GaN HEMT 구조, 2DEG가 고주파 고효율을 만드는 원리

주유소의 주유 노즐은 손잡이를 쥐고 있어야만 기름이 나옵니다. 손을 놓으면 밸브가 닫히니, 사고가 나도 기름이 계속 흐르지 않는 안전한 구조죠.

만약 손을 놓아도 열려 있는 노즐이 있다면 어떨까요. GaN HEMT 구조가 기본적으로 이런 성격을 띱니다. 게이트에 아무 전압도 걸지 않아도 전류가 흐르는 구조에서 출발하기 때문에, 이를 어떻게 꺼진 상태로 돌려놓느냐가 설계의 핵심입니다.

비유와 다른 점도 있습니다. 주유 노즐의 열린 상태는 설계자가 정한 것이지만 GaN의 경우는 결정이 만드는 전자층 때문에 저절로 생기는 성질입니다. 이 글에서는 그 전자층이 왜 생기는지부터 고주파에 유리한 이유와 약점까지, 구조를 따라 살펴보겠습니다.

GaN HEMT 구조, 층마다 맡은 역할

HEMT(High Electron Mobility Transistor, 고전자이동도 트랜지스터)는 서로 다른 반도체를 접합한 경계에 모인 전자의 이동도가 높다는 점을 이용한 소자입니다. 전력용 GaN HEMT는 보통 AlGaN과 GaN의 접합을 쓰며, 실리콘 MOSFET과 달리 전류가 표면 가까이를 가로로 흐르는 수평형 구조입니다.

수평형이라서 전극이 모두 윗면에 있고, 전류는 기판을 지나지 않습니다. 기판 방향으로 새는 누설과 전압은 버퍼층이 막아야 한다는 점에서, 버퍼의 설계가 곧 소자의 한계를 정합니다.

2DEG가 도핑 없이 생기는 이유, 분극의 역할

AlGaN과 GaN의 경계에는 불순물을 넣지 않았는데도 전자가 모입니다. 이 전자층을 2DEG(Two-Dimensional Electron Gas, 2차원 전자 가스)라 부르며, 한 면 위에 얇게 퍼져 면 방향으로만 움직이는 전자 집단입니다.

원인은 질화물 결정의 분극입니다. GaN과 AlGaN은 결정 구조가 위아래로 대칭이 아니어서, 외부 전기장이 없어도 내부에 전기 쌍극자가 정렬되는 자발 분극이 있습니다.

여기에 AlGaN은 GaN보다 격자 간격이 작은데도 GaN 위에서는 맞춰 늘어난 채로 자라 변형을 받고, 이 변형이 압전 분극을 더합니다. 두 층의 분극 차이가 경계에 고정된 양전하를 만들고, 이 양전하를 상쇄하려는 전자가 경계 GaN 쪽의 삼각형 모양 에너지 우물에 모입니다.

전자 밀도는 cm²당 10의 13승 개 안팎으로 높고, Al 조성이 높거나 배리어가 일정 두께까지 두꺼울수록 늘어납니다. 전자는 불순물이 들어간 영역이 아니라 비어 있는 GaN 쪽에서 움직이므로 불순물에 부딪혀 산란되는 일이 적고 이동도가 높습니다.

이것이 이름 속 ‘고전자이동도’의 근거입니다. 그리고 실리콘 MOSFET의 채널은 게이트 전압으로 만들어 내지만, 이 전자층은 결정이 스스로 만들어 둔다는 점이 이후의 모든 특징을 가릅니다.

기본으로 켜져 있는 소자, 노멀리 오프로 돌리는 방법

게이트 아래에도 2DEG가 이미 있으니 게이트 전압이 0 V일 때 전류가 흐릅니다. 이런 소자를 노멀리 온(Normally-on) 또는 공핍형이라 하며, 끄려면 게이트에 음전압을 걸어 전자층을 비워야 합니다.

전원 회로에서는 이 성질이 위험합니다. 구동 회로의 전원이 올라오기 전에 주 전원이 먼저 들어오면 스위치가 켜진 채라 단락 전류가 흐르고, 고장이나 전원 차단 때 안전하게 꺼진 상태로 가지 않기 때문입니다. 그래서 주유 노즐처럼 놓으면 닫히는 노멀리 오프(Normally-off) 동작이 요구됩니다.

첫 번째 방법은 p-GaN 게이트입니다. 게이트 아래 AlGaN 위에 p형으로 도핑한 GaN 층을 올리면 전도대가 끌어올려져 게이트 아래의 2DEG가 비워지고, 게이트에 양의 전압을 걸어야 전자층이 살아나 켜집니다. 문턱 전압이 낮은 양의 값이고 허용되는 게이트 전압의 폭이 좁으며, 게이트가 다이오드처럼 동작해 약간의 전류가 흐르는 점이 MOSFET과 다릅니다.

두 번째는 캐스코드(Cascode) 구성입니다. 노멀리 온인 고전압 GaN HEMT 아래에 저전압 실리콘 MOSFET을 직렬로 연결해, 게이트 구동은 실리콘 MOSFET이 맡습니다. 실리콘 MOSFET이 꺼지면 GaN의 소스 전위가 올라 GaN 게이트가 상대적으로 음이 되어 따라 꺼집니다.

캐스코드는 익숙한 게이트 구동을 쓸 수 있는 대신 패키지 안의 기생 인덕턴스가 늘고, 실리콘 MOSFET의 바디 다이오드가 역방향 전도와 역회복에 관여하는 약점이 있습니다. 이 밖에 게이트 절연막을 넣은 MIS 구조, 게이트 아래 배리어를 파내는 리세스 구조, 불소 이온을 주입해 문턱 전압을 올리는 방법도 연구되고 쓰입니다.

전류 붕괴, 스위칭 뒤에 온저항이 올라가는 현상

GaN HEMT에는 고전압으로 스위칭한 직후 온저항이 정적 값보다 커지는 전류 붕괴(Current Collapse, 동적 온저항) 현상이 있습니다. 꺼진 상태의 높은 전계에서 전자가 표면이나 버퍼의 트랩에 붙잡히고, 켜진 뒤에도 곧바로 놓여나지 못해 2DEG의 전자를 밀어내기 때문이라고 설명됩니다.

트랩이 풀리기까지의 시간이 길면 켜진 시간이 짧은 고주파 스위칭에서는 이 높은 저항이 평균 손실에 크게 반영됩니다. 그래서 데이터시트의 동적 온저항은 어떤 전압 스트레스 뒤 어느 시점에 측정한 값인지를 함께 봐야 합니다.

대책으로는 트랩이 적은 버퍼의 설계, 전계가 한곳에 몰리지 않도록 하는 필드 플레이트, 표면 패시베이션의 개선이 쓰입니다. 트랩을 완전히 없애기보다 영향이 허용 범위에 들어오게 만드는 쪽에 가깝습니다.

GaN HEMT 구조가 고주파에 강한 이유, 작은 전하량

스위칭 손실은 게이트를 충전하는 전하, 출력 커패시턴스를 충전하고 방전하는 에너지, 다이오드의 역회복에서 나옵니다. GaN HEMT는 이 세 가지가 모두 작은 편입니다.

첫째, 2DEG의 높은 이동도와 높은 전자 밀도 덕에 같은 온저항을 작은 면적으로 만들 수 있고, 면적이 작으면 게이트 전하와 출력 전하도 작아집니다. 둘째, 같은 항복 전압을 얇고 전계가 센 구조로 견디므로 소자 크기를 키울 필요가 줄어듭니다.

셋째, GaN HEMT에는 p-n 접합 바디 다이오드가 없습니다. 역방향 전류는 채널 자체로 흐르기 때문에 소수 캐리어에 저장된 전하가 없고 역회복 전하가 사실상 없습니다. 대신 역방향 도통 때의 전압 강하가 소자에 따라 실리콘 다이오드보다 클 수 있어서, 상하 스위치 사이의 데드타임을 짧게 잡아야 손실이 늘지 않습니다.

스위칭 주파수를 올릴 수 있으면 같은 리플 조건에서 인덕터와 변압기와 커패시터를 작게 만들 수 있어, 전원 장치가 작고 가벼워집니다. 그 대신 전압과 전류가 매우 빠르게 변하므로 게이트 루프와 전류 경로의 기생 인덕턴스가 만드는 전압 오버슈트와 오동작을 레이아웃으로 막아야 합니다.

실리콘 위의 GaN, 비용과 응력의 맞교환

전력용 GaN HEMT는 실리콘 웨이퍼 위에 GaN을 키우는 방식이 많이 쓰입니다. 이미 갖춰진 대구경 실리콘 웨이퍼와 설비를 쓸 수 있어 비용 면에서 유리하기 때문입니다.

하지만 GaN과 실리콘은 격자 간격이 17% 안팎으로 다르고 열팽창 계수도 다릅니다. GaN이 더 많이 수축하므로 고온에서 키운 뒤 식으면 웨이퍼가 휘고 막에 균열이 생기기 쉽습니다.

그래서 AlN 핵생성층과 조성을 단계적으로 바꾼 AlGaN 전이층, 초격자 같은 두꺼운 버퍼로 응력을 흡수합니다. 이 버퍼가 두꺼울수록 위아래 수직 방향으로 견디는 전압이 오르는 경향이 있는 반면 휨 관리는 어려워져서, 항복 전압과 휨이 맞교환 관계에 놓입니다.

고주파 증폭기처럼 열 방출이 중요한 용도에는 열전도가 좋은 SiC 기판 위에 GaN을 키우기도 하고, 순수한 GaN 기판 위에서 수직형 소자를 만드는 연구도 이어지고 있습니다. 어느 쪽을 쓸지는 용도와 비용이 정합니다.

GaN HEMT를 둘러싼 흔한 오해

첫째는 GaN은 SiC보다 모든 면에서 앞선다는 생각입니다. 수평형 구조와 버퍼의 한계 때문에 GaN은 수백 V 이하 영역과 고주파에서 강점이 크고, 더 높은 전압의 대전류 영역은 SiC가 맡는 경향이 있습니다.

둘째는 GaN HEMT의 게이트는 MOSFET과 똑같이 구동하면 된다는 이해입니다. p-GaN 게이트는 허용 전압이 좁고 게이트 전류가 흐르며 캐스코드는 구동 방식이 또 달라서, 소자마다 권장 구동 조건을 확인해야 합니다.

셋째는 노멀리 온이라서 전력용으로 쓸 수 없다는 이해입니다. 캐스코드로 묶거나 소자 자체를 노멀리 오프로 만드는 방법이 쓰이고, 보호 회로와 전원 시퀀스를 갖춰 노멀리 온 소자를 직접 구동하는 경우도 있습니다.

노멀리 오프 구현 방식 비교 표

구분	p-GaN 게이트	캐스코드	게이트 절연 리세스(MIS)
구조	게이트 아래에 p형 GaN 층	고전압 노멀리 온 GaN HEMT와 저전압 실리콘 MOSFET을 직렬 연결	게이트 부분의 배리어를 파내고 절연막 위에 게이트
문턱 전압	낮은 양의 값	실리콘 MOSFET의 문턱 전압을 따름	양의 값을 안정적으로 얻는 것이 과제
게이트 구동	허용 전압 폭이 좁고 게이트 전류가 흐름	일반 MOSFET과 비슷하게 구동	절연 게이트라 게이트 전류가 작음
장점	단일 소자라 기생 성분이 적음	익숙한 구동 회로를 그대로 사용	게이트 누설이 작음
주의점	게이트 과전압에 취약	직렬 연결의 기생 인덕턴스와 실리콘 MOSFET의 영향	계면 트랩과 문턱 전압 안정성

핵심 정리

GaN HEMT 구조의 핵심은 AlGaN과 GaN의 경계에서 분극이 만드는 2DEG입니다. 도핑 없이 생긴 고밀도 고이동도 전자층 덕에 작은 면적으로 낮은 온저항을 얻고, 게이트 전하와 출력 전하와 역회복 전하가 작아 고주파 스위칭에 유리합니다.

대신 전자층이 처음부터 있어 노멀리 온이라는 점, 스위칭 뒤 온저항이 오르는 전류 붕괴, 실리콘 위에서 키울 때의 응력이 약점입니다. 열려 있는 주유 노즐을 안전하게 닫는 장치가 p-GaN 게이트와 캐스코드라고 보면 되고, 다만 노즐과 달리 구동 전압의 여유가 좁다는 점도 함께 기억하세요.

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