울트라 와이드 밴드 갭(UWBG) 반도체를 활용한 차세대 시스템 설계
고성능을 향한 끝없는 노력
이탈리아의 유명 슈퍼카 ‘페라리(Ferrari) SF90 스트라달레(SF90 Stradale)’의 이름에는 페라리 레이싱팀인 ‘스쿠데리아 페라리(SF, Scuderia Ferrari)의 창립 90주년’이라는 의미가 담겨있다. 페라리의 엔지니어링 팀이 자동차 업계에 남긴 엄청난 성과를 기린 것이다. SF90 스트라달레는 페라리 모델 중 최초로 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV) 아키텍처를 적용한 모델이며, 내연기관에 3개의 전기 모터를 통합하고 있다. 페라리는 고성능을 자랑하는 가솔린 자동차의 명가이지만, 이번에 새롭게 출시한 이 하이브리드 전기차의 제로백(정지 상태에서 시속100km에 도달하는 데 걸리는 시간)은 2.5초 이내로, 이른바 ‘초고성능’을 구현하기에 이르렀다.
• 초고성능의 구현
페라리 SF90처럼, 울트라 와이드 밴드 갭(Ultra-Wide Bandgap, UWBG) 반도체는 그 우수한 특성으로 인해 다양한 분야에서 새로운 기회를 열어주고 있다. UWBG 반도체는 실리콘(Si, 1.1eV 밴드 갭)이나 질화갈륨(GaN, 3.4eV 밴드 갭), 탄화규소(SiC, 3.3eV 밴드 갭)와 같은 와이드 밴드 갭 반도체보다 그 에너지 차가 훨씬 크다. 산화갈륨(Ga2O3), 입방정질화붕소(c-BN), 알루미늄 질화갈륨(AlGaN) 등의 재료는 이러한 반도체 연구에 있어서 가장 많이 등장하는 물질들이다. 이 글에서는 이와 같은 UWBG 반도체의 물질을 소개하고, 전자 설계의 어떠한 분야에 활용될 수 있는지에 대해 다룰 것이다(본문에서 다루는 UWBG는 4eV 대역의 반도체로 간주한다).
와이드 밴드 갭(WBG)
UWBG 반도체를 살펴보기 전에, 기존의 Si 와 비교하여 WBG 반도체의 특성을 검토할 필요가 있다. WBG 반도체는 Si 기반 소자들보다 더 작고, 빠르며, 효율적이다. 또한 WBG 디바이스는 더 까다로운 작동 조건에서도 더 높은 신뢰성을 제공한다. 전력 전자 부문에서 Si 대비 WBG 반도체의 장점으로는 더 높은 효율을 위한 더 낮은 손실, 보다 콤팩트한 설계를 위한 더 높은 스위칭 주파수, 더 높은 작동 온도, 열악한 환경에서의 견고성, 그리고 높은 항복 전압을 들 수 있다. 그 응용 분야는 모터 구동, 전원 공급장치와 같은 산업 기능에서 하이브리드 또는 전기차(HEV/EV), 태양광(PV) 인버터, 철도 및 풍력 터빈을 포함한 자동차 및 운송 시스템에 이르기까지 다양하다.
UWBG 반도체
• 알루미늄 질화갈륨 (AlGaN)
GaN은 WBG 반도체에 속한다. 알루미늄(Al)이 GaN과 함께 결합되면 일반적으로 3.4 ~ 6.2eV 범위의 UWBG 반도체가 생성된다. AlGaN은 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드를 생산하는 데 가장 많이 사용된다. 그 이유는 AlGaN의 밴드 갭에서 약 220 ~ 450nm 파장의 빛을 생성하기 때문이다. 또한 AlGaN은 자외선 검출기나 초전자 이동도 트랜지스터(HEMT)에도 사용된다.
• 질화알루미늄(AlN)
갈륨(Ga)은 빼고 알루미늄(Al)과 산화된 질소(질화물이라고도 함)만 결합하면 질화알루미늄(AlN)이 생성된다(그림 1). 이는 AlGaN과 마찬가지로 자외선(UV) LED와 같은 광전자 소재로 자주 사용된다. AlN은 6.1eV의 밴드 갭을 가지며, 열전도율도 높고 화학적으로도 안정적이다. 이는 주파수나 전력 수준이 높은 경우에도 작동 가능하다.
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• 입방정 질화붕소 (c-BN)
붕소와 질소가 만나면(그림 2) 질화붕소가 되는데, 입방정 질화붕소(c-BN)는 그 중에 발생할 수 있는 화합물이다. c-BN의 UWBG는 6.4eV이다. 이 화합물의 독특한 점은 밴드 갭이 5.5eV로, 다이아몬드의 성분인 순수 탄소(C)와 유사한 특성을 지녔다는 점이다. 다이아몬드는 가장 단단한 물질로 알려져 있다. c-BN은 다이아몬드만큼 단단하지는 않지만, 화학적으로나 열적으로 더 높은 안정성을 자랑한다.
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• 산화갈륨(Ga2O3)
밴드 갭이 4.9eV인 산화갈륨(Ga2O3)은 갈륨이 산화된 무기 화합물이다(표 1). 이 물질은 근래까지 광전자 소재로 주로 사용되어 왔다. 이 물질은 실온에서 도핑할 수 있기 때문에 잠재적으로 제조 이점이 있다. 때문에 오늘날 과학자들은 액상 성장(melt-growth)법으로 대구경의 저비용 웨이퍼를 생산하여 단결정을 대량으로 만들 수 있는지 연구 중이다.
[표 1] 여러 가지 UWBG 물질의 밴드 갭 특성 (출처: 저자 제공)
전력 전자 부문
WBG 반도체는 다양한 애플리케이션에서 보다 효율적이고 컴팩트한 전력 변환을 가능하게 만들었다. WBG 반도체는 저항 손실이 적다. UWBG 반도체 물질을 발견하려는 이유는 Si에서 WBG 소자로 전환할 때와 유사한 전력 밀도 수준을 일정 수준 이상 향상시키기 위함이다. UWBG 반도체는 또한 열 파괴나 신뢰성 문제에 부딪치지 않은 채 매우 높은 값의 전압을 전환할 수 있다. 예를 들어, AlGaN은 GaN보다 최대 10배 더 낮은 Ron을 제공할 수 있다. UWBG는 또한 다음과 같은 특성을 제공한다.
• 더 높은 주파수에서 더 높은 효율
• 보다 낮은 저항 손실
• 보다 적은 부품 수
• 향상된 신뢰도
성능지수(Figures of Merit, FOM)
엔지니어들은 더 높은 컨버터 전력 밀도(와트/면적3)를 만들어내기 위해 성능 지수(FOM)를 사용한다. 반도체 물질의 속성에 따라 전력 밀도 스케일링에 사용되는 두 가지 필수적인 FOM은 다음과 같다:
- vUFOM(Vertical Unipolar(Baliga) Figure of Merit): (εµnEc3)/4
- HM-FOM(Huang Material Figure of Merit): Ecµn1/2
UFOM 공식은 오프(off) 상태와 가우스의 법칙, 작동(on) 상태 간의 수학적 관계를 나타낸다. 여기서 우리가 주목해야할 부분은 EC, 즉 임계 전기장이다. GaN의 경우 EC 값은 4와 5 사이이며, AlN의 EC 값은 약 13이다.
Si의 상대적인 FOM은 1로 정해져 있다. 여기서 EC 값을 위의 FOM 방정식에 다시 대입해보았다. 그 결과 AlN을 비롯하여 이와 관련된 UWBG 반도체는 FOM에서 크게 향상된 결과값을 나타냈고, 과학자와 설계자들은 UWBG가 고밀도 전력 변환 분야에서 탁월한 성능을 발휘할 수 있을 것이라고 기대를 모으게 되었다(표 2).
[표 2] 성능지수(FOM) 값 (출처: Sandia National Labs, Ultrawide Bandgap Power Electronics, SAND2017-13122PE)
그리고 이를 실행 가능한 소자로 개발하기 위해 PiN, 쇼트키 배리어 다이오드(Schottky Barrier, SBD), 정션 배리어 쇼트키(Junction Barrier Schottky, JBS) 및 MPS(PiN/Schottky의 합성) 다이오드를 포함한 2단자 디바이스가 현재 평가 단계에 있다.
이점
UWBG 물질은 WBG 물질에 비해 중간 주파수 범위(1kHz ~ 1MHz)의 높은 전압에서 다양한 이점을 제공한다. 하지만 이러한 이점은 성능에 영향을 미치는 다른 효과들로 인해 저주파나 고주파에서는 그 이점이 상쇄된다.
UWBG는 대역이 클수록 항복 전압이 높아진다는 점에서 WBG 물질보다 이점이 있다. UWBG 반도체 디바이스는 보다 두꺼운 드리프트 영역을 사용하여 개발되기에 더 높은 항복 전압을 나타내는 것이다. 따라서 AlGaN 디바이스에서 알루미늄이 차지하는 비율이 높으면 항복 전압은 더 높아진다. 하지만 여기에는 단점이 있다. 알루미늄의 구성 비율이 더 높아질수록 전자 이동도가 높아지고 열 전도도 역시 높아진다. 임계 전기장(EC)의 값을 높이면 항복 전압(VB) 값이 잠재적으로 높아질 수 있다. 이론적으로는 항복 전압 값이 1 x 105인 AlN으로 구성 요소들을 개발하는 것이 가능하다.
UWBG는 무선 주파수(RF) 장치에도 이점을 제공한다. Al이 다량 함유된 AlGaN은 더 높은 임계 전기장(EC)으로 인해 GaN보다 더 나은 J-FOM(Johnson Figure of Merit)을 생성한다. 이렇듯 밴드갭을 활용한 임계 전기장의 강력한 스케일링은 향상된 FOM을 제공하여, 오늘날 전력 전자 장치의 경계를 넘어 발전할 수 있는 상당한 가능성을 보여준다.
계속되는 연구
UWBG에 대한 연구는 오늘날에도 계속되고 있으며, 더 많은 연구가 필요하다. 이 중 기초 물질과 관련된 연구는 보다 깊이 진행되고 있다. 연구원들은 어떻게 하면 대용량의 적층 UWBG 반도체를 효율적이고 효과적으로 성장시킬 수 있을지에 대해 연구하고 있다. 도핑 과정을 최적화하고, 물질을 특성화하면서, 잠재적 결함을 줄이는 가장 좋은 방법을 확인하기 위한 연구가 진행되고 있다. 특히, Al 함량을 높이는 p-형 도핑은 다양한 도전 과제를 제시한다.
알루미늄이 다량 함유된 합금의 경우, 정공에서 열을 활성화하는 것은 불가능하다. 물리학에서 실험이란 언제나 다양한 전자기장 조건에서 전자 전송을 효율적으로 지원하는 가장 좋은 방법을 찾는 것이다. 광학적 특성이나 항복 전압은 물리학자들에게 있어 미래의 활용 방안을 연구하게 만드는 흥미로운 도전 과제이다. 디바이스의 아키텍처, 패키지, 제작 및 프로세싱에는 모두 제품을 상용화하기 위한 작업 또한 필요할 것이다. 적절한 엣지 종단은 조기 고장을 방지하는 데 중요하기 때문에 다양한 엣지 종단 방식이 현재 평가 중에 있다. 또한 UWBG 반도체의 이점이 활용될 수 있는 애플리케이션에 대한 탐색도 계속 진행 중이다.
맺음말
UWBG 반도체는 초고성능을 자랑하는 차세대 전자제품의 시대가 도래하였음을 의미한다. 미래를 위한 전자 설계에서 잠재적 이점과 해당 애플리케이션에 대해 알아갈수록, 이와 같은 혁신 기술은 오늘날의 한계를 넘어 앞으로도 꾸준하게 발전할 수 있을 것이다. UWBG 반도체의 우수한 특성을 활용하기 위해 과학자와 설계자들이 지속적으로 공정을 개선하고 있기에, 머지않아 이 기술이 시스템 설계에 통합되는 날이 다가올 것이다.
글/폴 골라타(Paul Golata), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)