GaN HEMT란?
GaN HEMT의 HEMT란, High Electron Mobility Transistor의 약자로, 고전자 이동도 트랜지스터입니다.
고전자 이동도 트랜지스터는 높은 전자 이동도를 지닌 반도체 재료를 사용한 트랜지스터로, 고속 스위칭 (고주파 동작)이 가능해집니다.
GaN HEMT의 구조
Si MOSFET의 구조는 종형 구조이지만, GaN HEMT는 횡형 구조를 채용하고 있습니다.
Si 기판 상에 GaN을 결정 성장시키고, AlGaN (질화 알루미늄 갈륨) 층을 형성시킵니다.
GaN 상에 박막 AlGaN을 성장시키면, 압전 효과에 의해 계면에 많은 전자가 집중되어 높은 이동도의 2차원 전자 가스 (2DEG : 2Dimensional Electron Gas) 층을 형성합니다.
이 층을 전류 경로로 활용합니다.
기판의 사이즈 UP이 다른 재료보다 용이하여, 대량 생산에 적합하기 때문에 Si 기판이 채용되고 있습니다.
그러나, GaN과 Si는 열 팽창 계수의 차가 크기 때문에 결정 성장 후 온도 저하 시 큰 응력이 발생하여 기판에 크랙이 발생할 우려가 있습니다.
이러한 응력을 완화시키기 위해, 사이에 Buffer 층을 형성하고 있습니다.
스위칭 손실
Si MOSFET에 비해, GaN HEMT는 대폭적인 스위칭 손실 저감을 실현하였습니다.
GaN HEMT를 사용함으로써 스위칭 손실을 대폭 삭감할 수 있어, 전원 시스템의 고효율화가 가능해집니다.
Si MOSFET에 비해,
GaN HEMT는 스위칭 손실을 대폭 저감할 수 있습니다.
기타 특성 비교
파워 디바이스인 Si SJ (Super Junction) MOSFET, SiC MOSFET, GaN HEMT의 일반적인 특성 (650V 전압대)을 비교하여 하기 표와 같이 정리하였습니다.
GaN HEMT의 경우, 적용 범위인 중내압, 중전력 영역에서 스위칭 특성이 매우 우수합니다.
| Si SJ MOSFET | SiC MOSFET | GaN HEMT | |
|---|---|---|---|
| 비교 내압 | 650V | 650V | 650V |
| 대전류 대응 | 〇 | 〇 | △ |
| 고속 스위칭 특성 | △ | 〇 | ◎ |
| Ron・Qg*1 | 1*2 | 0.63 | 0.1 |
| 스위칭 속도 | 1*2 | 2 | 10 |
| Qrr*3 | 0.73μC | 0.25μC | 0nC |
*1 : 스위칭 성능을 나타내는 지표. 이 수치가 낮을수록 스위칭 성능이 우수하다.
*2 : Si SJ MOSFET의 Ron·Qg와 스위칭 속도를 1로 가정한다.
*3 : GaN HEMT는 드레인 - 소스 사이에 기생 PN 접합이 존재하지 않는 구조를 채용하여, 역도통 시의 전하 축적은 「0」이 된다.
