GaN이 무엇인가

GaN (질화 갈륨)이란?

GaN은 질화 갈륨(Gallium Nitride)이라는 화합물 반도체 소재이며, 실리콘 기반 반도체의 성능이 한계에 가까워지면서 새로운 대체재로 주목받고 있는 신소재이다.

GaN이 실리콘보다 뛰어난 점

• 실리콘보다 약 3배 넓은 밴드갭을 가지고 있음
• 고온에서도 안정적으로 동작함
• 열 전도율이 높기 때문에 방열 효율이 뛰어남
• 온저항(R_DS(on))이 낮아 전력 손실이 적음
• 높은 내전압 특성으로 고전압 회로에 적합함
• 스위칭 속도가 매우 빠름 → 고주파 회로에 유리함
• 효율적인 열 관리로 방열 시스템 크기를 줄일 수 있음
• 무독성 및 생체적합성으로 바이오/의료 분야 활용 가능

그렇다면, 왜 이제서야 GaN을 사용하는가?

GaN은 성능적으로 실리콘보다 우수함에도 불구하고, 다음과 같은 이유로 상용화가 지연되었다.

• 기술 부족 : GaN 결정은 형성하기 어렵고 결함이 많기 때문에 정교한 기술이 필요하였다.
• 공정 표준화의 부재 : 실리콘은 회로 제작, 패키징, 테스트 공정이 모두 표준화되어 있으나, GaN은 새로운 장비와 공정이 필요하였다.
• 대량 생산의 어려움 : 초기에는 GaN 웨이퍼 크기가 작고 생산성이 낮아 대량 생산이 어려웠다.
• 실리콘으로도 충분 : 기존에는 실리콘만으로도 요구 성능을 충족할 수 있었으며, 가격도 저렴하고 공정도 쉬웠기 때문에 GaN을 사용할 이유가 없었다.
• 신뢰성 부족 : GaN은 1990년대에 알려졌지만 실용화 사례가 부족하여 초기에는 신뢰도가 낮았다.

GaN이 중요한 이유

• 에너지 비용 절감 : 높은 열전도율로 발열이 적고 효율적인 열관리가 가능하다.
• 전력 밀도 향상 : 넓은 밴드갭 덕분에 항복 전압이 크며 고전압·고전류 처리가 가능하다.
• 스위칭 속도 향상 : 빠른 응답속도로 고주파 회로에서 이상적인 성능을 제공한다.
• 시스템 소형화 및 비용 절감 : 방열기, 회로 소형화가 가능하며, 현재는 실리콘 대비 1.1~1.2배의 가격 수준으로 낮아졌다.

참고 자료

• Electrifying Everything: Power Moves Toward ICs
• Improving GaN Device Architectures
• Challenges in Powering Electrification with GaN and SiC
• [Tistory] GaN 트랜지스터에 대해 알아보자