차세대 반도체 소재로 질화갈륨(GaN, Gallium Nitride)이 주목받고 있다. 기존 실리콘(Si) 중심의 반도체 시장이 성능과 효율의 한계에 직면하면서, 고전압·고주파·고효율 특성을 갖춘 와이드 밴드갭(WBG) 반도체가 대안으로 부상하고 있기 때문이다.

노영균 아이브이웍스 대표이사는 지난 24일 서울 FKI타워 컨퍼런스센터에서 열린 ‘고기능성 반도체 소재 기술세미나’에서 GaN 에피웨이퍼 기술 흐름과 함께 향후 반도체 시장의 변화를 전망했다.

반도체는 크게 메모리, 로직, 시스템 반도체로 나뉜다.

이 가운데 GaN은 전력 반도체와 통신 반도체가 속한 시스템 반도체 영역의 핵심 소재다.

실리콘 기반 반도체가 저전력·고집적 로직 연산에 강점을 보였다면, 에너지 효율과 고출력이 요구되는 전력 변환과 고속 무선통신 영역에서는 한계가 분명해졌다.

이 지점에서 WBG 반도체인 실리콘카바이드(SiC)와 GaN이 주목받고 있다.

실리콘과 WBG 반도체의 가장 큰 차이는 물성에 있다.

노영균 대표이사는 “GaN은 실리콘 대비 내전압이 높고 전류 밀도가 크며, 스위칭 속도가 매우 빠른 소재”라며 “이를 통해 시스템을 소형화하면서도 에너지 효율을 크게 높일 수 있다”고 설명했다.

실리콘 기반 전력 반도체가 점차 한계에 도달한 상황에서, 고전압·고효율이 필요한 산업용 장비, 전기차, 데이터센터 등은 WBG 반도체로의 전환이 불가피하다는 분석이다.

SiC와 GaN의 차이도 명확하다.

SiC는 800볼트 이상의 초고전압 환경에 적합해 전기차 인버터나 대형 산업 설비에 주로 적용된다.

반면에 GaN은 200∼800볼트 구간에서 뛰어난 성능을 발휘하며, 특히 빠른 스위칭 특성 덕분에 전력 변환 장치를 더욱 작고 가볍게 만들 수 있다.

GaN 전력 반도체가 스마트폰·노트북 고속 충전기, 서버용 전원공급장치, AI 데이터센터 전력 시스템 등에서 빠르게 확산되는 이유다.

실제 GaN 전력 반도체의 최대 기대 분야로는 AI 데이터센터가 꼽힌다.

최근 고성능 AI 가속기를 구동하기 위해 800볼트급 고전압 전력 전달 구조가 도입되면서, 고효율·고속 스위칭이 가능한 GaN 소자의 필요성이 커지고 있다.

고전압 상태에서 손실을 최소화하고, 최종 단계에서만 전압을 낮추는 구조에는 GaN이 적합하다는 평가다.

GaN은 전력 반도체뿐 아니라 통신 반도체에서도 이미 주력 소재로 자리 잡고 있다.

5G·6G 이동통신, 위성통신, 방산 레이더 분야에서는 고주파·고출력 특성이 필수적인데, 기존 실리콘이나 갈륨비소(GaAs) 계열로는 성능 개선에 한계가 있었다.

현재 통신 중계기와 방산용 레이더 시장에서는 GaN 기반 RF 반도체가 빠르게 확산되고 있다.

다만 통신용 GaN은 고출력과 방열 성능이 중요해, SiC 웨이퍼 위에 GaN 박막을 성장시키는 ‘GaN-on-SiC’ 구조가 주로 활용된다.

이처럼 전력용과 통신용 GaN은 요구 조건과 제조 구조가 다르다.

전력 반도체는 가격 경쟁력이 핵심인 만큼 저렴한 실리콘 웨이퍼 위에 GaN을 성장시키는 ‘GaN-on-Si’ 방식이 주류다.

반면 통신 반도체는 성능이 최우선이기 때문에 비용 부담이 크더라도 SiC 기반 구조가 사용된다.

노영균 대표는 “같은 GaN이지만 전력과 통신 시장은 밸류체인과 기술 방향이 명확히 다르다”고 강조했다.

향후 GaN 반도체의 성장 가능성은 크다.

현재는 제조 공정상의 한계로 물성의 잠재력을 100% 끌어내지 못하고 있지만, 에피웨이퍼 품질이 개선될수록 적용 전압과 시장 범위는 더욱 확대될 전망이다.

노영균 대표는 “GaN은 장기적으로 실리콘 전력 반도체 영역 상당 부분을 대체할 수 있는 잠재력을 지닌 소재”라며 “AI·전력·통신 인프라가 확대될수록 그 중요성은 더욱 커질 것”이라고 내다봤다.