실리콘을 대체할 신소재, 질화갈륨(GaN)에 대해~
반도체의 역사는 1950년경 접촉 트랜지스터의 도입과 함께 시작되다. 초기에는 게르마늄이 사용되었지만 실리콘의 우수한 특성으로 인해 반도체 제품의 주요 소재가 되었으며 오늘날에도 여전히 사용되고 있다.
실리콘 반도체 제품은 고정밀 반도체 제조 장비의 탄생과 소자 구성 및 웨이퍼 공정의 최적화로 시간이 지남에 따라 진화해 왔다. 이는 우리 생활의 주요 부분이 된 소형, 고성능 전자 제품의 개발에 기여했다.
그러나 실리콘 기반 반도체의 성능을 향상시키는 능력은 자체 재료 특성 내에서 크게 한계에 가까워지고 있다.
차세대 전력 반도체: GaN/SiC란?
#기본용어
Gan : Gallium nitride(나이트라이드), 질화갈륨
GaAs : Gallium arsenide(아세나이드), 갈륨비소
SiC : Silicon Carbide(카바이드), 탄화규소
Si : Silicon(실리콘), 규소
미래- 차세대 전력반도체 "SiC" & "GaN"
실리콘 을 대체할 차세대 소재로 SiC(탄화규소)와 GaN(질화갈륨) 이 주목받고 있다.
실리콘은 단순한 물질입니다. 반면, SiC는 탄소와 규소의 화합물이고 GaN은 갈륨과 질소의 화합물이다. 따라서 이러한 화합물을 사용하는 반도체를 "화합물 반도체"라고 한다.
GaN 및 SiC는 실리콘에 비해 더 넓은 밴드갭(Si: 1.1eV Vs SiC: 3.3eV Vs GaN: 3.4eV)을 가지므로 "와이드 밴드 갭 반도체" 라고도 한다.
실리콘(Si) 기반 트랜지스터에 비해 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)은
1). 3배의 넓은 밴드갭을 가지고 있으며,
2). 안정적으로 고온에서 동작,
3). 높은 열전도율,
4). 낮은 저항,
5). 높은 내전압 특성으로 전력 스위치 시 손실을 최소화 하며,
6). 빠른 스위칭,
7). 방열시스템 부피 축소 등의 장점을 갖고 있다.
기존의 실리콘(Si) 소재의 전력효율의 한계 및 환경오염을 대체하기 위한 질화갈륨(Gan:Gallium nitride,질화갈륨) 소재가 다시 한 번 주목받고 있다.
질화갈륨(GaN)이 중요한 이유는 무엇일까?
갈륨(원자 번호 31)과 질소(원자 번호 7)를 결합한 질화갈륨(GaN)은 단단한 육각형 결정 구조를 가진 와이드 밴드갭 반도체 재료이다.
질화 갈륨 (GaN)은 차세대 전력 반도체 기술로 기존 실리콘 칩보다 100 배 빠른 속도로 40 %의 에너지 절약과 3 배의 전력 밀도를 향상시킨다. 요약하면,
1). 에너지 비용 절감 : 작은 에너지로 실리콘 보다 효율적인 열관리,
2). 더 높은 전력밀도,
3). 더 높은 스위칭 주파수 : 노이즈개선에 우수하며, 무게와 부피를 엄청나게 감소,
4). 시스템 비용절감 : 실리콘 보다는 비용이 비싸지만, 10~20%정도 수준!이다.
질화갈륨(GaN)으로 제작된 반도체는 현재는 빠른 신호 전환과 적은 에너지 손실이라는 특성을 살려 소형 고속충전기, 더 높은 주파수에서 더 많은 대역폭을 요구하는 5G 통신 장치에 사용된다.
데이터 센터 트래픽이 가속화됨에 따라 전력을 효과적이고 효율적으로 처리하는 질화갈륨(GaN) 전력 반도체가 데이터 센터 서버에 사용되고 있다.
자동차 산업에서는 질화갈륨(GaN)은 하이브리드 및 전기 자동차의 전력 변환 및 배터리 충전을 위한 기술로 사용되고 있으며, 태양광 발전 설비에 사용되는 인버터와 모터 드라이브 및 기타 산업 응용 분야의 전력 변환 방식에서도 점점 더 많이 활용될 예정이다.
