질화 갈륨 HEMT: 전력 전자 제품을 위한 차세대 반도체

September 23, 2024

Aimee Smith

(출처: Edelweiss / stock.adobe.com)

실리콘 기반 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)은 1960년대부터 전력 전자 애플리케이션의 표준이 되어 왔다. 하지만 다양한 기술의 발전, 특히 자동차 및 가전 분야의 발전은 점점 더 작은 폼 팩터에서 더 높은 효율과 더 높은 전력 밀도를 제공하고자 하는 개발자들에게 새로운 과제를 안겨주었다. 대규모 데이터 센터와 벽면 콘센트 AC 어댑터부터 자동차의 온보드 충전 스테이션에 이르기까지 모든 전원 공급 장치는 고전압을 필요로 하면서도 귀중한 보드 공간을 최대한 적게 차지해야 한다. 또한 자율 주행 자동차는 잠재적인 장애물을 탐색하고 감지하는 데 사용되는 점점 더 많은 이미징 장치와 센서를 작동하기 위해 보다 효율적인 에너지 분배가 필요하다. 실리콘 기반 반도체는 기본적으로 더 높은 수요 구현에서 이미 한계에 도달했지만, GaN(질화 갈륨) 기반 반도체는 이러한 유형의 설계 과제에 대한 최적의 솔루션임이 점차 입증되고 있다.

GaN HEMT 이해하기

모든 설계 시나리오에서 GaN HEMT(고전자 이동도 트랜지스터)가 Si MOSFET, SiC(실리콘 카바이드) MOSFET 또는 IGBT(절연 게이트 타입 바이폴라 트랜지스터)보다 반드시 더 나은 옵션인 것은 아니다. 하지만 중간 전압 범위에서 고주파 성능이 필요한 애플리케이션에는 특히 적합한 옵션이다. 600V GaN FET는 개인용 컴퓨터와 가전 제품부터 기지국 전원 공급 장치 및 무선 충전 장치에 이르기까지 모든 종류의 기존 전원 공급 장치에 가장 흔히 사용된다. 반면 SiC MOSFET은 최대 1200V까지 공급할 수 있기 때문에 자동차 트랙션 인버터 및 대규모 태양광 발전소와 같이 더 높은 전류를 요구하는 애플리케이션에 더 적합하다. GaN HEMT는 SiC MOSFET보다 적은 전력을 제공하지만 200kHz 이상의 높은 주파수에서 작동하여 전송 손실을 줄이면서 더 빠른 스위칭 속도를 제공한다. 또한 GaN HEMT는 기존 Si MOSFET과 비슷한 전력 밀도를 제공하지만, 더 높은 주파수에서 작동할 수 있어 무선 충전 애플리케이션에 이상적이다. SiC MOSFET과 IGBT는 더 많은 전력이 필요하지만 효율이 낮은 전기 자동차나 대형 산업 기계, 또는 서버 팜과 같이 대규모 전력을 소비하는 장치에 더 적합하다.

게다가 GaN HEMT는 기존 MOSFET보다 제조 및 운영 비용이 저렴하면서도 더 작은 폼 팩터로 제공된다. GaN 기술에 사용되는 원자재도 SiC 장치에 사용되는 원자재보다 훨씬 저렴하다. 예를 들어, GaN은 생산하는데 필요한 열이 SiC보다 적기 때문에 제조사 입장에서는 상당한 양의 에너지를 절약할 수 있다. 또한 GaN 디바이스는 대부분의 집적 회로와 마찬가지로 실리콘 기판에서 개발되므로 개발자는 기존의 생산 방법과 시설을 거의 개조하지 않고 사용하여 GaN HEMT를 생산할 수 있다. 마지막으로, GaN HEMT은 생산 후 작동에 있어서도 전력 소비나 냉각의 필요성이 적기 때문에 SiC MOSFET보다 작동에 필요한 에너지가 적어 소비자에게도 추가적인 비용 절감 효과를 제공한다.

GaN HEMT의 한 가지 단점은 최적 구동 전압이 좁기 때문에 특정 구현에서 게이트 드라이버와 함께 사용해야 한다는 것이다. 구동 전압이 너무 낮으면(2V 미만) 장치가 오작동하여 저절로 켜질 수 있으며, 게이트 내전압이 너무 낮으면 게이트 자체가 고장날 수 있다. GaN 구현을 위한 최적의 구동 전압은 4.5V에서 6V 사이이며, 이보다 낮으면 켜지지 않을 수 있고 이보다 높으면 회로가 손상될 수 있다. 외부 게이트 드라이버를 통합하면 트랜지스터 성능을 극대화하는 데 도움이 되지만 보드에서 추가 공간을 차지하므로 이는 개발자가 고려해야 하는 요소이다. 그러나 GaN 디바이스는 실리콘 기반 디바이스보다 열 발생이 적고 냉각의 필요성이 적으므로 고객의 에너지 및 유지보수 비용을 훨씬 더 낮출 수 있다.

디스크리트 GaN HEMT를 사용할 때의 많은 이점은 앞서 설명한 문제로 인해 상당한 제약을 받는 것처럼 보일 수 있지만, 이와 같은 제약을 극복하는 것도 가능하다. GaN HEMT의 한 가지 장점은 다른 집적 회로와 동일한 기판 위에 제작할 수 있어 동일한 장치에 추가 회로를 포함할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 저전압으로 인해 장치가 예기치 않게 켜지거나 게이트 전압이 너무 높아져 장치가 손상될 가능성이 있는 것을 방지하기 위해 원하는 범위 내로 구동 전압을 제어하는 회로가 있다. 동시에 통합 솔루션은 일반적으로 디스크리트 구성보다 비용이 저렴하고 보드 공간을 덜 차지하며 기생 효과를 줄이고 보드 레이아웃을 간소화한다. 또한 성능 측면에서 볼 때 통합 솔루션은 다중 디바이스 구현에 비해 GaN HEMT의 높은 작동 주파수 이점을 유지하거나 심지어 개선할 수도 있다. 또한 신뢰성도 향상되는데, 이는 많은 전력 공급 애플리케이션에서 매우 중요한 이점이다.

로옴세미컨덕터(ROHM Semiconductor) Nano Cap™ 650V GaN HEMT 파워 스테이지 IC는 GaN 기술의 높은 전력 밀도와 효율을 실리콘 드라이버와 결합하여 완전히 통합된 IC 솔루션을 형성한다. GaN IC는 기지국 충전기 및 전원 어댑터와 같은 중전압 애플리케이션에 최적일 뿐만 아니라 산업용 애플리케이션 및 고밀도 전원 공급 장치에도 구현할 수 있다. 로옴의 GaN IC는 냉각 요구 사항이 낮기 때문에 방열판 및 기타 냉각 메커니즘의 필요성을 최소화하여 물리적 기판의 공간을 더욱 줄일 수 있다. 사실, GaN의 더 작은 폼 팩터(및 더 뛰어난 효율성)가 기술이 계속 발전함에 따라 결국 실리콘 기반 IC를 추월하는 것은 놀라운 일이 아니며, 특히 게이트 드라이버와 함께 구현하면 더욱 그렇다. 초고주파 동작과 손실 최소화가 필요한 모바일 애플리케이션의 경우 로옴의 Nano Cap 650V GaN HEMT 파워 스테이지 IC는 완벽하고 효율적인 솔루션을 제공한다.

맺음말

질화 갈륨 HEMT는 전력 반도체 기술에 있어 유망한 분야로, 소비자 가전부터 전력 공급 시스템에 이르기까지 다양한 애플리케이션에 효율 향상과 비용 이점을 제공한다. 지속적인 발전과 통합 가능성으로 로옴(ROHM Semiconductor) 등에서 제공하는 GaN HEMT 제품들은 전력 전자 제품의 지형을 재편할 준비가 되어 있다.