전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2023.11 (p46-60)

질화갈륨(GaN) 디바이스의 맹추격
싸고, 빠르고, 고효율로 실리콘의 영역을 침식

제1부 총론
가격 경쟁력을 갖춘 GaN HEMT, 약점도 극복해 Si MOSFET에 도전

질화갈륨(GaN) 파워 디바이스 시장에 변혁기가 찾아왔다. GaN 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)가, 저전압 파워반도체에서 계속 챔피언의 자리에 있는 실리콘(Si) 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)의 왕좌를 위협하는 유력한 도전자가 되었다.

GaN은 소재로서의 높은 성능으로 인해 차세대 파워반도체의 유망주로 오랫동안 주목을 받아왔다. 그러나 높은 소자 가격이나 Si MOSFET에서 GaN HEMT로 갈아탈 때는 주변 회로의 설계 변경이 필요하다. 게다가 파괴 내성이 낮아 다루기 어렵다는 이유로 많이 채택되지 못했다. 그런데 최근 몇 년 사이 이런 벽이 잇따라 무너지고 있다.

GaN HEMT가 시장에 확산된 첫 번째 계기는 스마트폰과 PC USB 충전기다. 기존에는 USB에서는 저전력 급전만 가능했지만 14년에 USB PD(Power Delivery) 규격이 제정됨으로써 고전력화가 실현되었다. 구체적으로는 7.5W에서 100W까지 확대되었다.

이 결과, 대전력을 공급하면서도 충전기 크기를 소형화할 수 있는 GaN HEMT의 채택이 증가했다. GaN HEMT를 채택한 충전기는 Si MOSFET의 충전기보다 가격이 고가임에도 불구하고 소형화라는 메리트가 크기 때문에 수요가 높아지면서 시장이 형성되었다.

이 USB 충전기의 성공으로 GaN HEMT의 장래성을 확신한 대형 반도체 업체가 잇달아 GaN HEMT를 양산하기 시작했다.

이 결과, GaN의 파워반도체 칩 가격은 계속 떨어졌다. 산업기술종합연구소 선진파워일렉트로닉스연구센터의 나카지마(中島) 주임연구원의 조사에 따르면 "GaN 칩 제조의 에코시스템이 발달하면서 가격이 낮아져 Si와의 차이가 좁혀지고 있다"라고 말한다. 실제로 2023년 시점에서 Si MOSFET과 비슷한 가격이 되고 있다.

게다가 GaN HEMT의 새로운 응용 분야로서 전기자동차(EV)가 등장했다. 구체적으로는 차량탑재 충전기(OBC)나 DC-DC 컨버터에 대한 채택이 주목받고 있다. 특히, OBC는 “배터리를 충전할 때에는 기본적으로 EV의 메인 전원은 꺼진 상태다. 냉각용 물을 돌리는 일 등은 하지 않고 공냉으로 하고 싶다.

또한 OBC가 위치하는 뒷바퀴 부근은 공간이 없기 때문에 소형화 요구가 크다. 이러한 이유로 Si MOSFET와 비교해 발열이 적고 방열 부품을 소형으로 할 수 있는 GaN HEMT의 채택이 늘고 있다”(나고야대학 미래재료/시스템연구소의 야마모토(山本) 교수).

-- 집적화로 불편함도 개선 --
그리고 GaN의 다루기 어렵다는 점도 점점 해소되고 있다. GaN의 여명기는 개별 기능, 즉 Discrete 반도체 소자 밖에 없었다. GaN은 게이트 용량이 Si와 비교해 매우 작다.

그래서 Si MOSFET을 GaN의 Discrete 반도체로 대체하고 싶어도 Si MOSFET의 게이트 구동용 드라이버 회로를 유용할 수 없다. 즉, 주변 회로의 설계 변경이 필요하기 때문에 사용하기 불편했다.

그러나 시장의 성장과 함께 GaN 기술도 발전해 나가면서 이 과제는 해소되기 시작했다. 구체적으로는 주변 회로와 GaN의 Discrete 반도체를 집적화함으로써 설계 변경 없이 Si에서 GaN으로 치환이 가능하게 되었다. 집적화에는 주로 캐스코드(Cascode)형과 GaN IC형이 있다.

캐스코드형은 GaN HEMT와 Si MOSFET를 패키지 상에서 조합한 것이다. 특징으로는 Si MOSFET용 게이트 드라이버 회로를 그대로 유용할 수 있다는 점이다. 또한, Si MOSFET의 게이트 드라이버 회로를 사용할 수 있기 때문에 문턱 전압이 높고 게이트 전압의 최대 정격이 크기 때문에 인가할 수 있는 전압 범위가 넓다.

GaN IC형은 전용 드라이버 구동용 회로와 GaN HEMT를 하나의 패키지로 집적한 것이다. GaN의 게이트 용량에 최적화한 구동 회로를 탑재한 것이 특징이다. 그 밖의 특징으로는 단일 디바이스이기 때문에 비용을 낮출 수 있고, 게이트 저항에 의해 스위칭 속도를 제어할 수 있으며, 집적화도 가능하다는 것이다.

두 구조 모두 주변 회로의 설계 변경 없이 GaN HEMT를 채택할 수 있기 때문에 Si MOSFET에서 쉽게 대체할 수 있다. 이러한 집적화의 흐름도 GaN HEMT의 보급을 뒷받침하고 있다.

집적화는 파괴 내성에 대한 개선도 포함하고 있다. GaN HEMT는 그 구조상 내부에 바디 다이오드를 갖지 않는다. 바디 다이오드는 이상 동작에 의해 트랜지스터에 과전압이 인가되었을 때 비파괴 전자사태 항복(Avalanche Breakdown)을 일으켜 소자를 파괴로부터 보호한다.

GaN HEMT는 이 파괴 내성이 없기 때문에 약간의 과전압 발생으로도 소자가 부서진다. 파괴 내성을 높이기 위해서는 외장형 보호 다이오드가 필요하다. 캐스코드형에서는 Si의 MOSFET가 갖는 보호 다이오드에 의해, GaN IC형에서는 패키지 내에 과전류 보호 회로를 설치함으로써 각각 파괴 내성을 개선하고 있다.

이미 Si MOSFET와 비슷한 가격을 형성하게 된 GaN HEMT. 과제인 다루기 어려운 점도 집적화를 통해 개선했다. 향후 각 사에 의한 양산이 가속화되면서 가격이 한층 낮아지면, GaN HEMT만의 적은 발열, 고속 동작 주파수에 의한 수동 부품의 소형화 등의 메리트에 이목이 집중돼 서버용 전원이나 차량탑재용 DC-DC 컨버터, 그리고 그것을 초월한 넓은 전자 기기에서 점점 더 채택될 것이다.

제2부 기업 전략
누구나 만들 수 있는 GaN HEMT, 이어지는 Si 반도체 제조 설비의 전용

질화갈륨(GaN) 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 파워반도체를 양산하는 업체가 속속 나타나고 있다. GaN HEMT의 시장이 확대되면서 앞으로도 진입 업체가 계속 늘어날 가능성이 높다. 그 이유는 GaN HEMT 디바이스 제조가 용이하기 때문이다.

제3부 업계 동향
상위는 해외 기업, 기판은 강하지만 존재감 약한 일본

실리콘 카바이드(SiC)와 함께 차세대 파워반도체 재료로서 기대되는 것이 질화갈륨(GaN)이다. GaN은 전력 손실이 적고 고주파 특성이 뛰어나다. 급속한 시장 성장이 기대되며, 기업 인수 움직임 등이 진행되고 있다.

 -- 끝 --

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질화갈륨(GaN) 디바이스의 맹추격 -- 싸고,빠르고,고효율로 실리콘의 영역 침식
제1부: 총론
-- 가격 경쟁력을 갖춘 GaN HEMT, 약점도 극복해 Si MOSFET에 도전
제2부: 기업 전략
-- 누구나 만들 수 있는 GaN HEMT, 이어지는 Si 반도체 제조 설비의 전용
제3부 : 업계 동향
-- 상위는 해외 기업, 기판은 강하지만 존재감 약한 일본

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