전력 전자공학의 미래는 산화갈륨의 사용에 달려 있습니다

전력 전자 부품은 인버터, 전기 모터 및 전원 공급 장치를 통해 전기를 보내는 역할을 하며, 이상적으로는 고전압을 처리할 수 있는 저렴하고 효율적인 재료를 사용합니다. 실리콘은 다이오드와 트랜지스터를 만드는 데 사용되는 주요 재료이지만 가장 효과적인 것은 아닙니다. 일본 스타트업인 Flosfia는 최근 산화갈륨이 이 작업에 가장 적합한 재료가 될 수 있다는 사실을 발견했습니다. 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)은 효율적이지만 높은 비용으로 인해 재료의 성공이 제한적이었습니다. 갈륨 산화물을 사용하는 Flosfia의 다이오드는 이미 효율성 측면에서 SiC 및 GaN으로 만든 다이오드보다 성능이 뛰어납니다.


산화 갈륨 전력 전자 장치가 경쟁사보다 성공할 수 있었던 이유는 질화 갈륨보다 약 3.4eV 더 높고 탄화 규소보다 3.3eV 더 높은 5전자 볼트 밴드갭으로 구성된 재료와 관련이 있습니다. 밴드갭은 전자를 전도 상태로 만드는 데 필요한 에너지를 측정합니다. 밴드갭이 클수록 재료는 더 강한 전기장을 견딜 수 있으므로 주어진 전압에 대해 더 얇은 장치를 사용할 수 있습니다. 장치가 얇을수록 저항이 낮아져 훨씬 더 효율적이기 때문에 이는 매우 중요합니다.

 

Flosfia의 엔지니어들은 장치의 아키텍처를 개선하고 다이오드 칩을 더 얇게 만드는 방법을 찾았습니다. 이 방법은 사파이어 기판 위에 산화갈륨 결정을 성장시키는 과정을 포함합니다. Flosfia의 최고 기술 책임자인 Masaya Oda는 "산화 갈륨 에피층이 사파이어 기판에서 쉽게 벗겨질 수 있다"는 사실을 발견했습니다. 장치를 기초에서 분리하면 칩이 전도성이 높고 열을 흡수하는 재료에 접착되어 더 낮은 온도에서 작동할 수 있습니다.

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사파이어는 발광 다이오드 제조에 사용되기 때문에 눈에 띄게 저렴하고 이미 시판되고 있으므로 사용하는 것이 가장 합리적입니다. 산화갈륨 장치를 만들기 위한 공정에는 사파이어 기판을 가열하는 과정이 포함되며, 여기서 입자 안개가 비반응성 "운반 가스" 챔버로 쓸려갑니다. 미스트에는 금속 화합물이 포함되어 있으며 뜨거운 기판에 닿으면 분해되어 산화갈륨 필름을 형성합니다. 챔버를 완전히 비울 필요가 없기 때문에 전체 프로세스를 신속하게 순환할 수 있으며 비용도 절감됩니다.

 

테스트 과정에서 Flosfia의 엔지니어들은 결과에 주목했습니다. 한 장치는 531V(전류 흐름을 역전시키는 데 필요한 전위)의 항복 전압과 0.1mΩ/cm 2 의 온 저항을 결합했습니다 . 이는 탄화규소의 한계.

 

보고된 최고 항복 전압은 855V였습니다. 이는 적당한 숫자처럼 들릴 수 있지만 다이오드는 베어 칩이므로 이는 완전히 정상입니다. 간단한 장치에 절연층을 도입함으로써 상당한 개선이 이루어질 것입니다.

 

이러한 연구 결과는 산화갈륨 반도체가 상용화되고 그 이점이 널리 알려지면 업계 선두주자가 될 잠재력이 있음을 나타냅니다.