반도체 공부 <GaN 기술> #1

요즘 스마트폰 충전기가 GaN 충전기 (초고속 충전기)로 구성되어 많이 보편화되어있다.

그래도 나름 공과대학을 나온 입장에서 기술 공부도 하고 주식시장에서 써먹을 반도체 분야에 대한 내공을 쌓고자 조금씩 공부하려고 한다.

기술에 대한 원서가 영어로 되어있어 쉽게 읽기가 어려워 번역해서 정리하는 글이며,

필자의 영어실력이 매우 부족하기때문에 의역과 오역이 있을 수 있으니

잘못된 부분은 댓글로 남겨주시면 수정하도록 하겠습니다.

 

EPC 2012에서 저작권을 취득한 '효율적인 전력 변환을 위한 GaN 트랜지스터'에 대한 기술 리뷰

 

1976~2010년까지 Si(실리콘) Power MOSFET

30년 이상에 걸쳐 사용되어 온 전원 관리의 효율과 비용은 전원의 관점에서 혁신적인 Power MOSFET(금속산화물 실리콘 전계효과 트랜지스터)의 구조, 기술, 그리고 회로 토폴로지가 우리의 일상생활에서 전력 수요 증대로 인해 성장이 가속화 되었습니다. 그러나, 2000년대로 들어오면서, Si Power MOSFET에 대한 발전 속도가 느려졌고 점차 이론적인 한계에 가까워졌습니다.

파워 MOSFET는 바이폴라 트랜지스터의 대체로 1976년에 등장하기 시작했습니다. 다수 캐리어 디바이스는 소수 캐리어 디바이스보다 빠르고 견고하며 전류 이득이 높습니다. 그 결과 스위칭 전력 변환은 상업상 현실을 가져오게 되었다.

초기 데스크톱 컴퓨터용 AC-DC 스위칭 전원 장치에는 초창기에 Power MOSFET의 소비가 필요했고 그에 이은 가변속도 모터 드라이브, 형광등, DC-DC 컨버터 등 일상생활에 필요한 수천 개의 제품에서 쓰여진다.

 가장 초기의 파워 MOSFET 중 하나는 International Rexifier Corporation의 IRF100이다. 1978년 11월 도입되었으며, 100V의 드레인 소스 내압과 0.1Ω ON 저항의 퍼포먼스를 나타냈다. 그 당시 기준으로 다이 사이즈가 40㎟ 이상인 경우 가격이 34달러였으나, 이 제품이 즉각적으로 바이폴라 트랜지스터를 크게 대체하는 것은 아니었습니다.

여러 세대의 Power MOSFET들은 여러 제조사에 의해 개발되었습니다. 30년 이상 동안 매년 어느 정도의 기준이 설정되고 저하되었습니다. 이 글이 써지는 현재, 100V기준 IPB025N10N3G를 탑재한 Infineon(독일 반도체 회사)에 의해서 유지되고 있습니다. IRF100와 비교했을때 4Ω -㎟의 저항성능지수차이가 났으며, IPB025N10N3G는 0.1Ω-㎟ 미만의 장점 수치를 가지고 있으며 [1] 이론적으로 한계에 가까운 실리콘 기반 디바이스이다. [2].

아직 개선해야할 점이 있다. 예를들어 superjunction devices와 IGBT는 단순한 수직 다수 캐리어 MOSFET만으로도 이론적 한계를 뛰어넘는 전도성 향상을 달성했다. 이러한 혁신은 아직 상당 기간 지속될 수 있으며 확실히 계속될 것입니다. 전력 MOSFET의 저비용 구조와 충분히 양질의 교육을 받은 디자이너들을 활용할 수 있다. 많인 세월이 지나면 전력 변환 회로 및 시스템의 모든 성능을 쥐어짜내여어 끌어내는 방법을 알게 될것이다.

GaN 여정의 시작

HEMT(High Electron Mobility Transistor) 질화갈륨(GaN) 트랜지스터의 처음 시작은 2004년경 일본의 회사인 Eudyna에 의해 제조된 depletion-mode RF 트랜지스터와 함께 등장하기 시작했습니다. 실리콘 카바이드(SiC) 기판 위에 GaN을 사용해 Eudyna는 RF 시장용으로 생산 설계된 트랜지스터 도입에 성공했다[3]. HEMT 구조를 현상을 기반으로 하여 처음 설명되어진건 1975년에 T.Miura 등이다.[4] 그리고 1994년에는 M.A.Khan 등이다.[5] 이것은 AlGaN과 GaN의 헤테로 구조 인터페이스 근처의 2차원 전자 가스(2DEG)로서 설명되는 비정상적으로 높은 전자 이동성을 나타낸다. 이 현상을 탄화규소 상에서 성장한 질화갈륨에 적응시켜 Eudyna사는멀티-GHz 주파수 범위에서 기준 전력 Gain을 생성을 가능하게 했다. 2005년, Nitronex사는 SIGANTIC®기술인 실리콘 웨이퍼 위에 GaN을 성장시킨 기술을 활용하여 만든.[6]. 최초의 depletion mode RF HEMT 트랜지스터를 소개했다.

GaN RF 트랜지스터는 서로 다른 기업들의 RF 응용프로그램들이 시장에 뛰어들면서 진출이 계속 이어지고 있다. 하지만, 이 시장 이외에서의 수용은 디바이스 비용 및 depletion-mode 조작의 불편함과 같은 한계점이 있다.

2009년 6월, Efficient Power Conversion Corporation(EPC)은, 처음으로 Power MOSFET 대체할 목적으로 설계된 enhancementmode Gallium Nitride on Silicon(eGaN) 전계 효과 트랜지스터(FET)를 소개했다.이 제품들은 저렴한 비용으로 대량 생산이 가능한 기존 실리콘 제조 기술과 설비를 사용하고 있습니다.

전력 반도체의 기본 요건은 효율성, 신뢰성, 제어성, 그리고 비용 대비 효과입니다. 이러한 속성이 없다면, 새로운 장치 구조는 경제적으로 실행 가능할 가능성이 없습니다. 실리콘의 뒤를 이을 수 있는 새로운 구조나 재료가 많이 존재하고 있다; 경제적으로 성공한것도 있고, 다른 것을 한정 시키거나 틈새 시장을 노린 것도 있다. 다음 장에서는 실리콘, 탄화실리콘, 질화갈륨의 비교하여 차세대 전력 트랜지스터의 유력한 플랫폼 후보에 대해 살펴보고자한다.

참고문헌

[1] http://www.infineon.com/dgdl/IPB025N10N3+G_Rev2.1.pdf?olderId=db3a304313b8b5a60113cee8763b02d7&fileId=db 3a30431ce5fb52011d1ab1d9d51349

[2] B. J. Baliga, Power Semiconductor Devices, 1996, PWS Publishing Company, p. 373

[3] E. Mitani, H. Haematsu, S. Yokogawa, J. Nikaido, Y. Tateno, ”Mass Production of High Voltage GaAs and GaN Devices”, CS Mantech Conference, April 24-27, 2006, Vancouver B.C., Canada

[4] T. Mimura, N. Tokoyama, H. Kusakawa, K. Suyama, M. Fukuta, GaAs MOSFET for low-power high-speed logic applications, the 37th Device Research Conference, 25-27 June 1979, University of Colorado, Boulder, CO

[5] M. Asif Khan, J. N. Kuznia, and D. T. Olson, in Applied Physics Letters, Vol. 65, No. 9, p1121-1123, 29 August 1994

[6] http://www.businesswire.com/portal/site/home/permalink/?ndmViewId=news_view&newsId=20051005005600&newsLa ng=en

 

EPC 2012에서 저작권이 있는 문서이며, 

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