- 800V급 수직형 GaN 다이오드 전력반도체

[디지털데일리 김도현기자] 국내 연구진이 차세대 전력반도체 기술을 확보했다. 에너지 효율 개선은 물론 소재·부품·장비 국산화에 힘을 보탤 전망이다.

6일 한국전자통신연구원(ETRI)은 국내 최초로 질화갈륨(GaN) 단결정 기판을 이용한 800볼트(V)급 수직형 전력반도체를 개발했다고 밝혔다.

전력반도체는 전기에너지를 시스템이 필요로 하는 형태로 변환, 제어, 처리 및 공급하는 부품이다. 가전제품, 스마트폰, 전기차, 태양광, 데이터센터 등 전기로 작동하는 제품의 효율적 전력 운용을 가능하도록 한다.

ETRI가 개발한 수직형 전력반도체는 기존 수평형 대비 높은 항복 전압특성을 갖고 있다. GaN 단결정 기판을 적용한 덕분이다.

ETRI는 GaN 단결정 기판 위에 동종의 GaN 에피층을 수직으로 쌓아 올려 최적화해 결함을 극복해냈다. 다년간 GaN 반도체 노하우를 바탕으로 에피층의 두께를 늘리는 공정을 통해 전압을 높이면서도 저항을 억제할 수 있었다.

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 진행했다. 국내 기술력으로 핵심 소재인 GaN 에피를 성장시키는 기술을 개발해 소재의 해외의존도 및 원천기술 격차를 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

GaN은 소재 특성상 열에 강하고, 스위칭 속도가 수십 메가헤르츠(MHz)에 이를 정도로 빠르다. 별도 에너지 저장 공간이 요구되지 않아 실리콘 대비 1/3 수준의 시스템 소형화가 가능하다.

이형석 ETRI 기술총괄은 “수직형 GaN 전력반도체는 GaN이 가진 고출력, 고효율, 고전압 특성을 극대화할 수 있다”면서 “소형화까지 가능한 만큼 빠르게 성장하는 전기차용 차세대 전력반도체에 활용이 가능할 것으로 예상된다”고 말했다.

한편 해당 기술은 비투지에 이전됐다. 전기차 배터리, 태양광 인버터, 전력 송배전망 등의 전력 변환효율을 개선하는 방향으로 활용될 계획이다.

<김도현 기자>dobest@ddaily.co.kr