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초록
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최근 전세계적으로 환경오염 및 에너지 고갈에 대한 대책 마련의 일환으로 에너지 재생 및 절약 소자인 고효율 친환경 전력반도체로서 GaN 전력소자에 대한 관심이 고조되어가고 있다. 이를 위해서, GaN 단결정 기판의 사용이 절실히 요구되는 바, Yole사 보고서(2013)와 국내 외 GaN 관련 산학연의 최신 발표(2017)를 바탕으로 최근 GaN 단결정 산업동향을 리뷰하였다. GaN 단결정 기판에 대한 연구개발은 저결함, 대구경을 목표로 지속적으로 진행되고 있으나, 아직 시장형성이 활성화되고 있지 못하다.

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The demand on use of GaN single crystal substrates for high efficient and environment - friended high power electronic semiconductor has be increased. The industrial business trend on GaN substrate along with its research activities has been reviewed through the recent scientific and technical in fo...

주제어

AI 본문요약
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성능/효과

  • Fig. 8에서 세부기술 동향을 연도 구간별로 보면 초기에 설비제작기술이 약 55 %로 가장 많은 비율을 차지하다가 현재 8%로 가장 적은 비율을 가지고 있으며, 반대로 단결정 성장기술은 초기에 9%로 가장 적은 비율을 가지다가 현재 64 %로 가장 많은 비율을 차지하고 있다. 이를 통해 국내에서 GaN 기판 제작설비기술은 개선단계에 있고 단결정 성장기술 부분으로 관심이 집중되며 최근에는 기판을 분리할 수 있는 기술에 대한 관심이 나타나기 시작하는 것을 확인할 수 있다.
  • 1은 Si, SiC, GaN의 전력반도체 특성을 비교한 것으로 GaN의 경우 Si에 비해 전반적으로 월등한 특성을 보이며, 이는 Si 반도체 기반 전력반도체의 물성적한계를 극복하여 대체될 수 있음을 의미한다. 또한, 고온 동작, 고전압에서 유사한 특성을 가지는 SiC와 비교하였을 땐 방열 특성 부분에서는 SiC의 특성이 우수하지만고주파, 고전력 특성 면에서는 GaN이 더 우수한 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 GaN은 3.
  • 7에 나타낸 바와 같이 국외와 마찬가지로 2000년에 들어서 특허출원 건수가 활발히 증가하였으나 2010년을 기준으로 감소하는 경향이 나타났다. 이를 세부적으로 검토하면 단결정 성장기술이 39.3 %로 가장 많은 특허건수를 차지하고 있으며, 저결함 및 평탄화 기술이 34.2 %, 설비제작기술이 25.9 %, 마지막으로 기판 분리 기술이 0.7 %로 가장 적은 출원건수를 차지하고 있다.
  • 8에서 세부기술 동향을 연도 구간별로 보면 초기에 설비제작기술이 약 55 %로 가장 많은 비율을 차지하다가 현재 8%로 가장 적은 비율을 가지고 있으며, 반대로 단결정 성장기술은 초기에 9%로 가장 적은 비율을 가지다가 현재 64 %로 가장 많은 비율을 차지하고 있다. 이를 통해 국내에서 GaN 기판 제작설비기술은 개선단계에 있고 단결정 성장기술 부분으로 관심이 집중되며 최근에는 기판을 분리할 수 있는 기술에 대한 관심이 나타나기 시작하는 것을 확인할 수 있다. 이중 GaN 기판과 관련된 특허건수는 약 42건으로 그 중 Lumistal이 12건, 삼성이 7건, 그리고 한국산업기술대학교와 한양대학교가 공동연구를 통한 14건으로 4개의 기관이 GaN 기판과 관련된 특허건을 약 70 % 정도 차지하고 있다[18].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Si 반도체 기반의 전력반도체의 대안으로 개발되고 있는 것은? 최근 40여년 동안 Si 반도체 기반의 전력반도체를 주로 사용하고 있지만[5], 상대적으로 느린 전자이동속도, 10 nm 이하로 가공하기 힘든 점, 2 GHz 이상의 고주파를 가하면 반도체 성질을 잃어 휴대전화 같은 이동통신 기기에 사용할 수 없는 점 등 물성적인 한계에 부딪히게 되었다. 따라서, Si 반도체 기반의 전력반도체를 대체할 것으로 기대하고 개발되고 있는 것이 SiC, GaN 등과 같은 우수한 물성을 갖고 있는 wide band gap 반도체이며, 이미 미국, 유럽, 일본의 경우 이러한 화합물 반도체 기반 소자 연구가 활발히 진행 중이다[2].
Si 반도체 기반의 전력반도체가 갖는 단점은? 최근 40여년 동안 Si 반도체 기반의 전력반도체를 주로 사용하고 있지만[5], 상대적으로 느린 전자이동속도, 10 nm 이하로 가공하기 힘든 점, 2 GHz 이상의 고주파를 가하면 반도체 성질을 잃어 휴대전화 같은 이동통신 기기에 사용할 수 없는 점 등 물성적인 한계에 부딪히게 되었다. 따라서, Si 반도체 기반의 전력반도체를 대체할 것으로 기대하고 개발되고 있는 것이 SiC, GaN 등과 같은 우수한 물성을 갖고 있는 wide band gap 반도체이며, 이미 미국, 유럽, 일본의 경우 이러한 화합물 반도체 기반 소자 연구가 활발히 진행 중이다[2].
GaN 기판은 어느 분야에 응용되고 있는가? GaN 기판의 응용분야는 크게 세 가지로 고출력 LED,laser diode(LD), 그리고 power device가 있다. 고출력 LED로서 건축조명, 신호등, 자동차 백라이트, 휴대폰 등에 사용되고, LD로서 블루레이, 프로젝션, 산업 및 의료용으로, 그리고 power device로서 power supply, 자동차,냉장고, 디지털기기 등 전력변환이 필요한 모든 부품 및 소자에 응용이 될 수 있다[7, 10].
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참고문헌 (31)

  1. J.K. Mun, "GaN power device domestic and international R & D trends and future prospects", Ceramist 16 (2013) 53. 

  2. H.M. Woo, J.Y. Ahn, M.J. Lee and J.D. La, "Application of next generation power semiconductor SiC and GaN", The Proceedings of KIEE 63 (2014) 24. 

  3. M. Cho, "Technology trend of next generation power device SiC/GaN" (KISTI, Daejeon, 2012) p. 1. 

  4. H.S. Chun and I.S. Yang, "Market and technology development trends of power IC", Electronics and Telecommunications Trends 28 (2013) 206. 

  5. M. Cho and Y.D. Koo, "Commercialization and research trends of next generation power devices SiC/GaN", J. of Energy Engineering 22(1) (2013) 58. 

  6. Tech Web, "What is silicon carbide?", http://micro.rohm.com/en/techweb/knowledge/sic/s-sic/02-s-sic/3669/ (accessed June 4, 2017). 

  7. J.B. Kim, "The issues and the technology trends of LED", Electronics and Telecommunications Trends 24 (2009) 61. 

  8. B.J. Yoon, "GaN, Challenge to supremacy of the next generation power semiconductor", Electronic Science, Special Feature (2012) 60. 

  9. J.H. Park, H.A. Lee, J.H. Lee, C.W. Park, J.H. Lee, H.S. Kang, H.M. Kim, S.H. Kang, S.Y. Bang, S.K. Lee and K.B. Shim, "Crystal characteristics of bulk GaN single crystal grown by HVPE method with the increase of thickness", J. Ceram. Proc. Res. 18 (2017) 93. 

  10. Yole developpement, "Bulk & Free-Standing GaN", 2013 ed. (Yole developpement, Villeurbanne, 2013) p. 29. 

  11. K.I. Kim, "GaN wafer", KISTI MARKET REPORT 5 (2015) 7. 

  12. S.J. Kang, J.S. Moon, C.W. Kwak, J.I. Kim, H.D. Cho, J.W. Park, J.S. Jung, M.S. Jeon, S.M. Kim, B.Y. Jung, N.K. Kim, W. Bang, H.W. Kim, W.S. Seo, H.S. Shin, M.H. Lee, S.M. Lee, J.H. Jang, W.S. Cho, H.J. Kim, H.J. Kwon, Y.J. Park, B.G. Kwon and S.U. Shim, "A white paper on ceramic Technology in 2016" (KICET, Jinju, 2016) p. 130. 

  13. Yole developpement, "Bulk & Free-Standing GaN", 2013 ed. (Yole developpement, Villeurbanne, 2013) p. 15. 

  14. Pam-xiamen, "GaN (gallium nitride) Templates", http://www.powerwaywafer.com/GaN-Templates.html (accessed June 12, 2017). 

  15. Nanowin, "GaN Templates 2 & 4 inch", http://shop.nanowin.com.cn/product_center.php (accessed June 12, 2017). 

  16. Kyma technologies, "Gallium Nitride (GaN) Templates", http://www.kymatech.com/products/substrates-templates/36-templates/497-gan-templates (accessed June 12, 2017). 

  17. Kyma technologies, "C-Plane Bulk GaN substrates, 2" (Ga-face) GaN Specification Sheet", http://www.kymatech.com/products/substrates-templates/35-bulk-materials/490-bulk-gan-c-plane-substrates (accessed June 12, 2017). 

  18. Kipris, "Search", http://kportal.kipris.or.kr/kportal/search/total_search.do (accessed May 8, 2017). 

  19. Kyma technologies, "Kyma Technologies and Quora Technology Announce Partnership on Advanced GaN Substrate Materials", 2016, http://www.kymatech.com/news/269-kyma-technologies-and-quora-technology-announcepartnership-on-advanced-gan-substrate-materials (accessed June 12, 2017). 

  20. SPIE, "Scalable semipolar gallium nitride templates for high-speed LEDs", 2016, http://spie.org/newsroom/6482-scalable-semipolar-gallium-nitride-templates-for-high-speedleds?SSO1 (accessed June 3, 2017). 

  21. LEDinside, "Collaboration between Seren Photonics and Bluglass Leads to Successful Semipolar GaN Template Process Transfer", 2017, https://www.ledinside.com/press/2017/6/collaboration_between_seren_photonics_and_bluglass_leads_to_successful_semipolar_gan_template_process_transfer (accessed August 7, 2017). 

  22. Cree, "Cree Licenses GaN Substrate Technology to Mitsubishi Chemical Corporation", 2009, http://www.cree.com/news-media/news/article/cree-licenses-gan-substratetechnology-to-mitsubishi-chemical-corporation (accessed August 17, 2017). 

  23. Fuji Electric, "Fuji Electric and Furukawa Electric to Set Up a Technology Research Association for Next Generation Power Device", 2009, https://www.fujielectric.com/company/news/2009/09062201.html (accessed June 16, 2017). 

  24. CISION PR Newswire, "Soitec and Sumitomo Electric Sign Smart $Cut^{TM}$ Licensing Agreement", 2013, https://www.prnewswire.com/news-releases/soitec-and-sumitomoelectric-sign-smart-cut-licensing-agreement-192313131.html (accessed Jun 21, 2017). 

  25. Infineon, "Infineon and Panasonic Will Establish Dual Sourcing for Normally-Off 600V GaN Power Devices", 2015, https://www.infineon.com/cms/en/about-infineon/press/market-news/2015/INFPMM201503-041.html (accessed June 16, 2017). 

  26. NGK INSULATORS, LTD., "NGK Developed GaN Wafer for Ultra High Brightness LEDs", 2012, http://www.ngk.co.jp/english/news/2012/0425.html (accessed June 17, 2017). 

  27. Y. Mikawa, T. Ishinabe, S. Kawabata, T. Mochizuki, A. Kojima, Y. Kagamitani and H. Fujisawa, "Gallium Nitride Materials and Devices X", J.I. Chyi, Vol. 9363 (SPIE, Washington, 2015) p. 936302-1. 

  28. The Korea Economic Daily, "Pan-Crystal, Non-polar Gallium Nitride Substrate Production", 2012, http://news.hankyung.com/article/2012112981616?nvo (accessed August 29, 2017). 

  29. Newspim, "Wisepower, Development of high efficiency gallium nitride wafer", 2009, http://www.newspim.com/news/view/20090731000389 (accessed August 31, 2017). 

  30. Semiconductor-today, "Growing high-quality free-standing GaN-on-silicon substrates", 2013, http://www.semiconductor-today.com/news_items/2013/DEC/SAMSUNG_091213.shtml (accessed December 18, 2018). 

  31. Lumistal, "2inch GaN Wafer", http://www.lumistal.com/ (accessed June 26, 2017). 

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