반도체 기술 탐구: GaN 반도체

1. 개요

 

반도체는 소재에 따라 크게 단일원소 반도체와 화합물 반도체로 나뉜다. 현재 반도체의 주류를 이루고 있는 실리콘(Si) 반도체는 단일원소 반도체에 속한다. 화합물 반도체는 2개 이상의 원소가 결합한 것으로, 질화갈륨(GaN), 탄화규소(SiC) 등이 포함된다.

 

단일원소 반도체인 Si 반도체에 비해 GaN 등 화합물 반도체는 밴드갭(에너지와 에너지 사이의 빈공간)이 넓은 특성과 고온 안정성을 갖고 있다. 또 낮은 온(on) 저항 특성을 지니고 있는 것으로 알려졌다. 이는 동작에 따른 전력 손실이 적어 효율 역시 높다는 것으로 해석할 수 있다. 단일원소 반도체인 Si 반도체에 비해 전력을 75% 덜 소비한다.

 

 

실리콘 카바이드(SiC)의 경우, 밴드갭이 3eV이므로 파괴 전계 강도가 Si보다 훨씬 강하다. 또한 SiC는 열 전도율이 훨씬 우수하다. SiC는 높은 파괴 전계 강도로 고주파수로 동작하는 고전력 애플리케이션에 주로 사용된다. 실리콘과 비교해서 SiC는 온도에 따른 디바이스 파라미터 변화가 훨씬 덜하다. 그러므로 디자이너들이 자신의 디자인으로 더 낮은 마진을 사용할 수 있으며 추가적인 성능 향상을 이룰 수 있다.

 

GaN의 경우에는 실리콘 반도체에서 분화한 SiC 반도체보다 성능이 더 높은 것으로 알려져 있다. 이런 특성으로 최근 GaN 반도체는 무선통신(RF) 장비와 가전, 전력변환 장치 등에 주로 활용되고 있다.

 

 

질화갈륨(GaN)은 우수한 전자 이동성과 강한 파괴 전압, 우수한 열전도 특성을 지니고 있어 높은 스위칭 주파수 효율성을 필요로 하는 전력과 라디오 주파수(RF)소자에 이상적이다. 가전, 통신 하드웨어, 전기자동차를 막론하고 전력 변환율 향상, 전력 밀도 증진, 배터리 수명 연장, 스위칭 속도 향상이 필요하며, 이같은 요구조건에 맞추기 위해 새로운 체계의 전력용 반도체 개발이 필수적이다.

 

GaN은 거의 손실 0으로 스위칭할 수 있으므로 매 사이클 시에 발생되는 스위칭 손실을 낮춘다. 그러므로 온 저항(RDS(on))이 극히 낮은 부품들을 사용할 수 있으며, 디바이스 내에서 정적 손실과 열 발생을 줄인다. 이것은 특히 대략 10MHz에 이르기까지 높은 스위칭 주파수로 동작하는 전력시스템 용으로 중요한 점이다. 또한 GaN은 최신 공진 토폴로지 용으로 유리하며, 새로운 토폴로지와 전류 변조 방식을 가능하게 한다.

GaN은 2005년 이후로 여러 산업에 상당한 파급효과를 끼쳤다. GaN은 SiC와 유사한 성능 이점을 제공하지만 비용 절감 가능성은 더 높다. SiC보다 저렴한 실리콘이나 사파이어 기판에서 GaN 전력 소자를 양산할 수 있기 때문에 가격과 성능 두 마리 토끼를 잡을 수 있다.

 

우선 사용 분야를 살펴보면 GaN은 청색 LED제조에 필수 재료로 사용되고 있어 조명용 백색 LED 상품화에 크게 이바지 하고 있으며 전체 LED의 약 80%가 GaN 기반이다. 무선통신 부문에서는 고전자 이동 트랜지스터(HEMT)나 모놀리식 마이크로 집적회로(MMIC)등 고출력 무선 주파수 기기에도 채택된다.

전력 반도체는 크게 군수, 무선 통신망, 고전력 및 케이블 TV/위성통신섹터가 주된 사업영역이며 전력 공급 애플리케이션을 담당한다. 자동차 분야에서는 하이브리드 자동차용 온보드 충전기 어댑터 / 자동차용 DC-DC컨버터 / LIDAR용 드라이버에 사용된다.

 

 

제품별로 살펴보면 GaN MMIC는 설계의 높은 난이도가 요구되지만 전체적인 생산단가 절감 및 고신뢰성을 바탕으로 한 대량 생산 가능성으로 RF 시스템으로 각 분야로 빠르게 확산되고 있다. GaN 트랜지스터를 사용하고 있는 엔드제품 중 최근 가장 빠르게 대량 생산되고 있는 제품은 USB C타입 전원 어댑터와 충전기다. 휴대폰과 노트북 PC를 빠르게 충전할 수 있다. 

 

많은 GaN장치는 파운드리 서비스 공급자를 통해 제작되고 있으며 표준 실리콘 웨이퍼에 대한 GaN 상피 결정 성장 및 불륨 증가에 따라 잠재적으로 무제한 생산 용량 확장 또한 가능할 것으로 전망이다.

다만 GaN은 가격이 비싸고 집적도가 높은 IC 회로(intergrated Circuit) 제작엔 한계가 있다. GaN을 구성하는 Ga와 N원자간 내부 전기장이 높고 전자와 정공의 결합에너지가 낮아 양자효율이 떨어지기 때문이다. 또한 Al2O3나 SiC기판과 원자간 거리 차이가 커 박막 제조시 결함이 많이 발생하고 이 결함이 소자 수명과 특성을 저해한다.

 

GaN은 결합 후 과잉 전자가 많은 n형 반도체의 특성을 보이기 때문에 정공 수가 많은 p형 반도체로 도핑하는 과정이 까다롭다. 따라서 사업 경제성을 높이기 위해선 미니멈 6인치 이상의 웨이퍼 생산능력을 보유해야 한다.

하지만 GaN 반도체는 아직 웨이퍼(반도체 원판) 크기가 Si 반도체의 12인치 절반 수준인 6인치(150㎜)에 머물러 있다. 웨이퍼 크기는 곧 반도체 생산성이라는 점을 고려하면 여전히 Si 반도체의 경쟁력이 높은 편이다.

 

 

2. 시장 전망

 

GaN 전력 소자는 2010년에 International Rectifier가 개발한 이후 2012년에는 최초의 6인치 GaN 온 실리콘 웨이퍼의 출현으로 이어졌다. 베리파이드 마켓 리서치의 최근 발표에 의하면 GaN 반도체 소자 시장은 작년에 16억 3천만 달러의 규모를 형성했던 것으로 나타났다.

 

차세대 전력반도체로 꼽히는 질화갈륨(GaN) 전력반도체가 스마트폰 고속충전기·5G 이동통신(5세대)·자동차 분야를 중심으로 연평균 70%대 성장을 기록할 것이라는 전망이 나왔다. 기존 실리콘(Si) 반도체에 비해 높은 전력효율을 갖고 있다는 장점이 주목받으면서 이 시장에 대한 기대가 커지는 중이다.

 

 

2021년 시장조사업체 욜디벨롭먼트에 발표된 자료에 따르면 GaN 전력반도체 시장은 지난해 4600만달러(약 515억원)에서 매년 70%씩 성장해 2026년 11억달러(약 1조2315억원)의 규모를 형성할 것으로 전망된다. 전체 반도체 시장에서 차지하는 비중은 아직 낮지만, 높은 성장세가 기대되고 있다.

 

한편, 같은 시기에 베리파이드 마켓 리서치의 최근 발표에 의하면 GaN(갈륨 니트라이드) 반도체 소자 시장은 작년에 16억 3천만 달러의 규모를 형성했던 것으로 추정된다. 이 수치는 2028년에 553억 달러의 규모로 커져, 연평균 16.53%의 성장률을 기록할 전망이다.

 

특히 최근 수요가 높은 분야는 스마트폰 고속 충전기로, 해당 충전기가 포함된 소비자용 GaN 전력반도체 시장은 2026년까지 연평균 69% 성장, 약 6억7200만달러(약 7524억원)로 커질 전망이다. 이는 전체 GaN 시장의 61%를 차지하는 수치다. 이미 삼성전자, 애플 등 스마트폰 제조사 10곳에서 고속 충전 기능이 들어간 스마트폰 18개 모델을 출시하고 있다. 앞으로 이런 스마트폰은 더욱 늘어날 것으로 보인다.

 

5G 이동통신과 데이터통신 분야 역시 성장이 기대된다. 2026년까지 연평균 71% 성장해 2억2300만달러(약 2500억원)의 시장을 형성할 것으로 점쳐진다.

 

 

GaN 전력반도체 시장에서 자동차 분야는 가장 높은 성장률을 기록할 것으로 예측된다. 향후 5년간 연평균 185% 성장할 것으로 관측됐다. 시장 규모는 1억5500만달러(약 1735억원)로 예상된다. 반도체 업계 관계자들은 내년부터 완성차 업체들이나 부품사 등이 GaN을 본격적으로 채택할 것으로 본다.

 

한편, 좀더 크게 보는 기관도 있다. 베리파이드 마켓 리서치의 최근 발표에 의하면 GaN(갈륨 니트라이드) 반도체 소자 시장은 작년에 16억 3천만 달러의 규모를 형성했던 것으로 추정된다. 이 수치는 2028년에 553억 달러의 규모로 커져, 연평균 16.53%의 성장률을 기록할 전망이다.

 

 

 

자동차 산업이 내연 기관에서 전기로 이동함에 따라 주행 거리를 확장하고 비용을 절감하는 패러다임의 변화가 이미 시작되었다. GaN 반도체는 실리콘 제품보다 향상된 성능을 제공하면서도 실리콘 카바이드보다 더 저렴한 비용을 기반으로 한다. GaN 트랜지스터는 기존의 재료보다 물리적으로 우수하면서도 고성능 패키징을 갖춘 특징으로 인해 급성장 중이다. 기존의 실리콘 반도체보다 최고 3배 더 높은 전력 밀도와50% 낮은 손실을 자랑하며 4배 더 나은 성능으로 전체 시스템 비용을 20% 정도 절감시켜주는 것이 이 소자의 핵심 경쟁력이다.

 

특히 무선 주파수 (RF) GaN 시장은 주로 통신 및 군용 애플리케이션을 중심으로 어마어마한 성장을 할 것으로 보인다. 시장조사 기관인 욜(Yole) 디벨롭먼트는 GaN RF 시장이 2019년의 7억 4천만 달러에서 2025년에 20억 달러 이상의 규모로 경이로운 기록을 할 것이라고 보고 있다. 이 분야에서는 전 세계 500개 이상의 회사 및 연구 기관들이 3,000개 이상의 특허를 낸 것으로 분석될 정도이다.

 

상업용 무선 통신 애플리케이션에 대한 수요가 급증하고 있는 중국의 경우 차세대 통신 네트워크를 중심으로 수요가 급증하고 있다. 특히 미국과의 무역전쟁 이후 중국을 기반으로 하는 여러 기업들이 5G 인프라에 대한 GaN 소자 개발에 열을 내는 것도 주목할 만하다.

 

다만 전기차 분야에서는 현재 탄화규소(SiC) 반도체를 더 선호하고 있는데, SiC는 GaN보다 가격은 비싸지만 기존 Si 반도체 장비로도 생산할 수 있다는 점이 장점이다. 반도체 업계 관계자는 “장기적으로 GaN이 더 낮은 가격에 생산될 수 있다면 전기차 인버터(전류를 직류나 교류로 전환하는 장치) 시장에서도 SiC보다 GaN이 주목받을 수 있을 것”이라고 했다.

 

 

3. 주요 업체 동향

 

이처럼 급성장하는 GaN 소자 시장에서는 특허 기술 전쟁도 만만치 않다. Cree(Wolfspeed)는 특히 GaN-on-SiC 기술 특허를 일찌감치 확보함으로써 스미토모 전기, 도시바의 진입에 제동을 걸을 정도이다. 인텔과 MACOM도 GaN 온 실리콘 기술의 경우 2017년부터 IP 활동을 강화해오고 있다. 특히 인텔은 현재 RF GaN 분야 최대의 특허 출원자로서 스미토모 전기, 후지쯔 뿐 아니라 Cree 조차 앞서서 IP의 리더쉽을 이끌고 있다.

 

GaN 소자 제공업체들은 다양한 애플리케이에서 저마다 입지를 확고히 하고 있다. 업계 최초로 자동차용 GaN FET을 내놓았던 텍사스 인스트루먼트는 집적 드라이버, 회로 보호 및 액티브 전원 관리 기능까지 추가하면서도 칩의 소형화에 주력 중이다. 그런가 하면 CGD는 소비자 및 산업용 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS), 조명 등 특화된 애플리케이션을 위해 독자적인 ICeGaN 기술을 적용해 트랜지스터를 지속적으로 내놓고 있다.

 

세계 최초의 GaNFast 전력 IC를 출시했던 나비타스는 MHz 주파수와 최고 효율의 작동을 동시에 달성하는 기술로 모바일 고속 충전기 및 어댑터 시장에서 점유율을 높혀나가고 있다. IoT, TV, EV/하이브리드, LED 조명 및 새로운 에너지 솔루션에서 더 작고 빠르며 가볍고 낮은 전력 변환기를 내놓고 있는 이 회사는 일찌감치 디지키를 통해 전 세계 어디서든 즉시 공급이 가능한 24/7 유통 시스템을 가동 중이다.

 

디스크리트와 MOSFET 소자, 아날로그 및 로직 IC 전문기업인 넥스페리아 역시 GaN FET 시장에 진출해서 성공적으로 고객사들을 확보하고 있다. 대표 제품인 GAN063-650WSA는 60mΩ 이하의 낮은 RDS(on) 저항과 빠른 스위칭 속도를 통해 매우 뛰어난 효율을 제공하는 것으로 좋은 평판을 받고 있다.

 

이 회사는 전기 자동차, 데이터센터, 텔레콤 인프라, 산업 자동화, 고급 전원장치 등 고성능 애플리케이션 영역을 겨냥해 GaN온 실리콘 기술로 품질과 신뢰성 면에서 검증된 제품을 고전압 시장 영역에서 늘려나가고 있다. 넥스페리아의 소자들은 업계 표준 TO-247 패키지로 공급되기 때문에 사용자들은 익숙한 패키지에서 GaN의 탁월한 성능을 활용한다.

 

GaN 전력 변환기는 전력 애플리케이션에서 실리콘에 비해 근본적인 이점을 제공한다. 트랜스폼의 GaN FET는 AC-DC PFC 단계의 효율성을 99% 이상 향상시켜 전체 시스템 비용을 줄이면서 전력 밀도(동일한 폼 팩터에서 더 많은 전력)를 높이는 것으로 입증됐는데 모두 공시 현장 신뢰도가 1.0 FIT 미만이다.

 

NXP 는 작년에 1억 달러 규모의 GaN 팹라인을 확대해 6인치 GaN RF 5G 기지국 전원 증폭기 생산에 집중하기 시작했다. 한편 샤오미의 C 타입 GaN 충전기가 올 초에 출시된 이후 이 충전기 및 어댑터 시장에 불을 붙였다. 일부 글로벌 스타트업들은 한국을 중심으로 GaN 소자가 채택된 충전기 시제품을 내놓으며 시장성을 타진 중이다.

 

 

삼성전자의 자동차 반도체 인수합병(M&A) 대상으로 시장 1, 2위 NXP, 인피니언 외 시장 5위인 스위스 ST마이크로일렉트로닉스(ST마이크로)가 함께 언급되고 있는 건 이 회사가 SiC, GaN 등 차세대 반도체에 공격적인 투자를 이어가고 있기 때문으로 분석된다. 선행기술 경쟁력을 적극적으로 확보하고 있다는 것이다.

 

ST마이크로는 테슬라 전기차 모델 3에 SiC 반도체를 공급하고 있고, 수요 증대를 예상해 SiC 웨이퍼 기업인 노스텔AB를 인수했다. 또 SiC 웨이퍼 생산 기업 크리에 웨이퍼 공급 계약을 기존의 2배로 늘리기도 했다. ST마이크로는 현재 매출 비중이 1.5%에 불과한 SiC 사업을 2025년까지 10%(10억달러 수준)으로 늘리기로 했다.

여기에 GaN 투자도 적극적으로 나서고 있다. 지난해 프랑스 GaN 반도체 기업인 엑사갠 지분을 다수 확보했다. 현재 ST마이크로는 주요 고객사로 애플(13%), 자동차 부품사 보쉬·콘티넨탈·모빌아이(인텔), 통신장비 회사 화웨이·시스코, 메모리반도체 제조사 삼성·씨게이트·웨스턴디지털, 자동차 제조사인 테슬라 등을 두고 있다.

 

 

 

하지만, 사실 이 방면에서 앞서 있는 회사가 인피니언 테크놀로지스이다. 인피니언은 현재로서 Si MOSFET 및 IGBT, SiC, GaN 제품을 모두 제공하는 유일한 회사이다.

 

인피니언은 2000년 대 초반부터 이미 GaN 기술을 선도하는 회사가 되겠다는 목표에 따라 움직여 왔으며, 2015년에 International Rectifier를 성공적으로 인수하면서 더 힘을 받게 되었다. 같은 해에 인피니언은 Panasonic의 ‘normally-off’ 방식 트랜지스터에 인피니언의 SMD 패키지를 적용한 GaN 디바이스를 공동으로 개발한다고 발표했다. 그리고 2019년 상반기에 자체 생산 400V 및 600V GaN 제품을 추가할 계획이다. 그럼으로써 시장 입지를 더욱 확고히 하게 되었다.

 

인피니언의 CoolGaN™에 사용되는 것과 같은 GaN은 SiC보다도 밴드갭이 더 높고(3.4eV) 전자 이동도가 훨씬 더 높다. 실리콘과 비교해서는 파괴 전계 강도가 10배 더 높으며 전자 이동도는 두 배이다. 그러므로 Si 수퍼정션 트랜지스터보다 출력 전하와 게이트 전하가 10배 더 낮고 역 복구 전하는 거의 0인 전력 반도체가 가능해진다. 게이트 전하가 SiC 디바이스와 비교해서 10배까지 더 낮으므로 GaN은 고주파수 동작에 선호된다.

 

DB하이텍 역시 작년부터 GaN과 SiC 전력 반도체 사업화를 추진해왔다. 회사는 시장 조사와 함께 GaN·SiC 제조를 위한 설비를 검토하고 있다. DB하이텍 사정에 밝은 업계 관계자는 “장비 납품 기간이 최소 1년인 점을 고려하면 조만간 (DB하이텍) 장비 발주가 나올 것으로 보인다”고 전했다. 이르면 올해 말에 GaN과 SiC 반도체 라인을 구축할 것으로 관측된다.

 

DB하이텍은 고객사가 설계한 전력관리반도체(PMIC), 디스플레이구동칩(DDI), 이미지센서 등을 위탁생산하는 파운드리 회사다. DB하이텍이 제조하는 칩은 모두 8인치 실리콘 웨이퍼를 기반으로 하고 있다. 이런 가운데 GaN과 SiC 공정 도입으로 파운드리 서비스 확대가 가능하다. 파운드리뿐만 아니라 자체 전력 반도체를 만들 수 있는 근간이 돼 차세대 전력 반도체 제조로의 사업 확장이 가능해질 것으로 전망된다.

 

DB하이텍은 파운드리가 주력이지만 일부 자체 개발 칩도 출시하고 있다. 무엇보다 DB하이텍 행보는 국내 부족한 차세대 전력 반도체 산업 생태계 강화에 기여할 것으로 보여 주목된다. 현재 SiC 전력 반도체를 생산할 수 있는 국내 기업은 예스파워테크닉스, 파워마스터반도체 정도다.

 

 

 

출처: IBK투자증권, 테크데일리, 조선비즈, ICN, PEMK, 반도체네트워크, 전자신문

 

뜨리스땅

 

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/281

반도체 기술 탐구: 전력반도체 개요