편집자 주. 5G 이동통신 시대가 열리면서 기지국에 탑재되는 RF PA용 갈륨나이트라이드(GaN) 소재 기반 반도체가 주목받고 있습니다. 디일렉은 4회에 걸쳐 GaN 소재 기반 RF PA의 기술적 배경, 업계 및 시장 동향에 대해 짚어봤습니다.
5G 이동통신 주파수는 이전 세대인 4G보다 약간 높거나 아주 높다. 국내 기준 4G에서는 최고 2.6GHz 대역 주파수까지 통신에 사용됐다. 5G는 현재 3.5GHz대역이 상용화됐고 28GHz 대역 주파수가 이동통신사에 할당됐다.
상용 주파수 대역이 높아진 만큼 무선(RF:Radio Frequency) 전력증폭기(PA:Power Amplifier)에 대한 요구스펙도 높아질 것으로 보인다. PA는 통신 과정에서 무선 신호를 증폭하는 기능을 한다. 증폭된 무선 신호는 안테나(Antenna)에서 전파로 송출된다.
기존 PA 트랜지스터에는 실리콘(Si) 기반 LDMOS(Laterally-Diffused Metal-Oxide Semiconductor)가 주로 사용됐다. 고전압 구동을 목적으로 설계된 트랜지스터다. 전력 반도체로서 갈륨나이트라이드(GaN) 관련 연구는 비교적 최근에 이뤄졌다.
GaN은 실리콘과 비교해 고전압·고내열·소형화 등에서 현격한 우위를 나타낸다. GaN의 밴드갭 에너지는 3.4eV로 와이드밴드갭(WBG:Wide Band Gap) 반도체에 해당한다. 실리콘의 밴드갭 에너지는 1.1eV다. GaN보다 작다. 밴드갭 에너지는 가전대역(valence band)과 전도대역(conduction band)의 간격을 말한다.
밴드갭 에너지가 넓을 수록 가전대역의 전자를 전도대역으로 올리는데 더 큰 힘이 필요하다. 이때 필요한 힘이 전압(V)이다. 일정 수준 이상의 전압을 넘으면 전기가 통하지 않던 절연체에 전기가 흐른다. 이를 절연파괴(Breakdown) 전압이라 한다. GaN(2MV/cm)이 실리콘(0.3MV/cm)의 7배 가량 높다. GaN 트랜지스터는 비교적 높은 전압에서 안정적으로 작동된다.
GaN은 실리콘이나 실리콘카바이드(SiC) 기판 위에 성장시켜 만든다. SiC 기판으로 만든 GaN(GaN-on-SiC)이 실리콘 기판 GaN(GaN-on-Si)보다 더 좋은 성능을 보이지만 생산단가는 더 비싸다. GaN-on-SiC와 GaN-on-Si는 각각 최대 150mm 크기 SiC 웨이퍼와 200mm 실리콘(Si) 기판에서 만들어지는 것으로 전해졌다. 통상 웨이퍼 기판 크기가 넓어질 수록 생산단가는 내려간다. 실리콘 위로 GaN을 성장시키는 기술은 생산 단가를 낮출 수 있지만, 기판 깨짐 현상 등으로 실제 양산화는 아직 어려운 실정인 것으로 전해진다.
GaN의 고내열성은 SiC 기판에서 비롯된다. GaN과 실리콘의 열전도율은 각각 1.5W/cm-K와 1.3W/cm-K로 GaN이 약간 높다. 그러나 GaN-on-SiC 트랜지스터는 4W/cm-K 열전도율인 SiC(4H) 기판 위에 만들여져, 실리콘 트랜지스터보다 훨씬 높은 내열성을 보인다. 같은 전력을 걸어도 GaN-on-SiC 트랜지스터는 실리콘 트랜지스터보다 덜 뜨겁다.
GaN 트랜지스터의 효율은 실리콘 트랜지스터보다 10%포인트 가량 높은 것으로 알려졌다. 같은 성능이라면 GaN 트랜지스터의 크기를 실리콘 트랜지스터의 절반 크기로 만들수 있다고 한다. 전자의 속도(Saturation velocity)가 실리콘(1×10^7cm/s)보다 2.5배 빠른 덕분이다. GaN의 전자속도는 2.5×10^7cm/s다. 같은 크기라면 GaN 트랜지스터에서 증폭된 무선 신호의 세기가 실리콘 트랜지스터보다 크다.