되돌아보는 GaN의 역사: GaN-on-Si IC를 사용한 전원 변환 혁신
글/Alex Lidow Ph.D., CEO and Co-founder, Efficient Power Conversion Corporation
되돌아보는 GaN의 역사
1977년에 동료인 톰 허먼과 나는 International Rectifier에 입사해서 전원 변환 분야에 발을 담그면서 경력을 시작했다. 우리가 처음 맡은 프로젝트는, 당시에 주로 사용되던 전력 바이폴라 디바이스와 비교해서 더 나은 전력 트랜지스터를 설계하는 것이었다. 많은 검토와 논의를 거친 끝에, 톰과 나는 금속 산화막(MOS) 게이트를 사용한 전력 트랜지스터를 만들기로 결정했다. 1세대 디바이스는 알루미늄 게이트 기술을 사용해서 1978년 11월에 출시되었으며, 2세대 디바이스는 실리콘 게이트 기술을 사용해서 1979년 6월에 출시되었다. 6각형 구조를 기반으로 한다는 점에서 2세대 디바이스를 “HEXFET”이라고 명명했으며, 전원 변환 분야로 일대 변화를 가져왔다.
HEXFET은 이전 세대인 바이폴라 디바이스보다 더 빠르고, 크기가 작고, 궁극적으로 비용을 낮추고, 좀더 신뢰할 수 있었다. 더 빠른 스위칭 속도를 최대한 활용하기 위해서는 디자이너들이 어느 정도 자신의 엔지니어링 역량을 연마할 필요가 있었다. 스위칭 속도가 더 빠르므로 당시에 주로 AC/DC 컨버터와 모터 드라이브였던 전원 변환 시스템을 크기를 더 작게 하고, 신뢰성을 높이고, 비용을 낮출 수 있게 되었다.
성능이 더 높은, 이 새로운 디스크리트 디바이스를 사용해서 설계하기 위해서는 귀중한 시간이 들었고, 이 점이 이 디바이스를 채택하는 것을 꺼리게 만들었다. 이에 대한 해결책은 간단해 보였다. IC 형태로 전체적인 시스템온칩(SoC)을 개발하는 것이었다.
SoC를 개발하기 위해서 처음으로 시도한 것은 TRIMOS라고 하는 새로 개발된 디바이스를 사용해서 모노리딕 트라이액을 제작하는 것이었다[1]. 이렇게 하는 과정에서 실리콘으로 다중의 전력 소자를 통합하는 것과 관련한 몇 가지 기본적인 사실들을 발견하게 되었다. 동일한 칩으로 수직으로 전도하는 전력 소자들을 집어넣으려니까 비용이 크게 증가해서 SoC를 상업적으로 만들기 어려웠다. 전력 소자들을 횡형으로 설계하려니까 차지하는 면적 때문에 디바이스를 상업적으로 만들기 어려웠다. 이러한 문제를 깨닫게 되자 댄 킨저와 데이비드 탬까지 합류한 더 큰 팀이 주축이 되어서 하프 브리지 구성으로 전력 디바이스들을 스위칭하기 위해서 사용할 수 있는 드라이버 IC 개발에 나섰다. 이 첫 제품이 IR2110이었다.
오늘날까지도 디스크리트 전력 MOSFET(또는 이의 사촌 격인 IGBT)과 드라이버 IC는 전원 변환 분야에 지배적으로 사용되고 있다.
갈륨 나이트라이드(GaN) 전력 트랜지스터
일본의 어느 연구팀이 실리콘 웨이퍼 상에 갈륨 나이트라이드(GaN)를 성장하기 위한 기법을 개발한다는 소식을 들었을 때[2], 이 새로운 기술을 사용해서 전원 변환 시스템으로 실리콘의 집적 한계를 극복할 수 있겠다는 생각이 들었다. GaN은 특성적으로 절연성이며, GaN 트랜지스터를 만들기 위해서 가장 좋은 방법은 상단면으로 게이트, 드레인, 소스의 3개 단자를 형성하는 것이다. GaN은 소수 캐리어 전도가 크게 일어나지 않으므로, 횡형 전력 MOSFET이 다이오드 전도가 되었을 때 그러는 것처럼 정공이나 전자로 인해서 한 전력 소자가 다른 전력 소자를 오염시키는 문제가 발생하지 않는다.
이러한 이해를 바탕으로 나와 두 동료인 조 카우 및 밥 비치가 함께 2007년 가을에 Efficient Power Conversion(EPC)이라는 회사를 설립했다. 시작부터 목표는 실리콘 디바이스에 비해서 성능은 더 높고 비용은 낮추는 전력 디바이스를 개발하는 것이었다. 처음에는 디스크리트 디바이스를 개발하려고 했으나, 통합을 통해서 전환 변환으로 의미 있는 변화를 가져올 수 있겠다는 생각에 이르게 되었다. 통합이 디지털 전자기기로 그랬던 것처럼, 그리고 수십 년 전에 HEXFET이 그랬던 것처럼 말이다.
2009년에 우리 회사는 첫 번째 프로토타입으로서 100V 디스크리트 GaN-on-Si 전력 트랜지스터를 내놓게 되었다. 이 제품은 2010년 3월에 양산에 착수했으며, 40V 및 200V 트랜지스터와 함께 하나의 제품군을 형성하게 되었다. 이들 제품은 향상 모드 디바이스이기 때문에 eGaN® FET으로 명명하게 되었다. 그림 1은 eGaN FET의 주사 전자 현미경(SEM) 영상을 보여준다.
이 디바이스는 속도가 빨랐다. 비슷한 전압대 및 온 저항으로 실리콘 디바이스에 비해서 대략 5~10배 더 빨랐다. 이처럼 속도가 높아짐으로써 회로 디자이너들이 레이아웃에 좀더 주의를 기울여야 했다. 기생 인덕턴스가 추가됨으로써 전압 및 전류 오버슈트를 발생시킬 수 있기 때문이었다. 이 오버슈트는 전력 손실을 증가시키고, EMI 및 EMC 발생을 증가시키고, 게이트 또는 드레인 과전압을 발생시키는 것으로 이어졌다. 이 디바이스를 사용한 설계의 어려움 때문에 채택 속도도 더뎌 보였다.
그리고 일년이 안 되어서, 시간에 대해서 좀더 안정적이고 라이다, 포락선 추적, 자동차 전조등, DC/DC 컨버터 같은 더 다양한 애플리케이션을 지원할 수 있는 2세대 제품을 내놓게 되었다. 이 과정에서 해결 과제는 좀더 분명해졌다. 어떻게 하면 디자이너들이 좀더 손쉽게 이 최신 디바이스를 최대한 활용할 수 있도록 하느냐 하는 것이었다.
GaN IC
단일 칩으로 기능을 통합하는 여정에서 첫 발을 뗀 것은 2014년 9월이었다. EPC가 처음으로 모노리딕 하프 브리지 디바이스 제품군을 출시한 것이다. 단일 칩으로 하프 브리지로 구성할 수 있는 2개 FET을 통합함으로써, 고객들이 (a) 상당한 보드 공간을 절약하고 (b) 전력 루프 인덕턴스를 반으로 줄이고 (c) EMI와 EMC를 발생시키는 오버슈트를 낮출 수 있게 되었다. 그림 2는 이러한 초기의 하프 브리지 IC를 보여주는 것으로서, 이것은 벅 구성의 DC/DC 컨버터에 사용하도록 설계된 것이다. 상측 트랜지스터가 하측 트랜지스터보다 작게 설계되었으며, 두 전력 소자들 사이에 인덕턴스가 거의 0이 되도록 설계되었다.
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