GaN 전력소자란?
GaN 전력소자는 질화갈륨 결정 위에 형성된 차세대 반도체 전력소자로, 기존 실리콘 위에 형성된 전력소자보다 더 큰 전력을 더 적은 손실로 처리할 수 있어 최근 주목받고 있습니다.
기존 실리콘 위에 반도체 공정으로 만든 전력 소자보다 더 큰 전력을 더 적은 손실로 처리할 수 있어 최근 주목받고 있으며, GaN 전력소자는 그 구조상 실리콘계 전력 소자에 비해 신뢰성과 안전성이 실용화되기까지 많은 어려움이 있었습니다. 하지만 최근 화합물 반도체 관련 기술 혁신으로 이러한 문제가 해결되고 있습니다.
GaN 파워 디바이스의 고효율화를 통해 배열기구의 단순화 등도 가능해 제품의 대폭적인 소형화 및 저소비전력화에 기여할 수 있습니다.
GaN 파워 디바이스의 사용 용도
GaN 파워 디바이스는 스마트폰이나 PC의 급속 충전을 가능하게 하는 충전기나 휴대폰 기지국용 앰프에 널리 사용되고 있습니다. 실리콘계 파워 디바이스보다 더 큰 전력을 처리할 수 있기 때문에 이를 대체하는 용도로 PC 충전기나 기지국용 증폭기 등에 사용되는 경우가 많습니다.
또한, 태양광 발전 시스템 등의 파워 컨디셔너에서는 매우 높은 변환 효율이 요구되기 때문에 고효율의 GaN 파워 디바이스가 채용되기 시작했습니다. 또한, 고속 스위칭 동작이 가능하기 때문에 전원 안정성이 요구되는 서버 기기 등의 스위칭 전원으로도 사용되고 있습니다.
GaN 파워 디바이스의 원리
GaN 파워 소자의 원리는 밴드갭이라는 반도체 물성치가 Si에 비해 GaN은 약 3배 이상 높은 전계를 견디는 소자이기 때문에 소자의 단위 면적당 동작 가능한 전력(전력) 밀도를 매우 크게 확보할 수 있다는 점에 있습니다.
일반적으로 GaN 파워 소자는 HEMT 구조라고 불리는 고전자 이동도 트랜지스터 회로로 구성됩니다. 이 HEMT 구조는 항상 전류가 흐르는 노마리 ON 상태이며, 게이트에 음전압을 가하면 OFF가 됩니다. 따라서 어떤 결함으로 게이트 전극에 음전압을 인가할 수 없게 되면 OFF가 되지 않아 매우 불안정한 상태가 됩니다.
GaN 파워 디바이스는 이러한 신뢰성 문제가 있어, 안정적인 노멀리 OFF를 실현하는 것이 사용성 측면에서 과제였습니다. 그래서 게이트 전극에 노멀리 OFF가 가능한 Si-MOSFET을 내장하여 노멀리 OFF를 실현하고 있습니다.
또 다른 과제로는 전류 붕괴라는 물리 현상을 들 수 있습니다. GaN 파워 디바이스는 Si나 SiC 웨이퍼 위에 GaN 필름을 형성시켜야 하는데, 결정 박막 성막 기술의 혁신으로 현재는 고품질 성막이 가능해졌습니다. 가능하게 되었습니다.
GaN 전력 소자의 기타 정보
1. GaN과 SiC의 차이점
GaN과 SiC는 밴드갭이 커서 절연 파괴 강도가 커서 소자 내압을 높이기 쉽습니다. 따라서 고전류, 고전압 애플리케이션에 적합합니다. 특히 SiC는 디바이스의 내전압 측면에서 EV 자동차, 발전 시스템 등 모터 구동 용도 등 고전류용 애플리케이션에 많이 사용되며, 향후 IGBT를 대체할 수 있는 디바이스로서 큰 기대를 받고 있습니다.
한편, GaN 파워 디바이스는 SiC만큼의 내압은 확보하기 어렵지만, 특히 고주파 특성을 나타내는 Cut off 주파수(fT)가 높고, 전자의 이동도가 커서 빠른 스위칭 속도와 고주파 동작이 요구되는 애플리케이션에 널리 사용되고 있습니다.
즉, GaN과 SiC의 구분은 고속 스위칭 충전이나 고주파수 용도의 5G 기지국용은 GaN 소자를, 고내압, 고전류 용도는 SiC 소자를 사용하는 것으로 구분할 수 있습니다.
2. GaN을 이용한 전력 반도체 트렌드
GaN 전력 반도체는 크게 두 가지로 나뉘는데, 현재 비교적 높은 650V 이상의 전기차 온보드 충전용과 하이브리드 전기차의 48V에서 12V로의 DC-DC 컨버터에서 전압 변환을 위한 애플리케이션이 그것입니다. 두 가지 모두 GaN 전력 반도체로서 SiC 디바이스와 함께 향후 WBG(Wide Band Gap) 디바이스 시장을 주도할 것으로 예상됩니다.
이러한 신규 애플리케이션 용도를 위한 실용화 과제는 신뢰성, 제조 수율, 비용이지만, 전 세계 반도체 관련 기업들의 노력으로 실용화 가능성은 크게 진전되고 있습니다.
3. GaN 소자의 응용 분야
GaN 디바이스의 또 다른 응용 분야로는 광원용 응용을 들 수 있는데, GaN은 화합물 반도체 중에서도 직접 전이형 반도체이기 때문에 발광 효율이 높은 LED 광원이나 레이저 다이오드용 재료로서 큰 기대를 받고 있습니다.
전자 소자로도 고출력이며, 밀리미터파 및 Sub-THz용 고주파수용 증폭 트랜지스터로 응용이 기대됩니다.