150V GaN HEMT, 업계 최고※ 8V 게이트 내압 기술 개발 GaN 디바이스의 게이트 내압 과제를 해결하여, 기지국 및 데이터 센터용 전원의 저소비전력화와 소형화에 기여
2021년 4월 8일
※2021년 4월 8일 현재 로옴 조사
＜개요＞
로옴 주식회사 (본사 : 교토)는 산업기기 및 통신기기를 비롯한 각종 전원 회로용으로 150V 내압의 GaN HEMT※1 (이하, GaN 디바이스)의 업계 최고 8V 게이트 내압 (게이트 - 소스 정격전압)※2 기술을 개발하였습니다. GaN 디바이스는 실리콘 디바이스 대비 저 ON 저항치와 고속 스위칭 성능이 우수하여, 기지국이나 데이터 센터 등 각종 스위칭 전원의 저소비전력화 및 소형화에 기여하는 디바이스로서 활용이 기대되고 있습니다. 그러나, 게이트 - 소스 정격전압이 낮아, 스위칭 시에 정격을 넘는 오버슈트 전압이 발생하는 경우가 있어, 디바이스의 신뢰성에 큰 과제가 있었습니다. 로옴은 독자적인 구조를 통해 게이트 - 소스 정격전압을 일반적인 6V에서 8V로 높이는데 성공하였습니다. 이에 따라, 고효율이 요구되는 GaN 디바이스 채용 전원 회로의 설계 마진 향상 및 고신뢰성화가 가능하게 되었습니다. 또한, 낮은 기생 인덕턴스로 디바이스의 성능을 최대화시킴과 동시에, 기판 실장이 용이하고 방열성도 우수한 전용 패키지를 개발함으로써, 기존의 실리콘 디바이스를 대체하여 사용할 때나 실장 공정에서의 핸들링이 용이합니다. 앞으로도 로옴은 본 기술을 사용한 GaN 디바이스의 개발을 가속화하여, 2021년 9월 제품 샘플을 출하할 예정입니다.
최근, IoT 기기의 증가에 따라 수요가 확대되고 있는 서버 시스템 등에 있어서, 전력 변환 효율 향상 및 장치의 소형화가 중요한 사회적 과제로 대두되고 있으며, 이에 따라 파워 디바이스의 진화가 한층 더 요구되고 있습니다. 로옴은 업계를 리드하는 SiC 디바이스 및 특징 있는 각종 실리콘 디바이스의 개발 및 양산을 추진함과 동시에, 중내압 영역에서의 고주파 동작이 우수한 GaN 디바이스의 개발도 추진하고 있습니다. 이번에 기존 GaN 디바이스의 오랜 과제였던 게이트 - 소스 정격전압을 높이는 기술을 개발함으로써, 각종 어플리케이션에 대해 더욱 폭넓은 파워 솔루션 제안이 가능하게 되었습니다.
＜개발품 GaN 디바이스의 특징＞
로옴이 제품화를 추진하는 개발품 GaN 디바이스는 하기와 같은 특징이 있습니다.
1. 독자적인 구조로 게이트 - 소스 정격전압을 8V까지 확대
일반적인 200V 내압 이하의 GaN 디바이스는 게이트 구동 전압이 5V인 반면 게이트 - 소스 정격전압은 6V이므로, 전압 마진이 1V로 매우 적습니다. 디바이스의 정격전압을 초과하게 되면, 열화나 파괴 등 신뢰성에 관한 문제가 발생할 가능성이 있어, 게이트 구동 전압에는 고정밀도 제어가 필요하므로, GaN 디바이스 보급의 큰 과제로 대두되고 있습니다. 로옴은 이러한 과제에 대해, 독자적인 구조를 채용함으로써, 게이트 - 소스 정격전압을 일반적인 6V에서 업계 최고인 8V로 높이는데 성공하였습니다. 이에 따라 디바이스 동작 시의 전압 마진이 3배가 되어, 스위칭 시에 6V를 초과하는 오버슈트 전압이 발생하는 경우에도 디바이스가 열화되지 않으므로, 전원 회로의 고신뢰화에 기여합니다.
2. 기판 실장이 용이하고 방열성도 우수한 패키지 채용
본 GaN 디바이스는, 신뢰성 및 실장성에 대한 실적이 확립된, 방열성이 우수하고 범용성이 높은 패키지를 채용하였습니다. 따라서 기존 실리콘 디바이스를 대체하여 사용하는 경우나, 실장 공정에서의 핸들링이 용이합니다. 또한, Cu 클립 접합의 패키지 기술을 사용하여 기생 인덕턴스 값을 기존 패키지에서 55% 저감함으로써, 고주파 동작을 전재로 한 회로 설계 시에 디바이스의 성능을 최대화시킬 수 있습니다.
3. 실리콘 디바이스 대비, 스위칭 손실 65% 저감
본 GaN 디바이스는 게이트 - 소스 정격전압의 확대 및 낮은 인덕턴스 패키지를 채용하여, 디바이스의 성능을 최대화시킴으로써, 실리콘 디바이스 대비 약 65%의 스위칭 손실 저감을 실현하였습니다.
＜어플리케이션 예＞
・데이터 센터 및 기지국 등의 48V 입력 강압 컨버터 회로 ・기지국 파워 앰프부의 승압 컨버터 회로 ・D급 오디오 앰프 ・LiDAR 구동 회로, 포터블 기기용 무선 충전 회로
＜용어 설명＞
※1 : GaN HEMT GaN (질화 갈륨 / 갈륨 나이트라이드)이란, 차세대 파워 디바이스에 사용되는 화합물 반도체 재료. 일반적인 반도체 재료인 실리콘에 비해 물성이 우수하여, 고주파 특성을 활용한 채용이 시작되고 있다. HEMT란, High Electron Mobility Transistor (고전자 이동도 트랜지스터)의 약칭이다.
※2 : 게이트 - 소스 정격전압 (게이트 내압) 게이트 - 소스 사이에 인가할 수 있는 최대 전압. 동작에 필요한 전압을 구동 전압이라고 하며, 특정 임계치 이상의 전압을 인가하면, GaN HEMT는 동작된 상태가 된다.
150V GaN HEMT, 업계 최고※ 8V 게이트 내압 기술 개발
GaN 디바이스의 게이트 내압 과제를 해결하여,
기지국 및 데이터 센터용 전원의 저소비전력화와 소형화에 기여
2021년 4월 8일
※2021년 4월 8일 현재 로옴 조사
＜개요＞
로옴 주식회사 (본사 : 교토)는 산업기기 및 통신기기를 비롯한 각종 전원 회로용으로 150V 내압의 GaN HEMT※1 (이하, GaN 디바이스)의 업계 최고 8V 게이트 내압 (게이트 - 소스 정격전압)※2 기술을 개발하였습니다.
GaN 디바이스는 실리콘 디바이스 대비 저 ON 저항치와 고속 스위칭 성능이 우수하여, 기지국이나 데이터 센터 등 각종 스위칭 전원의 저소비전력화 및 소형화에 기여하는 디바이스로서 활용이 기대되고 있습니다. 그러나, 게이트 - 소스 정격전압이 낮아, 스위칭 시에 정격을 넘는 오버슈트 전압이 발생하는 경우가 있어, 디바이스의 신뢰성에 큰 과제가 있었습니다.
로옴은 독자적인 구조를 통해 게이트 - 소스 정격전압을 일반적인 6V에서 8V로 높이는데 성공하였습니다. 이에 따라, 고효율이 요구되는 GaN 디바이스 채용 전원 회로의 설계 마진 향상 및 고신뢰성화가 가능하게 되었습니다. 또한, 낮은 기생 인덕턴스로 디바이스의 성능을 최대화시킴과 동시에, 기판 실장이 용이하고 방열성도 우수한 전용 패키지를 개발함으로써, 기존의 실리콘 디바이스를 대체하여 사용할 때나 실장 공정에서의 핸들링이 용이합니다.
앞으로도 로옴은 본 기술을 사용한 GaN 디바이스의 개발을 가속화하여, 2021년 9월 제품 샘플을 출하할 예정입니다.
＜배경＞
최근, IoT 기기의 증가에 따라 수요가 확대되고 있는 서버 시스템 등에 있어서, 전력 변환 효율 향상 및 장치의 소형화가 중요한 사회적 과제로 대두되고 있으며, 이에 따라 파워 디바이스의 진화가 한층 더 요구되고 있습니다.
로옴은 업계를 리드하는 SiC 디바이스 및 특징 있는 각종 실리콘 디바이스의 개발 및 양산을 추진함과 동시에, 중내압 영역에서의 고주파 동작이 우수한 GaN 디바이스의 개발도 추진하고 있습니다. 이번에 기존 GaN 디바이스의 오랜 과제였던 게이트 - 소스 정격전압을 높이는 기술을 개발함으로써, 각종 어플리케이션에 대해 더욱 폭넓은 파워 솔루션 제안이 가능하게 되었습니다.
＜개발품 GaN 디바이스의 특징＞
로옴이 제품화를 추진하는 개발품 GaN 디바이스는 하기와 같은 특징이 있습니다.
1. 독자적인 구조로 게이트 - 소스 정격전압을 8V까지 확대
일반적인 200V 내압 이하의 GaN 디바이스는 게이트 구동 전압이 5V인 반면 게이트 - 소스 정격전압은 6V이므로, 전압 마진이 1V로 매우 적습니다. 디바이스의 정격전압을 초과하게 되면, 열화나 파괴 등 신뢰성에 관한 문제가 발생할 가능성이 있어, 게이트 구동 전압에는 고정밀도 제어가 필요하므로, GaN 디바이스 보급의 큰 과제로 대두되고 있습니다.
로옴은 이러한 과제에 대해, 독자적인 구조를 채용함으로써, 게이트 - 소스 정격전압을 일반적인 6V에서 업계 최고인 8V로 높이는데 성공하였습니다. 이에 따라 디바이스 동작 시의 전압 마진이 3배가 되어, 스위칭 시에 6V를 초과하는 오버슈트 전압이 발생하는 경우에도 디바이스가 열화되지 않으므로, 전원 회로의 고신뢰화에 기여합니다.
2. 기판 실장이 용이하고 방열성도 우수한 패키지 채용
본 GaN 디바이스는, 신뢰성 및 실장성에 대한 실적이 확립된, 방열성이 우수하고 범용성이 높은 패키지를 채용하였습니다. 따라서 기존 실리콘 디바이스를 대체하여 사용하는 경우나, 실장 공정에서의 핸들링이 용이합니다. 또한, Cu 클립 접합의 패키지 기술을 사용하여 기생 인덕턴스 값을 기존 패키지에서 55% 저감함으로써, 고주파 동작을 전재로 한 회로 설계 시에 디바이스의 성능을 최대화시킬 수 있습니다.
3. 실리콘 디바이스 대비, 스위칭 손실 65% 저감
본 GaN 디바이스는 게이트 - 소스 정격전압의 확대 및 낮은 인덕턴스 패키지를 채용하여, 디바이스의 성능을 최대화시킴으로써, 실리콘 디바이스 대비 약 65%의 스위칭 손실 저감을 실현하였습니다.
＜어플리케이션 예＞
・데이터 센터 및 기지국 등의 48V 입력 강압 컨버터 회로
・기지국 파워 앰프부의 승압 컨버터 회로
・D급 오디오 앰프
・LiDAR 구동 회로, 포터블 기기용 무선 충전 회로
＜용어 설명＞
※1 : GaN HEMT
GaN (질화 갈륨 / 갈륨 나이트라이드)이란, 차세대 파워 디바이스에 사용되는 화합물 반도체 재료. 일반적인 반도체 재료인 실리콘에 비해 물성이 우수하여, 고주파 특성을 활용한 채용이 시작되고 있다.
HEMT란, High Electron Mobility Transistor (고전자 이동도 트랜지스터)의 약칭이다.
※2 : 게이트 - 소스 정격전압 (게이트 내압)
게이트 - 소스 사이에 인가할 수 있는 최대 전압.
동작에 필요한 전압을 구동 전압이라고 하며, 특정 임계치 이상의 전압을 인가하면, GaN HEMT는 동작된 상태가 된다.
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