[상식][전자] GaN 반도체

화합물 반도체 / 전력반도체 

GaN 반도체

GaN 은 ’질화갈륨’이다.

실리콘(Si) 전력 반도체

지난 60여년간 실리콘 반도체가 거의 쓰였다.

• 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 전기 부품
• DC 전압을 각종 기기에 필요로 하는 전압으로 바꾸는 모든 전기 부품

특성

• 우수한 전자 이동성 : 높은 스위칭 속도를 필요하는 회로에 사용될 경우 매우 효과적
• 강한 파괴 전압
• 우수한 열전도
• 더 높은 주파수에서 더 높은 효율로 전력을 처리할 수 있다.
  • 더 높은 주파수로 스위칭 가능 –> GaN이 단일 스텝으로 더 넓은 범위의 전력을 변환할 수 있다. –> 전원 컨버터를 줄일 수 있다.
• 실리콘 부품과 비교해서 동일한 전력을 제공하면서 절반의 공간 사용 –> 손실을 절반으로 줄일 수 있다.
• GaN은 이미 실리콘 소자 용도로 구축된 인프라를 이용할 수 있다

실리콘카바이드(SiC) 기판으로 만든 GaN(GaN-on-SiC)

• 실리콘 기판 GaN(GaN-on-Si)보다 더 좋은 성능
• 생산단가는 더 비싸다.
• GaN-on-SiC는 최대 ‘150mm’ 크기 SiC 웨이퍼에서 만들어진다.
• GaN-on-Si는 ‘200mm’ 실리콘(Si) 기판에서 만들어진다.
• 단, RF GaN-on-Si는 현재로서는 ‘150mm’ 웨이퍼에 더 적합하다.

실리콘(Si) 위로 GaN을 성장

웨이퍼 기판 크기가 실리콘카바이드(SiC) 보다 더 넓어서 생산 단가를 낮출 수 있지만, 기판 깨짐 현상 등으로 실제 양산화는 아직 어려운 실정인 것으로 전해진다.

• 점점 수율이 증가, 개선되는 중
• 시장이 급성장하면서 GaN의 수요가 급증 –> 자연스럽게 생산량 증대와 단가 인하로 이어질 것

한계[ref. 2]

• 생산비용이 비싸다.(수율이 잘 안나옴)
• 집적도가 높은 IC 회로(intergrated Circuit) 제작엔 한계가 있다.
• Ga와 N원자간 내부 전기장이 높고, 전자와 정공의 결합에너지가 낮다. –> 양자효율이 떨어진다.
• Al2O3나 SiC기판과 원자간 거리 차이가 크다.
  --> 박막 제조시 결함이 많이 발생
  --> 이 결함이 소자 ’수명’과 ’특성’을 저해함
• GaN은 결합 후 과잉 전자가 많은 n형 반도체의 특성
  --> 정공 수가 많은 p형 반도체로 도핑하는 과정이 까다로움
• 현재 6인치 웨이퍼가 한계이다.
  • 사업 경제성을 높이기 위해선 미니멈 6인치 이상의 웨이퍼 생산능력을 보유해야 한다.

GaN 전력 반도체 사용처

• 전력 공급(파워 서플라이) 애플리케이션:
  • GaN 전력 시장에서 전력 공급(파워 서플라이) 애플리케이션이 가장 큰 부분을 차지
    • 휴대폰의 고속 충전
  • GaN 전력 반도체 전문 기업인 내비타스(Navitas)와 엑사간(Exagan)
    • 지난 2018년, GaN 솔루션이 통합 된 45W 고속충전 전원 어댑터를 출시
• 전기/하이브리드 자동차:
  • 온보드 충전기
  • 전원 어댑터
  • 자동차 애플리케이션용 DC-DC 컨버터
  • 자율주행차의 라이다(LIDAR)용 레이저 드라이버
  • 전력반도체는 전기자동차에서 대당 100개가 넘게 사용된다.
  • 라이다는 GaN 전력 디바이스의 고주파 스위칭을 최대한 활용하는 고급 솔루션으로 꼽힌다.
• 군수·방산 분야
  • 군용 고출력 레이더
• 민간 선박
• 발광다이오드(LED) 소자 등
• 데이터 센터 업계
  • 48V DC 전원에서 직접 동작하는 것을 검토
  • 기존의 실리콘 전원변환은 48V에서 대부분 컴퓨팅 하드웨어에 필요로 하는 더 낮은 전압으로 단일스텝으로 효율적으로 변환하지 못한다. 그러므로 중간단계들을 거쳐야 하므로 데이터 센터 전력 효율을 떨어트린다.
  • GaN은 48V에서 서버나 칩으로 공급하기 위해서 POL(point-of-load)로 곧바로 스텝 다운할 수 있다.
    --> 전원 분배 손실을 크게 줄일 수 있으며 변환 손실을 30%까지 낮출 수 있게 된다.

GaN RF 반도체

통신분야의 RF에서도 GaN 반도체의 수요가 높다.

• 네트워크 사업자들이 ’더 높은 전력으로 구동’되는 고주파 장비들을 구축해야 한다.(5G 셀룰러 네트워크)
• 네트워크 사업자들은 셀 타워 장비의 크기를 늘리는 것을 원치 않는다.
  --> GaN의 전력 밀도는 큰 이점

특허

GaN 전력 반도체

10년 전 초창기 GaN 전력 반도체 시장에서 GaN-on-Si 특허 환경을 주도

• 일본의 도시바(Toshiba)
• 미국의 인터내셔널 렉티파이어(International Rectifier, IR)
  • IR은 2010년 2월에 GaN 전력 반도체를 이용한 MCM(Multi Chip Module)인 ’iP2010 TRPbF’와 ’iP2011TRPbF’시제품을 출하하기 시작.

2010년에서 2015년 사이에 최초의 GaN-on-Si 전력 장치를 샘플링 및 상업화하기 시작 --> 본격적으로 GaN 전력 반도체 생태계가 형성되기 시작

• IR
• 미국의 트랜스폼(Transphorm)
• 일본의 파나소닉(Panasonic)
• GaN시스템즈(GaN Systems)

GaN 반도체 개발에 새롭게 뛰어듦

• 온세미컨덕터(ON Semiconductor)
• 다이아로그(Dialog)
• 나비타스(Navitas)
• VisIC
• ST마이크로일렉트로닉스 등

GaN RF 반도체

RF 전자 애플리케이션을 위한 GaN-on-Si 분야에서는 특허주도 하는 두 업체

• 인텔(Intel)
• 마콤(Macom)

GaN-on-Si RF 분야에서 시행 가능한 IP 측면에서 특허 환경을 주도

• 후지쓰(Fujitsu): 40개 이상의 특허를 보유
• 마콤 : 20개 이상의 특허를 보유

인텔의 RF GaN-on-Si 특허 포트폴리오

• 주로 SoC, RF 스위치, 초단 채널 길이, 필드 플레이트 및 III-N/실리콘 모놀리식 IC에 사용되는 III-N 트랜지스터와 관련돼 있다.
• 약 75%는 주로 17개의 특허를 보유한 미국과 20 개의 특허를 보유한 대만간에 분산 된 특허 출원으로 구성되어 있다.

후지쓰의 포트폴리오:

• SiC를 포함한 다른 기판이나 다른 애플리케이션에 구현될 수 있는 GaN-on-Si 소재 특허에 중점을 두면서 인텔과 마찬가지로 글로벌 특허 전략을 채택.

마콤의 포트폴리오:

• 상용화, 장치, 모듈 및 패키지 레벨에서 특정한 기술적 과제를 해결하면서 RF를 위한 GaN-on-Si 기기에 더 중점을 두고 있다.

레미코민(Rémi Comyn) KnowMade 연구원은 “계속해서 전력 응용 분야를 위한 GaN-on-Si 기술에 대한 관심이 높아지고 있지만 2014년을 기점으로 특허 활동이 크게 가속화되지는 않았다. 그나마 2014년 인피니언이 IR를 인수 후에 특허출원 했으며, 후지쓰가 전원 공급 장치 사업을 미국 스타트 업으로 이전하기로 결정한 후 트랜스폼의 포트폴리오가 크게 강화됐다”고 설명했다.

GaN 기반 마이크로 LED

• 지난해부터 GaN 시장에서 특허에 크게 기여한 분야는 GaN 기반 마이크로 LED
  • 차세대 디스플레이 기술
  • 스마트 조명 애플리케이션

마이크로 LED 분야 또한 저전력이 핵심이기 때문에 기술 특허에 주목하고 있다.

기술협력과 인수 합병

인피니언

• 2014년 8월 , 인터내셔널 렉티파이어(IR)를 30억 달러(약 3조2400억 원)에 인수
  • GaN 기술을 보유한 IR
  • 전력 반도체 시장에서 입지를 강화하기 위해 인수
  • 당시 인수 금액은 인피니언 설립 이후 역대 최대 규모
• '콜드 스프릿(Cold Split)' 기술을 개발한 시텍트라(Siltectra)를 2018년 11월 인수를 결정
  • 이 기술로 SiC 웨이퍼를 절단해 하나의 웨이퍼에서 칩 수를 두 배로 늘릴 계획

일본 반도체 기업 로옴(ROHM)

• 2018년 6월 전력반도체 업체인 ’GaN시스템’과 협업을 통해 본격적으로 GaN 전력 디바이스 사업을 시작
• GaN시스템은 트랜지스터, 로옴은 전자부품 설계·제조 기술을 제공하기로 협약
• 우선적으로 GaN 시장에서 가장 급속하게 성장하고 있는 지역 중 하나인 아시아를 중심으로 사업을 전개
• 연구개발(R&D)도 공동으로 추진
• 중국의 신에너지 자동차용 구동 분야 기업인 ’리드라이브테크놀로지(Leadrive Technology)’와 2017년부터 협력관계를 맺고 SiC 파워 디바이스를 탑재한 차량용 애플리케이션 개발 기술을 교류
• 이를 발판으로 양사는 2020년 6월 중국 상하이의 자유무역시험구 임항신구에 ‘SiC 기술 공동 연구소’를 개설.
• 이 연구소에서는 로옴의 ‘SiC MOSFET 베어 칩’ 및 ’절연 게이트 드라이버’를 활용한 차량용 파워 모듈, 인버터 개발을 중점적으로 할 예정.

ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics, 이하 ST)

• ’GaN 전력 반도체’뿐 아니라 ’GaN RF 반도체 기술’을 동시에 확보하기 위해 업체간 협업을 강화
• 2018년 2월 ST는 RF 애플리케이션용 GaN-on-Silicon 개발을 위해 마콤(MACOM)과 협력.
  • 마콤의 경우 다양한 RF 애플리케이션에서 사용되고, ST의 경우 이동통신 분야 외의 시장에서 사용된다.
  • 양사 모두 GaN을 사용하기 때문에 혼동하기 쉽지만, 구조적으로 다른 접근 방식을 사용하기 때문에 애플리케이션마다 다른 혜택을 얻을 수 있다는 것이 회사 측의 설명.
• 2018년 10월 ST는 프랑스 원자력청(CEA) 산하 ‘전자정보기술연구소 레티’(이하 CEA-Leti)와 ’파워 스위칭 디바이스용 GaN-on-Silicon 기술’의 상용화를 위해 협력한다고 발표.
  • ’전력 GaN-on-Si 기술’을 통해 하이브리드 및 전기 자동차를 위한 온-보드 충전기, 무선 충전, 서버 애플리케이션으로 비즈니스를 확대한다는 전략.
  • 이번 양사의 협업은 200mm 웨이퍼 상에서 첨단 GaN-on-Si 다이오드와 트랜지스터 구조를 개발하고 검증하는 데 중점
  • IRT 나노일렉의 프레임워크 내에서 레티의 200mm R&D 라인을 이용해 공정 기술을 개발하고 있으며, 2019년에 엔지니어링 샘플을 검증.
  • 고전력-밀도의 파워 모듈 조립시 ’디바이스 패키징을 개선’해주는 첨단 기법들을 연구.
• 2020년 3월 ST는 프랑스의 GaN 기업인 엑사간(Exagan)의 최대 지분을 인수.
  • ST는 엑사간의 GaN 기술 노하우를 활용
    --> 자동차, 산업, 컨슈머 애플리케이션에 맞는 전력 GaN 전력 디바이스 비즈니스를 확장한다는 계획.

이와 관련해 ST의 사장 겸 CEO인 장 마크 쉐리(Jean-Marc Chery)는 “ST는 실리콘 카바이드 분야에서 강력한 모멘텀을 구축해 왔다. 이제 잠재력이 뛰어난 또 다른 복합재인 질화갈륨 분야로 확장하면서 자동차, 산업, 컨슈머 시장에 걸쳐 고객들이 GaN 기반 전력 제품의 채택을 가속화하도록 이끌고 있다”며, “현재 프랑스 투르(Tours)에서 진행 중인 CEA-Leti와의 GaN/Si 헤테로 에피택시(hetero-epitaxy) 공정 개발사업과 더불어 최근 발표된 TSMC와의 협업도 계속 추진하고 있다”고 밝혔다.

아나로그디바이스(ADI)

• 2017년 원트리마이크로디바이스(OneTree Microdevices)를 인수
  • GaAs 및 GaN RF 증폭기 포트폴리오를 확보.

그 당시 그렉 헨더슨(Greg Henderson) ADI RF 및 마이크로파 사업부 부사장은 “원트리의 GaN 기술을 ADI가 보유한 인프라, 방위산업 및 계측 장치 분야용 고성능, RF 및 마이크로파 시그널 체인 솔루션 포트폴리오를 확대시키겠다”고 말했다.

GaN 반도체 기업 트랜스폼(Transphorm)

• 반도체 업계에서 협력과 관련해 많은 러브콜을 받고 있는 기업 중 하나
• 2014년 ’온세미컨덕터’는 트랜스폼과 ’GaN 기반 전력 시스템 솔루션 개발’을 위해 파트너쉽을 구축.
  • 양사가 공동 개발한 600V GaN 트랜지스터 기반 솔루션은 통신, 서버 시장에서 200와트(W)에서 1000W에 달하는 소형 파워 서플라이와 어댑터용 고출력 밀도 애플리케이션에 활용되고 있다.
• ‘마이크로칩(Microchip)’ 또한 트랜스폼과 파트너쉽을 지난 4월에 발표.
  • 양사는 협력을 통해 4세대 GaN 기술이 접목된 트랜스폼의 4kW AC-DC 변환 토템 폴(Totem pole) 기반의 브릿지리스 PFC(power factor correction, 역률보상) 평가 보드에 마이크로칩의 dsPIC33CK 디지털 신호 컨트롤러 보드를 통합한다는 계획.

전망

• 향후 GaN은 비용 효율성이 개선되면 소비자 가전제품과 같은 다양한 애플리케이션으로 확대될 가능성이 높아질 것이다.

References

1. ‘질화갈륨(GaN) 반도체’ 중간점검, 기술 경쟁은 계속된다, 2020-07-23
2. 01-자동차-전기차 보급 확대를 기다리는 화합물 반도체_20210413_IBK투자_이건재_594761.pdf