자동차용 WBG 전력반도체 및 전력변환 모듈과 ETRI GaN 소자 기술

가. 연구개발 배경

전세계적으로 에너지 절감, CO₂ 규제, 환경오염에 대한 관심이 커지고 있는 가운데 전력반도체 소자 분야에서는 전기를 절약하기 위하여 고효율, 친환경의 전력반도체 소자에 대한 연구개발이 활발히 진행 중이다[1]. 전력반도체 소자는 응용분야와 내압 특성에 따라 개별소자, 집적회로 및 전력모듈 형태로 존재하며 산업분야에 따라 전력레벨이 다른 전력반도체 소자가 사용되는데, 특히 WBG(Wide Band-Gap) 화합물반도체는 SiC(Silicon Carbide), GaN(Gallium Nitride), 인공 다이아몬드 등 WBG 소재 기반의 소자로 제작하는 것을 지칭하는 것으로, 기존의 실리콘 전력반도체와 비교하여 열 특성 향상, 스위칭 속도 강화, 고전압/고전류 가능 및 스위칭 손실 최소화 등이 가능한 장점을 가진다.

전력변환 장치에서 발생하는 손실 중 전력반도체의 스위칭 손실과 도통 손실의 비중이 가장 크고, 기존의 실리콘 계열의 스위칭 소자는 이미 그 한계에 근접해 있으며, 물성적으로 이를 극복하기 위해서 나온 것이 화합물 반도체 소자를 이용한 전력변환 모듈 기술로의 전환점을 맞이하게 된 그 기술적 배경이다. GaN이나 SiC로 제작된 소자를 이용할 경우, 기존의 실리콘 전력반도체보다 온-저항(On-Resistance)을 크게 낮출 수 있고 또한, 높은 스위칭 주파수 특성으로 인해 인덕터나 커패시터의 크기를 감소시킬 수 있어서 (그림 1)과 같이 궁극적으로 전력변환 모듈의 부피를 줄이고, 높은 온도에서도 동작하는 고온 동작의 특성으로 인해 전력변환 모듈의 냉각시스템을 또한 크게 줄일 수 있는 특징이 있다.

(그림 1)

Si 전력소자와 GaN 전력소자의 크기 비교

<표 1>은 화합물 반도체를 이용하여 DC-DC, AC-DC, 그리고 DC-AC 전력변환을 하였을 때, 기존의 실리콘 전력반도체를 이용한 경우와 WBG 전력반도체를 이용한 경우의 효율을 비교한 것이다[2].

<표 1>

Si 소자 대비 WBG 소자를 적용한 전력변환 모듈의 효율 특성 개선율[2]

자동차에 있어서 반도체 소자가 차량 가격에서 차지하는 부분이 1970-1980년대에는 전체 차량 가격의 1% 이하였지만, 2015년도에는 40%까지 비중이 늘어날 것 예상되고 있으며, 2012년도 자동차 반도체 구입 비용은 현대기아자동차의 글로벌 판매대수가 700만대인 것을 감안하면, 약 2.45조원 규모이고, (그림 2)에서 알 수 있듯이 전세계 차량용 반도체 시장은 2016년도에 306억불 정도일 것으로 예상하고 있다[3]. 이와 같이 앞으로 더욱 시장이 커질 것으로 예상되는 차량용 반도체 시장은 현재까지 외국 전력반도체 업체가 독점하고 있는 상황이며 우리나라는 이에 대한 대책 마련과 연구개발이 더욱 필요한 시점이라고 할 수 있다.

(그림 2)

차량용 반도체 시장에서의 기업별 점유율

(그림 3)은 HEV(Hybrid Electric Vehicle)/EV(Electric Vehicle) 등 친환경 자동차시장의 생산 차량 증가율을 나타내는 그래프이다. 2020년대는 약 4천 5백만대 정도가 생산될 것으로 전망하고 있다[3].

(그림 3)

HEV/EV 자동차시장의 생산 차량 연 증가율[2]

(그림 4)는 전력전자분야에서 전력반도체 소자의 항복전압 특성에 따른 시장의 점유 비율을 나타내는 도표이다. (그림 4)에서 알 수 있듯이 900V 이하의 응용분야가 전체 시장의 80% 정도를 차지하고 있음을 알 수 있다[2]. 따라서 900V 이하의 응용이 가능한 전력반도체 개발이 우선적으로 필요함을 알 수 있다.

(그림 4)

전력전자 분야에서 항복전압 범위에 따른 시장 분포 비율[2]

나. 자동차업계의 전력반도체 기술개발

1) 도요타 자동차의 전력반도체 소자 기술

세계 최대 자동차 메이커 중의 한 곳인 도요타 자동차는 (그림 5)와 같이 자동차 내부의 PCU(Power Control Unit)에 사용되는 전력모듈, 즉 기존 실리콘 기반의 전력반도체 소자 및 전력모듈을 1200V 레벨로 적용하게 되면, 발열량이 급격히 증가하고, 온-오프 스위칭 시의 문제점인 잔류 전류(Tail Current)로 인하여 전력 손실과 열이 발생하는 것을 극복하기 위해서 실리콘 기반의 소자 대신 차세대 화합물 전력반도체인 SiC를 적용하는 기술을 공격적으로 연구개발하고 있다[4].

(그림 5)

기존의 Si 전력반도체와 SiC 전력반도체의 통전 손실 및 스위칭 손실 비교[4]

(그림 6)은 도요타 자동차에서 개발한 SiC 트랜지스터와 다이오드 웨이퍼를 보여주며, (그림 7)은 SiC 전력반도체를 제작하기 위해 2013년 12월에 설치한 도요타 히로세 플랜트의 SiC 전력반도체 개발용 클린룸이다.

(그림 6)

도요타 자동차의 SiC 트랜지스터와 다이오드 웨이퍼

(그림 7)

도요타의 SiC 전력반도체 개발용 클린룸

(그림 8)은 SiC를 이용하여 PCU를 제작할 경우, 기존의 실리콘 기반의 소자를 이용하였을 경우에 비해서 80% 정도의 부피를 줄일 수 있는 장점을 보여주고 있다.

(그림 8)

Si 전력소자와 SiC 전력소자를 적용한 PCU 크기 비교

2) Bosch사의 자동차용 양방향 컨버터 기술

(그림 9)는 Bosch사가 HEV에서 곧 상용화 되어야 할 기술로 예견하고 있는 자동차의 BRS(Boost Recuperation System)에서 양방향 DC-DC 컨버터 기술을 설명하는 것으로, BRS 시스템의 적용에 의해 제동 시, 에너지 충전(연료 절감) 및 배기가스를 감소시키는 효과가 있고, 가속 시에 연소엔진(Combustion Engine)에 에너지를 지원하여 엔진 가속화에 필요한 에너지를 공급해 주는 역할을 양방향으로 할 수 있는 기술에 대한 설명이다[5].

(그림 9)

Bosch사의 BRS 시스템에 필요한 자동차용 14V/48V 양방향 DC-DC 컨버터[5]

(그림 10)은 12V/48V 양방향 전원공급시스템의 구성과 전기적 부하를 나타내는 그림으로 자동차의 po-wer net에서 양방향 DC-DC 컨버터 시스템의 도입 필요성을 본 그림으로 알 수 있다.

(그림 10)

12V/48V 양방향 전원공급시스템 구성과 전기적 부하

그리고, 미국의 경우는 에너지와 비용절감을 위해서는 WBG 반도체가 필요하며, 이를 위해 18개 민간기업과 7개 대학, 연구소, 정부기관이 참여하는 차세대 전력전자 혁신 연구소(NGPEII: Next Generation Power Electronics Innovation Institute)를 설립하여 에너지 효율과 성능이 우수하고 저렴한 WBG 전력반도체 개발에 주력할 예정이다. 향후 5년간 에너지부(DOE: Department of Energy)가 7천만불, 민간이 7천만불의 총 1억 4천만불을 투자하여 활발히 연구개발에 매진할 것으로 예상된다.

가. EPC

EPC사는 GaN FET(Field Effect Transistor)를 최초로 상용화한 회사이고, (그림 11)과 같은 구조로 소자의 항복전압이 200V 이하인 비교적 낮은 전압의 제품을 제공하고 있다. 2014년도에 EPC는 ‘GaN Ambition’이라 는 기사를 통하여 고효율의 GaN FET는 향후의 무선 전력전송(Wireless Power Transfer) 분야에서 크게 기여할 것으로 예측하고 있으며, 이를 설명한 것이 (그림 12)이다. 특히 GaN과 SiC의 전력소자로, 대략 600V 이상은 SiC, 600V 이하는 GaN 소자가 각각 큰 역할을 할 것으로 보고하고 있다. 또한 GaN 소자도 보다 높은 항복전압의 영역을 점유하기 위해서는 현재의 수평형(Lateral Type)이 아닌, Bulk-GaN을 이용한 수직형(Vertical Type)의 소자 연구개발로 방향을 바꾸어야 한다고 주장하고 있다[6].

(그림 11)

EPC의 Normally-off GaN FET

(그림 12)

EPC사의 고효율 normally-off FET를 이용한 무선 전력전송 적용 분야 설명도

나. Transphorm

(그림 13)은 Transphorm사의 캐스코드형 GaN FET를 소개하는 그림으로 고전압(HV: High Voltage) GaN FET와 저전압(LV: Low Voltage) Si MOSFET를 조합하여 Normally-On GaN FET 소자를 Normally-Off 소자로 동작시키기 위해서 소스(Source)측에 저전압 Si MOSFET를 연결하여 Si MOSFET로서 ON-OFF를 제어하는 방식을 소개하고 있다[7].

(그림 13)

Transphorm사의 600V GaN 캐스코드 FET 구조

(그림 14)는 Transphorm사의 GaN FET와 Si CoolMOS 소자의 175℃에서 항복전압을 측정한 그래프로써, GaN FET가 Si CoolMOS에 비해 고온 동작에서의 항복전압 특성이 월등히 우수함을 보여주고 있다.

(그림 14)

Transphorm사의 GaN FET와 Si CoolMOS 소자의 175℃에서 항복전압 특성

다. GaN Systems

(그림 15)는 GaN Systems사의 2~5kW급 고효율 부스트 컨버터를 나타내는 그림으로, GaN FET를 사용하여 (그림 16)과 같이 2~5kW의 출력에서 98.5%이상의 효율을 보여주고 있다[8].

(그림 15)

GaN Systems사의 2~5kW급 부스트 컨버터

(그림 16)

GaN Systems사 부스트 컨버터의 2~5kW 출력에서의 효율 특성 그래프

라. 국외업체의 GaN 전력소자 기술개발 현황

(그림 17)은 현재 가장 활발히 GaN 트랜지스터와 다이오드의 개발에 박차를 가하고 있는 외국기업과 그들이 출시하고자 하는 GaN 전력소자의 전류, 전압의 특성을 함께 나타낸 것으로, 항복전압 600V급이 주류를 이루고 있음을 알 수 있다[2]. 그리고 대부분의 제품 출시 시기가 2012-2013년에 집중되어 있으나, 아직은 시제품 단계이며 EPC사 등을 제외한 대부분의 기업에서 캐스코드형 GaN FET를 출시하고 있는 상황이다.

(그림 17)

GaN 다이오드 및 트랜지스터 개발 중인 업체 및 개발사양[2]

(그림 18)은 현재 상용화에 가장 근접해 있는 기업들의 GaN 트랜지스터 및 다이오드의 패키징된 형태의 시제품 사진들을 보여준다.

(그림 18)

2014년 현재, 상용화에 가장 근접한 GaN 트랜 지스터 및 다이오드 업체 및 패키징된 시제품

가. GaN SBD 기술

본 절에서는 현재 ETRI에서 연구개발 중인 GaN 전력소자로, GaN SBD(Schottky Barrier Diode)에 대하여 먼저 소개를 하고자 한다. (그림 19)는 3mm × 3mm의 GaN SBD의 제작된 사진 모습((그림 19) (a))과 패키징 된 소자((그림 19) (b))를 나타내고 있다. 그리고 ((그림 20) (a))는 DC 모드(파란선)와 80μ sec 펄스 폭의 펄스 모드(노란선)로 측정된 다이오드의 순방향 특성을 나타내는 그래프이고, ((그림 20) (b))는 그때의 온-저항 값을 나타내는 그래프이다. DC 모드 측정에 비해 펄스 모드로 측정하면 소자에서 발생하는 열이 감소하여 열로 인한 소자의 특성열화가 작아져서 전류는 커지고 온-저항은 작아지는 현상이 나타난다.

(그림 19)

ETRI에서 개발하고 있는 GaN SBD 칩과 패키징된 소자

(그림 20)

제작된 GaN SBD의 측정 결과(DC 모드: 파란색 선, 펄스 모드: 노란색 선, 빨간색 점)

(그림 21)은 GaN SBD의 Anode와 Cathode 사이의 간격에 따른 역방향 항복전압 특성을 변화를 나타내는 그래프이다. (그림 21)에서 알 수 있듯이 Anode와 Cathode 간격이 늘어날수록 역방향 항복전압도 증가함을 알 수 있다. 역방향 항복전압을 크게 하기 위해서는 Anode와 Cathode 사이의 간격을 크게 하면 되지만 간격이 늘어날수록 순방향 특성인 Anode와 Cathode 간의 저항이 커지게 되어 순방향 전류의 감소를 가져오게 되므로 최적화할 필요가 있다.

(그림 21)

GaN SBD의 Anode와 Cathode 사이의 간격에 따른 항복전압 비교

나. GaN FET 기술

1) 캐스코드형 GaN FET

(그림 22)는 현재 ETRI가 개발 중인 GaN FET로, Normally-Off 동작을 위해 GaN Normally-On FET와 Si Normally-Off MOSFET(트리노)를 이용하여 패키징 한 캐스코드형의 GaN 트랜지스터와 이를 Tektronix사의 370A Curve Tracer에 장착하여 DC I-V 특성을 측정한 결과를 보여준다.

(그림 22)

캐스코드형 ETRI GaN FET 소자 및 DC 측정 사진

(그림 23)은 Normally-On GaN FET와 캐스코드형 GaN FET 제작 후 측정한 결과를 보여준다.

(그림 23)

Normally-On GaN FET와 캐스코드형 GaN FET 소자의 측정 결과

2) Normally-Off GaN FET

(그림 24)는 Normally-Off 동작을 위해 리세스 공정을 이용하여 현재 개발 중인 GaN FET 소자의 단면을 나타내는 그림이고, 20nm 두께의 AlGaN층의 액티브 영역을 건식 식각하여 7nm, 3nm, 그리고 완전히 제거한 후의 전기적인 문턱전압(Threshold Voltage)이 양(+)전압 영역으로 얼마나 이동 되었는지를 나타낸 그래프가 (그림 25)이다. (그림 25)에서 알 수 있듯이 게이트 리세스를 많이 할수록 문턱 전압이 양(+)의 방향으로 이동하는 것을 알 수 있으며 전류 밀도는 감소하는 경향으로 나타난다.

(그림 24)

Normally-off GaN FET 제작을 위해 리세스 공정을 적용한 소자의 단면도

(그림 25)

Normally-off GaN FET 소자의 리세스 공정을 적용 후의 턴 온 전압의 변화 그래프

3) GaN 부스트 컨버터

현재 ETRI는 캐스코드형 GaN FET와 GaN SBD를 이용하여 약 200V 입력 전압을 약 380V로 승압하는 DC-DC 부스트 컨버터를 (그림 26)과 같이 설계하여 시제품을 ((그림 27) (a))와 같이 제작하였다. ((그림 27) (b))는 제작한 부스트 컨버터의 효율을 측정하고 평가하는 측정환경을 보여주고 있다. DC-DC 부스트 컨버터에 사용된 ETRI GaN FET와 페어차일드사의 Si MOSFET을 조합한 캐스코드형 GaN FET 소자의 성능평가가 진행 중에 있으며 2015년도 상반기에 그 사양에 대한 발표를 앞두고 연구개발을 진행하고 있다.

(그림 26)

ETRI 캐스코드형 GaN FET를 사용하여 설계한 DC-DC 부스터 컨버터 회로도

(그림 27)

제작된 DC-DC 부스트 컨버터 및 측정환경

그리고 (그림 28)은 현재 ETRI의 GaN 전력 반도체 기술 관련하여 에피 소재 기술부터 컨버터/인버터 등 응용시스템까지의 넓은 기술영역을 포괄적으로 연구하는 모습을 나타내는 구성도이다.

(그림 28)

ETRI의 GaN 전력반도체 기술 관련 개발 중인 기술영역 및 구성도