Special 첨단 모빌리티용 융복합 소재기술 및 산업응용 동향(2)

이동통신용 고기능성 질화갈륨(GaN) 전자소자 기술개발 동향

강동민_ 한국전자통신연구원 책임연구원
박종율_ 한국전자통신연구원 선임연구원

1. 서론

2019년 4월 3일 대한민국에서 세계 최초의 5G 이동통신 상용화를 개시한 이후로, 5G 이동통신 가입자는 꾸준히 증가하여 2023년 12월 3,280만 명을 돌파하였다[1]. 또한 국제 시장 규모에서 보았을 때 5G 가입자 수는 16억명에 도달하여, 5G 산업은 성숙기에 진입한 것으로 평가된다[2]. 이러한 5G 서비스는 초고속, 초저지연, 초연결이라는 핵심 성능을 제시하고, 기존 사람 간 이동통신(음성, 데이터)을 넘어 모든 사물을 연결하고 산업의 디지털 혁신을 촉발하는 게임 체인저라는 실현 목표를 가지고 시작하였다[3].
　그러나 이동통신 가입자들의 5G 서비스에 대한 만족도는 23%로 낮은 수치를 보이는데, 불만족의 가장 큰 이유는‘LTE와 비슷한 속도(55%)’이다[4]. 당초 제시된 5G 핵심 성능 중 하나인‘초고속’을 이동통신 개인 소비자가 체감하지 못한 것이다. 2023년 과학기술정보통신부(과기정통부)에서 발표한 자료에 따르면 통신3사 5G 다운로드 평균 속도가 939 Mbps이다[5]. 이 수치는 전년도 대비 4.8 % 증가한 것이나 초기 제시되었던 20 Gbps에는 크게 미치지 못하는데, 이는 이동통신 3사가 정부로부터 5G 서비스 제공 주파수로 배분받은 3.5 GHz와 28 GHz 중 더 빠른 속도를 지닌 28 GHz의 서비스를 포기한 것이 원인이다. 그럼에도 불구하고, 2023년도 LTE 다운로드 평균 속도는 178 Mbps로 수치상으로는 5G가 5배 더 빠르다[5]. 이에 이동통신 소비자의 속도에 대한 불만족이 제기되는 이유를 통계적으로 명확히 분석한 자료는 없으나, 소비자의 콘텐츠 소비 형태를 살펴봄으로써 짐작해볼 수 있다. 글로벌 모바일 데이터 소비량을 보았을 때 비디오 콘텐츠의 비중이 과반이상으로 제일 높으며, 그 중에서도 유튜브와 같은 소셜미디어 플랫폼 기반의 스트리밍 비디오 사용량이 가장 높다[2]. 즉 소비자가 경험하는 대부분의 콘텐츠 소비 형태는 LTE에서도 충분히 가능하기 때문에 5G의 속도를 체감하지 못하고 있는 것으로 사료된다.
　이와 같은 5G 개인 서비스 소비자의 불만족에도 불구하고, 산업계에서는 정부 지원을 기반으로 한 5G 특화망 사업자 및 활용사례가 증가하고 있다는 점이 긍정적이다[2,6]. 2021년 10월 28일 과기정통부는 4.7 GHz (4.72~4.82 GHz) 및 28 GHz (28.9~29.5 GHz)의 5G특화망 주파수 공급을 개시하여, 2024년 2월 현재 총 31개 기관 56개소에 주파수가 공급되었다. 특히 2024년 1월 제4이동통신사인 스테이지엑스가 낙찰한 기존 이동통신 3사에게 할당 취소되었던 28 GHz 대역을 사용하여, 가상증강현실 기반의 실감형 교육과 놀이기구, 무인 모빌리티 및 안전보안관제 분야 등을 포괄하는 스마트 팩토리 등에 5G 기술이 개발 및 활용되고 있다는 점이 특기할 만하다[6]. 한국전자통신연구원에서도 2023년 4.7 GHz주파수를 취득하여 군집 드론의 자율비행 등을 통한 지능형 실종자 수색, 농작물 방제 및 생육관리, 산간지역 무선국 점검 등을 수행할 수 있는 응용 개발 연구를 진행하고 있다.
　반면 2028~2030년 상용화를 전망하고 있는6G 기술은 5G와 비교하여 저궤도 위성을 이용한 위성과 지상의 통신이 결합된 입체통신을 목표로 한다는 점에서 가장 큰 차이가 있다 (그림 1). 이를 통해 도로, 해상, 격오지를 포함한 지상의 모든 공간에서 끊김없이 무선통신을 수행하는 것이 목적이다. 기존 5G 주파수 대역 중 하나인 3.5 GHz는 긴 도달거리로 넓은 커버리지의 장점을 지니며, 나머지 하나인 28 GHz는 높은 전송속도로 대용량통신이 가능하다는 장점을 지닌다. 이에 6G 통신에서는 28 GHz 보다 낮은 7~24 GHz (upper mid-band)를 6G 기술 구현의 주파수 대역으로 삼아, 상대적으로 낮은 주파수를 이용해서도 대용량통신을 구현함과 동시에 넓은 커버리지도 확보하는 것이 목표이다. 그 중에서 4.4~4.8 GHz, 7.125~8.5 GHz, 14.8~15.35 GHz 대역이 지난 2023년 11월 세계전파통신회의에서 한국이 제안하여 6G 후보 주파수 대역으로 채택되었다[7]. 이러한 입체통신 기반 6G 기술이 적용될 다양한 분야 중에서 특히 즉각적인 제어가 필요한 완전자율주행 스마트 모빌리티에 적합할 것으로 기대되는데, 다양한 센서들에 의한 방대한 데이터들을 빠른 속도로 국내 어디에서도 처리가 가능해야 하기 때문이다.

그림 1. ETRI 입체통신연구소에서 제작한 6G 개념도와 전력증폭기 회로 사진

　상술한 5G 및 6G 무선통신 시스템에서 질화갈륨(GaN) RF 전자소자가 주로 사용되는 부분은 통신망 기지국에 포함되어있는 전력증폭기(Power Amplifier, PA)이다. 송신기와 수신기 사이의 전파 손실에는 자유공간 경로 손실, 대기 감쇠 및 강우 감쇠, 산림에 의한 손실, 산란과 회절, 실내외 투과 손실 등 여러 전파 손실을 고려해야 한다. 밀리미터파 대역의 이러한 특성을 극복하려는 방법 중 가장 중요한 기술 중 하나가 빔 포밍(Beamforming) 기술이며, 짧은 커버리지 단점을 보완하는 기술이 스몰셀(Small Cell)이다[8]. 특히 넓은 대역을 커버하는 6 GHz 이하 대역의 기지국과 달리 upper mid-band 이상의 주파수를 활용하는 시스템은 스몰셀 기반의 다수의 기지국으로 운영되어야 하므로 GaN RF 시장은 매우 유망하다. 최근 발표된 전문시장조사 기관인 Yole[9,10]에서 발표된 보고서에 따르면, GaN RF 소자 시장은 통신 인프라(Telecom Infrastructure), 군수산업 (Military), 통신위성(SATCOM), 기타(Commercial Radar and Avionics, RF Energy 등)로 분류하고 있으며, GaN RF 소자의 전 세계시장은 연평균 성장률 12%로 2028년 대략 27억 달러의 전체 시장 규모로 예측된다[9]. 그림 2[10]에 나타나 있듯이 GaN RF 시장은 무선통신 분야와 국방 분야의 시장이 가장 크며, 특히 통신용 전력증폭기의 수요가 클 것으로 예측되는 무선통신 분야 시장 규모는 2028년까지 13억 달러의 시장규모로 전체 GaN RF 시장의 45% 가까이 차지할 것으로 예상된다[9].

그림 2. 2021년-2025년의 기간에 GaN RF 소자에 대한 총 수익의 분야 별 비중[10]
　
　현재 이동통신 기지국용 GaN 기반 공정기술 및 전력증폭기 부품은 해외 선진사들이 독점하고 있는 기술 분야로 그 수요가 폭발적으로 예상되어 국내에서 GaN 공정 및 전력증폭기 제작 기술 확보가 반드시 요구된다. 특히 전력증폭기는 기지국 전체의 효율과 출력에 관여하는 핵심부품이므로 고효율, 고출력의 GaN 공정을 국산화 개발하는 것이 매우 중요하다. 본 고에서는 GaN RF 전자소자에 대한 국내외 기술 동향을 알아본다. GaN RF 전자소자의 게이트 길이 스케일링, 채널형성 구조 및 전력밀도 특성을 살펴보아 국내기술 수준과 해외기술 동향을 통한 시사점을 다룬다.
　
2. 본론

2-1. GaN의 특성과 GaN 전자소자 기술 확보의 중요성
　
표 1에서 나타나 있듯이, GaN 반도체 소재는 경쟁기술인 Si과 GaAs와 비교하여 에너지밴드 갭(3.42 eV)이 넓어 항복전압이 높기에 소자 구동 시 더 높은 전압을 인가할 수 있고, 높은 출력 전력을 낼 수 있다. GaAs의 경우 전자이동도(6000 cm2/V?sec)가 높아 GaN보다 더 높은 주파수에서 활용이 가능하나, 밴드갭이 더 좁기에 높은 출력전력을 발생시킬 수 없다. Si은 MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) 구조를 활용하는데, 이 경우 물질에서의 전자이동도인 1350 cm2/V?sec 보다 더 낮은 채널 전자이동도(~250 cm2/V?sec)로 인해 활용할 수 있는 주파수가 상대적으로 더 낮다. 이에 반하여 GaN의 경우 HEMT 소자로 구성 시 에피구조에 따라 2DEG 채널 전자이동도가 2000 cm2/V?sec 정도로 더 높아질 수 있는 여지가 있기에, Si과 비교하여 벌크 물질에서 보여지는 전자이동도보다 더 높은 주파수에서 동작이 가능하다. GaN 반도체 소자는 크게 광소자와 전자소자로 분류할 수 있고, 전자소자는 다시 통신용 고주파 소자와 전력 전자용 스위칭 소자로 분류되고 있다. 본 고에서는 통신용 고주파 소자로, 전력 증폭기에 사용되는 GaN 고주파 전자소자의 특성을 살펴본다. 광대역, 고출력 특성을 가진 통신용 고주파 GaN 전자소자는 이동통신용 기지국, 중계기, 위성통신, 선박 및 군용 레이더, 테러 방지용 전파 교란기 등의 송수신 장비에 포함된 전력증폭기 부품으로 활용되고 있다.

　GaN 고주파 전자소자는 통신장비 시스템 전체의 성능과 비용을 좌우하는 핵심부품으로 전력 증폭기 부품 원가의 20~50%를 차지하고 있으며, GaN 고주파 전자소자의 성능을 결정하는 재료 및 화합물 반도체 기술은 고난도의 기술력이 있어야 한다. 현재 우리나라는 미국, 일본, 유럽의 선 진국으로부터 GaN 고주파 전자소자를 전량 수입하여 사용하고 있다. 특히 통신용 전력증폭기에는 Si, GaAs 전자소자를 사용하였으나 최근 GaN 전자소자로 대체되는 추세이며, 우리나라도 기존 이동통신 기지국용 Si 기반 LDMOS(Laterally-Diffused MOS) 전력증폭기에서 점차 GaN 전자소자를 사용하는 전력증폭기로 대체되고 있다. 또한 능동형 위상배열레이더에 사용되는 전력 증폭기 소자도 기존 GaAs 전자소자에서 GaN 전자소자로 대체되고 있다.
　 GaN 전자소자는 GaAs 및 Si LDMOS 반도체 소자보다 주파수 특성, 입/출력 정합, 선형성 및 전력 효율 등의 특성이 우수하다. 이동통신 전파 차단 및 군 통신장비 등에 적용되고 있는 GaN 전자소자 산업 규모는 이동통신 분야에서 새로운 서비스가 시작되거나, 기존의 서비스를 확장하는 시기, 군 통신장비의 개발 및 교체 주기, 테러나 전쟁 위협 등에 따른 전파 차단 수요 변화에 따라 결정된다. 이와 같은 수요요인에 의해 통신용 고주파 전력증폭기 시장은 지속해서 증가하고 있으며, 따라서 차세대 통신 소자인 GaN 전자소자 산업 또한 높은 성장성을 나타내고 있다. 또한, GaN 전력 소자는 고부가가치 상품으로 다양한 분야에 적용될 가능성이 커 국내시장뿐만 아니라 세계시장을 목표로 각국에서는 GaN 전력 소자 연구개발이 활발하게 이뤄지고 있다. GaN 전력 소자기술은 선박용 또는 군수용 레이더, 미사일 등의 송수신기용 전력증폭기로도 활용도가 높은 전략적 품목으로 선진국으로부터 전체 기술 도입이 매우 어려우며, 높은 주파수 혹은 고출력 GaN RF 제품은 수출통제 품목이므로 국내 소자 공정기술을 자체 개발 확립하는 개발 전략을 가져야 한다.

2-2. ETRI GaN RF 전자소자 기반 집적회로 공정 프로세스
　
ETRI에서는 고주파수 대역에 사용가능한 GaN 기반 집적회로를 개발하기 위하여 0.15μm D-mode GaN 고전자이동도 트랜지스터(HEMT) 소자를 개발하였다. ETRI의 자체 화합물 생산시설을 이용하여 제작되었으며 필요한 핵심 공정인 소스 및 드레인 영역에 오믹(Ohmic) 금속을 증착하고 열처리하는 기술, 이온 주입 기술, PECVD에 의한 절연막 증착 기술, 절연막 식각 기술, 전자빔 노광 (E-beam Lithography)에 의한 게이트 형성 기술, 배선 금속 증착 기술, 후면 비아홀(Backside Via) 형성기술 등을 자체적으로 확보하였다.  
 

그림 3. GaN HEMT 전자소자 및 집적회로 공정 순서

　그림 3은 ETRI에서 개발한 0.15μm GaN RF HEMT 및 집적회로를 제작하기 위한 공정 순서를 간략하게 나타낸 것이다. 회로 제작의 순서 중 중요한 부분만 언급하자면, 먼저 (1) Ti/Al/Ni/Au의 금속층을 증착한 후 급속 열처리 장비(RTA)를 이용하여 웨이퍼를 고온에 노출시킴으로써 금속과 AlGaN/GaN의 오믹 접합을 완료한다. 이 과정으로 HEMT 소자의 접촉저항을 크게 줄일 수 있다. 다음으로, (2) P 이온을 소자 외곽에 주입하여 외곽의 저항을 크게 늘림으로써 HEMT 소자들끼리 서로 분리한다. 이어서 (3) 수십 nm 두께의 NiCr열증착 후, 1차 금속으로 Ti/Au를 증착하여 박막저항(Thin Film Resistor)를 완성한다. 이후 (4) 웨이퍼 전면에 PMMA를 기본으로 하는 e-beam resist 층들을 코팅하여 전자빔 노광 및 현상을 수행한 뒤 Ni/Au를 증착하여 게이트 전극을 형성한다. 다음으로 (5) 수백 nm 두께의 SiN 절연막을 증착한 후 Ni/Au의 2차 금속을 증착한다. 마지막으로 에어브릿지 공정을 통하여 MIM(Metal-Insulator-Metal) 커패시터 및 인덕터를 완성한다. 일련의 (1)-(5) 과정이 웨이퍼의 전면 공정에 해당하며, GaN HEMT 소자의 경우 높은 전류밀도와 대전력 구동을 하게 되므로 소자의 접지와 열 분산을 위해서 소스 단을 연결하는 후면 비아홀 형성 공정이 필수적이다. 먼저 (6) SiC 웨이퍼를 전면 공정이 완료된 웨이퍼 위에 접착한 후, 웨이퍼 후면의 두께를 100um가 되게끔 래핑한다. SiC 웨이퍼를 별도로 접착하는 이유는 얇아진 웨이퍼를 보호해주기 위함이다. 이후, (7) 금속 마스크를 이용하여 비아홀을 정의한 뒤 유도 결합형 플라즈마 (Inductively Coupled Plasma, ICP) 장비로 비아홀을 식각한다. 마지막으로, (8) 비아홀을 금속으로 채운 후 웨이퍼 전면에 접착된 보호 목적의 SiC 웨이퍼를 떼어낸 뒤 웨이퍼를 소잉한다.

-----이하 생략

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