차세대 시스템 효율성과 견고성을 위한 GaN

장-자크 들릴(JJ Delisle), 마우저 일렉트로닉스

질화 갈륨(GaN) 전력 전자 디바이스, 특히 전계 효과 트랜지스터(FET)와 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)의 채택과 인기는 지속적으로 가속화되고 있습니다. 이와 같은 인기는 실리콘(Si) 금속 산화물 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 대체할 수 있는 시스템 수준의 효율성과 견고성이 향상된 GaN 디바이스 덕분입니다. GaN은 더 높은 주파수에서 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 다른 와이드 밴드갭 반도체보다 더 나은 전력 전자 디바이스 성능지수(FOM)를 제공합니다.

MOSFET 및 IGBT에 비해 GaN 및 SiC 디바이스는 게이트 커패시턴스가 낮고 게이트 드라이브 손실이 감소하여 많은 전력 전자 애플리케이션에서 상당한 개선이 이루어집니다. 예를 들어, GaN 디바이스는 게이트 전하 FOM이 1nCΩ보다 낮은 반면, Si의 경우 4nCΩ입니다. 또한 SiC 및 GaN과 같은 광대역 반도체는 Si보다 출력 커패시턴스가 낮기 때문에 더 높은 스위칭 속도에서도 전체 스위칭 손실이 감소합니다. 이로 인해 인덕터, 변압기와 같이 스위칭 속도가 더 빨라지고, 더 가볍고, 저렴한 자성체가 탄생했습니다. 예를 들어, GaN 디바이스의 출력 전하 FOM인 5nCΩ은 Si의 약 5분의 1에 불과합니다. 낮은 주파수에서는 IGBT, MOSFET 및 SiC 디바이스가 현재 GaN FET 및 HEMT보다 더 높은 전력 수준을 처리할 수 있지만, GaN 기술이 발달함에 따라 이러한 디바이스는 훨씬 빠른 속도로 SiC가 관리할 수 있는 것과 유사한 전압 수준을 달성하게 됩니다. GaN은 현존하는 Si IGBT 및 MOSFET 솔루션이 여전히 지배적인 최고 전압 수준을 제외한 모든 전압 수준에서 빠르게 채택되는 기술이 되고 있습니다. 

GaN 기술은 높은 전력 밀도를 비롯해 고주파에서 효율적으로 작동할 수 있다는 점으로 인해 시장 점유율이 빠르게 증가하고 있습니다. GaN은 Si 및 SiC에 비해 높은 전자 이동도, 3.4eV의 와이드 밴드갭, 우수한 스위칭 FOM을 제공합니다. 이는 고전압 전력 시스템을 더 낮은 시스템 비용으로 제작하고, 열 분배를 개선하고, 시스템 밀도를 높이고, 더 작고 견고한 패키지로 전반적인 효율을 높일 수 있다는 뜻입니다. 특히 GaN은 더 나은 역회복, 더 낮은 데드타임 손실, 더 나은 스위칭 속도를 보여줍니다.

GaN 기술의 이점은 전력 전자제품을 혁신하는데 커다란 영향을 미치고 있습니다. 스마트폰, 태블릿, 휴대용 전자기기 충전기의 전력 밀도 향상은 극히 일부에 불과합니다.

GaN 전자 디바이스는 이제 더 효율적이고 안정적인 전기 자동차(EV) 충전기, 산업 자동화 컨트롤러, 모터 컨트롤러 및 기타 다양한 애플리케이션을 통해 전기화 혁명을 촉진하는 데 사용되고 있습니다. GaN 웨이퍼는 SiC 웨이퍼의 약 10배, Si 웨이퍼의 100배에 달하는 비용이 들지만, GaN-on-Si, GaN-on-Sapphire, GaN-on-SiC 또는 기타 반도체-절연체 기술을 사용하면 특정 성능 기준을 향상시키면서 GaN 디바이스의 전체 비용을 절감할 수 있습니다.^[1] 예를 들어, GaN은 SiC보다 열전도율이 낮지만, SiC에서 성장한 GaN은 SiC의 높은 열전도율의 이점을 누리면서 SiC에 비해 더 높은 전력 밀도와 스위칭 속도를 제공합니다. 반대로 GaN-on-Si는 다른 GaN 기술보다 훨씬 저렴하면서도 Si에 비해 전력 전자 디바이스에 광범위한 성능적인 이점을 제공합니다. GaN 기술에 대한 신뢰가 레거시 시장에 계속 침투하고 있으며 전체적인 시장 점유율이 높은 성장세를 보이고 있습니다. Yole Intelligence는 2023년부터 2029년까지 GaN의 연평균 성장률(CAGR)이 46%에 이를 것으로 전망하며, 가장 큰 성장 분야는 모바일, 소비자, 자동차, 모빌리티 산업이 될 것으로 예상합니다.^[2]

하지만 GaN 기술을 활용하면 더욱 복잡한 드라이버 전자 디바이스가 필요하다는 과제가 따릅니다. 최적의 성능을 달성하고 디바이스의 조기 고장을 방지하려면 GaN 디바이스 동작에 대한 몇 가지 미묘한 차이를 고려해야 합니다. GaN 디바이스의 더 빠른 스위칭 속도 성능을 달성하려면 설계자는 더 빠르고 정밀한 제어 시스템과 전자 디바이스를 사용해야 합니다.

또 다른 과제는 알루미늄 질화 갈륨(AlGaN) 및 GaN HEMT 디바이스의 전류 붕괴입니다. 이러한 디바이스의 경우 드레인에서 바이어스 전압이 높으면 캐리어 트랩으로 인해 누설 전류가 저하될 수 있습니다. 또한 표면 상태/효과에 의해 생성된 편광 전하의 변화로 인해 AlGaN 또는 GaN 전도성 채널의 2차원 전자 가스(2DEG) 농도가 감소하여 전류 붕괴를 초래합니다. 마지막으로, 에너지 밴드 구조 경계와 물질 구조에 약간의 교란만 있어도 AlGaN 또는 GaN의 2DEG 붕괴가 발생할 수 있습니다.

엔지니어는 적절한 디바이스와 회로 설계를 통해 이와 같은 문제를 극복하고 GaN 디바이스의 잠재력을 최대로 끌어올릴 수 있습니다. 이러한 요구 사항을 충족하는 GaN FET용 Analog Devices LTC7890/LTC7891 동기식 스텝다운 컨트롤러에는 전력 디바이스 설계에서 GaN FET 작업의 어려움을 완화하는 여러 기능이 포함되어 있습니다. 특히 이 같은 DC-DC 스위칭 레귤레이터는 캐치나 클램프 또는 부트스트랩 다이오드를 사용할 필요가 없으면서도 하이사이드 드라이버 전원공급장치의 과충전을 방지합니다(그림 1). 이 컨트롤러 제품에는 제로에 가까운 스마트 데드 타임과 저항을 이용한 데드 타임, 내부 최적화, 내부 스마트 부트스트랩 스위치가 포함되어 있습니다.

그림 1: GaN FET를 사용하는 동기식 스텝다운 컨트롤러는 내부 최적화와 제로에 가까운 스마트 데드 타임으로 고주파수에서 고효율 작동이 가능합니다. (출처: Analog Devices)

또 다른 예로는 보호 기능, 드라이버 로직 제어, 상단 및 하단 드라이버 스테이지가 통합된 100V 디바이스로 작동하는 Analog Devices LT8418 하프 브리지 GaN 드라이버가 있습니다. LT8418은 동기식 하프 브리지, 풀 브리지 토폴로지, 심지어 벅, 부스트, 또는 벅-부스트 토폴로지로 작동하도록 구성할 수 있습니다. 또한 링잉 억제를 위해 턴온/턴오프 슬루율을 조정하는 분할 게이트 드라이버와 최적화된 EMI 성능, GaN FET의 잘못된 턴온을 방지하기 위한 낮은 상태의 기본 드라이버가 있습니다.

와이드 밴드갭 반도체 기술은 지난 몇 년 동안 성숙도와 성능이 향상되어 왔으며, 이 같은 디바이스에 대한 수요가 연구 개발에 박차를 가하고 있습니다. 특히 GaN 기술은 Si 및 SiC 기술보다 더 높은 주파수에서 전력 밀도가 더 높기 때문에 많은 시장에 진출하기 시작했습니다. GaN 디바이스는 여전히 Si 및 SiC에 비해 비용 면에서 고가이지만, 웨이퍼 크기가 커지고 공정이 더욱 발달하면서 GaN 디바이스 성능이 향상되고 비용이 낮아짐에 따라 많은 시장에서 GaN 채택이 확대될 것으로 보입니다.