khan) 부사장이 이 새로운 자회사를 이끌게 되며, 이미 아이치현 카리야시에 위치한 덴소(DENSO Corp)와 도쿄에 본사를 둔 미쓰비시 전기(Mitsubishi Electric Corp) 등 일본의 전기차 부품 공급업체 두 곳과 장기 공급 계약을 체결했다. 이 계약에 따라 두 회사는 자회사에 총 $500 million을 투자하는 대가로 각각 지분을 확보하게 된다.

덴소는 미쓰비시 전기의 실리콘 카바이드(SiC) 기판을 활용해 모터를 구동하고 제어하는 전기차(EV) 동력 시스템용 인버터를 제작할 예정이며, 이를 통해 전류를 사용 가능한 에너지로 변환하는 데 쓰이는 SiC 모듈을 제조할 계획이다.

고품질 기판을 생산하기 위해 이 자회사는 연속 에피택셜 성장 공정을 통해 SiC c-면 소재의 연속 층을 형성한 다음, 화학 기상 증착(CVD) 공정을 적용합니다. 마지막으로, 기판을 절단하여 제조용으로 개별 반도체 칩으로 가공합니다.

칸은 2025년이 되면 직경 200mm 기판이 주류 규격이 될 것으로 전망하고 있으며, 그때쯤이면 해당 기판 생산을 위한 조립 라인이 가동되고 필요한 모든 공구가 자격 심사를 통과할 것으로 보고 있다.

애플리케이션

전 세계적으로 전기차(EV)의 보급이 급증함에 따라 실리콘 카바이드(SiC)에 대한 반도체 수요도 기하급수적으로 증가하고 있습니다. 이 소재는 전력 변환기와 같은 고온 및 고주파 응용 분야에서 기존 실리콘에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다. 코히어런트(Coherent)의 전 II-VI 사업부는 오랫동안 이 시장을 위해 150mm 및 200mm 기판은 물론 에피택셜 웨이퍼를 공급해 왔습니다.

SiC는 뛰어난 열전도성 덕분에 열악한 환경에서 사용하기에 이상적이며, 자동차, 통신, 항공우주 및 해양 전력 시스템은 물론 산업용 전력 변환기 등 다양한 분야에 적합합니다. SiC는 이러한 장치 내에서 발생하는 높은 온도와 까다로운 환경 조건을 견딜 수 있는 능력을 갖추고 있어, 전체 시스템의 비용, 무게, 크기 및 복잡성을 줄여줍니다. 또한 냉각 요구 사항을 감소시키고, 더 작은 풋프린트의 패키지를 가능하게 하여 전력 밀도를 향상시킵니다.

SiC의 낮은 핵 스핀 밀도 덕분에 다이아몬드보다 더 긴 전자 스핀 비결합 시간을 유지할 수 있는데, 이는 최근 SiC 기저 상태 스핀을 활용한 단일 전자 스핀 큐비트에 대한 연구에서 입증된 바와 같이, 예상 T1 시간이 다이아몬드 큐비트의 50 us에 비해 100 us에 달한다.

3d2 전자 배열을 가진 Cr 결함을 이용한 연구에서는, 비퇴화 궤도 삼중항 기저 상태와 비퇴화 1E 스핀 단일항 궤도 이중항 여기 상태를 생성했으며, 이 두 상태 간의 전이는 스핀 금지되어 있어, 양자 통신 응용에 적합한 긴 붕괴 시간을 가진 낮은 에너지 갭을 형성했다.

고에너지 이온 주입을 통해 심부 SiC 내에서 Cr⁴⁺를 생성한 후, 1800 degC에서 어닐링을 실시하여 광학적으로 활성인 배경 잡음을 안정화하고 최소화할 수 있다. 30 K에서 측정된 비공명 광발광은 높은 공간 분해능과 강력한 탈결합 특성을 지닌 Cr⁴⁺ 신호의 검출을 명확히 보여준다.

또한 이번 거래를 통해 덴소와 미쓰비시 전기는 코히어런트의 색슨버그 공장에서 고품질 200mm 웨이퍼를 안정적으로 공급받을 수 있게 되었으며, 이는 기존 실리콘 칩으로는 달성할 수 없었던 수준 이상으로 BEV 주행 거리를 확장하는 전력 반도체 소자 생산에 필요한 150mm 및 200mm 기판에 대한 수요를 뒷받침할 것입니다.

프로세스

코히어런트는 실리콘 카바이드 칩에 대한 수요 증가에 대응하기 위해 펜실베이니아주 팔머 타운십에 위치한 시설을 확장했으며, 이곳에서는 전자 회로에 사용되는 레이저와 스위치를 생산할 뿐만 아니라, 실리콘 기반 웨이퍼보다 전기차 주행 거리를 더 효과적으로 늘려주는 실리콘 카바이드 웨이퍼도 공급하고 있다.

이 미국 기업은 SiC 전력 소자를 활용한 제품을 공급하는 일본 기업 두 곳으로부터 $1억 규모의 투자를 유치했으며, 이와 동시에 체결된 공급 계약을 통해 사업 성장을 위한 자본 투자 계획을 가속화할 예정이다.

덴소와 미쓰비시 전기는 새로 설립된 자회사인 실리콘 카바이드(Silicon Carbide)의 지분을 각각 12.5%씩 보유하게 된다. 두 회사 모두 이 자회사와 장기 공급 계약을 체결했다. 두 제조사는 전기차용 인버터 등 SiC 전력 소자를 포함한 전자 소자를 생산하며, 해당 분야 세계 최고 수준의 생산 업체로 꼽힌다.

실리콘 카바이드는 기존의 실리콘에 비해 내열성과 화학적 안정성이 더 뛰어나며, 동시에 더 친환경적인 소재입니다. 실리콘 카바이드 기판을 공급하는 기업들은 고객의 응용 분야에 필요한 장기적인 신뢰성을 요구합니다. 실리콘 카바이드는 이러한 요구 사항을 충족하는 소재입니다.

아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory)의 연구진은 원자 증착법(APVD)을 활용해 유리 기판 위에 실리콘 카바이드 층을 증착함으로써 고품질 실리콘 카바이드 웨이퍼를 생산하는 첨단 제조 공정을 개발했으며, 이를 통해 현재 업계 표준을 뛰어넘는 순도 수준의 웨이퍼를 생산하고 있다.

과학자들은 또한 단일 큐비트의 스핀 붕괴를 감지하고 장치의 코히어런스 시간을 늘리는 새로운 기술을 적용해 SiC 기반 양자 센서를 한 단계 발전시켰다. 이들의 방법은 마이크로파 펄스와 자기 공명 신호의 완전 전기적 판독을 결합하여, 스핀 붕괴 측정 시 신호 대 잡음비(SNR)를 개선했을 뿐만 아니라 라비 스핀 누테이션 및 위상 소실과 같은 특성을 측정하는 데에도 기여했다.

이 새로운 기술은 실험실에서 화학 및 생물학적 시료에 대한 고처리량·고해상도 영상 촬영을 가능하게 하여, 식물, 동물, 인간의 질병을 더욱 정밀하게 진단할 수 있게 해줄 것으로 기대됩니다. 과학자들은 이 기술이 신약 개발은 물론, 식수 및 식품의 오염 물질 검출에도 유용하게 활용될 것으로 전망하고 있습니다.

가격

비용은 오랫동안 전기차 제조의 주요 걸림돌이었으나, 새로운 투자와 고품질이면서도 경제적인 기판의 상업적 출하 계획에 힘입어 이러한 상황이 머지않아 바뀔 수도 있다.

화요일, 코히어런트(Coherent)는 일본 기업인 덴소(Denso)와 미쓰비시 전기(Mitsubishi Electric)가 펜실베이니아주 색슨버그에 위치한 자사의 실리콘 카바이드 사업에 $1 billion을 투자했다고 발표했다. 각 기업은 이제 이 $4 billion 규모의 사업체 지분 12.5%를 보유하게 되었으며, 코히어런트는 75%의 지분을 유지하며 독립 자회사로 독자적으로 운영할 예정이다. 또한, 이번 거래에는 장기 공급 계약도 포함되어 있다.

이 사업부에서는 실리콘 카바이드 반도체, 레이저, 스위치 등 다양한 제품을 생산하고 있습니다. 주요 고객으로는 통신 네트워크 제조업체, 의료기기 제조업체, 항공우주·방위 시스템 제조업체, 에너지 기업, 반도체 소자 제조업체 및 연구소 등이 있습니다. 최근 수요가 감소하기는 했으나, 회사는 2024년까지 성장이 재개될 것으로 전망하고 있습니다.

코히어런트의 매출은 산업용, 계측기 및 소비자 가전 시장 전반에 걸친 판매 부진, 팬데믹 이후 통신 시장의 침체, 그리고 중국 시장의 회복 지연으로 인해 위협을 받아왔다. 지난 1년 동안 코히어트의 주가는 22% 하락한 반면, S&P 500 전자 부품 지수는 10% 상승했다.

수많은 기업들이 실리콘 카바이드(SiC) 전력 전자 칩을 개발하고 있다. 이 칩들은 전기차의 주행 거리를 늘려주기 때문에 전기차 생산에 필수적이다. 안타깝게도, 이 복잡하고 고가의 칩을 제조하는 데는 많은 비용과 복잡한 공정이 필요하다. 이에 따라 많은 SiC 제조사들이 생산 능력을 확대하기 위해 상당한 조치를 취해왔으며, 특히 독일의 울프스피드(Wolfspeed)가 두드러졌다.

이 회사는 고품질 반절연성 SiC 기판을 사용한 GaN-on-SiC RF 전력 증폭기 및 기타 마이크로파 소자의 생산을 확대할 것이라고 발표했으며, 이는 SiC 전력 전자 장치의 양산으로 나아가는 중요한 발걸음이 될 전망이다. 제공되는 기판 크기는 직경 150mm에서 200mm 사이이며, 2025년까지는 200mm 크기가 주류를 이룰 것으로 예상됩니다. 이미 가공 라인이 구축된 상태이며, 이러한 대형 기판을 가공하기 위한 장비들은 현재 자격 인증 절차를 거치고 있습니다.