GaN은 지난 10년 간 여러 산업 부문에 상당한 파급 효과를 끼쳤다. 광 전자 부문에서는 고휘도 발광 다이오드(HB LED) 개발 및 보급에 활용됐고 무선 통신 부문에서는 고전자 이동 트랜지스터(HEMT)나 모놀리식 마이크로 집적회로(MMIC) 등 고출력 무선 주파수 기기에 채택됐다. 시장 조사기관인 욜 리서치(Yole Research)는 2020년까지 GaN 전력 부품 산업이 연간 약 6억 달러 규모로 성장할 것으로 예측했다.
TV와 같은 소비자 가전, 통신 하드웨어, 전기자동차를 막론하고 엔지니어들은 전력 변환율 향상, 전력 밀도 증진, 배터리 수명 연장, 스위칭 속도 향상 요구에 직면해 있다.
이는 전자 업계가 더 이상 실리콘(Si)을 기반으로 하는 전력용 반도체가 아닌, 새로운 체계의 전력용 반도체에 의존할 수밖에 없다는 것을 의미한다. 이에 따라 예전에는 불가능하던 성능 기준에 부합한 능력을 지닌 갈륨나이트라이드(GaN)가 전력 시스템 설계의 미래를 주도할 새로운 체계의 공정 기술로 부상하고 있다.
욜 리서치의 시장 평가가 정확하다고 했을 때, 해당 수치에 도달하려면 향후 5년 동안 100%의 연평균 복합성장률(CAGR)이 실현돼야 한다. 그러나 그러기 위해서는 처리해야 할 수 많은 난제들이 남아있다. 여기서는 GaN가 광범위하게 채택되기 위해 진행되고 있는 여러 가지 사항에 대해 살펴본다.
현재 GaN에 쏟아지는 관심은 어느 정도인가
최근 들어 GaN에 대한 관심이 전례 없이 고조되고 있는 징후들이 보인다. 우선, 전력 시스템 설계에서 공간 제약이 점덤 더 강화되는 추세이다. 일례로, 소비자 가전 부문의 경우 휴대용 기기에 사용되는 충전기의 사이즈가 작아지고 있으며 데이터센터 기기의 랙 역시 작아지는 추세이다.
따라서 파워 IC에 수반되는 히트싱크가 너무 많은 공간을 차지하지 않도록 줄여서 전력 밀도를 높이고, 전력 변환 효율을 향상시켜야 한다. 이는 보다 빠른 스위칭 속도의 파워 MOSFET 동작이 전제 조건으로 돼야 한다.
현재의 반도체 공정 기술은 대부분 실리콘 기판에 의존한다. 오랫동안 정착된 실리콘 기판 공정은 지금까지 수십 년 간 전자 업계 제품의 기초가 되어왔다.
지금까지는 효율적인 전력 변환을 실행하는 데 적합한 수단 이상의 역할을 해왔지만, 이젠 그것만으로는 부족해지고 있다. 무어의 법칙이 물리적 한계로 점점 빠르게 끝나가고 있는 것이다.
가까운 미래에 실제로 기대할 수 있는 것은 실리콘 기판 성능의 작지만 점진적인 개선이다. 점점 더 유례 없이 전력 집약적인 제품들이 출현할 것이므로 반드시 대체 반도체 기술을 모색해야 한다.
GaN이 가진 특장점
실리콘 기반 전력 소자들은 대대적인 성능 향상이 이루어지기 힘든 단계까지 왔다. 이에 따라 추가적인 기술 발달을 뒷받침할 실리콘 기반 능력이 쇠퇴하고 있다. 이제 파격적인 기술 진전이나 도입이 필요해졌다.
앞에서 설명한 바와 같이, 반도체는 다음 조건들을 갖고 있어야 한다.
•높은 전력 변환 효율
•높은 전력 밀도, 콤팩트한 사이즈
•빠른 스위칭 속도
•원가 절감
구체적인 IC의 목적에 따라, 이러한 조건들의 특정 요소는 다른 것보다 우선되기도 한다. GaN은 이 모든 기준을 충족시키기에 안성맞춤이다. 일부는 당장에라도 채택할 수 있으며 향후 채택될 수도 있다.
전력 시스템은 어느 정도의 전력 변환 손실을 피할 수 없지만, GaN은 넓은 밴드 갭으로 인해 실리콘 기판보다 훨씬 낮은 전력 손실률을 보인다. 이는 훨씬 높아진 전력 변환 효율로 해석될 수 있다.
GaN 다이는 동급 실리콘 기판 다이보다 작아질 수 있으므로, 치수가 작아진 패키지로 제작할 수 있다. 또한 높은 운동성 덕분에, GaN은 높은 스위칭 속도를 요하는 회로에 사용될 경우 매우 효과적이다.
그림 1. GaN을 활용한 전력 밀도 개선 가능성
표 1은 GaN HEMT 디바이스의 물리적 구성 및 기존 MOSFET 디바이스의 물리적 구성 간 유사성을 나타낸 것이다. GaN 방향의 전자 흐름은 전도 손실과 스위칭 손실을 모두 낮춰준다.
그뿐 아니라 스위칭 속도가 높아지면서 전력 회로에 수동 소자를 포함시키고 자기 부품들도 훨씬 작아질 수 있으므로 공간을 절약하는 데 도움이 된다. 또한 GaN의 높은 전력 변환 효율로 인해 열도 감소하므로 열 관리 목적으로 할당돼야 하는 공간 역시 줄어든다.
GaN이 널리 채택되지 못한 이유
그림 2. GaN과 실리콘 제조 공정의 유사성
앞서 살펴본 바와 같이, GaN은 실리콘과 차별화되면서도 전력 용도에 특히 적합한 여러 가지 주요 특성을 갖고 있다. 하지만 지금까지 전력 기기 소재로서의 GaN 발전은 더뎠다. 즉 과거에 개발된 여느 반도체 기술과 마찬가지로, 성숙기에 도달하기까지는 상당한 시간이 걸렸다.
어떤 칩 기술이건 전체적으로 통일성과 반복성을 어느 정도 제공할 수 있어야 하는데, 이전까지는 이것이 GaN의 문제점이었다.
GaN 생산에서 비롯되는 낮은 수율에 비해, 실리콘은 성능 부족을 만회하고도 남을 만큼 상당한 비용상의 이점이 있었다. 따라서 전력 반도체 생산 부문에서 지배적인 입지를 지킬 수 있었다. 그러나 GaN 관련 조립 공정이 개선됨에 따라, 점점 수율이 증가하고 있을 뿐 아니라 신뢰성까지 높아지고 있다.
또한 GaN은 이미 실리콘 소자 용도로 구축된 인프라를 이용할 수 있다는 유리한 장점을 갖고 있다.
현재의 실리콘 소자용 설비에 몇 가지 단순한 공정을 추가하면, 기존의 6×8인치 CMOS 실리콘 기판 제조 공정에 바로 적용할 수 있으며, 필요에 따라서는 12인치 공정으로 확장시킬 수도 있다.
표준 CMOS 실리콘 가공이 웨이퍼 사이즈를 키우는 추세로 전환됨에 따라, 방치될 수 있었던 기존의 실리콘 웨이퍼 제조 인프라를 더 오랫동안 운용할 수 있는 상태다. 다시 말해 기존의 실리콘 웨이퍼 제조 인프라를 이용하여 GaN 기반의 칩을 생산함으로써 기존의 칩 생산량을 다시 한 번 크게 늘릴 수 있다는 것이다.
이와 같은 방법으로 비용 절감을 추진하면 GaN 기반 소자가 대세로 자리잡는 것도 가능해진다. 1960년대 후반과 1970년대 초반의 실리콘 기반 IC가 그랬던 것처럼, 시장이 급성장하면서 GaN의 수요가 급증하면 이는 자연스럽게 생산량 증대와 단가 인하로 이어질 것이다.
GaN은 앞으로 수 년 내에 소규모 조립 현장 및 실험실에서 생산되는 단순한 틈새 반도체 기술이 아니라, 실리콘에 버금가는 가격 경쟁력을 가지고 이를 대량 생산할 수 있는 상업성을 지닌 대규모 솔루션으로 자리잡을 것으로 보인다.
온세미컨덕터(ON Semiconductor)는 지난해 9월부터 GaN 기술이 담긴 제품을 출시하기 위해서 트랜스폼(Transphorm)과 제휴해왔다. 트랜스폼의 우수한 GaN 기술을 온세미컨덕터의 전문성, 방대한 IP 포트폴리오, 대량 생산 경험 등과 접목시켜 차세대 전력용 소자를 시장에 선보일 예정이다.
결론적으로 업계의 요구는 오래된 반도체 기술을 뛰어넘고 있으며, 이것을 해결할 무언가가 필요한 상황이다. GaN을 전력 시스템 설계에 적용할 경우, 실리콘 소자가 달성할 수 없는 극적인 성능 향상을 도모할 수 있다. 따라서 새로운 전자 시대에 상당한 일익을 담당하면서 효율성을 높이고 폼 팩터(Form Factor)를 축소하며 스위칭 속도를 높일 수 있는 소자를 제공할 수 있게 될 것이다.
획기적인 기술 발전 덕분에 GaN 생산에 소요되는 비용을 줄일 수 있게 되었다. 온세미컨덕터는 이것을 대량 생산할 궁극의 공정 기술로 도입할 수 있는 단계에 이미 진입한 상태라고 할 수 있다.
Tim Kaske _ ON Semiconductor
