파나소닉, 고전류 작동·낮은 턴온 전압 GaN 다이오드 개발

파나소닉이 일반 탄화규소(SiC) 다이오드에 비해 4배나 높은 고전류에서 작동이 가능한 것은 물론 낮은 턴온(turn-on) 전압으로 저전압에서도 작동하는 질화 갈륨(GaN) 다이오드를 개발했다고 발표했다.

다이오드 신제품 생산의 열쇠는 최근 개발된 하이브리드 구조다. 이 구조는 고전압 조건에 대비해 저전압 유닛과 고전류 지원 유닛으로 이뤄진 별도의 임베디드 구조로 구성돼 있다.

기존 실리콘(Si) 다이오드는 변환 손실 경감과 관련해 제한이 따른다. 반면 차세대 유망 파워 반도체로 간주되는 물질인 SiC와 GaN에 기반한 다이오드는 고전류 작동을 구현하기 위해 보다 큰 칩 면적을 필요로 하며 이로써 동작 주파수 증가가 야기돼 변환 손실과 사이즈 경감에 제약이 있다.

새로 제조된 GaN 다이오드는 고전류 작동과 낮은 임계 전압을 동시에 구현했으며 이로써 작은 칩 면적으로도 높은 전류를 처리할 수 있다. 이에 따라 칩의 정전용량을 줄여 낮은 변환 손실을 구현할 수 있으며 이에 힘입어 장치가 보다 높은 주파수에서 작동할 수 있도록 지원한다. 따라서 높은 전력을 요하는 자동차나 산업 장비의 전압 변환 회로 또는 인버터 회로에 GaN 다이오드를 사용할 경우 고주파수 작동에 힘입어 시스템 크기를 줄일 수 있다.

이번 신제품은 ▲고전류 작동(7.6kA/㎠, 약 4배) ▲낮은 턴-온 전압(0.8V) ▲낮은 온-저항(RonA)(1.3mΩ㎠, 약 50% 절감) 등의 이점을 제공한다.

파나소닉은 트렌치가 형성된 p타입 층과 GaN 다이오드의 하이브리드 구조를 제안했으며 고전류 작동과 낮은 턴-온 전압을 구현하는 것은 물론 1.6kV의 항복전압을 달성하기 위해 n타입 층 상의 p타입 층을 선택적으로 제거할 수 있는 공정 기술을 개발했다.

이 개발을 위해 파나소닉은 LED와 반도체 레이저에서 상용 적용되고 향후 전력 장치에도 적용될 것으로 예상되는 저저항 전도성 GaN 기판을 사용했다. 또한 다이오드 형성 전 GaN 기판 상의 에피택셜 성장(epitaxial growth)과 가공을 위한 기술을 확립했다. 전류가 수직 방향으로 흐르는 구조는 칩 면적 소형화와 낮은 저항 구현을 뒷받침한다.