무선(RF:Radio Frequency) 전력증폭기(PA:Power Amplifier) 분야 갈륨나이트라이드(GaN)에 대한 대규모 연구는 미국 국방부 산하 방위고등연구계획국(DARPA:The Defense Advanced Research Projects Agency)의 WBG-RF 프로그램(Wide Band Gap Semiconductors for RF Applications)에서 처음 본격화한 것으로 본다.
2002년 시작된 WBG-RF 프로그램은 3단계를 거쳐 2010년까지 이어진 것으로 알려져 있다. 1단계(2002년-2004년)에서는 GaN과 알루미늄갈륨나이트라이드(AlGaN)의 성장(epitaxy)과 실리콘카바이드(SiC) 기판 재료에 대한 연구가 이뤄졌다.
RF PA용 GaN 트랜지스터는 주로 SiC 기판에서 만든다. SiC 기판위에 GaN층과 AlGaN층이 올라간다. 채널(Channel) 소재인 GaN위에 AlGaN이 올라가 베리어(Barrier) 역할을 한다. 베리어 위에는 게이트(Gate)가 올라가는데, 베리어는 게이트와 채널 사이의 전류 누설을 막는다.
WBG-RF 프로그램 2단계(2005년-2008년)에서는 GaN-on-SiC 트랜지스터의 수명과 생산성을 높이는 연구를 했고 2010년까지 지속된 3단계 연구 목표는 고수명·고성능 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuits) 개발이었다. MMIC는 PA 트랜지스터를 비롯해 여러 능동·수동 소자를 하나의 반도체 기판위에 만드는 단일 RF 칩을 말한다.
WBG-RF 프로그램에서 얻은 성과에 따라, 미국 코보(Qorvo, 전 트라이퀸트)와 울프스피드(Wolfspeed, 크리 자회사) 등이 이 분야에서 앞선 기술력을 보유하고 있다. WBG-RF 프로그램과 비슷한 시기에 유럽과 일본도 대규모 국책 연구를 시작했다. 유럽 UMS(United Monolithic Semiconductors)와 일본 스미토모(SEDI) 등이 지역을 대표하는 업체다.
우리나라에서는 한국전자통신연구원(ETRI)이 다음달부터 '5G 통신을 위한 3.7GHz 300W급 고출력 GaN 파워 트랜지스터 기술 및 전력증폭기 개발' '(밀리미터웨이브 대역) 5G 기지국용 배열 안테나를 위한 고출력 RF 프론트엔드(Front-End) 기술 개발' 등 과학기술정보통신부 과제를 시작한다.
강동민 ETRI RF·전력부품연구실장은 "기존 실리콘(Si) 트랜지스터는 고출력을 낼 수 있지만 4GHz 이상 주파수 대역을 넘기지 못하고, 대체재인 갈륨아스나이드(GeAs)는 높은 주파수에서 사용 가능하지만 출력이 상대적으로 떨어진다"고 말했다.
그는 "높은 주파수에서 고출력이 가능한 GaN 트랜지스터는 5G(세대 이동통신) 인프라 구축에서 사용이 늘어날 수밖에 없다"며 "그러나 해외에서 밀리미터파 대역 트랜지스터를 수출 통제(Export License) 품목으로 지정해 부품을 구입하기는 쉽지 않다"고도 했다.
국내에서는 팹리스(fabless)업체 RFHIC가 울프스피드의 파운드리(foundry)를 통해 GaN-on-SiC 트랜지스터를 만들고 있다. GaN 트랜지스터를 패키징한 전력증폭모듈까지 생산·공급하고 있다. 기가레인에서 물적분할해 2017년 설립된 웨이비스는 자체 GaN-on-SiC 생산라인을 갖추고 있다. 지난해 중소벤처기업부 주관 '강소기업 100'에 선정된 바 있다.
