질화갈륨트랜지스터와탄화 규소MOSFET은 지난 2~3년 동안 새롭게 부상한 전력 반도체입니다. 기존 실리콘 전력 반도체와 비교했을 때, 높은 내전압, 낮은 온저항, 작은 기생 파라미터 등 여러 가지 우수한 특성을 지니고 있습니다. 또한, 질화갈륨(GN) 트랜지스터는 극도로 작은 기생 파라미터와 매우 빠른 스위칭 속도를 자랑하여 고주파 애플리케이션에 특히 적합하며, 탄화규소(SCC) MOSFET은 구동이 용이하고 신뢰성이 높아 고성능 스위칭 전원 공급 장치에 적합합니다.

이 글은 인피니언의 질화갈륨 트랜지스터와 탄화규소 MOSFET 제품을 기반으로 하며, 두 제품의 구조, 특성 및 적용 분야 차이점에 대한 자세한 소개를 제공합니다.      
3세대 전력 반도체의 독보적인 쌍둥이 소자인 질화갈륨 트랜지스터(GNT)와 탄화규소 MOSFET은 특히 전기 엔지니어들을 중심으로 업계의 주목을 점점 더 많이 받고 있습니다. 전기 엔지니어들이 이 두 전력 반도체에 그토록 관심을 기울이는 이유는 그림 1에서 볼 수 있듯이 기존 실리콘 소재에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있기 때문입니다. 질화갈륨과 탄화규소 소재는 넓은 밴드갭과 높은 임계 전계 강도를 지니고 있어 높은 내전압, 낮은 온저항, 작은 기생 파라미터와 같은 우수한 특성을 나타냅니다. 스위칭 전원 공급 장치에 적용될 경우, 낮은 손실, 높은 동작 주파수, 높은 신뢰성이라는 장점을 통해 스위칭 전원 공급 장치의 효율, 전력 밀도 및 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있습니다.      
          그림 1: 실리콘, 탄화규소 및 질화갈륨의 주요 특성 비교
위와 같은 우수한 특성 덕분에 질화갈륨 트랜지스터와 탄화규소 MOSFET은 산업 현장에서 점점 더 많이 사용되고 있으며, 앞으로 더욱 광범위하게 사용될 것입니다. 그림 2는 IHS Markit에서 제공하는 이 두 가지 전력 반도체의 응용 분야 및 판매 전망을 보여줍니다. 응용 분야가 확대됨에 따라 질화갈륨 트랜지스터와 탄화규소 MOSFET의 판매량도 크게 증가할 것으로 예상됩니다. 그림 3은 IHS Markit에서 제공하는 이 두 가지 전력 반도체의 판매 전망입니다.      
      그림 2: 질화갈륨 트랜지스터와 탄화규소 MOSFET의 응용 분야 및 판매 전망
      그림 3: 질화갈륨 트랜지스터 및 탄화규소 MOSFET의 판매 전망
본 논문의 2장에서는 질화갈륨 트랜지스터의 구조와 특성을 상세히 소개합니다. 3장에서는 탄화규소 MOSFET의 구조와 특성을 자세히 살펴봅니다. 4장에서는 이 두 전력 반도체를 동일한 회로에 적용한 사례를 비교 분석하여 응용 분야에서의 유사점과 차이점을 명확히 설명합니다. 마지막으로 본 논문의 내용을 요약합니다.      
             질화갈륨 트랜지스터의 구조 및 특성          

질화갈륨 트랜지스터의 구조

실리콘으로 만들어진 전력 반도체와 달리, 질화갈륨 트랜지스터는 그림 4에서와 같이 밴드갭이 다른 두 물질(일반적으로 AlGaN과 GaN)의 계면에서 압전 효과에 의해 형성된 2차원 전자 가스(2DEG)를 통해 전기를 전도합니다. 2차원 전자 가스는 전자 농도가 높을 때만 전기를 전도하기 때문에 실리콘 MOSFET에서 발생하는 소수 캐리어 재결합(즉, 바디 다이오드 역회복) 문제가 없습니다.      
      그림 4: 질화갈륨의 전도 원리 개략도
그림 4에 나타낸 기본 질화갈륨 트랜지스터의 구조는 공핍형 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)입니다. 즉, 게이트와 소스 사이에 전압이 인가되지 않았을 때(VGS=0V), 질화갈륨 트랜지스터의 드레인과 주변 소자는 모두 도통 상태가 되며, 이는 상시 온(normally-on) 소자임을 의미합니다. 이는 기존의 상시 폐쇄형 MOSFET이나 IGBT 전력 스위치와는 완전히 다른 특성으로, 산업 현장, 특히 스위칭 전원 공급 장치 분야에서 사용하기가 매우 어렵습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 업계에서는 일반적으로 두 가지 방식을 사용합니다. 하나는 캐스케이드 구조를 사용하는 것이고, 다른 하나는 게이트에 P형 질화갈륨을 추가하여 향상형(enhancement mode, 상시 폐쇄형) 트랜지스터를 구현하는 것입니다. 이 두 구조는 그림 5에 나타나 있습니다.      
      그림 5: 질화갈륨 트랜지스터의 두 가지 구조
캐스케이드 구조에서 질화갈륨은 저전압 실리콘 MOSFET과 직렬로 연결된 공핍형 질화갈륨입니다. 이 구조의 장점은 기존 실리콘 MOSFET과 구동 방식이 동일하다는 점입니다(실리콘 MOSFET을 구동하기 때문입니다). 그러나 이 구조에는 큰 단점도 있습니다. 첫째, 실리콘 MOSFET에는 바디 다이오드가 있습니다. 질화갈륨이 역방향으로 전류를 통과시킬 때 바디 다이오드의 역회복 문제가 발생합니다. 둘째, 실리콘 MOSFET의 드레인이 공핍형 질화갈륨의 소스에 연결되어 있습니다. 실리콘 MOSFET의 스위칭 온/오프 시 드레인과 소스 사이의 진동이 질화갈륨의 소스와 게이트 사이의 진동으로 이어집니다. 이러한 진동은 불가피하므로 질화갈륨 트랜지스터가 잘못 켜지거나 꺼질 가능성이 있습니다. 마지막으로, 두 개의 전력 소자가 직렬로 연결되어 있기 때문에 전체 질화갈륨 소자의 온 저항을 추가로 낮추는 데에는 한계가 있습니다.      
위와 같은 캐스케이드 구조의 문제점 때문에 전력 반도체 산업에서 주류를 이루는 질화갈륨 트랜지스터 기술은 향상 모드 질화갈륨 트랜지스터입니다. 인피니언 테크놀로지스(Infineon Technologies Co., Ltd.)의 질화갈륨 트랜지스터 CoolGaN을 예로 들면, 그 상세 구조는 그림 6에 나타나 있습니다.      
      그림 6: CoolGaN 구조의 개략도
그림 6에서 볼 수 있듯이, 현재 업계에서 판매되는 질화갈륨 트랜지스터(GaN) 제품은 소스, 게이트, 드레인이 동일 평면에 있는 평면 구조를 가지고 있으며, 이는 슈퍼 접합 기술로 대표되는 실리콘 MOSFET의 수직 구조와는 다릅니다. 게이트 아래의 p-GaN 구조는 앞서 설명한 향상 모드 질화갈륨 트랜지스터를 형성합니다. 드레인 옆의 또 다른 p-GaN 구조는 질화갈륨 트랜지스터에서 흔히 발생하는 전류 붕괴 문제를 해결하기 위한 것입니다. 인피니언 테크놀로지스의 CoolGaN 제품은 실리콘 소재를 기판으로 사용하여 질화갈륨 트랜지스터의 재료비를 크게 절감할 수 있습니다. 실리콘 소재와 질화갈륨 소재의 열팽창 계수가 매우 다르기 때문에, 고온·저온 사이클 및 고온·저온 충격과 같은 가혹한 작동 조건에서도 웨이퍼 박리 등의 고장 문제를 방지하기 위해 기판과 GaN 사이에 여러 개의 전이층을 추가합니다.      
       

질화갈륨 트랜지스터의 특성

그림 6에 나타낸 구조를 바탕으로 CoolGaN은 표 1에 나타낸 특성과 그로 인해 발생하는 장점을 가지고 있습니다.      
      표 1: CoolGaN의 특징 및 장점
표 1에 나타난 특성에서 알 수 있듯이, 질화갈륨 트랜지스터는 바디 다이오드가 없지만 역전류를 통과시킬 수 있으므로 전력 스위치의 역전류 흐름이 필요하고 하드 커뮤테이션이 요구되는 회로, 예를 들어 전류 연속 모드(CCM)의 토템 폴 브리지리스 PFC와 같이 매우 높은 신뢰성과 효율을 달성할 수 있는 회로에 적합합니다. 회로 구성도는 그림 7에 나와 있습니다. 그림에서 Q1과 Q2는 질화갈륨 트랜지스터이고, Q3과 Q4는 실리콘 MOSFET입니다.      
      그림 7: 질화갈륨 트랜지스터를 사용한 토템 폴 PFC 토폴로지의 개략도
표 1에서 알 수 있듯이, 질화갈륨은 스위칭 속도가 매우 빠르고 구동 손실이 작아 고주파 응용 분야에 매우 적합합니다. 질화갈륨 트랜지스터를 사용하는 고주파 스위칭 전원 공급 장치는 높은 전력 밀도와 높은 효율이라는 장점을 가지고 있습니다. 그림 8은 3.6kW LLC 토폴로지 DC-DC 컨버터를 보여줍니다. LLC의 공진 주파수는 350kHz입니다. 이 컨버터의 전력 밀도는 160W/in³에 도달하고 최대 효율은 98%를 초과합니다.      
      그림 8: CoolGaN을 사용한 3.6KW LLC 변환 회로
위 분석에서 알 수 있듯이, 질화갈륨 트랜지스터는 높은 효율, 고주파수 및 높은 전력 밀도가 요구되는 응용 분야에 적합합니다.      
             탄화규소 MOSFET 구조 및 특성          

탄화규소 MOSFET의 구조

그림 9는 일반적인 평면형 실리콘 카바이드 MOSFET의 구조를 보여줍니다. 채널 저항을 낮추기 위해 이 구조는 대개 매우 얇은 게이트 산화막 층으로 설계되는데, 이는 높은 게이트 입력 전압에서 게이트 산화막 층의 신뢰성 저하 위험을 초래합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 CoolSiC는 트렌치 실리콘 카바이드 MOSFET이라는 새로운 게이트 구조를 채택했습니다. 그림 10은 트렌치 실리콘 카바이드 MOSFET의 게이트 구조를 보여줍니다. 이 구조를 채택함으로써 실리콘 카바이드 MOSFET의 채널 저항은 더 이상 게이트 산화막 층의 영향을 크게 받지 않게 되어, 높은 게이트 신뢰성과 실용성을 확보하면서도 매우 낮은 온 저항을 유지할 수 있습니다.      
      그림 9: 평면형 탄화규소 MOSFET의 개략적인 구조도
      그림 10: CoolSiC 트렌치 게이트 구조
       

탄화규소 MOSFET의 특성

질화갈륨 트랜지스터와 유사하게, 탄화규소 MOSFET 또한 낮은 온저항과 작은 기생 파라미터라는 특성을 가지고 있습니다. 또한, 실리콘 MOSFET에 비해 바디 다이오드 특성이 크게 향상되었습니다. 그림 11은 인피니언의 650V 내전압 탄화규소 MOSFET인 CoolSiC와 업계 최고 수준의 바디 다이오드 성능을 자랑하는 실리콘 파워 MOSFET인 CoolMOS CFD7의 두 가지 주요 지표인 RDS(on)*Qrr과 RDS(on)*Qoss를 비교한 것입니다. RDS(on)*Qrr은 바디 다이오드의 역회복 특성을 측정하는 지표이고, RDS(on)*Qoss는 MOSFET 출력 커패시터에 축적되는 전하량을 측정하는 지표입니다. 이 두 값의 크기가 작을수록 역회복 특성이 우수하고 축적되는 전하량이 적습니다(소프트 스위칭 토폴로지에서 하프 브리지 구조의 상하 전력 트랜지스터에 필요한 데드존이 짧아집니다). 유사한 온저항을 가진 실리콘 MOSFET과 비교했을 때, 실리콘 카바이드 MOSFET의 역회복 전하는 약 1/6에 불과하고, 출력 커패시터의 전하는 약 1/5에 불과함을 알 수 있습니다. 따라서 실리콘 카바이드 MOSFET은 바디 다이오드가 하드 턴오프되는 토폴로지(예: 전류 연속 모드 토템 폴 브리지리스 PFC) 및 소프트 스위칭 토폴로지(LLC, 위상 편이 풀 브리지 등)에 특히 적합합니다.      
실리콘 카바이드 MOSFET은 또한 뛰어난 단락 특성을 가지고 있습니다. 실리콘 MOSFET과 비교했을 때 단락 시간이 크게 향상되었는데, 이는 인버터와 같은 모터 구동 애플리케이션에 매우 중요합니다. 그림 12는 CoolSiC와 CoolMOS의 단락 특성을 비교한 차트입니다. 그림에서 볼 수 있듯이 CoolSiC는 긴 단락 시간과 작은 단락 전류와 같은 우수한 특성을 달성하여 단락 조건에서의 신뢰성이 크게 향상되었습니다.      
      그림 11: 탄화규소 MOSFET과 실리콘 MOSFET의 성능 비교
      그림 12: 탄화규소 MOSFET의 단락 회로 성능 비교
제3장에서는 질화갈륨 트랜지스터와 탄화규소 MOSFET의 구조 및 특성을 소개합니다. 이어서 두 트랜지스터의 파라미터와 실제 회로를 비교합니다.      
             질화갈륨 MOSFET과 탄화규소 MOSFET 비교          

전기적 매개변수 비교

표 2는 질화갈륨 트랜지스터 CoolGaN과 탄화규소 MOSFET CoolSiC의 주요 파라미터를 비교하여 보여줍니다.      
      표 2: CoolGaN과 탄화규소 MOSFET CoolSiC의 주요 매개변수 비교
표 2에서 볼 수 있듯이, 질화갈륨 트랜지스터의 동적 파라미터는 탄화규소 MOSFET보다 낮습니다. 따라서 질화갈륨 트랜지스터의 스위칭 손실이 탄화규소 MOSFET보다 작으며, 높은 동작 주파수에서 그 장점이 더욱 두드러집니다. 전류가 반대 방향(소스에서 드레인)으로 흐를 때, 질화갈륨 트랜지스터의 전압 강하는 게이트-소스 구동 전압과 관련이 있습니다. 어느 쪽이 높고 어느 쪽이 낮은지는 적용 상황에 따라 비교해야 합니다. 마지막으로, 질화갈륨 트랜지스터의 임계 전압 Vgs(th) 값이 매우 작기 때문에 질화갈륨 트랜지스터의 구동 설계에 각별한 주의를 기울여야 합니다. 게이트 노이즈가 크면 질화갈륨 트랜지스터가 의도치 않게 켜질 수 있습니다. 또한, CoolGaN은 기존의 전압 구동 방식과 달리 전류 구동 방식을 사용합니다. 탄화규소 MOSFET의 문턱 전압은 훨씬 높으며, 구동 요구 사항은 IGBT 구동과 매우 유사합니다.      
그림 13은 또 다른 중요한 매개변수인 온저항 변화율 RDS(on)의 온도에 따른 변화를 비교한 것입니다. 전력 반도체 스위치의 온저항은 양의 온도 계수를 가지는 것으로 잘 알려져 있는데, 즉 접합부 온도가 높을수록 온저항이 커집니다. 그림 13에서 볼 수 있듯이, 탄화규소 MOSFET의 온도 상승 계수는 질화규소 트랜지스터 및 실리콘 MOSFET보다 훨씬 작습니다. 접합부 온도가 100°C일 때, 그 차이는 각각 30%와 50%에 달합니다. 그림 13에 따르면, 접합 온도가 25°C일 때 탄화규소 MOSFET과 질화갈륨 트랜지스터의 온 저항이 동일하다고 가정하면, 동일한 응용 회로에서 두 소자의 전도 손실(〖I_Drms〗^2*R_(DS(on))))은 동일합니다. 그러나 접합 온도가 100°C로 상승하면 탄화규소 MOSFET의 전도 손실은 질화규소 트랜지스터의 70%에 불과하므로, 고온에서 높은 효율과 가혹한 환경 조건이 요구되는 응용 분야에 매우 유리합니다.      
      그림 13: 접합 온도에 따른 탄화규소 MOSFET, 질화갈륨 트랜지스터 및 실리콘 MOSFET의 온 저항 곡선
       

애플리케이션 비교

먼저, 그림 7에 나타낸 전류 연속 모드(CCM)의 토템폴 브리지리스 PFC 회로에서 질화갈륨 트랜지스터와 탄화규소 MOSFET이 변환 효율에 미치는 영향을 테스트했습니다. 테스트 조건은 표 3에 나와 있습니다.      
      표 3: PFC 회로 테스트 조건
본 실험에서는 각 전력 스위치에 대해 두 개의 온저항 소자를 테스트했습니다. 질화갈륨 트랜지스터의 경우 RDS(on)은 각각 35mΩ과 45mΩ이었고, 탄화규소 MOSFET의 경우 각각 65mΩ과 80mΩ이었습니다. 테스트 결과는 그림 14에 나타나 있습니다. 경부하 조건에서 전력 스위치의 스위칭 손실이 전도 손실보다 크기 때문에 질화갈륨 트랜지스터의 효율이 탄화규소 트랜지스터보다 훨씬 높습니다. 부하가 점차 증가함에 따라 전체 손실에서 전도 손실이 차지하는 비율이 스위칭 손실보다 커집니다. 동시에 부하가 증가함에 따라 전력 스위치의 온도 상승도 증가합니다. 그림 13의 접합 온도에 따른 온저항 변화율을 보면 탄화규소 트랜지스터의 온저항은 온도에 따라 더 적게 증가하는 것을 알 수 있습니다. 따라서 25°C에서 탄화규소 트랜지스터의 온저항이 질화갈륨 트랜지스터보다 높더라도 고온에서 두 전력 스위치 간의 효율 차이는 매우 작다.      
      그림 14: PFC 레벨에서의 탄화규소 MOSFET, 질화갈륨 트랜지스터 효율 곡선
다음으로, 3kW 출력의 2상 인터리브 병렬 하프 브리지 LLC 회로에서 서로 다른 동작 주파수에 따른 질화갈륨 트랜지스터와 탄화규소 MOSFET의 계산된 효율을 비교합니다. 이 계산에서는 주파수 증가로 인한 자기 부품(공진 인덕터 및 주 전력 인덕터 포함)의 손실 증가 영향을 무시합니다. 회로 구성은 그림 15에 나와 있습니다. 선택된 질화갈륨 트랜지스터 모델은 IGOT60R070D1(25°C에서의 최대 RDS(on)은 70mΩ)이며, 총 8개가 사용되었습니다. 선택된 탄화규소 MOSFET 모델은 IMZA65R048M1H(25°C에서의 최대 RDS(on)은 64mΩ)이며, 총 8개가 사용되었습니다.      
      그림 15: 2상 교대 병렬 LLC 회로의 개략도
그림 16은 50% 부하(1500W) 및 정상 온도 작동 환경에서 다양한 작동 주파수에 따른 효율 비교를 보여줍니다. 작동 주파수가 낮을 때(<100kHz), 온 저항이 유사한 질화갈륨 트랜지스터와 탄화규소 MOSFET의 효율은 비슷하며, 둘 다 매우 높은 효율(>99.2%)을 달성할 수 있습니다. 작동 주파수가 300kHz로 증가하면, 질화갈륨은 기생 파라미터가 매우 작아 전체 손실에서 스위칭 손실이 차지하는 비율이 낮기 때문에 효율 감소폭이 매우 작습니다(0.08%). 반면 탄화규소 MOSFET의 효율은 0.58% 감소합니다(99.28%에서 98.7%로). 작동 주파수가 500kHz로 증가하면 두 소자 간의 효율 차이가 매우 커집니다(1%). 물론 실제 회로에서는 주파수 증가로 인해 자기 부품 손실이 급격히 증가하는 것을 고려하면 두 방식 간의 효율 차이는 그렇게 크지 않겠지만, 효율 변화 추세는 동일합니다.      
      그림 16: 서로 다른 동작 주파수에서 두 전력 소자의 효율 비교
             질화갈륨 및 탄화규소 MOSFET 적용 권장 사항          

3장과 4장에서 논의된 내용을 바탕으로, 인피니언 테크놀로지스(주)의 질화갈륨 트랜지스터와 탄화규소 MOSFET 제품을 고려했을 때, 이 두 가지 광대역 전력 반도체의 적용 권장 사항은 다음과 같습니다.
(1) 어떤 이유로든 적용되는 시스템이 200KHz를 초과하는 주파수에서 작동해야 하는 경우 질화갈륨 트랜지스터가 우선적으로 선택되며 그 다음으로 탄화규소 MOSFET이 선택됩니다. 작동 주파수가 200KHz보다 낮으면 둘 다 사용할 수 있습니다.
(2) 적용된 시스템은 경부하에서 반부하까지 극도로 높은 효율을 요구합니다. 질화갈륨 트랜지스터가 첫 번째 선택이며 그 다음으로 탄화규소 MOSFET이 선택됩니다.
(3) 적용 시스템의 최대 작동 온도가 높거나, 열을 방출하기 어렵거나, 최대 부하에서 매우 높은 효율이 요구되는 경우 실리콘 카바이드 MOSFET이 우선적으로 선택되며, 그 다음으로 질화갈륨 트랜지스터가 선택됩니다.
(4) 적용 시스템은 특히 게이트 드라이브 간섭으로 인해 큰 노이즈 간섭이 있습니다. 실리콘 카바이드 MOSFET이 첫 번째 선택이고 질화갈륨 트랜지스터가 두 번째 선택입니다.
(5) 적용 시스템에 큰 단락 용량을 갖는 전력 스위치가 필요한 경우 실리콘 카바이드 MOSFET이 첫 번째 선택입니다.
(6) 특별한 요구 사항이 없는 기타 응용 시스템의 경우 어떤 제품을 선택할지는 열 방출 방법, 전력 밀도 및 설계자의 두 가지에 대한 숙련도와 같은 요소에 따라 결정됩니다.      
             요약          

본 논문은 최근 등장한 광대역 전력 반도체, 즉 질화갈륨 트랜지스터(GNT)와 탄화규소 MOSFET의 구조, 특성, 성능 차이 및 응용 분야에 대한 상세한 소개를 제공한다. 광대역 전력 반도체는 실리콘 소재 반도체가 따라올 수 없는 많은 성능상의 이점을 가지고 있어 산업계에서 점점 더 많이 사용되고 있다.      
     

업계에서 광대역 갭 전력 반도체에 대한 이해와 응용 경험이 쌓일수록 사용량이 급증하여 가격이 하락할 것입니다. 이는 다시 광대역 갭 전력 반도체의 보급 확대를 촉진하는 선순환 구조를 형성할 것입니다. 따라서 전기 엔지니어는 제품 경쟁력 향상, 제품 인지도 제고, 그리고 자신의 역량 강화를 위해 광대역 갭 전력 반도체를 조기에 숙달하고 활용하는 것이 매우 중요합니다. 본 글이 전기 엔지니어들이 광대역 갭 전력 반도체를 이해하고 활용하는 데 있어 큰 참고 자료가 되기를 바랍니다.

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