차세대 전력반도체, 질화갈륨(GaN)의 위력은?

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차세대 전력반도체, 질화갈륨(GaN)의 위력은?

디지털데일리 발행일 2016-05-02 07:26:58

이수환

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최신형 노트북을 가지고 다닐 때에는 무거운 충전기를 함께 사용해야만 한다. 지난 2년 동안 충전기가 서류가방이나 주머니에 손쉽게 들어갈 수 있게 더 작게 만들려는 노력을 봐왔다. 아보기 졸트(Avogy Zolt)는 그런 시도 중 하나이다. 이 제품이 인기 있는 이유 중 하나는 크기를 줄이기 위해 질화갈륨(Gallium Nitride, GaN) 트랜지스터를 사용한다는 점이다.

지난 몇 년간 GaN은 충전용 전자기기의 성지와도 같았다. 그 이유는 물리적인 관점에서 이론적으로 GaN 트랜지스터가 브레이크다운(반도체 회로의 접합부에 가해진 역전압을 증가시켜 어떤 일정 전압이 되었을 때 역방향 전류가 급증) 전력과 온스테이트(가압상태 전압) 저항 모두에서 모스펫(MOSFET)의 실리콘 성능의 한계를 뛰어넘을 수 있기 때문이다. 하지만 문제는 품질이 좋은 GaN 배양기를 적당한 가격에 구할 수 있느냐 하는 것이었다.

GaN 웨이퍼를 벌크로 구매하면 매우 비싸고 좋은 품질의 제품을 구하는 것도 매우 힘든 일이었다. 품질이 좋은 GaN 레이어는 탄화규소(SiC)나 규소(Si) 배양기에서 배양할 수 있다. 이 방식은 수평적 트랜지스터 구조를 만드는 데는 유용하나 수직적 트랜지스터는 불가능했다. ‘GaN-on-Si’가 적당한 가격에 이용할 수 있게 된 것은 획기적인 이벤트였다. 그 이유는 전통적인 실리콘 제작 둘로 ‘GaN-on-Si’ 웨이퍼를 만들 수 있게 되었기 때문이다.

아보기는 GaN 장비를 대량으로 생산하는 선도 업체라고 주장하고 있다. 벌크 ‘GaN p-n’ 다이오드와 벌크 GaN 배양기, 수직적 파워 트랜지스터에 대한 논문과 함께 다수의 GaN 기반 다이오드와 접합 전계 효과 트랜지스터(Junction field effect transistors, JFET), 졸트 휴대용 충전기 목록을 볼 수 있다. 먼저 아보기의 벌크 GaN 수직적 파워 트랜지스터 기술에 관심이 있었기 때문에 아보기 졸트 차져 플러스를 살펴보기로 했다.

실험실에서 바로 제품을 뜯어봤다. 메일 PCB에는 여러 부품이 있었는데 사진에서 빨간 네모 상자로 표시된 부품도 포함하고 있었다. 로고는 아보기 로고의 예전 버전이었으며 다음과 같은 표식이 있었다. 날짜 표식인 1527은 이 다이가 2015년 27번째 주에 패키지 되었다는 것을 말한다. 벌크 GaN 파워 트랜지스터가 이 제품에 포함되어 있다고 생각했다. 신속하게 이 장비를 분석실에 넘겼고 선명한 다이 사진을 얻었다. 이 사진을 통해서 우리는 수직적 파워 트랜지스터가 사용되었음을 확인할 수 있었다. 사진을 보면 다이의 위쪽 표면에 게이트와 소스 패드가 보이고 아래쪽 표면에는 드레인 패드가 보인다. 이는 수직형 MOSFET 파워 트랜지스터가 가지는 일반적인 레이아웃이다.

다음 단계로 트랜지스터 구조를 확인하기 위하여 절단면을 확인하였는데 우리가 2013년 분석한 크리(Cree)의 SiC 수직 파워 트랜지스터와 매우 유사한 형태였다. 그런데 놀랍게도 전자현미경(SEM) 기반 에너지 분산 분광술(SEM-EDS)의 배양기는 GaN이 아닌 SiC이었다. 우리는 크리가 아보기 150-00028 내부 다이를 제작한 것이라 생각한다. 물론 다른 SiC 업체가 제작했을 가능성은 남아 있다.

또한 매우 흥미로운 사실도 발견했다. 아보기는 벌크 GaN 파워 트랜지스터와 다이오드 기술에 집중할 것이라고 공개적으로 발표했다. 졸트 제품은 매우 거창한 이벤트를 벌이며 출시되었으며 2015년 CES에서 혁신상을 수상했다. 졸트 제품 설명에는 GaN 기술이 사용되었는지 명확하게 기술하고 있지 않으나 많은 애널리스트가 그러할 것이라고 예상했다. 아보기에 확인을 요청했으나 따로 응답을 받지는 못했다. 물론 내부적으로 파워 스위치 트랜지스터가 GaN이나 SiC이냐는 일반 사용자에게 중요하지 않다. 하지만 이 정보는 출시된 제품에 어떤 기술이 사용되었는지 벤치마크 정보를 제공하므로 관련 산업 관계자에게는 흥미로운 정보라고 할 수 있다.

세인트.J 딕슨 워렌 칩웍스 연구원, 김영심 칩웍스코리아 이사 yskim@chipworks.com