3-5족 화합물 반도체(GaN)

한 줄로 말하면

3-5족 화합물 반도체는 원소주기율표 3족 원소(갈륨 등)와 5족 원소(질소·비소 등)를 결합해 만드는 반도체 소재야. 단일 원소(4족 실리콘)로 만드는 실리콘 반도체와 달리, 두 원소의 조합 비율을 바꿔가며 밴드갭·전자 이동도 같은 물성 자체를 설계할 수 있어. 그중 갈륨과 질소를 결합한 GaN(질화갈륨, Gallium Nitride)은 밴드갭이 실리콘보다 훨씬 넓어서 — 이 성질 때문에 같은 전압을 버티는 소자를 실리콘보다 작게, 손실은 더 적게 만들 수 있어.

비유로 이해하기

전력반도체를 “물을 얼마나 센 압력으로, 얼마나 좁은 관에 흘려보낼 수 있는가”의 문제라고 생각하면 감이 와. 밴드갭이 넓다는 건 관의 벽이 그만큼 두꺼워서 높은 압력(전압)에도 관이 터지지(항복하지) 않는다는 뜻이고, 전자 이동도가 높다는 건 그 관 안에서 물(전자)이 저항 없이 잘 흐른다는 뜻이야.

그런데 이 비유는 “왜 실리콘 대신 새 재질로 관을 짓나”는 설명하지 못해. 벽을 두껍게 하는 건 같은 관을 다르게 깎는 문제가 아니라, 애초에 다른 재질로 관을 짓는 문제거든. 실리콘이라는 재질은 이미 물리적 한계에 가까이 닿아 있어서, 벽을 더 두껍게 하려면 갈륨과 질소 같은 다른 원소 조합으로 넘어가야 해.

실리콘이 막힌 자리에서 갈륨과 질소가 시작한다

실리콘 전력 트랜지스터는 수십 년 동안 꾸준히 효율을 높여왔지만, 물리적 한계치에 가까워지며 개선 속도가 느려졌어. 1978년에 나온 초기 전력 MOSFET IRF100은 항복전압 100V, 온저항 0.1Ω, 다이 면적 40mm²가 넘고 가격은 34달러였는데, 이게 당시 업계의 기준점이었어.¹

물성표로 비교하면 왜 실리콘이 막혔는지가 보여. GaN의 밴드갭은 3.4 eV로 실리콘(1.12 eV)의 세 배 가까이 되고, 임계 파괴 전계(EBR, 소자가 항복하기 전 버틸 수 있는 전계 세기)도 GaN이 3.3 MV/cm로 실리콘 0.3 MV/cm의 10배가 넘어.¹ 밴드갭이 넓으면 실온에서 자연히 흐르는 전자(진성 캐리어) 농도가 실리콘보다 몇 자릿수 낮아지는데, 이게 곧 누설전류가 작고 더 높은 온도에서도 안정적으로 동작한다는 뜻이야.²

전계를 더 버틸 수 있으면 같은 항복전압을 유지하면서 전극 사이 거리를 좁혀 소자를 작게 만들 수 있어.¹ GaN은 여기에 한 가지를 더 얹어. AlGaN과 GaN을 맞붙인 경계면에는 2DEG(이차원 전자가스)라는 얇은 전자층이 자연스럽게 생기는데, 이 층이 전자 이동도를 990에서 약 2000 cm²/Vs로 두 배 넘게 끌어올려.¹ 그 결과 GaN은 같은 온저항·항복전압 기준에서 3-5족 화합물의 또 다른 축인 SiC(탄화규소)보다도 소자를 더 작게 만들 수 있어.¹

켜진 채로 태어나는 소자를 길들이는 문제

GaN 트랜지스터에는 실리콘에 없는 골칫거리가 하나 있어. 별다른 조치를 하지 않으면 소자가 정상적으로 켜져 있는 상태(normally-on)로 태어나는 게 GaN HEMT의 기본 성질이야. 전력전자에서는 전원이 꺼지거나 회로가 오작동할 때 소자가 저절로 꺼지는 쪽(normally-off)이 안전하고, 게이트 구동 회로도 더 단순해져서 훨씬 선호돼.²

그래서 Panasonic·Infineon·GaN Systems·OnSemiconductor·STMicroelectronics 같은 업체와 학계가 함께 normally-off GaN을 만드는 기술에 연구력을 쏟고 있고, 현재 가장 널리 쓰이는 방식은 캐스코드(cascode) 구성, p-GaN 게이트, 리세스 게이트 하이브리드 MISHEMT 세 가지야.² p-AlGaN 게이트 방식은 우에모토(Uemoto) 등이 처음 제안했는데, 문턱전압 1.0V·항복전압 800V를 냈어.²

EPC가 택한 길은 조금 다르다 — 트랜지스터 구조 자체를 실리콘 기반 MOSFET에 흔한 기생 바이폴라 접합이 없는 순수 측면(lateral) 구조로 만들어, 역회복 전하(QRR)를 0으로 없앴어.¹ 다만 스위칭 사이클마다 충반전해야 하는 출력 커패시턴스(COSS)는 여전히 남는데, 같은 온저항 기준에서 실리콘 MOSFET보다는 훨씬 작아.¹

왜 중요한가

이 물성 차이는 전압 구간별로 다른 승부처를 만들어. 시장 분석가들에 따르면 GaN은 컴퓨터 전원 공급 장치·오디오 앰프처럼 소비자 가전 시장의 상당 부분을 차지하는 저·중전압(200~600V) 구간에 가장 잘 맞고,² 600~900V 구간은 전기차·하이브리드차 컨버터와 태양광 같은 재생에너지 인버터를 포괄하는 전략적 구간이야.² 반면 1.2kV를 넘는 고전압 구간(산업용, 철도·선박 운송, 전력망)에서는 같은 3-5족 화합물이라도 SiC가 더 나은 재료 품질과 소자 신뢰성 덕분에 여전히 선호되는 선택으로 남아 있어.²

비용 구조는 아직 실리콘에 완전히 유리하지 않아. GaN 소자는 상대적으로 새 기술이라 지금도 실리콘 대응 제품보다 생산 비용이 더 들어.¹ 그런데 GaN 트랜지스터를 처음 상용화한 EPC는 이걸 일시적인 상황으로 본다 — 표준 실리콘 제조 설비를 그대로 활용해 대량 생산할 수 있어서, 동등 성능 기준으로 실리콘 MOSFET·IGBT보다 더 낮은 비용을 달성하는 데 근본적인 장벽은 없다고 주장해.¹ 이 물성-비용의 교차점을 어디서 찾느냐가, GaN이 저전압 소비자 가전을 넘어 얼마나 넓은 전압 구간까지 실리콘을 밀어낼 수 있는지를 가르는 변수야.

실제 예시 — EPC의 2009년 6월 첫 상용 eGaN FET

GaN HEMT(고전자이동도트랜지스터) 자체는 2004년경 일본 Eudyna Corporation이 GaN-on-SiC 기판으로 만든 RF용 depletion-mode 트랜지스터로 처음 등장했어.¹ 하지만 이건 전력 MOSFET을 대체할 목적의 제품은 아니었어.

2009년 6월, Efficient Power Conversion Corporation(EPC)이 전력 MOSFET 대체를 목표로 설계된 최초의 enhancement-mode GaN-on-silicon(eGaN) FET를 발표했어.¹ EPC의 공정은 실리콘 웨이퍼에서 시작해 그 위에 얇은 질화알루미늄(AlN) 씨앗층을 성장시키고, 그 위에 다시 AlGaN과 GaN을 차례로 성장시켜 헤테로구조를 완성하는 방식이야.¹ 실리콘 웨이퍼와 표준 실리콘 제조 설비를 그대로 쓸 수 있다는 점이 이 공정의 핵심이었고, 이는 GaN 소자를 대량·저비용으로 만들 수 있는 길을 연 시도였어.¹

헷갈리지 말아야 할 점

GaN과 SiC는 둘 다 3-5족·4족 화합물 계열의 광대역갭(wide bandgap) 반도체지만, 같은 시장을 두고 경쟁하는 사이가 아니야. 저·중전압(200~900V) 구간에서는 GaN이 더 작은 소자를 만들 수 있어 유리하고, 1.2kV를 넘는 고전압 구간에서는 SiC의 재료 품질과 신뢰성이 아직 더 앞서 있어.² “광대역갭 반도체”라는 한 범주로 뭉뚱그리면 이 전압 구간별 분업을 놓치게 돼.

물성이 우수하다는 것과 지금 당장 실리콘보다 저렴하다는 것은 다른 말이야. GaN의 밴드갭·이동도가 실리콘을 능가한다는 사실이 현재 생산 비용까지 더 낮다는 뜻은 아니야. EPC 스스로도 eGaN FET가 아직은 실리콘보다 비싸다고 인정하고, 그 격차가 좁혀질 것이라는 건 실현된 결과가 아니라 표준 실리콘 설비를 재활용할 수 있다는 근거에 기댄 전망이야.¹

남은 질문들

• 2019년 시장 전망은 GaN 전력 소자 시장이 2022년 4억 5000만 달러를 넘어설 것으로 봤는데,² 그 이후 실제 시장 규모가 얼마나 늘었는지 최신 수치로 확인이 필요하다.
• EPC가 예견한 “실리콘보다 저렴한 GaN”이 실제로 어느 전압 구간에서, 언제 현실화됐는지(또는 아직 안 됐는지) 후속 확인이 필요하다.
• normally-off 세 가지 방식(캐스코드·p-GaN 게이트·리세스 게이트 하이브리드 MISHEMT) 중 어느 쪽이 지금 산업 표준으로 자리잡았는지 추가 근거가 필요하다.

각주

1. Alex Lidow, Johan Strydom, Efficient Power Conversion Corporation, 「Gallium Nitride (GaN) Technology Overview」 백서 ↩︎ ↩︎² ↩︎³ ↩︎⁴ ↩︎⁵ ↩︎⁶ ↩︎⁷ ↩︎⁸ ↩︎⁹ ↩︎¹⁰ ↩︎¹¹ ↩︎¹² ↩︎¹³ ↩︎¹⁴

2. Fabrizio Roccaforte, Giuseppe Greco, Patrick Fiorenza, Ferdinando Iucolano, 「An Overview of Normally-Off GaN-Based High Electron Mobility Transistors」, Materials 12(10):1599(2019-05-15) 논문 ↩︎ ↩︎² ↩︎³ ↩︎⁴ ↩︎⁵ ↩︎⁶ ↩︎⁷ ↩︎⁸ ↩︎⁹