GaN 파워디바이스 국내외 연구개발 동향 및 향후 발전전망

차세대 전자·광전자 소자 및 기판용 단결정 기술

특 집

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1. GaN 파워디바이스

1.1

파워디바이스 개요

우리나라는 물론이고 전 세계적으로 에너지 부족 및 환경오염에 대한 두려움이 커지고 있는 가운데 반도체 소자 영역에서 전기를 절약하기 위하여 고효율, 친환경 의 파워디바이스에 대한 관심이 점점 증가하고 있다. 파 워디바이스는 신호 및 정보를 처리, 저장하는 시스템 반 도체나 메모리 반도체와 달리 전기에너지의 변환/제어 처리를 수행하는 반도체 소자로서 전기를 처리하는 모든 전기전자기기 (스마트 그리드, 가전, 휴대폰, 자동차 등) 에 사용되는데, 주로 전력변환 (AC→DC, DC→AC), 전 력변압 (감압, 승압), 전력안정, 전력효율 최적화 (분배, 제 어) 등에 사용된다. 전력에너지반도체는 응용분야와 내 압 특성에 따라 개별소자 (discrete), 집적회로 및 다중소 자를 패키지로 집적한 모듈 (module) 형태로 존재하며 산업분야에 따라 전력레벨이 다른 반도체 소자가 사용되 는데, GaN 파워디바이스는 그린 IT의 핵심기술 중 하나 로서 전력을 시스템에 배분하는 제어와 변환기능을 가진 소자로 에너지를 절약하고 제품의 크기를 축소하여 전력 공급 장치나 전력변환 장치에 사용되고, 다양한 응용제 품을 구성하는 핵심 반도체로 고효율/저손실 에너지절감 전력반도체 기술 및 산업의 선진화에 크게 기여할 것으 로 예상하여 미국과 일본을 중심으로 여러 나라에서 활 발히 연구 개발을 진행 중이다. Fig. 1은 전력 범위와 스 위칭 주파수에 대한 다양한 파워디바이스 기술의 적용

분야를 도식화하여 표현한 것

¹⁾

으로 주로 실리콘 (Silicon) 파워디바이스인 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor),

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등이 사용되며, 기존의 파워디바이스인 IGBT

의 경우 실리콘 소재로 인한 고효율 및 초소형 전력 반도 체 소자 제작에 기술적인 한계점에 이르렀으며, 이러한 한계점을 극복하기 위해 차세대 가전제품에 탑재 가능한 고효율·초소형 파워디바이스의 필요성이 증대되고 있 는 가운데 밴드갭이 넓은 (wide bandgap) 화합물 반도체 기반의 소자가 활발히 연구 개발 중에 있다.

1.2 GaN 파워디바이스 필요성

파워디바이스는 전자기기의 효율적 에너지 사용, 안전 성 및 신뢰성을 좌우하는 핵심부품으로 에너지 절감을 통한 친환경적인 반도체 소자이며, 특히 수출 주도형의 국내 전자기기 산업의 구조상 핵심부품인 파워디바이스

GaN 파워디바이스 국내외 연구개발 동향 및 향후 발전전망

글

_ 문재경 한국전자통신연구원 GaN 전력소자연구실

Fig. 1. 전력 범위와 스위칭 주파수에 대한 파워디바이스 기술의 적용 분야.

특 집 문재경

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의 내재화는 제품 경쟁력을 좌우하는 핵심요소이다. 현 재까지 대부분의 파워디바이스는 실리콘 반도체를 기반 으로 제작되고 있으나, 실리콘의 물성적 한계로 인하여

IT

기반의 모바일 기기에서 필요로 하는 저전력, 고효율 특성과 중전기기, 발전, 자동차 등에서 필요로 하는 고전 압, 고전류 및 경량화 등의 다양한 특성을 만족하고 있지 못한 실정이다. 이와 비교하여 밴드갭이 넓은 (wide

bandgap)

화합물 반도체 소재인 GaN (Gallium Nitride) 는 실리콘 소재 대비 우수한 물성으로 인하여 차세대 파 워디바이스에서 요구되는 고내압 및 고전류 구동이 가능 하며, 현재 사용 중인 실리콘 소재의 물성적 한계를 극복 할 수 있는 차세대 반도체 재료이다. Fig. 2는 반도체 종 류별 특성 비교 및 GaN 반도체 소재의 고전력/내환경 반 도체로의 응용 가능성을 나타낸 것으로, GaN 반도체는 실리콘이나 갈륨비소와 비교하면 밴드갭 (E

g=3.4eV)이

넓은 특성과 고온 (700℃) 안정성에 장점이 있다. GaN 파워디바이스는 실리콘 파워디바이스에 비하여 낮은 온- 저항 특성을 가지고 있으며, 이는 파워디바이스 동작에 따른 스위칭 손실 최소화 및 시스템 소비전력 최소화의 장점이 있고, GaN의 넓은 밴드갭 특성 (Si=1.1eV,

GaN=3.2eV)은 파워디바이스의 고온·고출력 동작을 가

능하게 하며, 고출력 기반의 전력 시스템에 사용되는 인 버터, 컨버터 등의 전력모듈에 필요한 냉각장치를 최소 화 할 수 있다. 이는 시스템의 소형화 및 경량화를 가능 하게 하여 기존 실리콘 기반 IGBT에 비해 30% 이상의 에너지 절감이 가능하여 HEV나 전기자동차에 적용하면 경량화, 전력변환효율 향상, 전용 냉각시스템을 제거 또 는 간소화 할 수 있어 연료소모를 10% 이상 줄일 수 있 다.

²⁾Fig. 3은 고전압/고전류/고주파수/고온 동작에 대한

GaN

반도체의 특성을 실리콘 반도체, 갈륨비소(GaAs,

Gallium Arsenide) 반도체와 비교하여 나타낸 것이다.

GaN

반도체는 실리콘에 비해 10배 이상의 높은 항복전 압 특성을 얻을 수 있어서 Fig. 4에서 보는 바와 같이 고 내압 소자 제작 시 실리콘 소재 기반의 전력반도체에 비 하여 소자 크기를 소형화 할 수 있는 장점이 있다. 또한

GaN 반도체는 높은 전자포화속도를 가지며 소자의 스위

칭 시간이 수 ㎱ 이하로 기존의 실리콘 전력반도체에 비 해 1/5 수준까지 낮아 스위칭 방식의 전력 공급 장치의 소형화 및 고효율화가 가능하다.

GaN

파워디바이스를 이용한 응용분야는 Fig. 5에서 보는 바와 같이 IT, 가전, 자동차, 산업용으로 크게 구분 되며, 전력용량에 따라 다양한 응용분야에 적용된다. 특 히 절전 기능이 강조되는 가전용 제품의 시장 요구로 인 하여 고효율 인버터 모듈의 적용 및 시장규모가 커지고 있고 글로벌 에너지 위기 이후 정부 주도의 절전 규제 강 화와 소비자의 절전 제품의 우선적 선택으로 인하여 가 전제품의 주요 구매 성능 지수가 되었다.

Fig. 2.

반도체 종류별 특성 비교 및

GaN

소재의 고전력, 내환경 반도 체로의 응용 가능성

.

Fig. 3.

고전압, 고전류

,

고주파수, 고온 동작에 대한 반도체 종류별 특성.

Fig. 4. IGBT와GaN

전력반도체의 주요 성능 비교.

GaN 파워디바이스 국내외 연구개발 동향 및 향후 발전전망

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2`. 연구개발 동향

2.1

국내 연구개발 동향

GaN 전력반도체 관련하여 국내연구개발 현황 분석을

위해 NTIS (국가과학기술지식정보서비스)를 통해 상위

6개 기관을 조사한 결과에 의하면, 홍익대학교, 서울대학

교, 경북대학교, 동국대학교, 전자부품연구원, 한국전자 통신연구원에서 GaN 파워다바이스 관련한 연구를 활발 히 진행하고 있다.

³⁾

홍익대학교에서는 고효율 에너지 변환용 GaN-on-Si 전력소자 개발을 통한 그린 IT 핵심기술 연구를 통해

GaN 기반 전력소자 모델링 및 설계툴 구축, 열해석, GaN

기반 전력소자의 고항복 전압 구현 및 발열감소를 위한 최적화 설계, 300-600V급 고효율 GaN-on-Si 전력 소자 공정기술을 연구하였고, GaN와 Si의 이종 집적화 기술 개발을 통해 대면적 GaN 다이오드 / FET 구조 연 구, 대면적 소자의 발열 연구, GaN 전력소자 모델링 연 구를 하였고, 고전력 GaN HFET의 열화 현상 모델링 및

신뢰성 향상 연구를 통해 GaN HFET의 신뢰성 열화 기 구 규명, 고전계 완화를 위한 필드 플레이트 구조 최적화,

passivation

증착조건 최적화 등을 연구하였으며, 에너지 절감형 그린반도체 소자 실용화를 위한 GaN 전력소자의 신뢰성 향상 연구를 통해 열화 분석 및 열화 모델링, 열 방출을 위한 후면 공정개발을 하였으며, 최근에는 Au-

free Si CMOS 호환공정 기반 normally-off GaN 전력소

자 기술 연구를 통해 Au-free 공정기반 normally-off

GaN FET 개발을 하고 있다.

서울대학교에서는 GaN-Si간 이종접합 기술에 기반을 둔 고효율의 전력소자 구동회로 및 전력변환 회로 연구 를 통해 Si (110) CMOS 고주파 스위칭 구동회로 개발,

GaN 전력반도체 기반의 380V, 95% 전력변환효율을 갖

는 DC-DC 컨버터 개발, GaN-Si CMOS간 이종집적형 전력소자 및 구동회로 IC를 개발하고 있다.

경북대학교에서는 AlGaN/GaN 기반의 차세대 대전력/

고효율 전력소자 및 인버터/컨버터 IC 연구를 통해 1800

cm²/Vs의 이동도를 갖는 AlGaN/GaN층 에피성장 및 항

복전압이 1500V이상인 normally-off/-on 소자를 개발하 고 전력변환효율이 95%인 GaN 인버터 및 컨버터를 개 발하고 있다.

동국대학교에서는 플라즈마 증착 유전체를 spin-on-

dielectric 박막으로 대체하는 GaN 전력소자 공정을 연

구를 통해 SOD sol-gel 케미컬을 GaN 전력소자의 주요 구조에 적용하여 고전압 특성과 normally-off 특성을 갖 는 새로운 소자 구조를 연구하고 있다.

전자부품연구원에서는 계통연계형 인버터 시스템을 위 한 고효율 GaN 전력소자 기술 연구를 통해 MBE를 이용 한 AlGaN/GaN층 에피성장, n-type 및 p-type 도핑 기술 개발, 600V/10A급 GaN SBD/FET를 개발 하고 있다.

한국전자통신연구원에서는 에피소재 원천기술, 소자 핵심기술, 제조공정 기반기술, 측정 및 평가 기술 등 GaN 전력반도체 전체 솔루션을 개발하고 있다. 가령 에너지 절감형 GaN 전력반도체 국제공동연구를 통해 4인치 이 상급 MBE와 MOCVD를 이용하여 AlGaN/GaN층 에피 성장연구, 600V/순방향 전압강하 1.2V 이하의 GaN

SBD 개발, 600V/임계전압 3V이상의 GaN FET 개발하

(a)

사용전력별

GaN

소자 응용분야

Fig. 5. GaN

파워디바이스 기술 및 응용분야

. (b)

전력공급장치 및 모터구동장치 응용분야

특 집 문재경

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고 있고, 차세대 데이터센터용 에너지 절감 GaN 반도체 기술 연구를 통해 4인치 이상급 MOCVD를 이용한

AlGaN/GaN층 에피 성장 연구, 1200V/5A급 GaN SBD, 1200V/5A급 normally-off GaN FET를 개발하고 있다.

이와 같이 국내의 경우는 출연연과 대학교를 중심으로 단위과제형식의 산발적 연구가 진행되고 있어 GaN 전력 반도체의 산업화를 위하여 정부주도적인 중장기 로드맵 설정과 함께 국내 산업체의 본격적인 참여를 통한 체계 적인 추진이 요구되는 시점이다.

2.2

해외 연구개발 동향

2.2.1.

미 미국 국

미국의 경우는 정부주도로 GaN 반도체 기술이 연구되 었으며 우주항공, 군용 등의 특수응용 분야에서 시작하 여 민간산업 분야의 전력변환 효율향상으로 연구범위가 넓어지고 있고, GaN 파워디바이스의 연구개발 이전에

GaN

반도체를 이용하여 RF에 적용하려는 기술 개발이 선행되었다.

²⁾WBGS-RF

프로그램은 2003년 5월부터

2010년 4월까지 7년 동안 수행된 장기 대형 프로젝트로, 1단계 (Phase I)에서는 GaN 에피 소재기술 개발, 2단계 (Phase II)는 핵심 소자 기술 개발, 그리고 3단계 (Phase III)에서는 subsystem인 MMIC 기술 개발을 목표로, 참여

기관은 21개였으며, TriQuint가 주관하였다. WBGS-RF 후속의 NEXT 프로그램은 2009년 9월부터 2014년 8월 까지 만 5년 동안 수행 중인 프로젝트로 고항복전압의 아날로그-혼성 신호와 차세대 디지털 GaN 회로용 고성 능 신소자 개발이 목표였으며, GaN-on-SiC 기반 전력증 폭기 MMIC 기술은 TriQuint의 경우 1.5-17 GHz에서 전력 9-15W, PAE 20-38%, ARL의 경우 35 GHz에서 전력 4W, PAE 23%를 발표하였다. GaN 파워디바이스 시장은 아직 크게 형성되어 있지 않으나, GaN-on-Si 기반 전력소자의 경우 미국 EPC가 200V용 전력 소자를 판매 하고 있으며, 2013년 3월 Transphorm사는 600V/17A

GaN-FET와 600V/8A급 SBD 시제품을 출시하였고, GaN Systems사는 GaN-on-SiC 기반 1200V/7A와 600V/15A

전력소자 시제품을 출시하였다. Transphorm사는 자체

소자를 활용하여 4 kW의 전력모듈을 출시하였으며, 패키 지는 기존 Si 전력반도체에 사용되는 플라스틱 TO-220을 사용하고 있으며 SiC 및 일부 Si 전력소자 시장의 대체 및 확대가 예상된다.

2.2.2

유 유럽 럽

유럽의 경우도 역시 정부주도로 GaN 반도체 기술이 연 구되었는데, 역시 RF 기술개발부터 시작되었다.

²⁾KOR- RIGAN 프로그램은 미국과 달리 유럽연방 7개국 29개

그룹을 중심으로 독자적으로 2005년 1월부터 2009년 12 월까지 만 5년 동안 수행된 프로젝트로, 기판, 에피소재, 소자, MMIC 및 패키지 집적화를 목표로 Thales Airborne

System이 주관하였으며, KORRIGAN 프로그램 후속의 MANGA 프로그램은 KORRIGAN 프로그램 종료 후 2010년 5월부터 2014년 12월까지 수행 중인 프로젝트

로, 영국, 프랑스, 이탈리아, 스웨덴, 독일 등 5개국 14기 관이 참여하고 있으며 SELEX SI가 주관하고 있다. 4인 치 AlGaN/GaN-on-SiC 양산기술개발을 목표로 하여

SiC 에피 성장, 0.15 ㎛ / 0.25 ㎛ / 0.5 ㎛ 게이트 AlGaN/

GaN 고출력 HEMT 소자와 마이크로 스트립 라인 및 CPW (Co-Planar Waveguide) 전송선을 이용한 고출력

증폭기, 저잡음 증폭기, 스위치 MMIC 양산과 차기 밀리 미터파용 회로의 사전연구를 포함하고 있다.

2.3.3

일 일본 본

정부주도로 NEDO National Project에 의해 GaN 반도

체 전력소자가 연구되었으며 AIST등의 국책연구소와 민

간연구소가 공동으로 소재 및 소자 기반연구를 진행하고

자동차, 전자 및 전력회사 등이 이를 기반으로 다양한 응

용연구를 진행하고 있다.

²⁾

일본 경제산업성 (METI :

Ministry of Economy, Trade and Industry) 지원 하에 2002

년 9월부터 2007년 3월까지 4년 6개월 동안 16개 기관

이 함께 수행하여 고전력 고주파 AlGaN/GaN HFET를

개발하였다. 주요 연구결과로는 2 GHz 주파수와 동작전

압 50V에서 출력 230W (전력밀도 4.7 W/mm), 전력부가

효율 67%, 이득 9.5dB를 얻었으며, 30 GHz Ka-band에

서 0.25㎛ T-gate HFET의 경우 전력밀도는 5.8 W/mm로

우수한 결과를 발표하였다. 정부 기관 AIST (National

Institute of Advanced Industrial Science and Technology),

생산 수준 기술은 NEC와 Toyoda Gosei가 담당하고, 기 초 R&D 연 구 는 Furukawa Electric, Oki Electric,

Mitsubishi Electric, Hitachi Cable, Matsushita Electric, Sumitomo Electric, ULVAC이 담당하였다. 경제산업성 (METI) 주관으로 신재료 파워반도체 프로젝트를 2010

년 1월부터 2014년 12월까지 5년 과제를 수행 중에 있 으며 예산규모는 20억 엔으로 전기자동차와 고속철도에 탑재를 목표로 웨이퍼의 대구경화 (6인치 목표)를 통한 저가격화와 고품질화와 아울러 소자 및 시스템 전체 개 발을 계획하고 있는 프로젝트이다.

2.2.4.

주 주요 요 기 기관 관별 별 개 개발 발 현 현황 황

주요 기관별 GaN 파워디바이스의 개발 현황

⁴⁾

및 개발 사 현황을 살펴보면(Table 1, 2), 2010년 IR사와 EPC사 가 최초로 GaN-on-Si 기반 전력소자 상용제품을 출시하 였으나 항복전압이 200V 수준으로 IT와 Consumer의 일 부분만을 만족시킬 수 있는 수준이었다. 반면, MicroGaN 사는 600V/5A 전력소자를 시장에 내놓으려 하고 있다.

2012년 Transphorm사는 항복전압 600V의 GaN 전력소

자를 상용화하여 2013년부터 출시하였고, Velox사는

SMPS용 GaN SBD (Schottky Barrier Diode)를 개발하여

시장에 진입하였으며, Azzuro사는 600V 전력소자용 에 피택시 기판을 상용화하였고, IMEC사에서는 8인치 실 리콘 기판을 이용한 전자소자용 에피택시 개발을 삼성과 공동연구로 수행하고 있다. 최근 전력반도체 분야에 가 장 활발한 연구가 진행 중인 일본에서는 자동차 및 전력

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Table 1.

주요 기관별

GaN

전력반도체 연구개발 동향

특 집 문재경

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산업용으로 Panasonic, Matsushita, Sanken, Toyota 및

Toshiba사에서 관련기술을 개발 중이며, normally-off 및 SBD

소자 구현을 위한 에피기술을 개발 중이다. 특히,

Toyota사는 하이브리드카에 사용될 전력반도체를 개발

중에 있고, Toshiba사에서는 고전력의 GaN 스위칭 소자 를 개발하고 있다.

2.3. GaN

파워디바이스 세부 기술별 개발 현황

2.3.1. Normally-off GaN FET 기

기술 술

GaN

파워디바이스는 p-형 도핑이 쉽지 않아 normal-

ly-off FET 구현에 어려움이 있다. 이를 위하여 Fig. 6과

같이 Gate Recess HEMT 구조가 기술적으로 가장 유력

한 후보로 거론되었으나 낮은 전류밀도와 문턱전압 (V

th)

의 한계를 가지며, 게이트 하부에 선택적으로 fluorine 플 라즈마 처리를 통하여 구현하는 F Treatment 기술은 고 온 신뢰성이 부족한 단점을 가진다. 일본 파나소닉에서 개발된 p-형 GaN 에피층을 게이트 전극구조에 활용한

p-GaN Gate normally-off FET는 게이트 전극 하부의 p- n 접합에 의한 문턱전압 (Vth)

값이 +1.0V 부근으로 고정 되어 전력반도체 제품에 적용하기 위한 문턱전압 (V

th) >

+3V 요구조건을 충족하지 못하여 또 다른 기술의 개발

을 필요로 한다. 일본 NEC에서는 Piezo neutralization

layer를 성장시켜 채널층 전자농도를 줄여 normally-off를

구현하였다. 소개된 여러 가지 기술들은 서로 장단점을 가지고 있으며, 최근에는 게이트 누설전류 감소와 항복

Table 2. GaN

전력 반도체 개발사 현황

Fig. 6. Normally-off GaN FET 구현 기술.

전압 향상을 위한 gate recess와 SiO

2, Si3N4, Al2O3

등 gate

dielectric을 이용한 MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) FET

구조에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있고, 미 국 Transphorm사에서 제품으로 출시한 구조인 GaN

normally-on FET를 normally-off Si MOSFET과 diode

를 사용하여 cascode 회로구조를 통해 normally-off FET 를 구현하는 방법도 있다.

2.3.2. GaN 파

파워 워디 디바 바이 이스 스 항 항복 복전 전압 압 향 향상 상 기 기술 술

항복전압 향상 기술은 Fig. 7에서 보는 바와 같이 메사

(mesa) 아이솔레이션 공정 시 패시베이션용 SiO2, SiNx

유전체와 AlGaN/GaN 2DEG (2-Dimensional Electron

Gas) 계면의 누설전류를 억제하기 위한 Oxide filling 기

술, 일본 Furukawa사의 Deep Mesa 기술, Panasonic사 는 실리콘 기판의 누설전류 지점에 선택적으로 P

⁺

층을 형성하여 채널 stopper를 만들어 누설전류를 줄이는

Blocking voltage boosting 기술, 미국 Cree사는 게이트와

드레인 전극사이에 분포하는 피크 전계강도를 줄여주는

Field-plate 기술, 독일에서는 AlGaN/GaN 2DEG 아래층

에 carbon을 도핑한 Back-barrier 기술, 벨기에 IMEC사 에서는 채널층 아래 부분의 Si 기판을 선택적으로 제거 시켜 항복전압을 향상시키는 Substrate local removal 기 술 등 여러 가지가 소개되고 있으나 공정 난이도, 칩 신 뢰성 등을 감안하여 현재 상용제품에는 Cree사에서 개발 한 field-plate 기술이 채택되어 있다.

선진 기관별 GaN 파워디바이스의 항복전압 향상을 위 한 보유 기술

^5-15)

을 조사한 결과 (Table 3)를 분석해보면, 미국의 UCSB에서는 surface dielectric 기술, surface p-

doping 기술, p-type GaN층 에피 기술, insulated gate 기

술, 필드플레이트 기술을 보유하고 있으며, 일본의

Toshiba에서는 surface dielectric 기술, insulated gate 기

술, 필드플레이트 기술, AlN nucleation 기술을 보유하고 있고, 대만의 NCU에서는 surface dielectric 기술, 필드플 레이트 기술을 가지고 있다. 독일의 IMEC사에서는 sur-

face dielectric 기술, 필드플레이트 기술, Si 기판 부분제

거 기술을 보유하고 있으며, 독일의 KU Leuven에서는

Si 기판 부분제거 기술, 버퍼두께 조절기술을 보유하고

있고 독일의 FBH사에서는 p-GaN gate 기술, 필드플레 이트 기술, double hetero-structure 기술, GaN back bar-

rier에 고의적 도핑 기술, AlN nucleation 기술을 가지고

있으며, 독일의 Berlin Univ.에서는 surface dielectric 기 술, insulated gate 기술, 필드플레이트 기술, double het-

ero-structure 기술, GaN back barrier에 고의적 도핑 기

술, AlN nucleation 기술을 보유하고 있다.

2.3.3. GaN Package 기

기술 술

파워디바이스의 discrete 패키징은 종래의 리드프레임 과 플라스틱 봉지재, 저온 Pb/Sn계 솔더를 결합한 TO-

220

패키지 형태가 주로 사용되고 있는데, 봉지재가 약

175℃ 정도까지 내구성을 가지므로 사용 온도가 제한되

는 한계를 가지고 있다. Transphorm사의 GaN 파워 스 위치 (TPH3006PS)는 플라스틱 TO-220 패키지를 가지며

cascode 구조로 GaN FET 칩과 Si MOSFET 칩을 하이

브리드로 구성하였고 (Fig. 8), 200℃ 이상의 고온 가혹

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GaN 파워디바이스 국내외 연구개발 동향 및 향후 발전전망

Fig. 7. GaN FET의 항복전압 향상 기술.

Table 3.

선진 기관별

GaN

파워디바이스의 항복전압 향상을 위한

보유 기술 현황

(2000

년

-2013

년

)

환경에서 동작하는 전력 소자의 discrete 패키징은 주로

TO-254/257의 금속 패키지 구조 (Fig. 9)를 채택하고 있

으며, 세라믹 절연된 큰 직경의 금 도금 리드로 고전력 취급이 용이하고 세라믹 기판 내장에 의한 칩 다이의 백 사이드 절연에 의한 기생성분 감소, 그리고 hermetic seal 구현이 가능하고 높은 신뢰성을 가지는 장점이 있다. 현 재까지 200℃ 이상 동작하는 패키지 구조를 구현한 GaN

discrete 소자의 상용제품은 아직 출시되지 않았으며 Fig. 9

에서보는바와같이APEI사의normally-off 1200V/38A/50m Ω의 전력 JFET으로 T

j(max)=225℃의 고온 동작이 가

능하도록 TO-254 금속 hermetic 패키지 형태로 구현하 였다.

GaN 파워디바이스의 경우 개별 스위치나 다이오드에

서 50-100A 전류 범위를 위한 낮은 인덕턴스, 고온가능 성, 사용의 다양성을 제공하는 200℃ 정도의 고온 개별 전력소자의 패키지가 필요하며, 현재 GaN 전력소자는 기존 Si 전력소자용 TO 패키지나 SOT 패키지를 사용하 고있으나, 고주파, 고전류밀도성능및고온특성(>150℃) 을 요구하는 밴드갭이 넓은 반도체 소자에는 사용에 제 약성이 있어 미국 APEI사에서는 크기는 TO-254와 유사 하며 1200V, 50-100A, 250℃ 수준의 고압과 고온에서 사용가능한 개별 패키지를 연구개발 중에 있다 (Fig. 10).

2.3.4. GaN 전

전력 력모 모듈 듈 기 기술 술

GaN 파워디바이스는 지난 10년간 RF 분야에서 주로

사용되어 왔으나, 향후 IT와 가전, 자동차 및 전력 계통 분야의 고출력 소자로 사용될 것으로 예측되므로 고출력 모듈 기술 확보가 필요하다. 출력 전압도 수 W에서 수백

W까지 높아질 것으로 예상되어 GaN 소자에서 발생되

는 열을 효율적으로 제거해야 소자의 성능 및 모듈의 신 뢰성을 보장 할 수 있다. 이를 위하여 APEI사는 종래의

DBC (Direct Bond Copper) Al2O3 (열전도도=35 W/m·

K,

열팽창계수=8.4 ppm/K) 대신 열전도도가 우수한 AlN 기반 power substrate (열전도도=150W/m·K, 열팽창계수

=4.5 ppm/K) 채택한전력모듈을개발중에있다(Fig. 11,12).

특 집 문재경

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Fig. 8. GaN power switch (Transphorm사)의 패키지 형태.

Fig. 9.

고온

SiC power JFET(APEI사)의 패키지 형태.

Fig. 10. (가) APEI사가 개발한 고온 단일 스위치용X-6

파워

dis- crete

패키지 및

(나) building block approach를 통한

병렬연결, 하프 브릿지 및 직렬연결 방법 개념도.

Fig. 11. APEI사가 개발한 고온,

고주파(>1MHz), 지능형

X-5 SiC

전력모듈.

Fig. 12. GaN FET와GaN SBD를 적용한 대용량 인버터 모듈.

2.4.

국내외 특허 동향

국내외 특허를 조사한 결과로 볼 때, Table 5에서 보여 주는 것과 같이 에피 분야에서 가장 많은 특허가 출원된 것을 확인할 수 있으며 패키지, 게이트 등 전극구조 구현 법 등에 대한 기술 특허가 많았다.

¹⁶⁾

전 세계 주요 출원 현 황을 살펴보면, 각국의 주요 활발한 연구주체로는 일본 기업인 Toyoda Gosei, Hitachi Cable사는 122건(1위),

59건(2위)을 각각 출원하고 있으며, Matsushita Electric사

는 55건(3위), Sony사가 48건(4위)의 출원으로 대다수 일본 기업들이 특허출원을 하였다. 기술혁신 리더 기업

Top 10을제외하고기술적관련도가높은기업에는Nichia Chem, Oki Electric 및 Nitronex사가 있었다 (Table 5).

각 기업별 특허기술 특징을 분석해보면,

¹⁶⁾Toyoda Gosei사는 Al0.15Ga0.85N, Al0.07Ga0.93N, Al0.2Ga0.8N 등의 비

율로 ELOG와 HVPE 방법으로 고품질 반도체 결정 성 장기술을 보유하고 있으며 소자 특성 개선이 목적인 것 으로 파악되었고, Hitachi Cable사는 (Al

xGa1-x)1-yInyN의

유동적인 비율로 에피택셜 웨이퍼 제조, HT Buffer 기술,

5/3족 비율 관련 기술을 보유하고 있다. Nippon Telegraph

& Telephone사는 AlxGa1-xN/GaN의 헤테로 구조를 갖는

반도체 소자 제조법에 대한 특허를 주로 보유하고 있으 며, Sony사는 AlGaN+패턴방향, ELOG+패턴방향,

Al0.15Ga0.85N

등을 이용한 우수한 특성의 반도체 장치에 대한 특허를 가지고 있고, Cree사는 AlGaN/GaN 구조의 개선된 HEMT 제조 방법 및 필드 플레이트에 대한 특허 를 가지고 있으며, Matsushita Electric사는 InAl

yGa1-yN, Al0.1Ga0.9N, Al0.26Ga0.74N 등의 비율과 ELOG와 Device structure를 이용하여 고품질 반도체 결정 성장을 하고

그것으로 반도체 소자의 전기적 특성 향상에 대한 특허 를 보유하고 있다. Nichia Chem사는 Ga

xAl1-xN의 비율

을 이용하여 결정성이 향상된 반도체 소자 제조, Oki

Electric사는 AlxGa1-xN, AlxInyGa1-x-yN를 이용하여 향상

된 특성의 반도체 소자 제조, Nitronex사는 질화갈륨 재 료의 제조 및 디바이스 형성 방법, Eudyna Device사는 반 도체 구조층의 성분과 조성비를 달리하여 전기적 특성이 향상된 반도체 장치에 대한 특허를 보유하고 있다. GaN 전자소자 분야의 기업별 핵심 특허 기술을 정리하면

Table 6과 같이 정리할 수 있다.

주요 요소기술에 대한 특허를 살펴보면, Sharp사의 일 본특허 (20090164339, Field Effect Transistor)는 GaN 계 에피텍셜 기판의 전자 주행층상에 게이트 전극을 사 이에 두어 소정의 간격을 멀리해서 배치된 소오스 전극 및 드레인 전극을 갖추어 게이트 전극의 상부에 드레인 전극측에 덮는 형상으로 필드 플레이트를 형성하는 기술 에 대한 것이다. Cree사의 일본특허 (20080124440, GaN

Based HEMT with Buried Field Plate)는 매설 필드 플

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GaN 파워디바이스 국내외 연구개발 동향 및 향후 발전전망

Table 4. Key word

검색 분류 별 특허 현황

Table 5. GaN

전자소자 분야의 주요 출원인

Table 6. GaN 전자소자 분야의 기업별 핵심 특허기술

레이트를 가지는 GaN HEMT로 게이트의 전기 확대된 게이트 헤드의 일부 밑에 적어도 한 개 이상의 필드 플레 이트를 형성하는 기술이다. Fairchild사의 국내특허

(100857683,

질화물 반도체 소자 및 그 제조방법)는 콘 택홀을 통해 질화물 반도체층과 쇼트키 접합을 이루는 제1전극, 제1전극의 가장자리로부터 연장되어 passivation 층 위에 형성된 제1필드 플레이트를 포함하는 기술이며,

Fairchild사의 국내특허 (100770132, 질화물계 반도체

소자)는 에피 웨이퍼 위에 서로 이격 배치된 소오스 전극 및 드레인 전극, 소오스 전극과 드레인 전극 사이의 에피 웨이퍼 위에 배치된 게이트 전극, 노출된 게이트 전극과 접속하도록 passivation층 위에 배치되는 도전성의 필드 플레이트 기술이다. Northrop Grumman Space사의 일본 특허 (20090105405, High Electron Mobility Transistor

Semiconductor Device Having Electric Field Relaxing Plate and Method of Manufacturing the Same)는 제1

불활성 전계완화 플레이트는 T 게이트의 일부 위에 배치 되고 제2 활성 필드 플레이트는 배리어층 상에 있어 T 게이트의 근방에 위치하는 것을 특징으로 하며, Cree사 의 미국특허 (US 2005/0253168, Wide bandgap transis-

tors with multiple field plates)는 다수의 필드 플레이트가

존재하며 필드 플레이트들은 절연체로 분리되어 있고 소 오스 전극에 연결되어 있으며, 게이트는 소오스와 드레 인 사이에 형성되어 있다. 필드 플레이트들은 게이트 가 장자리에서 확장되어 드레인 전극 쪽으로 배치되어 있고, 가장 위에 존재하는 필드 플레이트는 소오스에 연결되어 있으며 다른 필드 플레이트들은 게이트 또는 소오스 전 극에 연결되어 있고, 음전계를 감소하는 효과는 유사하 나 선행 특허에 비해 공정이 간단해지며 수율과 신뢰성 을 향상시킨 기술이다. Cree사의 국내특허 (KR20060

071415, 필드플레이트를 갖는 광폭 대역갭 트랜지스터

장치)와 Sharp사의 일본특허 (JP2009-164339, Field Effect

Transistor)는 게이트 상부에 필드 플레이트를 형성하는

것으로 청구항의 구성요소가 매우 비슷하며, KAIST의 국내특허 (10-0782430, 고전력을 위한 내부전계전극을 갖는 갈륨나이트라이드 기반의 고전자 이동도 트랜지스 터 구조)는 GaN 기반의 고전자 이동도 트랜지스터에 관

한 것으로서, HEMT의 게이트와 드레인 사이에 내부전 계전극을 삽입시킴으로써, 게이트와 드레인 영역에서 전 계가 분산되어 피크치가 감소되고, 고주파 성능을 유지 하면서 게이트 누설전류를 감소시켜 높은 항복전압을 얻 을 수 있으며, shielding effect로 게이트와 드레인 사이의 커패시턴스를 감소시키고, 내부전계전극의 입력전압을 변화시킴에 따른 선형성, 고전력 및 고주파 특성의 향상 으로 저소비 전력, 저비용화를 실현가능하고, 마이크로파 전력 응용에 적합한 갈륨나이트라이드 기반의 고전자 이 동도 트랜지스터를 제공하기 위한 것으로 플드 플레이트 를 형성하여 필드 플레이트에 임의의 전압을 인가시키는 구조이고, 보유 특허는 제작공정 단계를 줄이면서 항복 전압을 향상할 수 있는 구조이며 소오스 전극에 연결하 여 임의의 전압을 인가하지 않는 특징이 있다.

3. 국내외 시장 현황 및 전망

3.1.

파워디바이스 시장 현황 및 전망

Si 및 화합물 반도체를 포함한 파워디바이스의 시장

현황 및 전망을 Yole사에서 발표한 자료

¹⁷⁾

에 따라 분석 하면(Fig. 13), 전력전자 시스템 시장은 2012년 1220억 불에서 2020년에는 1440억 불로 증가하여 CAGR

(Compound Annual Growth Rate)이 약 1.9%로 성장하

며, 전력 인버터 시장은 2012년 410억 불에서 2020년에 는 700억 불로 증가하여 CAGR이 약 7.2% 성장하고, 파 워디바이스 시장은 2012년 125억 불에서 2020년에는

219억 불로 증가하여 CAGR이 약 7.9%로 크게 성장하

며, 파워디바이스용 웨이퍼 시장은 2012년 9.12억 불에 서 2020년에는 13억 불으로 증가하여 CAGR이 약 5.6%

로 성장할 것으로 전망했다. 전력전자 관련된 세부 시장 분류를 전력 IC, 전력모듈, 파워디바이스 (discrete)로 나 누면, 전력 IC에는 주로 전압조절기 (voltage regulator) 와 드라이버 등을 포함한 전력관리 IC (power manage-

ment IC) 등이 해당되며, 전력모듈에는 파워디바이스를

이용한 모듈과 IPM (Intelligent Power Module) 등이 해 당되고, 파워디바이스에는 Si MOSFET, IGBT, SiC

MOSFET, GaN FET, SBD 등이 해당되는데, Fig. 13과

특 집 문재경

CERAMIST

같은 전력전자의 시장 현황 및 전망을 살펴보면 파워 IC, 파워모듈, 파워디바이스 (discrete) 중에서 파워디바이스 시장이 약 70% 정도를 차지하여 가장 크게 형성되어 있다.

3.2. GaN 파워디바이스 시장 현황 및 전망

GaN

파워디바이스 시장은 아직 형성되어 있지 않으 나, GaN-on-Si 기반 전력소자의 경우 미국 EPC사가

200V용 전력 소자를 판매하고 있으며, 2013년 3월 Transphorm사는 600V/17A GaN FET와 600V/8A급 GaN SBD 시제품을 출시하였고, GaN Systems사는 GaN-on- SiC 기반 1200V/7A와 600V/15A 전력소자 시제품을 출

시하였다. Yole사 자료 (Fig. 14)에 의하면, 응용 전압 범 위로 분류한 파워디바이스 시장으로 분석할 때 응용 전 압 범위 900V 이하가 전체 시장의 67%를 차지하므로

GaN

파워디바이스의 초기 시장 진입은 900V이하에 초 점을 맞추는 것이 타당하다고 판단된다.

^1,17)

GaN

파워디바이스 시장 현황 예측은 Fig. 15와 같으 며, Yole사 및 Lux Research사 등은 WBG (Wide Band

Gap)의 시장이 더욱 확대되어 2020년 전체 파워소자 시

장에서 22%이상을 점유할 것으로 예측했다. Fig. 16은

GaN 파워디바이스를 생산하는 지역별 회사의 수익 변화 (2010년-2020년)¹⁷⁾

를 보여주는 것으로, 2012년까지는

GaN

파워디바이스 관련 회사가 미국이었던 것이 2013

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GaN 파워디바이스 국내외 연구개발 동향 및 향후 발전전망

Fig. 13.

전력 반도체 시장

(Source : Yole Development 2013).

Fig. 14.

응용 전압범위로 분류한 전력반도체 시장.

Fig. 16. GaN

파워디바이스 회사

(지역별) 수익 변화(2010년-2020

년) (Source : Yole Development, 2013).

Fig. 15. GaN 파워디바이스 시장 규모 예측(Source : Yole Devel- opment 2012).

년도부터 일본을 시작으로 2015년부터 아시아 회사들이

GaN

파워디바이스 제품 생산에 뛰어들 것으로 전망되 며, 2019년부터는 대만, 한국이 뒤를 이을 것으로 예측되 고 있는 가운데, 2020년에는 일본을 제외한 아시아 지역 회사가 세계시장의 약 12%를 점유할 것이며 세계시장의

50%

이상을 아시아 지역 회사가 GaN 파워디바이스 시 장을 점유할 것으로 전망된다.

4. GaN 파워디바이스 개발 후 파급효과 및 발전전망

4.1.

기술적 측면

실리콘 기판 위에 GaN 에피를 성장하여 공정 제작하는

GaN-on-Si

파워디바이스의 경우 실리콘 표준 CMOS 기 반 반도체 유휴 공정설비 (8인치 이하) 활용이 가능하므 로 자원 재활용에 기여할 수 있으며, Si-소자 대비 WBG

(GaN, SiC) 소자의 전력변환효율 측면에서 비교해보면 (Fig. 17), DC-DC 전력변환의 경우는 3% 포인트, AC- DC

전력변환의 경우는 1.5-2% 포인트, DC-AC 전력변 환의 경우는 2-3% 포인트 정도 우수한 특성으로 나타나 며, 이와 같은 WBG 소자와 같은 고효율 전력반도체를 통한 전기에너지 변환효율 절감을 통한 전력설비 투자비 용을 감소할 수 있다.

아울러 국제적 환경문제인 온실가스 저감을 통한 환경 개선이 가능하며, 향후 급격한 시장성장이 예측되는 가전 제품 및 주거시스템용 PV 인버터, 자동차 (HEV/EV

/PHEV)

모터 드라이브 및 멀티 에어컨 시스템 시장에도

사용될 수 있어서 관련 응용산업을 동반성장을 유도할 수 있을 뿐만 아니라 GaN 파워디바이스는 모듈화 및 집적화 를 통해 더 높은 부가가치를 창출할 수 있기 때문에 이와 관련한 소재산업의 동반 성장도 유도할 수 있다.

4.2.

경제적·산업적 측면

현재 전력반도체의 대부분은 미국, 유럽, 일본 등 해외 로부터의 수입에 대다수 의존하고 있기 때문에 전력반도 체의 수입 대체 및 시스템 반도체의 무역적자 해소가 절 실히 필요하며, 비메모리 반도체의 대일 및 대미 무역적 자의 원인을 제공하고 있다. 따라서 세계 최고수준의 공 정기술을 바탕으로 미래시장 선점을 위한 차세대 디바이 스로 친환경 절전형 GaN 파워디바이스를 개발함으로써 국내 비메모리 반도체 산업의 국가경쟁력을 제고할 수 있다.

2009년 기준 국내 1차 에너지원별 소비실적은 243.3

백만 TOE (Ton of Oil Equivalent)이고, 석유 에너지의 의존도는 42.1%를 차지하고 있으며 우리나라 총수입 중 에너지수입 비중은 28.2%에 해당된다 (에너지통계연보

2010,

에너지경제연구원). 2010년도 국내 총 전력 생산 량은 474,660 GWh이며, 이 중 무연탄, 유연탄, 중유 및

LNG

등의 화석연료를 사용하는 평균 전력 생산량은

307,528 GWh로 전체 전력생산량의 65%를 차지한다 (전력통계속보, 제5차 전력수급기본계획). 미국 에너지부

자료에 의하면 2010년에 약 30%의 전기에너지가 전력 변환시스템을 거쳐 갔으며 2030년에는 약 80%의 전기 에너지가 전력변환시스템을 거쳐 갈 것으로 예상하고 있 는데, 우리나라 전력생산량의 30%가 전력변환시스템을 거쳐 가고 전력변환시스템의 효율이 90%라고 가정하면 우리나라 총 전력 손실량은 14,230 GWh이며, 향후 이 사업을 통해 개발된 GaN 전력소자로 전력변환시스템을 구성하여 손실을 50% 줄인다면 전력변환시스템의 효율 은 95%로 향상되며 총 전력 손실량 기준으로 약 7,115

특 집 문재경

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Fig. 17. Si

소자 대비

WBG (GaN, SiC) 소자 전력변환 효율 개선 (Source : SiC 2013 Report, Yole Development, May 2013).

GWh을 절감할 수 있다. 이 수치는 고리 원자력발전소의

연발전량이 35,522 GWh인 점을 감안하면 고리 원자력 발전소 2.4개월의 발전량과 같은 전력량이며, 석유환산 톤으로 계산할 경우 약 1.64백만 TOE에 해당되며 91.3 만 TC (Ton of Carbon)의 탄소를 저감할 수 있다.

4.3.

사회적 측면

최근 에너지 위기와 환경규제 강화, 친환경, 녹색성장 등의 이슈가 대두되어 에너지 절감과 환경보호 분야에

IT

기술을 접목하는 Green IT 패러다임이 부각되고 있 으며, 전력반도체는 온-오프를 반복하는 스위칭 작동으 로 전력을 조절하고 전달하는 역할에서 에너지 효율제고 및 시스템 안정성과 신뢰성을 좌우하는 역할로 친환경 에너지 절감이라는 전 지구적 이슈를 일부 해결할 수 있 으며, 정부의 일자리창출을 위한 신산업 발굴과 관련하 여 차세대 전력반도체 산업을 창출하여 고용증대 효과를 불러올 수 있고, GaN 파워디바이스를 이용하여 전력변 환효율을 향상시켜 산업경쟁력을 향상시킬 수 있다.

4.4.

발전 전망

현재 GaN 전력반도체 (FET/SBD) 소자 기술은 Si,

Sapphire, SiC 기판상에 에피성장된 웨이퍼를 사용하고

있다. 이와 같이 양질의 벌크 GaN 웨이퍼가 없어 수평형

(lateral)

구조의 트랜지스터와 다이오드를 연구개발하고 있는 실정이다. 따라서 소자의 누설전류 감소 및 전류량 증가에 제약이 따른다. 이를 해결하기 위해서는 향후 양 질의 대면적 벌크 GaN 결정성장 및 에피성장 기술의 개 발과 함께 수직형 (vertical) 소자의 연구개발이 반드시 필요할 것으로 생각된다. 현재 벌크 GaN은 2인치 수준 이며, 미국 Avogy사는 2013년 10월에 WiPDA 2013 워 크샵

¹⁸⁾

에서 1700V/5A급 GaN-on-GaN SBD 소자결과를 발표하였으며, 3700V급 고내압 소자도 소개하여 그 가 능성을 보였다.

5. 맺음말

전 세계적으로 차세대 에너지 절감형 반도체인 넓은

밴드갭 반도체, 특히 GaN 전력반도체는 현재 기술인 실 리콘 전력반도체의 대체 기술로 활발한 연구개발이 진행 중이다. 2013년 현재 미국 Transphorm등 한 두 기업만 이 상용품을 출시하고 있는 초기 단계의 기술이다. 따라 서 기술선점과 새로운 시장 창출 및 선점을 위하여 정부 주도적인 지원을 바탕으로 GaN 전력반도체 기술의 국산 화기 시급한 실정이다. 현재 국내 대학, 연구소, 기업 등에 서 산발적이고 비체계적으로 수행 중인 GaN 전력반도체 기술 개발 형태에서 벗어나 정부가 주도적으로 예비타당 성 등을 통하여 산업체와 함께 체계적으로 고효율·전력 에너지반도체 기술개발 및 산업화를 견인해 나가야 할 것으로 생각된다.

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특 집 문재경

CERAMIST

문 재 경

1990년 아주대학교 재료공학과 학사 1992년 한국과학기술원 신소재공학과 석사 1992년-현재 한국전자통신연구원 책임연구원/

선임연구원/연구원 2006년한국과학기술원신소재공학과 박사 2006-2009년 대전대학교 신소재공학과 겸임교수 2009-2010년 Bell Labs 컨설턴트(GaN 전력

소자연구) 2011-2013년 RF융합부품연구팀장 2013년-현재 GaN전력소자연구실장 2013년-현재 UST 겸임교수