SiC와 GaN의 와이드 갭 반도체는 인버터와 컨버터 등 전력 변환기의 손실을 대폭 줄일 수 있는 차세대 전력 반도체로 주목받고 있다. 현재 미국, 유럽, 일본의 선도 업체들뿐만 아니라, 중국 등 아시아 업체들도 SiC, GaN 기반의 전력 반도체 개발에 적극적으로 참여하고 있다. SiC에 비해 GaN은 고속 스위칭이 가능하나 노멀리 오프 동작이 어렵다는 약점으로 인해 개발이 더디 진행돼 왔다. 그러나 GaN의 장점을 활용하려는 업계의 노력이 서서히 결실을 맺어가고 있다.

지난 7월 30일 인도 북부에서 대규모 정전이 발생한 데 이어, 31일에는 동부 지역 13개 주까지 전기가 끊기면서 6억 명이 피해를 봤다. 고질적인 에너지 수급 문제에 시달리는 인도에서는 해마다 크고 작은 정전이 일어나지만, 이처럼 대규모 정전 사태가 난 것은 2001년 이후 처음이다. 중국도 인도와 유사한 전력 부족 문제에 직면해 있다. 중국 전력위원회(CEC)는 올해 전력 공급 부족분이 3,000만~4,000만 kW에 달할 전망이라고 분석했다.
우리나라도 전국적으로 33도 이상의 고온과 열대야가 계속되면서 급기야 8월 6일 예비전력이 200만 kW대까지 떨어졌다. 

고조되는 전력 부족
세계 각지에서 전력 부족이 중대한 과제로 부각되고 있다. 에너지절약 기술과 신재생 에너지의 도입, 스마트 그리드의 적용 등 다양한 대책들이 마련되고 있는 것도 바로 이 때문이다.

에너지절약 기술 중에는 반도체 설계 및 공정 기술, 새로운 소재를 도입함으로써 에너지 소비를 줄이려는 노력이 활발하다. 탈 실리콘(Si) 전력 반도체의 도입도 그 일환의 하나다. 발전소에서 생산된 전력이 최종 소비될 때까지 일반적으로 몇 단계의 변환 과정을 거친다. 이 때 낭비되는 전력을 전력 반도체의 개선으로 줄일 수 있다.

실리콘(Si)을 대체하는 새로운 전력 반도체의 대표주자로 실리콘 카바이드(SiC)와 함께 차세대 전력 반도체로 각광받고 있는 갈륨 나이트라이드(GaN)가 있다. SiC를 이용한 전력 반도체는 이미 다이오드와 트랜지스터가 양산되고 있으며 모듈 제품도 판매되고 있다.

SiC가 Si보다 유리한 것은 재료의 물리적인 성질이 우수하기 때문이다. SiC는 Si보다 밴드 갭이 넓기 때문에 절연파괴 전압(Breakdown Voltage)이 큰 소자를 제조할 수 있다(2.86~3.2 eV). 따라서 소자를 얇게 할 수 있으며 도프 농도를 높일 수 있어 손실의 한 가지 원인인 온 저항(RON)을 줄일 수 있다.

GaN은 청색 LED 제조에 필수 재료로서 조명용 백색 LED의 상품화에 크게 이바지 하고 있다. 전체 LED의 약 80% 정도는 GaN 기반 LED가 차지하고 있다. GaN의 뛰어난 특성은 LED 뿐만 아니라, 전력 반도체에도 활용할 수 있다. GaN를 이용하면, 현재의 실리콘 전력 반도체보다 인버터와 컨버터 등 전력 변환기의 대대적인 효율 향상과 소형화를 기대할 수 있다. GaN가 넓은 밴드 갭(3.4 eV)과 높은 항복전압, 낮은 온 저항, 빠른 스위칭 속도를 제공하기 때문이다. 일부 특성은 SiC보다 오히려 낫다. 그러나 개발 및 상품화 측면에서는 SiC보다 더딘 행보를 보이고 있다.

Yole Developpement에 따르면, GaN를 이용한 전력 반도체 시장 규모는 2011년에 250만 달러 미만이며, 제품을 판매하고 있는 메이커도 두 개사에 그치고 있다. 그러나 올해부터 생산량이 증가하고 신규 참여 움직임도 활발해 시장 규모가 5,000만 달러에 이를 전망이다. 2014년에는 신규 참여 기업의 제품 생산이 본격화하면서 2015년에 600 V 이상의 전압에 대응하는 GaN 소자가 제품화돼 빠르게 보급되고 참여 기업도 12∼15개 사로 늘어날 것으로 예상된다. 특히 전기자동차(EV)와 하이브리드 카(HEV) 부품이 GaN 전력 반도체를 사용하게 되면 10억 달러를 넘는 시장 규모로 성장할 가능성도 있지만, 자동차 제조사가 GaN 전력 반도체를 선택할지 여부는 불투명하다.



 
기지개 펴는 GaN
미국에 본사를 둔 M&M(MarketsandMarkets)은 “세계 GaN 반도체 소자(디스크리트 및 ICs) 시장: 세계 전망 및 분석(2012~2022)”이라는 제목의 보고서에서 세계 GaN 전력 반도체 시장이 2022년까지 17억 5000만 달러에 이를 것이라고 전망했다. 이 회사는 Yole Developpement보다는 다소 보수적인 전망을 내놨다.

GaN 반도체 소자는 주로 산업용, 전력망, 정보통신(ICT) 부문에서 수요가 촉진되고 있다. ICT 부문은 GaN 전력 디스크리트, 특히 전력 증폭과 정류, 고주파수 스위칭에 사용되는 트랜지스터용으로 많이 사용하고 있다. GaN 소자의 우수한 특성은 기존 실리콘 소자의 한계를 뛰어넘는 훨씬 더 높은 전압 수준에서 효율적으로 작동할 수 있는 쇼트킷 다이오드, FETs, HEMT 및 기타 발전된 트랜지스터 등의 GaN 디스크리트를 가능하게 한다. 또한 GaN 전력 반도체는 전도 손실과 스위칭 손실을 줄여주어 전자 시스템의 효율을 높여준다. GaN 전력 반도체의 주요 응용 분야는 현재 모든 엔드유저 영역에 걸쳐 사용되는 인버터 및 컨버터, RF 소자, 전원공급 모듈, 모터 드라이브 등이다.

GaN 전력 반도체의 경우, 시장 성장은 주로 300 V에서 1000 V의 중간 전압 범위의 응용 분야인 중간 전압 전력전자 시장의 세 확장으로 인해 견인되고 있다. 따라서 시장 매출의 대부분은 첨단 산업용 전력 응용 분야, 전력망, 태양열 및 풍력 부문에서 나오고 있다. GaN 전력 반도체 소자는 지난 몇 년 동안 특히 RF 통신 애플리케이션에서 다양한 RF 전력 반도체의 실리콘을 대체하는데 주력했기 때문에, ICT 분야에서 대부분의 수익이 나왔다.

GaN 반도체는 실리콘 반도체보다 훨씬 더 작고 더 가볍지만 더 튼튼하고 효율적이다. GaN 소자는 이온화 방사선에 대한 낮은 민감도, 일부 방사 환경에서 더 나은 안정성 등 GaN이 제공하는 추가적인 특징으로 인해 태양전지 어레이, 인공위성, 국방 및 항공우주 분야의 고성능 전력 기기에 사용되고 있다. 이 외에도 전기자동차 및 하이드리드 전기자동차 부문에서 높은 수익 창출을 기대하고 있다.

현재 시장의 전체적인 양상은 소수의 업체들만이 경쟁하고 있다. 참여사의 숫자는 GaN 전력 반도체 분야에 진입하려는 여러 대형 전력 반도체 업체와 신생 업체들이 늘면서 빠르게 증가할 것으로 예상된다. 현재 전체 GaN 전력 반도체 시장은 총 전력 반도체 시장(현재 파워 디스크리트와 전력 IC를 포함하여 340억 달러)의 1% 미만이지만, 향후 10년에 걸쳐 전력 반도체 및 전자장치 업체들이 참여할 것으로 예상됨에 따라 점유율을 빠르게 높여나갈 것으로 예상된다.

오늘날의 세계는 전력 분배 시스템, 산업용 시스템, 중전기 시스템, 터빈, 중기계, 첨단 산업용 제어 시스템, 전자기계 컴퓨팅 시스템 등을 비롯해 HVDC(High-Voltage Direct Current), 스마트 그리드 시스템, 풍력 터빈, 풍력 시스템, 태양광 발전 시스템, 전기자동차 및 하이브리드 카와 같은 여러 가지 새로운 전력 애플리케이션(청정기술) 등을 포함한 다양한 적용 분야에서 다수의 GaN 전력 애플리케이션을 포함한다. 또 다른 애플리케이션은 마이크로파 주파수를 포함해 고주파수 범위에서 작동하는 GaN의 탁월한 능력으로 인해 엄청난 잠재력을 제공하는 RF, RADAR, 위성통신 등 다양한 통신 애플리케이션과 함께 ICT 분야이다.

M&M(MarketsandMarkets)에 따르면, GaN 전력 반도체 시장은 2012년 말까지 1,260만 달러에 이를 것으로 예상된다. GaN 전력 반도체에 대한 예상 매출은 2012년부터 2022년까지 63.78%의 폭발적인 연평균 성장률 기록하며 2022년 말까지 17억 5000만 달러가 될 것으로 예상된다. 전력 및 광반도체를 모두 포함한 총 GaN 반도체 시장 규모는 2022년에 26억 달러에 이를 전망이다.
GaN의 난제
GaN 기반 전력 반도체의 실용화에 있어서 걸림돌은 크게 두 가지다. 하나는 웨이퍼와 관련된 문제로, 편차가 적은 고품질의 대구경 웨이퍼의 양산이 실리콘 웨이퍼에 비해 늦어지고 있다는 점이다. 웨이퍼의 지연은 결국 재료비에 직접적인 영향을 미치게 된다.

또 한 가지 걸림돌은 GaN의 반도체 특성에 기인한다. GaN는 이온 주입에 의해 특성이 좋은 p형 반도체 층을 형성하는 데 어려움이 있다. 이로 인해 SiC에서 적용된 MOSFET이나 JFET 같은 구조의 트랜지스터를 제작하기 어렵다. 이 과제에 대해서는 고전자이동도트랜지스터(HEMT)라는 구조를 채택해 개발한 사례가 많이 보고되고 있다.

GaN층 상부에 AlGaN층을 형성(AlGaN/GaN 구조) 하면, 두 계층의 계면 부근에 ‘2차원 전자가스’가 자연스럽게 발생하게 된다. 이 2차원 전자가스는 캐리어 농도가 높고 포화 전자 속도가 빠르다. 즉, 온 저항이 낮고 고주파 동작이 가능한 소자를 만들기 쉽다. 이것이 GaN의 가장 큰 매력이기도 하다.

그러나 2차원 전자가스는 게이트에 전압을 인가하지 않을 때에도 소스와 드레인 사이에 전류가 흐른다. 즉, ‘노멀리 온 동작’이 일어난다. 이것은 ‘노멀리 오프 동작’이 요구되는 전력 반도체에서는 치명적인 약점이다. 따라서 GaN 전력 반도체의 개발에 있어서는 2차원 전자가스라고 하는 GaN의 장점을 살리면서 노멀리 오프 동작을 실현하는데 초점이 맞춰져 있다.


멈출 수 없는 도전
GaN 전력 반도체를 개발하고 있는 업체는 SiC 전력 반도체의 경우와 비교하면 많은 편이 아니다. 현재 미국의 EPC(Efficient Power Conversion)와 IR(International Rectifier), 트랜스폼(Transphorm), 파우덱 테크놀로지스(PowDec Technologies), 프랑스의 ST마이크로일렉트로닉스, 일본의 산켄전기, 후지쯔, 파나소닉, 롬 정도를 꼽을 수 있다.

IR은 이미 30 V 이하의 영역에서 GaN 전력 반도체를 공급하고 있다. GaN 전력 반도체의 상용화에 있어서는 가장 앞서 있는 회사다. 이 회사는 300 V 입력에서 30 V를 출력하는 DC-DC 컨버터를 스위칭 주파수 400 kHz로 동작시켰을 경우, Si만으로 구성한 회로와 비교해 10% 부하에서 17포인트, 정격 부하에서 3포인트 높은 효율을 달성했다고 발표했다. 지난 7월에는 600 V 프로토타입을 채택한 전원 보드를 공개했다. 스위칭 소자는 GaN HEMT와 Si MOSFET을 캐스코드(Cascode) 접속하여 단일 패키지화했다. 캐스코드 접속을 이용하면 확립된 기존 기술만으로 GaN HEMT를 노멀리 오프화할 수 있다.

ST마이크로일렉트로닉스는 2010년 10월부터 3년 6개월 예정으로 고효율 고신뢰성 GaN 소자를 개발하고 있다. LAST POWER(Large Area silicon carbide Substrates and heTeroepitaxial GaN for POWER device applications)라는 이 계획은 GaN 웨이퍼를 제조하는 스웨덴 Acreo 등 유럽의 14개 기업과 연합해 150 mm의 실리콘 웨이퍼를 이용해 HEMT 구조의 GaN 소자를 개발한다. ST에 따르면, 650 V에서 15 A 제품과 200 A 제품을 목표로 한다. 같은 전압의 IGBT와 비교하면 손실을 40％ 낮출 수 있을 전망이다.

지난 7월 일본 산켄전기는 385 V 입력에 200 V를 출력하는 DC-DC 컨버터 회로를 선보였다. 500 kHz로 스위칭 동작시켰을 경우에 변환 효율은 97％ 미만에 이른다고 한다. 프로토타입 회로에서는 0.6 kW의 전력을 변환하고 있다. 노멀리 오프 동작은 HEMT 구조를 채택해 단면 구조와 재료의 연구에 의해 실현하고 있다. 외부에 Si MOSFET 등을 접속한 캐스코드 구성은 아니다. 일부 엄격한 조건에서는 오동작이 발생할 가능성이 있기 때문에, SiC의 게이트 드라이버와 단일 패키지화했다. 실리콘 기판을 이용해 버퍼층을 마련하고, 그 위에 AlGaN/GaN 구조를 만들었다. 2001년부터 GaN 전력 반도체를 개발하고 있는 이 회사는 올해 말부터 2013년에 걸쳐 GaN 전력 반도체의 패키지 제품의 양산을 시작한 후, SiC 전력 반도체의 양산으로 진행할 계획이다. GaN 전력 반도체에서는 10∼20 A, 300∼600 V의 영역을 목표로 하고, 20∼50 A, 600∼1200 V의 영역을 대상으로 하여 SiC의 연구개발도 계속하고 있다.

롬은 SiC SBD와 SiC MOSFET를 조합시킨 풀 SiC 전력 모듈의 양산을 올 3월 발표하는 등 SiC 분야에서 앞서가고 있다. 다음은 GaN이다. 롬은 GaN만으로 노멀리 오프 동작을 실현한다. p형 GaN를 게이트 아래에 만들어 pn 접합의 공핍층으로 게이트를 제어하여 노멀리 오프 동작을 시키는 연구는 롬 외에도 여러 회사에서 진행하고 있다. EPC는 양산 중인 eGaN FETs 시리즈(40∼200 V)에 이 방법을 채택하고 있다. 파나소닉도 이 방법에 근거한 소자를 개발 중이다. 그러나 이 방법은 GaN의 최대 장점인 고속 스위칭을 다소 희생해야 한다. 이에 대해 롬은 p형 GaN를 사용하지 않고 게이트 바로 아래를 에칭으로 얇게 하여 공핍화시키는 것으로 노멀리 오프 동작시키는 방법을 개발했다. 이 방법은 수십 MHz 동작에서는 성공하지 못 했지만, 노멀리 오프 특성은 나쁘지 않다고 한다. 롬은 GaN에서 100∼600 V의 영역, 전류는 10∼100 A의 영역을 목표로 하고 있다.
후지쯔는 GaN HEMT를 이용해 10 GHz 대역에서 6.3 W 출력의 단일 칩 트랜시버를 지난 6월 17일 캐나다 몬트리올에서 개최된 마이크로파 국제학회인 “IEEE MTT 2012 International Microwave Symposium(IMS2012)”에서 발표했다.

고출력 송신 신호와 미약한 수신 신호를 하나의 칩에서 동시에 처리할 경우에는 송수신 신호를 효율적으로 전환하는 것과 송신 신호가 수신 신호에 주는 영향을 줄일 수 있어야 한다. 후지쯔는 GaN-HEMT를 이용한 저손실 듀플렉서를 개발하고 송수신 간의 신호 간섭을 억제하는 고출력 회로 집적화 설계 기술에 의해 이 문제를 해결했다. 이 기술은 단일 칩으로 고출력 트랜시버를 구성할 수 있기에 레이더 장비 및 무선 통신 기기 등의 시스템 소형화에 이바지 할 것으로 기대된다.

NXP 반도체는 지난 6월 캐나다 몬트리올에서 개최된 “2012 IEEE MTT-S의 International Microwave Symposium (IMS2012)”에서 제 1세대 GaN 제품군의 데모와 함께 로드맵을 발표했다. NXP는 현재 50 W/100 W 광대역 애플리케이션을 위한 앰프 CLF1G0035-50과CLF1G0035-100을 비롯해 제 1세대 GaN 제품의 엔지니어링 샘플을 제공하고 있다. IMS2012에서는 200~2700 MHz의 주파수 대역을 커버하는 멀티 스테이지의 GaN 라인업을 비롯한 애플리케이션 사례를 소개했다. 2.45 GHz의 주파수에 맞게 조정된 E 클래스 앰프는 E 클래스의 하모닉 매칭 회로를 내장한 트랜지스터를 탑재해 2.45 GHz의 주파수에서 75.2%@24W의 효율성을 제공한다.

NXP는 현재 게이트 길이 0.25 μm의 기술을 개발 중이며, 2013년에 E 클래스의 협대역 용 고효율 GaN 솔루션을 발표할 계획이다. NXP는 선형 증폭기의 효율을 능가하는 GaN 스위칭 트랜지스터 채용의 디지털 파워 앰프의 개발도 진행 중이다. 이 스위치 모드 파워 앰프 (SMPA)는 하드웨어를 전혀 수정할 필요 없이 여러 대역에서 사용할 수 있다. NXP의 다른 GaN 공정 기술과 마찬가지로 0.25 μm GHSM 공정 기술은 SiC 기판을 사용, 신뢰성과 RF 성능을 향상시켰다.
동인은 환경과 에너지
전력 반도체를 기존의 실리콘에서 새로운 소재로 대체하면, 이산화탄소 절감 효과가 70% 이상이 될 것이라는 전망이다. 지금까지 SiC의 그늘에 가려 있던 GaN도 올해부터 서서히 기지개를 펴고 있다. 스위칭 파워 특성에 한정하면 SiC가 유리하다고 알려져 있지만, 에너지 효율 면에서는 GaN가 압도적으로 유리하다. 대구경화에 대해서도 GaN/Si 방식의 등장으로 비용을 낮출 수 있는 길이 열렸다. 향후 생산성과 저비용화를 고려하면 실리콘 기반 위에 GaN을 얻는 형태의 화합물 반도체가 유력하다는 의견이다. 바야흐로 GaN 전력 반도체가 무명의 시간을 딛고 곧 다가올 전성기를 꿈꾸고 있다.