Yole은 보고서 "질화갈륨(GaN) RF 시장 2021: 응용 분야, 주요 업체, 기술 및 기판"에서 질화갈륨(GaN) RF 장치 시장이 2020년 8억 9,100만 달러에서 2026년 2.4억 달러 이상으로 연평균 18%의 성장률을 보일 것으로 예측했습니다.
2026년까지 국방 및 5G 통신 인프라 애플리케이션이 각각 전체 시장의 49%와 41%를 차지하며 시장을 주도할 것으로 예상됩니다. 특히, GaN 기반 매크로/마이크로 셀룰러 부문은 2026년 GaN 통신 인프라 시장의 95% 이상을 차지할 전망입니다.  1세대(실리콘 기반) 반도체와 비교하여 3세대 반도체는 넓은 밴드갭, 높은 전기 전도도 및 높은 열 전도도를 가지고 있습니다. 또한 높은 임계 항복 전기장, 높은 전자 이동도 및 우수한 주파수 특성을 나타냅니다. 질화갈륨(GaN)은 가장 대표적인 3세대 반도체 소재로, 고온, 고주파, 고출력 마이크로파 장치에 선호되는 소재 중 하나입니다. 현재까지 이론적으로 가장 높은 전기광학 및 광전 변환 효율을 가진 소재 시스템입니다. 질화갈륨의 뛰어난 특성은 다음과 같습니다.

현재 GaN 소자의 3분의 2는 군사 통신, 전자 장비, 간섭 방지, 레이더 등과 같은 군용 전자 장비에 사용되고 있으며, 민간 분야에서는 주로 통신 기지국, 전력 장치 등에 사용됩니다.

향후 5년 동안 3세대 반도체 소재 기반 전자 기기는 5G 기지국, 신에너지 자동차, 초고압 진공 시스템, 데이터 센터 등 다양한 분야에서 널리 사용될 것입니다.

       

RF GaN 기술

5G에 완벽하게 적합합니다.

질화갈륨의 밴드갭은 3.4eV인 반면, 오늘날 가장 널리 사용되는 반도체 소재인 실리콘의 밴드갭은 1.12eV입니다. 따라서 질화갈륨은 고출력 및 고속 부품에서 실리콘 부품보다 우수한 성능을 보입니다.
질화갈륨(GaN)은 높은 출력 처리 능력으로 오랫동안 알려져 왔습니다. 기지국, 레이더, 항공전자 장비와 같은 무선 통신 장비의 증폭기 소재로 선호되며, 4G 통신 시스템에도 수년간 사용되어 왔습니다. 5G 이동통신 시스템에서는 기지국과 휴대전화 단말기의 데이터 전송 속도가 4G보다 빠르고 변조 기술의 주파수 활용률이 높아 무선 주파수 프런트엔드 부품 및 모듈에 대한 요구 사항이 더욱 높아졌습니다. 또한, 질화갈륨은 전자기파에 대한 민감도가 낮아 방사선 환경에서도 높은 안정성을 보입니다. 비소갈륨(GaAs) 트랜지스터와 비교했을 때, 질화갈륨 트랜지스터는 훨씬 높은 온도와 전압에서 동작할 수 있어 마이크로파 주파수 전력 증폭 부품으로 이상적입니다. 3세대 반도체 소재인 질화갈륨은 20년 이상 연구 및 응용되어 왔지만, 최근에야 상업적 개발 전망이 뚜렷해지기 시작했습니다. 5G는 이러한 성장을 이끄는 주요 동력 중 하나입니다. 5G 통신의 무선 주파수 프런트엔드는 고주파 및 고효율에 대한 엄격한 요구 사항을 충족해야 하는데, 바로 이 부분에서 질화갈륨이 중요한 역할을 합니다. 또한, 자동차 전동화 및 휴대용 전자 제품의 고속 고효율 충전에 대한 수요 증가로 인해 질화갈륨 전력 부품이 대량 시장으로 확산되어 기존 실리콘 전력 부품을 점차 대체할 것으로 예상됩니다.

▲서로 다른 재료 시스템을 가진 RF 전력 트랜지스터의 비교 차트

▲GaNHEMT 소자 구조▌높은 출력과 높은 부가 효율  

GaN 소재 시스템은 AlGaN/GaN과 같은 이종접합 소재 시스템을 쉽게 형성할 수 있습니다. 이종접합 계면에는 매우 강한 자발 분극 및 압전 분극 효과가 나타납니다. 유도되는 2차원 전자 가스 농도가 매우 높고 전자 이동도는 최대 2000cm²/V·s에 달합니다. 따라서 GaN 이종구조 기반 트랜지스터는 고전자 이동도 트랜지스터, 즉 GaNHEMT(High Electron Mobility Transistor)라고도 불립니다. 또한, GaN 소재의 항복 전계 강도는 Si 및 GaAs보다 수 배 높으며, GaNHEMT 소자에 사용되는 SiC 반절연 기판의 열전도율은 금속 구리보다 우수하여 뛰어난 방열 특성을 가지므로 고출력 동작에 적합합니다. GaNHEMT는 또한 낮은 기생 정전 용량과 높은 항복 전압을 특징으로 하여 고효율 전력 증폭기(PA, Power Amplifier) ​​구현에 매우 적합합니다.

▌긴 펄스 폭, 높은 듀티 사이클  

GaNHEMT는 일반적으로 넓은 밴드갭 물질인 SiC 반절연 기판 위에 에피택시 성장됩니다. GaNHEMT의 전력 밀도를 적절히 제어하면 긴 펄스 폭, 높은 듀티 사이클을 쉽게 구현할 수 있으며, 고출력 연속파 동작이 가능합니다.

▌동작 주파수 대역폭, 고주파수  

GaNHEMT의 차단 주파수는 동작 주파수와 순간 대역폭을 직접적으로 결정합니다. 채널의 도핑 농도가 증가함에 따라 차단 주파수는 증가하고, 채널 두께와 게이트 길이가 증가함에 따라 감소합니다. Si 반도체 재료의 금지대역 에너지 한계로 인해 차단 주파수가 낮아 Si 반도체 전력 소자는 S-밴드 이하의 주파수에서만 동작할 수 있습니다. GaAs 소자는 다른 소자에 비해 전하 이동도가 훨씬 우수하고 차단 주파수가 높지만, 항복 전계 강도가 낮고 동작 전압이 낮아 출력 전력이 제한적입니다. GaNHEMT는 넓은 밴드갭 에너지, 높은 항복 전계 강도, 높은 포화 전자 드리프트 속도 등의 특성을 가지고 있어 이러한 단점을 보완하고 우수한 고주파 성능을 구현합니다. GaNHEMT는 더 높은 주파수에서 동작할 수 있으며 동시에 높은 출력 전력을 얻을 수 있습니다. 또한, GaNHEMT의 고유한 특성으로 인해 입력 및 출력 임피던스가 높아 회로의 광대역 임피던스 정합이 용이하므로 광대역 응용 분야에 적합합니다.

▲다양한 재료 시스템에서 RF 장치의 전력-주파수 작동 범위▌뛰어난 방사선 저항성과 우수한 환경 적응성  

GaN은 원자 결합이 매우 강하고 열전도율이 높으며 III-V 화합물 중 이온화도가 가장 높은 매우 안정적인 화합물입니다. 또한 화학적 안정성이 뛰어나 GaN 소자는 Si 및 GaAs보다 방사선에 대한 내성이 우수합니다. 동시에 GaN은 융점이 높고 열전도율이 높은 소재입니다. GaN 전력 소자는 일반적으로 열전도율이 더 우수한 SiC를 기판으로 사용하기 때문에 접합 온도가 높아 고온 환경에서도 작동할 수 있습니다.

매개 변수	Si	갈륨 비소	GaN
밴드갭 폭(eV)	1.1	1.4	3.4
유전율	11.8	12.8	9.0
절연 파괴 전계 강도 (106⁶V/cm)	0.6	0.7	3.5
열전도율 (W/cm·K)	1.3	0.5	1.3
전자 이동도 (cm2/Vs)	1450	8500	900
포화 전자 속도 (107cm/s)	1.0	2.0	2.7

▲주요 반도체 재료의 핵심 특성

GaN RF 소자

다양한 응용 분야에서성능 이점

GaN 무선 주파수 소자는 이동통신 기지국에 주로 사용됩니다. 4G와 비교했을 때, 5G의 통신 주파수 대역은 고주파 대역으로 이동했습니다. 현재 우리나라의 4G 네트워크 통신 주파수 대역은 주로 2.6GHz입니다. 2017년 산업정보화부는 3~5GHz 주파수 대역(중주파 대역)의 5G 시스템 주파수 사용 계획을 발표했습니다. 향후 용량 확대를 위해 6GHz 이상의 고주파 대역이 점진적으로 추가될 예정입니다.

SiLDMOS 및 GaAs와 비교했을 때, 기지국에 사용되는 GaN RF 소자는 5G의 고출력, 고주파 통신, 고효율 요구 사항을 더욱 효과적으로 충족할 수 있습니다. SiLDMOS는 고출력을 낼 수 있지만, 주파수 측면에서는 3.5GHz 이하의 제한된 주파수 대역에서만 효과적입니다. GaAs 전력 증폭기는 주파수를 높일 수 있지만, 출력 전력 면에서는 GaN 소자에 비해 현저히 떨어집니다. 따라서 고출력, 고주파, 넓은 대역폭을 요구하는 5G 통신 환경에서는 GaN 전력 증폭기가 기지국에 가장 적합한 선택입니다.

▌군사적 응용 분야 – 레이더 및 전자전 시스템에서 질화갈륨의 장점  

현재 무선 주파수 질화갈륨 소자의 최대 시장은 군사 및 항공우주 분야입니다. 약 15년 ​​전, 미 국방부의 자금 지원을 받아 연구원들이 무선 주파수 질화갈륨 기술에 투자하기 시작했고, 이것이 현재의 무선 주파수 질화갈륨 소자 시장의 시초가 되었습니다.

Strategy Analytics의 통계에 따르면, 국방 및 항공우주 분야는 RF 질화갈륨 전체 시장 규모의 40%를 차지하며, 레이더 및 전자전 시스템이 RF 질화갈륨의 가장 큰 응용 시장입니다.

2017년 3월, 레이시온은 자사의 패트리어트 미사일 방어 시스템에 질화갈륨 기술 기반의 최신 안테나 시스템을 채택했다고 발표했습니다. 패트리어트 미사일 방어 시스템은 탄도 미사일, 드론, 항공기를 요격할 수 있는 지상 기반 미사일 방어 시스템입니다.

▲패트리어트 미사일

기존 패트리어트 시스템에 사용된 레이더 기술은 수동 전자식 스캔 배열(PESA)이었습니다. 새로운 레이더 시스템은 능동 전자식 스캔 배열(AESA)로 변경되었습니다. 이 능동 전자식 스캔 배열은 패트리어트 시스템에 360도 전방위 레이더 기능을 제공합니다.

레이시온 항공 및 미사일 통합 방어 사업 개발 담당 부사장인 팀 글레이저는 "레이시온은 질화갈륨 기술 기반의 능동형 전자 스캔 어레이 레이더로 업그레이드하면 패트리어트 시스템이 새로운 공격 무기에 맞서 우위를 유지할 수 있을 것이라고 믿는다"고 말했다.

능동형 전자 스캔 배열 레이더는 위상 배열 기술을 기반으로 합니다. 위상 배열 장치는 개별적으로 제어할 수 있는 안테나 그룹으로 구성됩니다. 빔포밍 기술을 사용하여 안테나 그룹을 다양한 방향으로 회전시킬 수 있습니다.

주목할 만한 점은 이러한 기술들이 군사 분야에서 상업 분야로 전환되고 있다는 것입니다. 예를 들어, 능동 전자 스캔 어레이(AESA) 및 위상 배열(PA) 기술은 60GHz 밀리미터파 Wi-Fi 기술, 자동차 레이더 시스템 및 무선 기지국에 사용되어 왔습니다. 또한, 위상 배열 기술은 5G에도 널리 사용될 것입니다.

한편, 질화갈륨 기술로 제조된 전력 증폭기는 군용 휴대용 무전기의 지점 간 통신에도 사용되어 왔습니다.

▌상업적 응용 분야 - 전력 관리에서 질화갈륨의 성능 이점  

질화갈륨은 넓은 밴드갭(WBG) 반도체 소재로, 기존 실리콘 반도체 소재보다 더 높은 전압, 주파수 및 온도에서 전력 부품이 작동할 수 있도록 합니다. 전력 관리 애플리케이션에서 질화갈륨의 장점은 다음과 같습니다.

• 전도 손실이 작고 에너지 효율이 높습니다. 질화갈륨 트랜지스터의 온 저항(Rds,on)은 기존 실리콘 부품의 절반 수준이므로 동일한 출력 전류에서 손실이 적고 에너지 효율이 높습니다. 손실이 적다는 것은 발열량도 적다는 것을 의미하므로 방열 부품 및 열 관리 시스템 설계를 효과적으로 간소화할 수 있습니다.

• 질화갈륨 트랜지스터에는 바디 다이오드가 없으므로 역회복 손실이 없습니다.

• GaN 트랜지스터의 입력 전하는 매우 작고 게이트 구동 손실이 거의 없습니다.

• 질화갈륨 전력 부품은 더 높은 스위칭 주파수(질화갈륨: 1MHz, 실리콘: <100KHz)를 지원할 수 있으므로 수동 부품의 크기를 줄일 수 있습니다.

• 질화갈륨 소자의 전력 밀도는 매우 높아 실리콘 기반 LDMOS 소자의 4배 이상에 달할 수 있습니다. 따라서 크기를 줄이면서 출력 전력을 높일 수 있습니다.

  
  

     

인피니언의 중국 전력 관리 및 멀티 전자 사업부의 수석 마케팅 매니저인 천칭위안은 3세대 반도체 소재인 질화갈륨과 실리콘 케이싱(SiC)의 장단점을 비교했습니다. 두 소재 모두 빠른 스위칭 성능을 제공하고 효율 향상에 도움이 되지만, 질화갈륨은 실리콘보다 손실이 적습니다.

다양한 응용 시나리오를 비교해 보면, 고출력 및 고전압 응용 분야에서는 SiC가 우수한 성숙도와 비용 효율성을 보이는 반면, 100V~600V의 저전압 및 중전압 응용 분야에서는 질화갈륨이 더 높은 비용 효율성을 달성할 수 있음을 알 수 있습니다. 구조적인 관점에서 볼 때, 질화갈륨은 수평 구조(예: JFET)를 가지므로 SiCMOSFET(수직 구조)의 고전압 성능을 구현하기는 어렵습니다.

질화갈륨(GaN)은 본질적으로 상시 꺼짐(normally off) 상태인 스위치에 더욱 적합하며, 현재까지 사용되어 온 모든 실리콘 트랜지스터의 차세대 기술로 여겨집니다. 또한, 전체 시스템 관점에서 볼 때 GaN의 장점은 더욱 소형화된 토폴로지를 구현할 수 있다는 점입니다.

인피니언이 개발한 CoolGaN 시리즈 제품은 질화갈륨 기반의 고전자 이동도 트랜지스터(E-HEMT)로, 고전압 환경에서 고주파 스위칭에 매우 적합합니다. 이를 통해 더욱 얇은 설계를 구현하고 전력 밀도를 높여 변환 효율을 향상시키고 시스템 전체 비용을 절감할 수 있습니다.

ON Semiconductor의 전략 마케팅 이사인 용앙은 질화갈륨 부품이 실리콘 부품보다 기생 정전 용량이 낮기 때문에 게이트 전하 Qg와 관련된 스위칭 손실을 줄이고 에너지 효율을 저하시키지 않으면서 스위칭 주파수를 수백 kHz에서 MHz 범위까지 높일 수 있다고 설명했습니다.

실리콘 전력 부품과 달리 질화갈륨은 바디 다이오드가 없습니다. 알루미늄 질화갈륨(AlGaN)/질화갈륨 경계면의 2차원 전자 가스(2DEG)는 역방향 전류를 전도할 수 있지만 역회복 전하(QRR)가 없어 하드 스위칭 응용 분야에 매우 적합합니다.

질화갈륨은 과전압에 민감하고 실리콘에 비해 애벌랜치 내성이 매우 제한적이기 때문에 드레인-소스 전압이 레일 전압으로 고정되는 하프 브리지 토폴로지에 특히 적합합니다. 질화갈륨은 공진형 LLC, 액티브 클램프 플라이백, 하드 스위칭 토템 폴 PFC와 같은 제로 전압 스위칭(ZVS) 토폴로지에서 큰 매력을 지니고 있습니다.

▲다양한 응용 분야에서 주류 무선 주파수 장치 기술의 발전 경로

글로벌 GaN RF 디바이스

산업 공급망 경쟁 구도

현재 무선 주파수 장치의 주요 시장은 다음과 같습니다. 휴대폰 및 통신 모듈 시장(약 80%), 와이파이 라우터 시장(약 9%), 통신 기지국 시장(약 9%), NB-IoT 시장(약 2%).

▌해외 GaN 무선 주파수 소자 산업 사슬의 주요 기업 및 제품 개발 현황  

GaN 마이크로파 RF 소자 제품의 출시가 크게 가속화되고 있습니다. 마이크로파 무선 주파수 분야는 현재 많은 관심을 받고 있지만, 높은 기술 수준과 과도한 특허 장벽으로 인해 전력 전자 및 광전자 분야에 비해 기업 수가 많지 않습니다. 그러나 대부분의 기업은 강력한 연구 역량과 시장 운영 능력을 보유하고 있으며, GaN 마이크로파 RF 소자의 상용 공급은 빠르게 증가하고 있습니다.

Qorvo 제품은 가장 넓은 동작 주파수 범위를 가지며, Skyworks 제품은 그보다 좁은 동작 주파수 범위를 가집니다. Qorvo, CREE, MACOM 제품의 73%는 출력 전력이 10W에서 100W 사이에 집중되어 있으며, 최대 출력은 1500W(동작 주파수 1.0~1.1GHz, Qorvo 제품)에 이릅니다. 주로 사용되는 기술은 GaN/SiC GaN 방식입니다.

또한, 일부 업체는 GaN RF 모듈 제품을 제공합니다. 현재 4개 업체가 GaN RF 증폭기를 판매하고 있으며, 그중 Qorvo 제품은 동작 주파수 범위가 가장 넓어 최대 31GHz까지 동작할 수 있습니다. Skyworks 제품은 주로 0.05~1.218GHz의 더 낮은 주파수 대역에서 동작합니다.

Qorvo의 RF 증폭기는 가장 다양한 제품군을 제공합니다. 우리나라 산업정보화부가 발표한 두 개의 5G 주파수 대역(3.3-3.6GHz 및 4.8-5GHz)에서 Qorvo는 가장 많은 RF 증폭기 제품군을 출시했으며, 최고 출력은 각각 100W와 80W에 달합니다(1월 기준 Qorvo의 4.8-5GHz 제품 최고 출력은 60W였습니다). ADI의 4.8-5GHz 제품 최고 출력은 50W로 향상되었으며(이전 제품 최대 출력은 40W 미만이었음), 다른 제품들은 대부분 50W 미만입니다.

▌중국 본토 GaN RF 소자 산업 사슬의 주요 기업 및 제품 개발 현황  

유럽과 미국은 우리나라의 기술 발전 속도에 대한 우려와 우리나라의 신소재 기술 개발을 억제하려는 의도에서 3세대 반도체 소재와 관련하여 우리나라에 거의 전면적인 기술 및 소재 봉쇄를 가하고 있습니다.

이러한 배경 속에서 우리나라의 과학 연구 기관과 기업들은 독자적인 혁신을 바탕으로 GaN 마이크로파 무선 주파수 분야에서 괄목할 만한 성과를 거두었습니다. 군사 및 방위 분야는 물론 민간 통신 분야에서도 획기적인 발전을 이루어 CETC 13, CETC 55, ZTE, 다탕 모바일과 같은 핵심 기업을 육성하고 차이나 모바일, 차이나 유니콤과 같은 주요 고객사를 확보했습니다.

쑤저우 능쉰(Suzhou Nengxun)은 최대 6GHz 주파수, 48V 동작 전압, 10W~320W 설계 전력을 지원하는 RF 파워 트랜지스터를 출시했습니다.

쑤저우 능쉰(Suzhou Nengxun)은 이동통신 분야에서 LTE, 4G, 5G와 같은 이동통신 애플리케이션에 적합한 고효율, 고이득 RF 전력 증폭기 튜브를 이미 제공하고 있습니다. 동작 주파수 범위는 1.8~3.8GHz, 동작 전압은 48V, 설계 전력은 130W~390W, 평균 전력은 16W~55W입니다.

면책 조항: 본 기사는 "GaN World"에서 발췌하여 재인쇄한 것입니다. 본 기사는 필자의 개인적인 견해일 뿐이며, 사코마이크로 및 업계의 공식적인 입장을 대변하는 것은 아닙니다. 본 기사는 지적 재산권 보호를 위해 재인쇄 및 공유하는 것이며, 재인쇄 시 원문 출처와 필자를 반드시 명시해 주시기 바랍니다. 저작권 침해 사항이 있을 경우, 삭제를 위해 당사에 연락 주시기 바랍니다.

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