로옴, 업계 최고 8V 게이트 내압 150V GaN HEMT 양산 체제 확립

로옴(ROHM)이 기지국·데이터 센터를 비롯한 산업기기 및 각종 사물 인터넷(IoT) 통신기기의 전원 회로용으로 업계 최고 수준인 8V까지 게이트 내압(게이트 - 소스 정격 전압)을 높인 150V 내압 GaN HEMT ‘GNE10xxTB 시리즈(GNE1040TB)’의 양산 체제를 확립했다. 

보통 GaN 디바이스는 저 ON 저항과 고속 스위칭 성능이 뛰어나, 각종 전원의 저소비 전력화 및 주변 부품의 소형화에 도움을 줄 디바이스로써 활용이 기대되고 있지만, 게이트 내압이 낮아 스위칭 시 디바이스 신뢰성에 대한 과제가 있었다.

신제품은 이러한 과제에 대응해 독자적 구조를 통해 게이트 - 소스 정격 전압을 6V에서 8V까지 높이는 데 성공했다. 이에 따라 스위칭 시 6V를 넘는 오버슈트 전압이 발생하더라도 디바이스가 열화하지 않으므로 전원 회로의 설계 마진 향상 및 고신뢰화에 기여한다. 또 대전류 대응 및 방열성이 우수하고 범용성이 높은 패키지로 제품화해 실장 공정에서 핸들링이 쉽다.

신제품은 올 3월 양산 체제를 확립했으며 생산 거점은 전공정 로옴 하마마츠(하마마츠), 후공정 로옴(교토)이다. 로옴은 저전력·소형화에 기여하는 GaN 디바이스를 ‘EcoGaN™’으로 라인업하고, 디바이스 성능을 더 높이기 위해 노력하고 있다.

로옴은 앞으로 ‘Nano Pulse Control을 비롯해 아날로그 전원 기술을 활용한 제어 IC 및 이런 기술을 탑재한 모듈 개발을 추진해 GaN 디바이스가 지닌 성능을 최대화하는 파워 솔루션을 제공, 지속 가능한 사회에 이바지해나갈 것이다.

◇개발 배경

최근 IoT 기기가 늘면서 수요가 확대되는 서버 시스템 등에서 전력 변환 효율 향상 및 장치 소형화가 중요한 사회적 과제 가운데 하나로 떠올라 파워 디바이스에 진화가 요구되고 있다.

로옴은 업계를 이끄는 SiC 디바이스 및 특징 있는 각종 실리콘 디바이스의 개발 및 양산을 추진하면서 각종 애플리케이션에 대해 더 폭넓은 파워 솔루션 제공이 가능한 중내압 영역에서 고주파 동작에 우수한 GaN 디바이스의 개발도 추진해 왔다.

△EcoGaN™

EcoGaN™은 로옴의 상표로 GaN이 지닌 낮은 ON 저항과 고속 스위칭 성능을 최대화해 △애플리케이션의 저소비 전력화 △주변 부품의 소형화 △설계 공수와 부품수 삭감을 모두 지향하는 저전력·소형화에 기여하는 로옴의 GaN 디바이스.

◇특징

1. 독자적 구조로 게이트 - 소스 정격 전압을 8V까지 확대

일반적인 200V 내압 이하 GaN 디바이스는 구조상 게이트 구동 전압 5V에 대해 게이트 - 소스 정격 전압이 6V라 해당 전압 마진이 1V로 매우 좁다. 디바이스의 정격 전압을 초과하면 열화·파괴 등 신뢰성 문제가 발생할 수 있어 게이트 구동 전압에는 높은 정밀도의 제어가 필요하므로 GaN 디바이스 보급의 큰 과제였다.

신제품은 이런 과제에 대응해 독자적 구조를 채용, 게이트 - 소스 정격 전압을 일반적인 6V에서 업계 최고인 8V까지 높이는 데 성공했다. 이에 따라 디바이스 동작 시 전압 마진을 확대, 스위칭 시 6V를 초과하는 오버슈트 전압이 발생해도 디바이스가 열화되지 않아 전원 회로의 고신뢰화에 기여한다.

2. 대전류 대응 및 방열성도 우수한 패키지 채용

신뢰성·실장성에 대한 실적이 확보된 대전류 대응 및 방열성이 우수하고, 범용성이 높은 패키지를 채용해 실장 공정에서 핸들링이 쉽다. 또 Cu 클립 접합의 패키지 기술을 사용해 기생 인덕턴스 값을 기존 패키지보다 55% 저감해 고주파 동작을 염두에 둔 회로 설계 시 디바이스 성능을 최대화한다.

3. 고주파수 대역에서 전원 효율 96.5% 이상의 고효율 실현

게이트 - 소스 정격 전압의 확대 및 낮은 인덕턴스 패키지를 채용해 디바이스 성능을 최대화, 1㎒의 고주파수 대역에서도 96.5% 이상의 효율을 실현하며 전원 기기의 고효율화 및 소형화에 기여한다.

애플리케이션 예

·데이터 센터 및 기지국 등 48V 입력 강압 컨버터 회로

·기지국 파워 앰프부의 승압 컨버터 회로

·LiDAR 구동 회로, 포터블 기기용 무선 충전 회로

·D급 오디오 앰프

◇용어 설명

[1] 게이트 - 소스 정격 전압(게이트 내압): 게이트 - 소스 사이에 인가할 수 있는 최대 전압. 동작에 필요한 전압을 구동 전압이라고 하며, 특정 임계치 이상의 전압을 인가하면 GaN HEMT는 ON 상태가 된다.

[2] GaN HEMT: GaN(질화 갈륨/갈륨 나이트라이드)는 차세대 파워 디바이스에 사용되는 화합물 반도체 재료다. 일반적인 반도체 재료인 실리콘보다 물성이 우수해 고주파 특성을 활용한 채용이 시작되고 있다. HEMT는 High Electron Mobility Transistor(고전자 이동도 트랜지스터)의 약칭이다.

[3] 오버슈트 전압: 스위칭 ON, OFF 시 규정 전압치를 초과하는 전압치가 발생하는 것.

[4] Nano Pulse Control™: 전원 IC에서 나노초(ns)의 스위칭 ON 시간(전원 IC의 제어 펄스폭)을 실현해 기존에는 2개 이상의 전원 IC로밖에 구성할 수 없던 고전압에서 저전압으로의 전압 변환을 ‘1개의 전원 IC’로 구성할 수 있는 초고속 펄스 제어 기술이다. Nano Pulse Control™은 로옴의 상표 또는 등록 상표다.