[테크월드=선연수 기자] 한국전자통신연구원(ETRI)이 질화갈륨(GaN) 단결정 기판을 적용해 소재 한계를 이겨내는 수직형 전력반도체를 개발해냈다.
수직형 전력반도체는 GaN 단결정 기판의 특성으로 인해 기존 수평형에 비해 높은 항복 전압을 가진다. 이종(異種) 반도체 기판이 사용된 기존의 전력반도체는 결함 발생이나 전력 손실이 불가피해 소형 충전기와 같은 저전압 영역(200V~300V급)에서만 주로 활용됐다.
GaN은 소재 특성상 열에 강하고, 스위칭 속도가 수십 MHz에 이를 정도로 빨라서 별도의 에너지 저장 공간이 요구되지 않아, 실리콘 대비 1/3 수준으로 시스템을 작게 만들 수 있다. 에너지 차이(밴드 갭)도 실리콘 대비 3배 이상 뛰어난 3.4Eg(eV) 수준으로 고전압에 유리해 차세대 전력 반도체 소재로 주목받고 있다.
ETRI 연구진은 GaN 단결정 기판 위에 동종(同種)의 GaN 에피층을 수직으로 쌓아 올려 최적화함으로써 결함을 극복했다. 다년 간의 GaN 반도체 노하우를 바탕으로 에피층의 두께를 늘리는 공정을 통해 전압을 높이면서도 저항을 억제할 수 있었고, 그 결과 높은 항복 전압 특성의 800V급 수직형 GaN 다이오드 전력반도체를 개발에 성공했다.
이번에 개발된 기술은 비투지에 기술이전됐으며 전기자동차 배터리, 태양광 인버터, 전력 송배전망 등의 전력 변환효율을 개선하는 방향으로 쓰임새가 다양할 것으로 기대된다.
연구책임자인 ETRI 이형석 기술총괄은 "GaN 단결정 기판을 이용한 수직형 GaN 전력반도체는 질화갈륨이 가진 고출력, 고효율, 고전압 특성을 극대화할 수 있고, 소형화까지 가능한 만큼 빠르게 성장하는 전기자동차용 차세대 전력반도체에 활용할 수 있을 것"이라고 예상했다.
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