GaN 반도체 소자 연구/기술적 특징과 국산화 현황

전세계적으로 에너지 부족으로 인해, 반도체 영역에서도 전기 절약, 즉 고효율의 전력을 내는 파워소자에 대한 기술 개발 및 관심이 점점 커지고 있다. 반도체 소자 영역에서 개발된 GaN 반도체는 단일 소자 제품 (Discrete), 모듈(Module), 집적 소자 등 다양한 형태로 존재한다. 메모리반도체나 프로세서와 달리, 전력을 필요한 부분에 필요한 만큼 변환해주는 역할을 주로 맡는 게 전력관리반도체이며, GaN 반도체도 이 전력관리반도체의 미래 기술로 각광받고 있다.

 

기존 파워 디바이스에서 고효율을 담당하던 IGBT는 실리콘 소재를 사용했기 때문에 더 이상의 고효율과 초소형 제조에 기술적 한계점에 이르렀다. 이를 극복하고 더 높은 효율과 작은 소자를 개발하기 위해서는 더 넓은 bandgap을 가진 화합물 반도체 기반의 소자가 연구 중이다.

 

Bandgap이란, 전도대와 가전자대 사이의 에너지 폭을 의미한다. 화합물 반도체를 사용함으로써 이 폭을 자유롭게 조정할 수 있다. 화합물 반도체 소자 중 Gallium Nitride를 줄여 GaN이라고 하며, 기존 실리콘 대비 물성이 우수하여 고내압, 고전류 구동이 가능하다. 소재/물성 측면에서 현재 실리콘의 한계를 극복하겠다는 의미이다.

 

Bandgap은 Eg라는 파라미터로 표현되며, 다른 실리콘이나 갈륨비소와 비교했을 때, GaN은 3.4eV 로 더 넓다는 점 (실리콘의 약 3배), 그리고 고온 특성 (700도) 도 안정적인 특징이 있다. 또한 Ron이 낮은 특성으로, 스위칭 동작시 손실을 최소화할 수 있다. 그로 인해 전체 시스템의 소비 전력을 최소화할 수 있게 된다.

 

그리고 내압이 실리콘에 비해 10배 이상 좋은 특성이 있다. 따라서 전력반도체 소자 크기를 소형화할 수 있게 되어 전체적인 시스템 크기 소형화에 기여할 수 있다. 그리고 전자포화속도가 굉장히 빠르기에, 소자의 스위칭 시간이 수 ns 이하가 되고 이는 실리콘에 비하면 1/5 수준이 된다. 대부분의 전력 장치들이 스위칭 방식을 택하고 있기 때문에, GaN으로 인해 고효율화 및 소형화를 이룰 수 있을 것이다.

 

하지만 늘 좋은 것만 가지고 있는 GaN이 아니다. 몇 가지 issue가 있는데 소재 측면에서 격자 부정합으로 인해 특성 열화 이슈가 있다. AlGaN과 GaN 끼리의 격자가 부정합하여 받는 스트레스는 정합 에피 구조 및 소자 개발이 계속 진행 중이다. 특히 Dislocation density, 전위 밀도가 현재 수준보다 낮아져 결함 농도를 감소시킬 필요가 대두되고 있다.

 

GaN의 결정구조는 Zinc-blend 구조, 그리고 Wurzite 구조로 나뉜다. 각각의 구조가 가진 안정성, 격자 파라미터, 그리고 energy gap Eg 값이 달라진다. 특히 Wurzite 구조는 Hexagonal 구조 기반이고 hexa. diamond와 가깝다.

 

GaN 기반의 응용 소자는 주로 high speed의 스위칭 FET 이다. 일반적인 실리콘 MOSFET과 비교하면 3차원의 bulk 특성이 아니라 2차원 전자개스층을 이용한다는 점이 다르다. 이는 Depletion mode의 구조이고, Enhancement mode도 연구가 활발한데, 이는 gate를 current로 control을 위해 gate 전극을 형성한 후 절연체를 성장시켜 source와 drain을 분리시키는 구조를 말한다. 

 

우리나라도 현재 메이저 자동차 회사들을 중심으로 GaN이나 SiC(실리콘카바이드) 반도체 설계 및 제조에 박차를 가하는 모습이다. 소자뿐 아니라 패키징 방식과 모듈 방식 등 전방/후방으로 기술 개발이 필요하고 활발히 진행 중이고, 기존에는 없던 설계 방식, 제조 방식 등이 계속 떠오를 것이며 메모리 반도체를 선점하고 주도했듯이 파워 소자도 세계를 무대로 주도해갈 준비를 하고 있다.

 

 

이를 국산화하기 위해서는 정부 주도적인 지원이 반드시 필요하며, 소재/소자 그리고 설계 제조 면에서 국내 대학/연구소/기업에서 다방면으로 제 역할이 필수적이다. 특히 신뢰성이 어느 반도체보다 중요한 반도체이기 때문에 예비타당성 조사 등을 정부가 주도하여 미래 에너지 기술 발전을 이끌어야 할 것으로 보인다.