차세대 전력반도체

 

차세대 전력반도체 'GaN' 미래 전망

전력반도체란 정보나 신호를 처리하고 저장하는 시스템 반도체나 메모리와 달리

전자기기에 들어오는 전력을 변환, 저장, 분배 및 제어하는 핵심부품이다.

주로, 컴퓨터, 가전, 자동차, 태양광, 스마트그리드 등의 인버터나 컨버터 등에 사용된다.

특히 GaN 전력반도체는 차세대 고속/저손실 고효율 전력반도체 소자로서 주목을 받고 있다.

기존 Si 전력반도체 대비 고성능 GaN 제품의 저가격화뿐만 아니라

선진기업과의 경쟁력 확보를 위하여 6인치 기반 Au-free CMOS 호환 공정 개발이 필요하다.

이를 통한 GaN 전력반도체 기술의 국산화와 신시장 선점을 위한 조기 상용화의 중요성을 알아본다.

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차세대 화합물반도체 소재 GaN의 미래 발전방향 중요성

차세대 화합물반도체 소재인 GaN는 실리콘 물리적 한계극복과 높은 전자이동도 및 높은 채널 2DEG 농도 특성으로 인해 시스템의 고속 스위칭과 전력절감을 극대화할 수 있어 고속, 저손실 및 고효율화에 최적인 전력반도체이다.

21세기 기후변동방지협약으로 지켜야 할 탄소배출 가스 절감과 에너지 절감은 국가 산업보전의 차원에서 필수적인 부분이다. GaN 전력반도체 소자는 실리콘 전력모듈의 큰 부피와 효율 낭비 요소를 혁신적으로 해결할 수 있는 새로운 기술의 차세대 소자이다. 특히 GaN 전력반도체 분야는 메모리 시장과 달리 IT, 자동차, 가전, 신재생에너지 등 다양한 응용분야에서 활용도가 높은 블루오션이지만, 현재 글로벌 기술개발과 상용화가 초기 단계로 선진업체 캐치업과 추월이 가능한 분야이다.

GaN 전력반도체는 200V급 이하 저전력 소자는 통신기기, DC-DC 컨버터, 무선전력전송 및 무선충전, D-급 오디오 적용을 위해 개발되고 있지만 650V급은 태양광인버터(PV inverter), Energy Storage System(ESS), 연료전지 인버터 등 신재생에너지 시스템의 효율극대화에 특화되어 신시장 영역을 확대해 나갈 것으로 예측된다.

이처럼 현재 상용화가 진행되고 있는 GaN 전력반도체는 Si 이종기판상 헤테로 에피(hetero-epitaxy) 채널 구조를 이용한 수평형(lateral) 소자이다. 650V 이하에 시스템 적용에 주력하고 있으며, 그 이상의 내압특성을 위해서는 고품질의 벌크 GaN 기판을 이용한 호모 에피(homo-epitaxy) 웨이퍼와 수직형(vertical)구조의 소자개발과 상용화를 기다리고 있다.

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GaN 전력반도체용 기술과 글로벌 연구 개발 동향

GaN 반도체 소재는 기존의 Si 및 GaAs와 비교하여 재료적인 장점(고온동작, 높은 전자밀도 및 항복전압)으로 고출력 RF증폭기 및 고전력용 반도체 소자응용에 유리하다. GaN 반도체 에피소재 기술은 격자 정합된 동종기판의 부재로 인하여 이종기판을 사용하는 기술적인 제약점을 S. Nakamura가 도입한 저온 완충층(buffer layer) 기술로 극복하고, 고품위 에피특성을 얻을 수 있었다. 전력반도체 개발을 위한 GaN 에피소재 기술에서는 대면적 기판을 위한 에피웨이퍼 성장 기술, 누설전류 방지를 위한 반절연성(semi-insulating) 기판기술, 그리고 고전류 구동 및 고내압 소자 특성을 위한 에피구조 설계 기술이 핵심사항이다.

GaN-on-SiC 에피소재 기술은 2005년부터 미국의 UCSB대학 및 Cree사를 중심으로 국방프로젝트를 통하여 집중적으로 개발되었다. 국내에서는 2000년 중반 이후 경북대에서 GaN-on-SiC 에피소재 기술개발이 진행 중이며, World Premium Material(WPM) 등 다양한 국책과제를 통해 6인치급 SiC 기판개발 연구가 진행 중이다.

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GaN 전력반도체 소자기술에는 수평형과 수직형이 있다. 수직형 구조는 Si 혹은 SiC 전력반도체와 유사한 구조적 특징을 가지고 있다. 수직형 GaN 전력소자는 벌크 GaN 기판상에 에피 성장을 통해 제작을 하므로 결정 결함이 낮아서 높은 항복 전압에 유리하며, 소자의 크기가 수평형 소자에 비해 상대적으로 작은 장점이 있다. 수평형 소자는 이미 상용화가 진행되어 650V급의 소자 구입이 가능하며, 수직형 소자에 비해 낮은 온-저항과 낮은 기판 가격 및 상대적으로 간단한 공정이 장점이다. 하지만, 수평형 구조는 이종기판상에 성장된 에피 웨이퍼의 사용으로 전류 용량과 항복 전압을 높이기 위해서는 칩 사이즈를 늘려야 하므로 ~kV급의 고전력용 소자보다는 600~650V급의 중전력형 고속 스위칭 컨버터 등에 더 적합하다.

한편, 전력 모듈에 적합한 증가형 GaN 전력반도체 소자를 구현하기 위한 여러 가지 기술이 개발 중이다. 증가형 GaN 소자를 구현하기 위해서는 일반적으로 게이트 하부를 인위적으로 조절하여 문턱전압을 음에서 양의 전압으로 바꾸는 방법이 이용된다.

현재까지 글로벌 GaN 전력반도체 소자 개발 현황을 살펴보면, 세계 최초로 GaN-on-Si 기반 20~200V급 소자를 상용화한 미국 EPC사는 300V 이하급 기술의 선두 기관이다. 미국 Transphrom사는 2011년 GaN-on-SiC 기반의 Cascode 회로구조를 개발하였으며, 현재 GaN-on-SiC 기반의 650V/50A급 전력소자를 적용하여 태양광 등 신재생에너지 응용을 타겟으로 일본의 Fujitsu와 양산하고 있다. 캐나다의 GaN System사의 경우는 Island Technology를 통해 소자 신뢰성을 향상했으며, 650V/60A급 소자를 TSMC사 6인치 CMOS 호환 공정라인을 통해 대량 생산하고 있다. 이렇듯, 글로벌 선두 기업체들은 양산기술 축적과 신뢰성 향상을 통해 연구 개발에서 상용화 단계로 넘어가고 있는 추세이다.

GaN 전력반도체 연구개발의 글로벌 진출 준비

전력변환모듈 측면에서 GaN 전력반도체는 고속 스위칭 구동 및 낮은 온-저항 값으로 고전력밀도 및 고효율의 시스템 구현이 가능하다는 큰 장점이 있다. 아직은 GaN 전력반도체를 활용한 제품이 상용화되어 시장을 형성하고 있지는 않지만, 데이터센터, 차세대 자동차, 이동통신 기지국/중계기, 반도체 장비 및 가전기기 분야 등 고효율 및 소형화 제품 개발을 위해 전 세계적으로 활발한 연구개발을 진행하고 있다.

ETRI에서는 자체 개발한 GaN 전력반도체 소자를 검증하기 위한 컨버터 및 인버터를 제작하여 소자 성능을 평가해 왔다. 제작된 컨버터에 상용소자와 ETRI에서 개발한 소자를 적용하여 측정한 효율 그래프를 확인한 결과 평가 보드는 전력반도체 및 수동 부품들에 의한 손실 이외에도 시험 평가에 용이성을 위해 사용한 소켓과 다수의 테스트 포인트 및 rework을 고려한 보드 제작에 따라 추가로 발생하는 손실을 포함하고 있다. 측정 결과 250W 출력에서 상용소자 대비 약 2%의 효율 차이는 두 소자의 온-저항 성능에 기인한다. 기존 실리콘 대체와 고효율 제품 개발 및 현재 전력 소자의 성능 향상을 위하여 ETRI에서 지속적인 연구개발을 수행하고 있다.

글로벌 선진 기업들은 기존 Si MOSFET 대비 고성능 제품의 저가격화를 위하여 6인치급 GaN-on-Si 플랫폼 기반 Au-free CMOS 호환 공정을 통하여 양산을 진행하고 있다.

따라서 국내에서도 무선전력전송, 전기자동차, 신재생에너지 등 글로벌 신시장 점유와 기술적 종속을 탈피하기 위하여 정부의 지속적인 지원과 함께 산학연이 체계적으로 6인치 CMOS 호환 공정 플랫폼 구축과 GaN 전력반도체 연구개발을 통한 조기 상용화가 시급한 실정이다.

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(출처:https://www.etri.re.kr/webzine/20170210/sub04.html)