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5세대에 이르기까지의 개발 여정

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EPC는 약 2년 반의 집중적인 개발 끝에 2010년 3월에 1세대 제품들을 출시했다(EPC1001, EPC1005, EPC1007, EPC1009, EPC1010, EPC1011, EPC2012, EPC2014, EPC1015)(그림 1). Power Electronics Technology 매거진의 San Davis 수석 편집자가 커버 스토리를 통해서 40V부터 200V까지 이르는 이들 제품을 소개했다. 이들 제품은, 2000년대로 들어서면서 실리콘 기반 기술의 개발이 정체되고 있던 전원 변환 업계로부터 큰 환영을 받았다. 

[그림 1] EPC1001은 2010년 3월에 처음으로 출시되었다. 최대 온 저항은 7mΩ이고 전압 정격은 100V였다.

초기의 디바이스들을 200V 이하의 전압대로 겨냥한 것은 의도한 것이었다. 이전에 MOSFET을 사용하면서 쌓인 경험에 비춰보아서, 이 시장 부문이 스위칭 속도가 훨씬 더 빠른 디바이스들을 사용해서 더 높은 수익을 거두기에 유리할 것으로 판단했기 때문이다. 그림 2는 EPC1001 디바이스와 2010년 당시에 최신 실리콘 MOSFET의 스위칭 성능을 비교한 것이다.

[그림 2] 2010년 3월에 독일 뉘른베르크에서 개최된 CIPS(통합 전력 전자 시스템에 관한 국제 회의)에서 이뤄진 프레젠테이션의 5페이지로서, EPC의 1세대 EPC1001과 당시에 가장 우수한 MOSFET을 비교해서 보여준다.

200V 이하 시장은 크기를 줄이는 것을 높이 샀고, 그러므로 EPC 제품의 중요한 특징으로서 eGaN 트랜지스터의 칩 스케일 패키징을 누구보다 앞서서 받아들일 것이라고 생각했다. 기존 패키징은 더 많은 보드 공간을 차지할 뿐만 아니라 패키징 비용이 최신 전력 MOSFET 제조에 있어서 총 비용의 최소한 절반을 차지했다. 그러므로 EPC의 GaN 트랜지스터는 패키징이 필요 없다는 점에서 유리한 고지에서 생을 시작했다.

초기의 eGaN 제품은 동일한 전압 및 온 저항 정격으로 가격을 의도적으로 MOSFET의 약 2~3배로 책정했다. 이러한 전략을 꾀한 목적은, 잠재 고객들에게 GaN 기반 기술이 비싼 기술이라기보다는 성능이 높은 대체 기술이라는 인식을 심어주기 위해서였다. 그리고 5년 안에 이 기술이 동일한 전압 및 온 저항 정격으로 동급의 MOSFET보다 덜 비싼 정도로 성숙할 것이라고 홍보했다(그림 3). EPC는 또 “eGaN”이라는 상표를 달고 제품들을 출시했다.

초기 eGaN 제품들을 출시하면서 EPC는 전원 변환 커뮤니티를 향해서 앞으로 과연 GaN이 늙어가는 실리콘 MOSFET을 밀어낼 것인지 보려면 네 가지 점을 주시해야 한다고 알리기 시작했다(그림 4).

[그림 3] CIPS 2010 프레젠테이션의 20페이지로서, 대략 5년 안에 GaN 디바이스가 실리콘보다 가격이 낮아질 것이라고 예측하고 있다.

[그림 4] CIPS 2010에서 처음으로, 새로운 반도체 기술이 파괴적 혁신을 가져올 것인지 보려면 네 가지 점을 주시해야 한다고 지적했다.

[그림 5] 최신 레이아웃과 드라이버 IC를 채택한 데모 보드가 출시되고 Gerber 플롯 및 스키매틱을 이용할 수 있게 됨으로써 전원 시스템 디자이너들이 우수 관행들을 빠르게 모방하고 습득할 수 있게 되었다.

애플리케이션 엔지니어들이 기량을 쌓아가는 것과 동시에, 디바이스 개발 그룹은 기술을 향상시키기 위해서 바쁘게 움직였다. 전통적인 벅 컨버터로 1세대 eGaN FET의 성능은 여전히 기대치에 미치지 못했다. 플로팅 실리콘 서브스트레이트 때문에 디바이스가 느리게 스위칭하는 것으로 드러났다. 이것은 서브스트레이트 전위가 소스와 드레인 사이의 중간지점으로 플로팅하는 것 때문이었다. 2세대 eGaN 제품은 이 변수를 제거하기 위해서 서브스트레이트를 소스로 단락시켰다. 이와 함께, 동일한 온 저항 및 다이 면적으로 디바이스로 전반적인 커패시턴스를 낮추기 위해서 이러저러한 변경들을 했다. 2011년 6월부터 10월 사이에 1세대와 동일한 칩 스케일 패키징 접근법과 핀아웃을 적용해서 EPC2001, EPC2007, EPC2010, EPC2012, EPC2014, EPC2015를 출시했다. 

2013년 9월에 EPC는 3세대 제품군으로서 EPC80XX를 출시했다(그림 6). 이들 제품은 낮은 온 저항에 덜 민감하면서 더 높은 속도로 동작하는 애플리케이션에 사용하도록 설계되었다. 3세대 제품은 여전히 칩 스케일 형식으로서 직교하는 게이트 및 전원 단자들을 사용해서 실제 회로 레이아웃으로 더더욱 낮은 기생 인덕턴스를 달성했다. 포락선 추적이 주된 목표 애플리케이션이었으나, 무선 충전에도 많이 사용되었다. 

[그림 6] 3세대 EPC80XX 디바이스는 게이트 입력 단자들(왼쪽)이 전원 단자들과 직교를 이루었다. 그럼으로써 전원 루프와 게이트 루프 모두로 기생 인덕턴스가 훨씬 낮은 회로 레이아웃을 가능하게 했다.

[그림 7] 4세대 eGaN 디바이스는 더 낮은 온 저항과 더 우수한 스위칭 FOM을 달성했다. 이 그림에서 보는 EPC2023은 30V 1.3mΩ 정격으로서 590A의 펄스형 전류를 처리할 수 있다.

전원 변환 분야에서 가장 널리 사용되는 토폴로지 중의 하나는 하프 브리지이다. 하프 브리지는 2개의 트랜지스터로 이루어지며, 상단 디바이스의 소스를 하단 디바이스의 드레인으로 연결한다. 2014년 9월에 EPC는 모노리딕 하프 브리지 디바이스 제품군을 출시했다(그림 8). 이 제품군이 세계 최초의 GaN-on-Si 전력 IC가 되었다. 전력 FET들을 하프 브리지로 통합함으로써 여러 가지 이점이 가능하게 되었다. 2개 전력 디바이스를 긴밀하게 결합함으로써 전원 루프 인덕턴스를 낮추게 되었으며, 열 공유는 동일한 크기 및 전기적 특성의 개별 디스크리트 부품들을 사용할 때보다 두 디바이스가 더 높은 평균 전력을 처리할 수 있도록 했다. 그림 9는 1MHz로 동작하는 12V ~ 1V 벅 컨버터로 이들 4개 세대 eGaN 기술이 어떻게 진보했는지 보여준다. 가장 높은 효율을 달성한 것은 2015년에 모노리딕 하프 브리지이다.

[그림 8] 최초의 GaN-on-Si 전력 IC는 이 그림에서 보는 EPC2101 같은 모노리딕 하프 브리지였다.

[그림 9] 1MHz로 동작하는 12V ~ 1V 벅 컨버터로 효율이 꾸준히 향상되고 있는 것에서 보듯이, EPC는 지속적으로 eGaN 기술을 향상시켜 왔다. 가장 효율적인 시스템(“GaN Circa 2015”)은 모노리딕 하프 브리지를 사용한 것이다. 

2015년에 EPC는 생산 용량을 늘리고 제조 비용을 낮춤으로써 더 작은 크기의 다이(3mm2 미만) 가격이 전력 MOSFET보다 훨씬 낮아지게 되었다. 이것은 60년만에 처음으로 어떤 기술이 실리콘보다 더 높은 성능을 달성하면서 비용은 줄일 수 있다는 것을 보여주었다.

[그림 10] EPC는 200V 이하 시장에서 GaN 제품의 주도권을 장악하고 있다. 이 전압대로 전력 트랜지스터 시장의 약 70%를 차지하고 있다.

한편으로는 이 시기에 대담한 기술적 향상들이 이루어졌다. EPC의 R&D 팀은 제품의 가격대 성능비를 대대적으로 끌어올릴 수 있는 새로운 디바이스 구조를 개발하기 위해서 매진했다. 그 첫 번째 단계의 목표가 4세대 제품보다 훨씬 더 높은 성능을 달성하면서 크기는 절반인 5세대 제품을 개발하는 것이었다.