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전력 전자는 반도체 분야에서 상대적으로 많은 인지를 받지 않는 분야이지만, 거의 모든 전기를 사용하는 디바이스 및 시스템 작동을 위해 필수적이다.

전력 전자 장치는 최종 회로에 공급되는 전력을 제어하고 조정하는데 사용되는 반도체 디바이스다. 이는 일반적으로 저항기, 인덕터, 커패시터와 같은 패시브 소자에 연결되어 전원 변환 장치를 완성한다. 이러한 시스템은 예컨대 교류(AC) 전압을 그리드에서 직류(DC)전압으로 변환하고, DC전압 간에 변환을 실행하며, 전기 모터를 구동한다(DC에서 AC 변환).

최근 수십 년 동안 전력 전자 장치의 지속적인 개선으로 모든 최종 전기 장치의 효율성이 증가했다. 게다가, 전력 전자는 LED 조명, 태양열 발전, 전기자동차 등 에너지 절약과 탄소 감소 기술을 가능하게 하는데 있어 매우 중요하다.

새로운 실리콘 반도체 소자, 컨버터 토폴로지 및 제어 기술은 수년 동안 혁신적으로 효율성을 높였다. 전력 전자는 새로운 재료를 통해 또 다른 혁신이 진행 중이다.

이러한 반도체인 실리콘 카바이드(SiC), 질화갈륨(GaN)은 와이드밴드갭(WBG) 소재로 불린다. 말 그대로 이는 전통적인 실리콘 보다 더 넓은 전자 밴드갭(Electronic Bandgap)을 갖고 있다. 이러한 반도체 특성의 WBG 재료로 설계된 전력 전자 스위치는 현재 주력 장치인 IGBT 및 MOSFET보다 낮은 저항을 갖고 높은 주파수에서 사용된다.

SiC와 GaN는 종종 함께 언급되지만, 실제로 몇 가지 중요한 차이점이 있다. 이러한 차이로 인해 재료마다 가장 적합한 ‘스위트 스폿’이 있다.

이러한 재료로 제작되는 실제 웨이퍼는 첫 번째 차이점이다. SiC 잉곳은 화학적 기상증착법(CVD) 혹은 물리적 기상 이동법(PVT)에 의해 단결정 시드 웨이퍼로부터 생산된다. 이 두 방법 모두 실리콘 잉곳 생성에 비해 온도가 높고 속도가 느리다. SiC 웨이퍼 생산에 있어 다음 해결과제는 잉곳을 디스크형태로 자르는 것이다. SiC는 매우 단단하고, 심지어 다이아몬드 톱으로도 자르기 어렵다. 잉곳을 웨이퍼로 분리하는 몇 가지 다른 방법이 있지만, 이러한 방법은 단일 크리스탈에 결함을 발생시킬 수 있다.

대조적으로, GaN 기판은 GaN 잉곳에서 절단되지 않는다. GaN은 실리콘 웨이퍼 위에 CVD에 의해 생산된다. 이경우, 실리콘과 GaN 사이의 격자 상수 불일치가 문제가 발생한다. 번형을 제어하는데는 다양한 방법이 사용되지만, 신뢰도에 영향을 미칠 수 있는 위험이 있다. GaN은 실리콘 위에 층이 있으므로, GaN 전력 디바이스는 측면 디바이스이다. 이는 소스와 드레인 부분이 웨이퍼와 같은 쪽에 있다는 것을 의미하며, 칩을 통한 주 전류 경로가 수직인 실리콘 및 SiC 전원 스위치와 대조적이다.

두 소재의 최적의 사용 전압 레벨 또한 다르다. 항복전압이 약 100V인 GaN 디바이스는 48V에서 더 낮은 전압으로의 전력변환에 사용된다. 이 전압의 범위는 클라우드 컴퓨팅 및 통신 인프라에 적용된다. 또한, 어댑터 등 전원공급장치는 90에서 240V AC의 넓은 입력 전압 범위에서 AC에서 DC로의 변환에 적합한 정격전압인 650V GaN 전원 스위치가 포함된다. 고주파수 동작을 가능하게 하는 GaN는 전원공급장치의 수동 구성요소를 훨씬 더 작게 만들어 전체 솔루션을 더욱 컴팩트하게 만든다.

이와 대비하여, SiC 디바이스는 650V 이상을 위해 설계됐다. 1200V 이상에서 SiC는 다양한 애플리케이션에 적합한 솔루션이다. 태양열 인버터, 전기차 충전 및 산업용 AC-DC 전환과 같은 애플리케이션에서 장기적으로 SiC으로의 전환이 이뤄지고 있다. 또한, 현재 구리 및 자석 변압기에서 반도체로 바뀌고 있는 솔리드-스테이트 변압기에서도 장기적으로 대체될 것이다.

전력 전자 분야가 불러올 다음 단계의 혁명은 우리 손에 달려있다. SiC와 GaN으로 발전되고 있는 WBG 소재는 다양한 응용분야에서 전략전자의 미래를 더욱 효율적이고 컴팩트하게 만드는 데 도움이 될 것이다.

글/ 알리 후세인(Ali Husain), 온세미 기업전략 및 마케팅 수석 매니저