ETRI, 고성능·고효율 갈륨나이트라이드(GaN) 파워IC 개발

[IT비즈뉴스 최태우 기자] 국내 연구진이 고전압에서 고성능을 발휘하며 전력손실은 최소화하는 수직형 갈륨나이트라이드(질화갈륨, GaN) 전력반도체 핵심기술을 개발했다. 

한국전자통신연구원(ETRI)이 국내 최초로 질화갈륨(GaN) 단결정 기판을 이용한 800V급 수직형 전력반도체 기술을 개발했다고 6일 밝혔다. 전력반도체(파워IC)는 전기에너지를 시스템이 필요로 하는 형태로 변환-제어-처리 및 공급하는 반도체다.

ETRI 연구진은 이번에 개발한 수직형 전력반도체는 GaN 단결정 기판을 적용하면서 기존의 수평형에 비해 높은 항복 전압 특성을 지녔다고 설명했다. 

기존에는 이종(異種) 반도체 기판을 사용해 결함이 발생하면서 전력 손실이 불가피해 소형 충전기와 같은 저전압 영역(200V~300V급)에서 주로 활용됐다.

ETRI 연구진은 질화갈륨 단결정 기판 위에 동종의 GaN 에피층을 수직으로 쌓아 올려 최적화함으로써 결함을 극복했다. 에피층의 두께를 늘리는 공정을 통해 전압을 높이면서도 저항을 억제할 수 있었다는 설명이다.

기존의 수평형에 비해 높은 항복 전압 특성을 구현해 800V급 수직형 질화갈륨 다이오드 전력반도체를 개발하는 데 성공했다.

수직 구조 전력반도체는 단결정 기판에 전력소자 에피를 성장시킨 후 설계·공정-패키징 과정을 통해 생산된다. 국내에서는 주로 에피가 형성된 기판을 90% 이상 수입해 추가공정을 진행했다. 

전력반도체 소재로는 ▲실리콘(Si) ▲실리콘카바이드(탄화규소, SiC) ▲갈륨나이트라이드(질화갈륨, GaN) 등이 사용된다. 기존 실리콘은 스위칭 속도 및 항복 전압 등에 있어 소재상 한계가 존재했다.

GaN은 소재 특성상 열에 강하고 스위칭 속도가 빨라 별도의 에너지 저장 공간이 필요없다. 또 실리콘 대비 1/3 수준의 시스템 소형화가 가능하다.

에너지차(밴드갭) 또한 실리콘 대비 3배 이상 뛰어난 3.4Eg(eV) 수준으로 고전압에 유리해 차세대 전력반도체 소재로 주목받고 있다.

연구책임자인 ETRI 이형석 기술총괄은 “GaN 단결정 기판을 이용한 수직형 GaN 전력반도체는 소재를 활용한 고출력, 고효율, 고전압 특성을 극대화할 수 있고 소형화까지 가능한 만큼 빠르게 성장하는 전기자동차용 차세대 전력반도체에 활용이 가능할 것으로 예상된다”고 말했다.