실리콘 대 질화 갈륨(GaN) 반도체: 특성 및 응용 비교
실리콘은 거의 60년 동안 반도체 기술의 기반이었습니다. 그러나 반세기가 넘는 기간 동안 엔지니어와 제조업체들은 실리콘 제조, 집적 회로 설계 및 반도체 응용 분야에서 큰 발전을 이루었습니다. Moore의 법칙은 연구자들이 실리콘 기반 반도체의 이론적 한계에 가까워지고 있음을 보여줍니다.
실리콘 반도체 기판이 일부 전자 애플리케이션에 적합하지만, 연구 과학자들과 반도체 제조업체들은 특정 애플리케이션을 위해 오랜 시간 동안 실리콘을 대체할 더 강력한 대안을 찾아왔습니다. 이러한 과학자들은 지난 수십 년 동안 다양한 성공을 경험했지만, 실리콘의 강력한 대안으로 떠오르는 것이 하나 있습니다: 갈륨 나이트라이드(GaN) 반도체입니다.
갈륨 나이트라이드 반도체 구조
질화 갈륨은 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD)을 사용하여 제조된 육방 정계 결정 구조의 반도체입니다. 이 과정에서 갈륨과 질소가 결합하여 결정을 형성합니다. 이 합성의 다양한 혼합물이 존재하지만, GaN 합성의 한 예는 질소 소스로 암모니아(NH3)를 사용하고 트라이메틸갈륨과 같은 갈륨 소스를 사용하는 것입니다.
GaN의 결정 구조는 균일성 문제를 가지고 있어 때때로 센티미터당 수백만 개의 결함에 도달합니다. 그러나 최신 MOCVD 기술은 센티미터당 결함 수를 100에서 1000 사이로 줄일 수 있었고, 이를 통해 더 큰 GaN 결정을 웨이퍼로 성장시키고 활용할 수 있습니다. 과학자들이 GaN을 낮은 오류 정도로 합성할 수 있을 때, 이 화합물은 반도체 응용에서 바람직한 특성을 부여하는 여러 독특한 결정 특성을 갖게 됩니다.
GaN의 밴드갭 이점 vs. 실리콘
질화 갈륨의 가장 큰 장점 중 하나는 실리콘에 비해 그 밴드갭이며, 이를 통해 고전력 애플리케이션에 적합한 다양한 전기적 특성을 제공합니다. 질화 갈륨의 밴드갭은 3.2 전자볼트(eV)이고, 실리콘의 밴드갭은 단지 1.1 eV입니다. GaN의 밴드갭은 실리콘의 거의 세 배에 해당하므로, 발렌스 전자를 반도체의 전도 밴드로 여는 데 훨씬 더 많은 에너지를 사용합니다. 이 특징은 GaN의 매우 저전압 애플리케이션 사용을 제한하지만, GaN은 더 높은 온도에서 더 큰 파괴 전압과 열적 안정성을 제공합니다.
GaN 항복 전계
GaN의 항복 전계는 3.3 MV/cm인 반면, 실리콘은 0.3 MV/cm입니다. 이는 갈륨 나이트라이드 반도체가 고전압 설계에서 고장을 일으키기 전에 실리콘보다 10배 더 높은 역량을 가짐을 의미합니다. 더 높은 항복 전계는 갈륨 나이트라이드가 고전압 회로, 예를 들어 고출력 제품에서 실리콘보다 우수하다는 것을 보여줍니다. 제조업체와 엔지니어는 또한 GaN을 유사한 전압 응용 분야에서도 사용할 수 있으며, 훨씬 작은 면적을 유지할 수 있습니다. 비교하여, 실리콘은 훨씬 더 높은 전력 밀도를 가지고 있습니다.
갈륨 나이트라이드 대 실리콘 전자 이동도
실리콘의 전자 이동도는 1500 cm²/Vs인데, 질화 갈륨의 전자 이동도는 2000 cm²/Vs입니다. 따라서, 질화 갈륨 결정 내의 전자는 실리콘의 전자보다 30% 이상 빠르게 이동할 수 있습니다. 이러한 전자 이동도는 질화 갈륨이 RF 부품에 사용될 때, 실리콘보다 더 높은 스위칭 주파수를 처리할 수 있는 뚜렷한 이점을 제공합니다.
열전도율 비교
갈륨 나이트라이드의 한 가지 단점은 실리콘에 비해 열전도성이 낮다는 것입니다. 갈륨 나이트라이드는 1.3 W/cmK의 열전도성을 가지며, 실리콘은 1.5 W/cmK의 열전도성을 가집니다. 갈륨 나이트라이드가 높은 열 부하를 처리하는 데 그렇게 잘 준비되어 있지 않을 수 있지만, GaN의 효율성은 유사한 전압에서 회로에 의해 생성되는 열 부하를 줄여 실리콘보다 더 낮은 온도로 작동할 수 있게 합니다. 이 열전도성 차이의 한 예로, EPC Corporation이 120V에서 12V 12A GaN FET와 MOSFET을 비교하여 전력 손실을 40% 감소시키는 시연을 보여줍니다. 결과적으로 GaN FET는 거의 10도 더 낮은 온도로 작동하며 에너지를 절약합니다.
실리콘 및 GaN 반도체의 제조 가능성
질화 갈륨의 기술적 장애물은 제조 공정입니다. 특히 실리콘의 널리 채택된 상품화된 제조 공정과 비교할 때 그렇습니다. 예를 들어, 질화 갈륨은 작은 면적에 엄청난 수의 결정 결함을 포함하고 있습니다. 비교하자면, 실리콘은 제곱 센티미터당 100개 이하의 결함을 포함할 수 있습니다. 이번 세기 이전에는 엔지니어들이 GaN 기판을 10억 개 이하의 결함으로 제조할 수 없었습니다.
분명히 대부분의 반도체 제조 설계 요구사항을 고려할 때, 면적당 이 많은 결함 수는 매우 비효율적입니다. 또한 결함 때문에 GaN 반도체 기판의 물리적 크기가 제한되었습니다. 새로운 제조 기술이 결함의 수를 보다 효율적인 숫자로 줄였지만, 동일한 양의 GaN 웨이퍼 생산 비용은 여전히 실리콘과 비교할 수 없습니다.
질화 갈륨이 실리콘보다 나은가요?
GaN은 반도체 응용 분야에서 실리콘에 비해 뚜렷한 장점을 가지고 있습니다. 갈륨 나이트라이드에는 두 가지 주요 장애물이 있습니다:
- 제조 시 결함 제어
- 비용 효과성 유지
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