▲수직형 질화갈륨(GaN) 전력반도체 웨이퍼(왼쪽)와 패키징된 800V급 질화갈륨 전력소자.

국내 연구진이 높은 전압에서도 고성능을 발휘하고 전력손실을 최소화할 수 있는 전력반도체 핵심기술을 개발했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 국내 처음으로 질화갈륨(GaN) 단결정 기판을 이용한 800V급 수직형 전력반도체 기술을 개발하는데 성공했다고 6일 밝혔다.

질화갈륨은 실리콘(Si)에 비해 10배 이상 높은 항복전계와 90% 이상 소형화가 가능해 고전압 전력반도체소자로 적합하다.

이번에 연구진이 개발한 수직형 전력반도체는 질화갈륨 단결정 기판이 적용돼 기존 수평형에 비해 높은 항복 전압(반도체 소재가 견딜 수 있는 최대 전압) 특성을 갖고 있다.

이종 반도체 기판을 사용하는 기존 기술은 결함이 발생해 전력 손실이 불가피했기 때문에 소형 충전기와 같은 저전압 영역(200V~300V급)에서 주로 활용됐다.

ETRI 연구진은 질화갈륨 단결정 기판 위에 동종의 질화갈륨 에피층을 수직으로 쌓아올려 기술결함을 막아 전력손실 문제를 극복했다.

연구진은 "에피층의 두께를 늘리는 공정을 통해 전압을 높이면서도 저항을 억제할 수 있었다"면서 "그 결과 기존의 수평형에 비해 높은 항복 전압 특성을 구현해 내는데 성공, 800V급 수직형 질화갈륨 다이오드 전력반도체를 개발했다"고 설명했다.

수직 구조 전력반도체는 단결정 기판에 전력 소자 에피를 성장시킨 후 설계 및 공정, 패키징 과정을 통해 생산된다.

국내에서는 주로 에피가 형성된 기판을 90% 이상 수입해 추가공정을 진행했으나 이번에 연구진이 핵심 소재인 질화갈륨 에피 성장 기술을 개발, 소재의 해외의존도 및 원천기술 격차를 줄일 수 있게 됐다.

전력반도체 소재는 ▲실리콘(Si) ▲탄화규소(SiC) ▲질화갈륨(GaN) 등이 있으며 실리콘은 스위칭 속도 및 항복 전압 등에서 한계가 있으나 질화갈륨은 열에 강하고 스위칭 속도가 매우 빨라 별도의 에너지 저장 공간없이 실리콘 대비 1/3 수준의 시스템 소형화가 가능하다.

또 에너지 차이(밴드 갭)도 실리콘 대비 3배 이상 뛰어나다.

이번 기술은 ㈜비투지에 이전됐으며 전기자동차 배터리, 태양광 인버터, 전력 송배전망 등에 활용될 전망이다.

ETRI 이형석 기술총괄은 "질화갈륨 단결정 기판을 이용한 수직형 질화갈륨 전력반도체는 질화갈륨이 갖고 있는 고출력, 고효율, 고전압 특성을 극대화할 수 있다"며 "소형화까지 가능한 만큼 빠르게 성장하는 전기자동차용 차세대 전력반도체에 활용이 가능할 것으로 예상한다"고 말했다.

충청비즈  cbiz0419@naver.com

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