GaN 파워반도체 글로벌 기술개발 동향 및 시사점

문 재 경_ 한국전자통신연구원 GaN전력소자연구실 책임연구원

1. 파워반도체 개요

파워반도체란 신호 및 정보를 처리, 저장하는 시스템 반도체나 메모리 반도체와 달리 전자기기에 들어오는 전력을 그 전자기기에 맞게 변환, 저장, 분배 및 제어를 수행하는 핵심 반도체부품이다. 컴퓨터, 휴대폰, 가전, 자동차, 태양광, 풍력, 스마트그리드 등에서 전력변환(AC→DC, DC→AC), 전력변압(강압, 승압), 전력안정화, 전력효율 최적화(분배, 제어) 등에 주로 사용된다. 그림 1은 발전소에서 가전제품까지의 전력 흐름속에 사용되는 파워반도체(또는 전력반도체)를 쉽게 도식화하여 나타내었다.

그림1

파워반도체는 크게 다이오드와 트랜지스터로 구분되며, 사용되는 반도체 물질에 따라 실리콘(Si) 파워반도체, 실리콘카바이드(SiC) 파워반도체, 갈륨나이트라이드(GaN) 파워반도체 등으로 분류할 수 있으며, 시스템에서 사용되는 형태에 따라 웨이퍼, 개별소자(discrete), 집적회로 및 다중소자를 함께 패키지 한 파워모듈(power module)등이 있다. 그림 2에 전체 기술에 대한 개념도를 나타내었다.
이처럼 다양한 형태의 파워반도체는 시스템에서 전력을 배분하거나 그 형태를 변환하는 과정에서 발생하는 전력손실(power loss)을 줄여주기 위하여 고효율/저손실 파워반도체 기술의 개발을 요구하고 있다. 기존의 실리콘 파워반도체는 재료의 특성으로 인하여 고효율 및 초소형 파워시스템 적용을 위한 기술적 한계점에 이르렀으며, 이를 극복하기 위하여 전자의 이동도가 빠르고 반도체 저항이 낮은 차세대 와이드밴드갭(wide bandgap) 파워반도체의 개발을 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

그림3
그림 3은 전력용량과 스위칭 주파수에 대한 다양한 파워반도체 기술의 응용 분야를 도식화한 것2)으로 주로 실리콘 파워반도체인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 저주파수 고전력용으로 사용되며, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)은 저전력 중간주파수 대역을 커버하고 있으나, GaN 파워반도체는 100kW 이하의 중간전력과 100kHz 이상의 고주파수에 적합하여 차세대 고속/고효율 초소형 전력변환 시스템 개발을 위한 핵심부품으로서 그 역할이 점점 커질 것으로 예상하고 있다.

2. GaN 파워반도체 기술

2.1. GaN 파워반도체 소재 특성

파워반도체의 전기적 성능은 반도체 재료의 물리적 특성에서 기인하며, 밴드갭이 넓은 화합물 반도체 소재인 GaN(Gallium Nitride)는 실리콘 소재 대비 우수한 물성으로 인하여 차세대 파워반도체에서 요구되는 고내압 및 고전류 구동이 가능하며, 특히 높은 전자이동도와 채널층의 높은 전자농도 특성으로 인하여 저손실 고속 스위칭이 가능한 장점을 가지고 있어 현재 사용 중인 실리콘 소재의 물성적 한계를 극복할 수 있는 차세대 고효율 파워반도체 재료로 각광을 받고 있다.

표1

표 1은 현재 사용 중인 파워반도체 재료의 종류별 특성을 비교하여 나타낸 것으로써, 실리콘, 갈륨비소, SiC와 비교할 때 GaN 반도체는 밴드갭(Eg= 3.4eV)이 넓은 특성을 가져 고온 안정성과 고전력을 가능하게 하여 전력시스템에 사용되는 인버터, 컨버터 등의 전력모듈에 필요한 냉각장치를 최소화 할 수 있다. 특히 높은 포화속도와 높은 전자이동도는 GaN 파워반도체가 낮은 온-저항 특성을 가질 수 있게 할 뿐만 아니라 파워반도체의 스위칭 주파수를 증가 시킬 수 있어 전력변환 시스템 동작 시 스위칭 손실을 최소화하고 시스템의 소형화 및 경량화를 가능하게 하여 기존 실리콘 기반 IGBT에 비해 30% 이상의 에너지 절감을 가능하게 할 수 있는 장점을 가진다.3,5)

그림4

그림 4는 일반적으로 사용되는 파워반도체 소재의 형상과 주요 특징을 비교하여 나타낸 것이다. 가장 널리 사용되는 실리콘 파워반도체 소재는 잉곳과 16인치 웨이퍼가 상용화 되어 있으며, SiC는 밥공기 형태의 벌크(bulk) 소재와 6인치 크기의 전도성 및 반절연성 웨이퍼가 공급되고 있다. 그러나 GaN의 경우 2인치 이상의 대면적 벌크 웨이퍼가 아직 대량생산이 어려워 Si, SiC, Sapphire등 여러 종류의 기판위에 성장된 에피 웨이퍼를 이용하여 파워반도체 소자를 제작하고 있는 실정이다. 따라서 실리콘과 SiC는 벌크 수직형 파워반도체 소자의 제작이 쉬우나 GaN는 벌크 웨이퍼의 성장기술이 어려워 수직형 파워반도체 소자 보다는 수평형 구조의 소자가 더 보편화되어 있다.

표2

GaN 반도체 소재는 고온 안정성, 고출력 및 높은 항복전압을 갖는 우수한 물성으로 인하여 기존의 실리콘 기반의 전력반도체를 대체할 차세대 반도체로 각광받고 있다. 그러나 격자 정합된 동종 기판의 공급과 고품질의 GaN 반도체 소재특성을 확보하는 것이 어려운 단점을 가지고 있다. 표 2는 GaN 에피를 성장할 때 사용되는 다양한 기판 재료의 물질 특성을 나타낸다.
GaN 에피소재 기술은 이종기판의 사용에 따른 격자 불일치를 해소하기 위하여 S. Nakamura에 의해 도입된 저온 완충층(buffer layer) 기술의 개발로 에피 소재의 특성 향상 및 본격적인 소자 개발이 이루어지게 되었다. GaN 반도체를 이용한 발광다이오드(LED) 개발은 휴대폰 키패드 및 디스플레이 광원으로 응용분야가 확대되면서 에피소재 기술의 급속한 발전을 이루게 되었다.
그림 5에서와 같이 Ga-face를 가지는 GaN 파워반도체의 AlGaN/GaN 이종접합의 경우 격자상수 차이에 의한 strain과 분극현상(polarization)으로 인하여 높은 전자밀도 및 이동도를 가지는 2-DEG를 형성하는데 이러한 2-DEG 특성은 GaN 반도체 소재 기반의 고주파 및 고전력용 반도체의 성능을 좌우하는 중요 성능지수가 된다.
파워반도체용 GaN 에피소재 기술에서는 고전류 구동 및 고내압성 특성을 확보하는 것과 대면적 기판 위에 crack-free 표면특성을 확보하는 것이 가장 중요하다. 지금까지 다양한 기판 재료들을 이용하여 연구개발이 이루어지고 있으나, 본 기술동향에서는 가장 많이 이용되는 사파이어(Sapphire), 실리콘 및 SiC 기판을 이용한 GaN 에피 소재 성장기술에 관하여 기술하고자 한다.

가. GaN-on-Sapphire 에피성장 기술
2000년 초반부터 개발되기 시작한 GaN-on-Sap-phire 기반의 전자소자는 통신용 및 군사용 부품 개발을 위하여 선진국을 중심으로 진행되었다. 미국의 UCSB 대학은 MOCVD, MBE 및 HVPE등 다양한 성장장비와 복합적인 에피기술과 Fe, C 등의 도핑원소를 이용하여 누설전류를 방지하는 에피기술을 개발하였다. 일본의 나고야 대학은 고온의 MOCVD 장비기술을 이용하여 높은 Al 조성비를 가지는 에피구조 및 AlN 기반의 다양한 에피구조를 개발하였으며, 이는 NTT 및 Furukawa등의 기업을 중심으로 양산화 기술이 개발되었다. 국내에서는 2000년 국책과제를 통하여 전자소자 개발이 시작되었으며, 경북대에서 AlGaN/GaN 에피기술을 기반으로 수십 GHz 동작 주파수를 가지는 증폭기 소자 성능을 확보한 단계이다. ETRI에서는 2011년 GaN-on-sapphire를 이용한 전력반도체 에피 기술을 개발하였다.

나. GaN-on-Si 에피성장 기술
실리콘 기판의 경우 대구경 및 저가격화의 장점으로 인하여 GaN을 성장하기 위한 연구개발이 활발히 진행되었으나, 격자상수 및 열팽창계수의 차이가 심하여 양질의 GaN 에피 소재를 확보하기 어려웠다.
Crack-free GaN-on-Si 기판을 개발하기 위하여 다양한 에피기술이 개발되었다. 미국의 Nitronix사는 고온의 AlGaN 다층구조를 이용하여 4인치 GaN on Si 에피 기술을 확보하였으며, 고주파용 소자 및 전력반도체용 웨이퍼를 양산중에 있다. 일본에서는 고온의 AlN 또는 AlN/GaN 초격자층을 이용하는 에피기술이 주로 개발되었으며, 대표적으로 Sanken사는 50층 이상의 AlN/GaN 초격자층을 적용하여 4인치급 LED 에피웨이퍼 및 전자소자 구조를 개발하였다. 국내에서는 대기업을 중심으로 2009년부터 LED용 MOCVD에 대규모 투자가 이루어졌다. 삼성종합기술원에서는 2010년 해외 선진사(IMEC,벨기에)와의 기술협력을 통하여 crack-free 8인치 GaN-on-Si 에피기술을 확보하였다. LG전자기술원은 2010년 AIXTRON사의 장비 도입 및 공동기술 개발을 통하여 6인치 GaN-on-Si 에피 기술을 개발하였다. 경북대에서는 2005년부터 GaN-on-Si 에피 기술 개발을 진행하였으며, 다양한 버퍼층 기술과 구조개발을 통하여 2인치와 4인치 에피성장 기술을 확보하였다.

다. GaN-on-SiC 에피성장 기술
GaN와 격자상수 차이가 작고, 열전도 특성이 우수한 SiC는 고휘도 LED 및 고출력 전자소자에 적합한 기판으로 알려져 있다. 우수한 물성에도 불구하고 높은 성장온도, 대구경화의 어려움 및 마이크로 파이프라는 결함의 존재는 SiC 기판의 상용화에 걸림돌이 되고 있다. SiC 기판의 경우 우수한 열전도 특성으로 인하여 고출력 및 고전류 구동이 필요한 전자소자 및 전력반도체 개발에 응용되고 있으나, 기판 가격은 아직도 높은 편이다. 미국은 2005년부터 UCSB대학 및 Cree사를 중심으로 국방프로젝트를 통하여 GaN-on-SiC 소자 기술을 집중적으로 개발하고 있다. 2008년부터 SiC 기판을 이용한 전력반도체 및 GaN-on-SiC의 수요증가에 따라 전 세계적으로 SiC 기술에 대한 투자가 증가하고 있다. 현재 Cree사를 선두로 SiCrystal, Brigestone, 신일본제철, 쇼와전공, 스미토모사 및 TankeBlue등에서 4인치급 4H-SiC 양산하고 있으며, 6인치 에피 웨이퍼 시제품을 공급 중이다.

표3

표 3은 벌크 GaN의 우수한 물리적 특성을 실리콘 기판과 SiC 기판 위에 성장된 에피 웨이퍼와 비교하여 나타내었다. 결함 농도가 최대 백만 배 줄어들어 항복전압이 5,000V 이상의 우수한 파워반도체의 성능을 얻을 수 있다. 특히 격자 부정합과 열평창계수 부정합이 없어 소자의 신뢰성이 우수하며, 수직형과 수평형의 파워반도체 소자의 제작이 모두 가능하다.