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양자컴퓨팅용 III-V HEMT 기술 및 고전압 GaN 전력반도체 기술 동향

망고노트 2025. 11. 7. 07:20

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양자컴퓨팅용 III-V HEMT 기술 및 고전압 GaN 전력반도체 기술 동향

양자컴퓨팅용 III-V HEMT/IC 기술

주요 기업 및 연구기관 (국내외)

국내에서는 KAIST를 비롯해 양자컴퓨팅용 Cryo 소자 연구를 선도하고 있습니다. 앞서 언급한 KAIST-KANC-KBSI 연구팀은 경기도의 지원으로 세계적 수준의 3D 집적 극저온 HEMT 기술을 개발하여 VLSI Symposium 2022에서 발표하였습니다[12][7]. 이 외에 ETRI 등 연구기관도 관련 소자를 개발 중이며, 정부는 시스템반도체 국산화 사업 등을 통해 III-V 화합물 소자 기술을 양자 기술 분야에 적용하기 위한 R&D를 지원하고 있습니다[13].

글로벌 측면에서, 스웨덴의 Low Noise Factory(LNF) 등 전문기업은 InP HEMT 기반 초저잡음 증폭기를 상용화하여 IBM, 구글 등의 양자컴퓨터 실험에 공급하고 있습니다. LNF가 제작한 Cryo LNA는 4K에서 2K 수준의 극저온 잡음지수를 달성하여 양자 상태 판독에 기여하고 있습니다[4]. 또한 미국 IBM은 Cryo HEMT의 열관리와 대규모 집적 연구에 투자를 늘리고 있고[10][11], 유럽 Fraunhofer IAF 등은 차세대 InP HEMT 공정 개발을 주도하고 있습니다. 미국 Raytheon BBN과 같은 기관도 국방 연구를 통해 얻은 III-V 저잡음 소자 기술을 양자컴퓨팅 판독에 응용하고 있습니다.

한편, 대학 및 연구소 주도의 기초연구도 활발합니다. 앞서 언급한 Chalmers 대학(스웨덴)은 초저전력 Cryo LNA 분야의 선도 그룹이며[3], 미국 MIT Lincoln Lab, 일본 NTT 등도 0.1K까지 동작하는 증폭기나 초저온 CMOS-HEMT 하이브리드 회로 등을 연구하고 있습니다. 이러한 산학연의 글로벌 노력으로 III-V HEMT 기반 양자컴퓨팅 인터페이스 기술은 빠르게 발전 중이며, 관련 논문 출판 수도 지속 증가하는 추세입니다[14].

<small>표 1.</small> 양자컴퓨팅용 III-V HEMT/IC 분야 주요 개발 사례 (국내외)[7][8][15][10]

개발 주체 (기관/기업)	주요 성과 및 기술	특징 및 내용 (발표 연도)
KAIST \| KANC \| KBSI (대한민국)	3D 적층 Cryo InGaAs HEMT 집적<br>(VLSI Symp. 2022)	큐비트 칩 위에 저전력·저잡음 HEMT를 직접 적층하여 모놀리식 3D 양자 판독소자 구현[7]. 130nm 공정으로 5K에서 ft 534GHz 달성 등 세계 최고 성능 시연[8]. 수천 큐비트 확장 가능성 제시.
Chalmers 대학 \| LNF (스웨덴)	초저전력 InP HEMT Cryo LNA<br>(IEEE EDL 2023 등)	4–8GHz 대역 3단 증폭기에서 평균 잡음온도 2.0K 기록. DC 소모 0.1mW 수준으로 종전 대비 1/20↓ 전력으로 구동 성공[4][5]. 향후 수만 큐비트 시스템에 LNA 대량배치 가능성 입증.
IBM T. J. Watson (미국)	Cryo HEMT 열관리 및 집적 연구<br>(IEEE TED 2023)	다수 InP HEMT 소자 배열에 온도센서 매트릭스를 집적, 300K–4K에서 열 전도 특성 분석. 77K 이하에서 트랜지스터 발열이 12μm 이상 확산되지 않아 집적에 문제없음 확인[10][11]. 냉각 한계 내 대규모 집적 가능성 제시.

응용 분야 및 활용 사례

III-V HEMT 기반 극저온 전자소자는 양자컴퓨팅 시스템에서 필수적인 구성 요소로 자리잡았습니다. 대표적으로 초전도 큐비트의 판독 회로에 사용되는 마이크로파 저잡음 증폭기가 해당됩니다. 실제 IBM, 구글 등이 개발한 수십~수백 큐비트 양자컴퓨터에는 4K 단에 여러 개의 InP HEMT Cryo LNA가 장착되어, 20mK에서 내려오는 큐비트 신호를 증폭함으로써 신호대잡음비를 향상시키고 있습니다. 또한 반도체 양자닷(QD) 큐비트의 경우에도 게이트 센싱을 위한 고속 증폭에 III-V HEMT 기술이 응용됩니다. 이처럼 큐비트 판독이 핵심 응용이지만, 그 외에도 양자컴퓨팅 주변부의 제어 회로(예: 큐비트 구동 마이크로파 생성기, 다채널 ADC 등)를 극저온에서 구현하는 연구가 진행 중입니다. Intel은 3K에서 동작하는 Cryo-SoC(호스리지, Horse Ridge)를 개발하기도 했으며, 향후 III-V 기반의 아날로그 회로와 Si 기반 디지털 로직을 결합한 하이브리드 양자 제어칩이 등장할 전망입니다.

이 기술은 양자컴퓨팅 이외 분야에서도 파급효과가 있습니다. 경기도 지원 연구팀은 개발된 III-V HEMT 3D 집적 기술을 양자컴퓨터뿐 아니라 차세대 6G 초고주파 통신 등 다양한 분야에 응용할 수 있다고 밝혔습니다[9]. 실제 6G 이동통신은 테라헤르츠 대역까지 주파수를 높일 것으로 예상되는데, 이 경우 기존 Si CMOS로는 한계가 있어 InP, GaAs 기반 HEMT의 초고속 특성이 요구됩니다. 또한 전장 및 우주항공 분야에서는 극저온 환경에서 동작하는 센서·통신 시스템에 Cryo HEMT 기술을 활용할 가능성이 있습니다. 예를 들어 우주 망원경의 센서 판독 회로나, 위성간 양자암호통신의 신호 증폭에 저온 HEMT가 활용될 수 있습니다. 이처럼 III-V HEMT/IC 기술은 양자컴퓨팅 실용화의 열쇠일 뿐 아니라, 극한 환경전자 및 초고주파 전자공학의 중요한 기반 기술로 확장되고 있습니다.

기술적 과제 및 한계

비록 III-V HEMT가 뛰어난 저온 전자 특성을 보이지만, 양자컴퓨팅에 최적화하기 위해 해결해야 할 기술적 과제가 있습니다. 첫째로 전력 소모와 발열 문제입니다. 수천 개의 HEMT 증폭기를 4K 단계에 배치할 경우, 소자 당 소비전력이 몇 mW만 되어도 전체 열부하가 수 와트에 이르러 희석냉동기로 감당하기 어렵습니다[2]. 이를 위해 HEMT의 동작점을 낮춰 소비전력을 획기적으로 줄이면서도 잡음 증폭 성능을 유지하는 회로 설계가 필수적입니다. 다행히 최근 연구에서 수백 µW 수준에서도 양호한 증폭이 가능함이 실증되어, 이러한 전력 문제는 점차 완화되고 있습니다[5]. 또한 발열에 따른 열 간섭 우려가 있지만, IBM의 실험 결과 극저온에서는 발열이 국부적으로 머물러 주변 소자에 영향을 주지 않음이 확인되었습니다[11].

둘째, 이종집적 공정의 난이도입니다. 큐비트가 구현된 실리콘/초전도 기판 위에 III-V HEMT 층을 적층하거나, 혹은 두 칩을 플립칩 본딩으로 연결해야 하는데, 이 과정에서 열, 응력, 정합 등의 공정 기술 장벽이 존재합니다. 예컨대 InP나 GaAs 웨이퍼를 Si CMOS 공정과 결합하려면 절연층, 마이크로범프, TSV 등의 기술을 동원해야 하며, 양산화를 위해 공정 호환성과 수율을 높여야 합니다.

셋째, HEMT 소자의 신뢰성 및 잡음원에 대한 과제입니다. 극저온에서 트랜지스터의 임계전압이나 특성이 상온과 달라질 수 있고, 장기 반복 동작 시 트랩(덫힘) 효과로 인한 특성 변화 가능성이 제기됩니다. 특히 양자컴퓨팅에서는 미세한 신호를 다루므로 HEMT의 $1/f$ 잡음, 위상잡음 등이 시스템 성능에 영향을 줄 수 있습니다. 이러한 잡음원을 최소화하기 위해 소자 구조를 개선하고 저온 특성을 면밀히 측정/모델링하는 노력이 필요합니다[16].

마지막으로, 양산 상용화의 경제성도 하나의 한계입니다. 현재 양자컴퓨팅용 극저온 HEMT 기술은 저온 물리 연구를 위해 소량 생산되고 있으며, 상업적 수요가 아직 제한적이어서 대규모 투자가 쉽지 않습니다. 향후 양자컴퓨터가 상용화 단계에 진입하면 이를 뒷받침할 Cryo HEMT/IC 분야도 투자 확대와 표준화 과제가 대두될 것입니다.

향후 전망 및 기술 진화 방향

III-V HEMT/IC 기술은 향후 양자컴퓨팅 인프라의 핵심 요소로 성장할 전망입니다. 단기적으로는 초전도/반도체 큐비트 시스템의 판독 회로에 계속 활용되면서, 저전력·저잡음 소자의 성능 한계가 꾸준히 향상될 것입니다. 예를 들어 2020년대 중반에는 평균 잡음온도 1K 이하의 LNA와 마이크로와트(µW) 수준 소비전력을 양립하는 Cryo HEMT 기술이 실현될 것으로 기대됩니다. 중기적으로는 단일 패키지 내에 큐비트 어레이 + 다채널 HEMT 판독회로 + 저온 제어논리가 포함된 양자컴퓨팅 모듈이 등장할 것입니다. 이를 통해 배선 복잡도를 줄이고 응답 속도를 높여 수만 개 규모 큐비트 시스템 구현에 기여할 것입니다[7]. 나아가 장기적으로는 III-V HEMT뿐만 아니라 초전도 전자소자, CMOS 회로와 3D 혼성집적된 통합 양자컴퓨팅 칩이 개발되어, 상온~극저온 전자 시스템을 하나의 플랫폼으로 융합할 전망입니다. 이러한 발전은 양자컴퓨팅의 실용화 시점을 앞당길 기술로 평가되며[9], 기존 컴퓨팅 대비 양자컴퓨팅의 이점을 극대화하는 데 기여할 것입니다.

국내의 경우, 정부가 양자기술을 국가전략기술로 지정하고 관련 생태계 육성을 추진하고 있어 긍정적입니다. 경기도 등 지자체 지원으로 혁신적 소자가 나오고 있으며, 향후 산업체 참여와 투자도 확대될 것으로 보입니다. 글로벌하게도 주요 반도체 기업들이 양자컴퓨팅용 전자소자 분야로 관심을 넓히고 있습니다. 예를 들어 인텔은 저온 제어칩을 발표했고, 텍사스인스트루먼츠(TI) 등 아날로그 반도체 회사들도 장기적으로 III-V 기반 양자 인터페이스 시장을 주목하고 있습니다. 요약하면, III-V HEMT/IC 기술은 학계-산업계의 협력을 통해 지속 발전하여, 양자컴퓨팅 시대의 기반 기술로서 자리매김할 것으로 전망됩니다.

고전압 전력반도체용 GaN 소자 기술

주요 기업 및 연구기관 (국내외)

현재 GaN 전력소자 분야에서는 글로벌 선도 기업들과 국내 도전 기업들이 모두 활발히 움직이고 있습니다.

세계 시장을 보면, Infineon(독일)이 대표 주자로 600V급 CoolGaN 제품군을 양산 중이며, 2023년에는 캐나다 GaN Systems를 인수하여 차량용 GaN까지 포트폴리오를 넓혔습니다. STMicroelectronics(유럽)도 TSMC 등과 협력해 GaN 소자를 개발하고 있으며, Rohm(일본) 역시 SiC와 더불어 GaN 트랜지스터를 출시하고 있습니다[35]. 미국의 Navitas와 Transphorm, Power Integrations는 스타트업/팹리스 출신으로 혁신 기술을 가진 업체들입니다. Navitas는 모바일 충전용 GaN IC 분야를 개척했고, Transphorm은 디스럽터로서 900V 이상 GaN 개발을 주도하고 있습니다[21]. Power Integrations는 앞서 언급한 GaN-on-Sapphire 기반 1250V 소자를 발표하며 고전압 영역에 도전장을 냈습니다[22]. 이 외에도 EPC(Efficient Power Conversion, 미국)은 100V 이하급 eGaN 소자를 통해 산업용 LiDAR, 폴더블폰 구동 등 특수 시장을 공략하고 있고, Innoscience(중국)은 대규모 8인치 생산능력을 바탕으로 저가 GaN 디바이스를 공급하며 시장 저변을 넓히고 있습니다. 종합하면, 유럽·미국·일본·중국 등 다양한 플레이어들이 GaN 기술을 발전시켜 경쟁 중이며, 각사마다 고유의 공정 플랫폼과 목표 응용처를 가지고 있습니다.

국내에서는 그동안 미미했던 화합물 전력반도체 분야에서 최근 두각을 나타내기 시작했습니다[36]. 파운드리 기업 DB하이텍은 2022년부터 GaN-on-Si 공정 개발에 착수하여, 2025년 10월 650V E-모드 GaN HEMT 공정 개발 완료 및 시제품 제공 계획을 밝혔습니다[33]. DB하이텍은 이어 200V급 GaN IC 공정과 650V 대전류 공정을 2026년 말까지 순차적으로 완성해 신소재 전력반도체 사업을 본격화할 예정입니다[37]. 또한 정부와 12인치 (300mm) GaN 파운드리 투자도 협의 중이며, SiC 포함 차세대 전력반도체에 2026년까지 4000억원을 투자해 월만장 수준 생산능력을 갖추겠다고 발표했습니다[38][39]. SK그룹 역시 자회사인 SK파운드리(구 키파운드리)를 통해 GaN 공정 개발과 인력 확보를 추진하고 있는 것으로 알려졌습니다[40].

팹리스 분야에서는 칩스케이(Chipscay)라는 스타트업이 선전하고 있습니다. 2023년 경기도의 R&D 지원을 받아 성장한 칩스케이는 국내 최초로 650V급 GaN 전력소자 설계에 성공하여 2025년 6월 양산을 시작했습니다[41]. 이 소자는 GaN-on-Si 웨이퍼 기반 enhancement-mode HEMT로, 150℃에서도 안정 동작하며 단일칩으로 소형·고속 스위칭이 가능하다는 강점을 가집니다[42]. 칩스케이는 해당 소자의 국제 상표를 WIPO에 등록하고, 고속 충전기·AI 데이터센터·산업용 전원 등에 응용을 추진 중입니다[43]. 이처럼 강소기업의 기술력이 정부 테스트베드 지원과 맞물려 가시적 성과를 내고 있습니다.

칩스케이가 개발한 650V급 GaN 전력반도체 칩 패키지 (사진: 경기도 제공)

소재·장비 측면에서도 국내 움직임이 있습니다. 수직형 GaN 소자 구현을 위해 필수적인 GaN 단결정 에피 웨이퍼의 국산화를 목표로 한 업체로 웨이브로드(WaveLoad)가 있습니다[44]. 웨이브로드는 HVPE 등을 활용한 GaN 에피성장 기술을 보유하여 국내 최초로 4인치급 GaN 에피웨이퍼를 양산하는 등 기반을 마련하고 있습니다. 이 외에 테스터/패키징 분야 중소기업들도 GaN 소자 특성 평가 장비 개발에 나서는 등 생태계 구축 단계에 있습니다. 학계에서는 KAIST, 서울대, 한양대 등의 연구팀이 GaN 소자의 구조 개선(예: 플루오린 처리로 e-mode 구현, 절연게이트 MIS-HEMT의 신뢰성 등) 연구를 수행하여 국제 IEEE 저널에 다수 논문을 게재하고 있습니다. ETRI, KERI(전기연) 등 정부 출연연구소도 국책 과제를 통해 2kV급 수직 GaN 원천기술, RF GaN PA 기술 개발 등을 추진 중입니다[45]. 전반적으로 과거 거의 전무하던 국내 GaN 기술이 산·학·연의 공동 노력으로 빠르게 따라잡는 추세이며, 정부도 이를 국가 전략기술로 지정해 전폭 지원하고 있습니다[46].

<small>표 2.</small> GaN 전력반도체 분야 주요 기업/기관 동향[33][32][21][41]

구분	주요 업체/기관 (국가)	동향 및 주요 실적
글로벌 선도 기업	Infineon (독일)	600V CoolGaN 제품 양산 (서브.nanosec 스위칭). 2023년 GaN Systems 인수로 차량용 확장.
	TI (미국)	美·日 2개 공장에서 8인치 GaN-on-Si 자체 생산, 2024년 생산능력 4배 확대[31]. 900V 이상 고전압 GaN 개발 및 300mm 전환 로드맵 발표[32].
	Transphorm (미국)	900V/1200V GaN HEMT 개발 선도. GaN-on-GaN 기술 기반 고전압 소자 출시 임박[21]. 자동차용 규격 충족 목표.
	Power Integrations (미국)	1250V GaN-on-Sapphire 소자 발표 (항복전압 2400V)[22]. 자체 PowiGaN 기술로 산업·EV용 고내압 시장 공략.
	Navitas (미국)	세계 최초 GaN Power IC 상용화. 모바일/가전용 GaN FET+Driver 원칩 솔루션 공급 (Anker 등 채택).
	STMicro (EU)	TSMC 등 위탁생산 통해 650V GaN 소자 개발. 2024년 산업·차량용 샘플 발표. 패키지 통합형 GaN/Si 드라이버 제품화.
	Rohm (일본)	SiC 선두업체로서 650V GaN HEMT 제품도 출시. 4~6インチ GaN 에피웨이퍼 확보 및 차량용 검증 진행.
국내 기업/기관	DB하이텍 (파운드리)	8인치 GaN 공정 개발 (650V HEMT 특성 확보)[33]. 2025년 MPW 시제품 제공, 2026년 양산 착수 계획[34]. 화합물반도체에 4000억원 투자[38].
	SK파운드리 (파운드리)	8인치 GaN/SiC 파일럿 라인 구축 (2024)[47]. 고급 인력 확보 및 공정 검증 중(향후 12인치 투자 검토).
	칩스케이 (팹리스)	국내 첫 650V GaN HEMT 양산 (2025)[41]. GaN-on-Si 공정 기반 e-mode 소자 설계 역량 확보. 高온 150℃ 안정동작 단일칩으로 OBC·데이터센터 등에 적용 추진.
	ETRI (연구소)	2kV급 수직 GaN PiN 다이오드 개발 (2023) – GaN 벌크 기판/트렌치 공정 확보[27]. KEIT 과제로 핵심 공정 기술 연구.
	웨이브로드 (소재)	GaN 에피웨이퍼 국산화 스타트업. HVPE 기반 저결함 GaN층 성장 기술 보유, 소자용 4~6인치 에피 공급 추진.
	기타 대학·기관	고려대 등 대학에서 GaN FET 구조 연구, KERI에서 패키징·신뢰성 평가 기술 개발. 정부, 전력반도체를 국가전략으로 생태계 구축 중[46].

응용 분야 및 활용 사례

GaN 전력반도체의 응용 분야는 그 특유의 고속 스위칭성과 고온 안정성, 작은 칩 사이즈 장점을 활용하는 방향으로 확대되고 있습니다[48][49]. 먼저 정보통신 및 가전 분야에서는 앞서 언급한 고속 충전기가 가장 두드러진 사례입니다. GaN FET는 100W 이상의 휴대용 충전기에서 발열을 억제하고 크기를 줄여, 소비자들이 체감할 수 있는 가치를 제공하고 있습니다. 또한 게이밍 노트북 어댑터, PoE(Power-over-Ethernet) 장비 등에서도 GaN 채택이 늘고 있습니다. 데이터센터 분야에서도 GaN이 활용되기 시작했는데, 서버의 48V DC 전원을 메인보드 부하로 변환하는 DC-DC 컨버터에 GaN 기반 고주파 스텝다운 컨버터를 쓰면 전력변환 단계수를 줄이고 효율을 높일 수 있습니다. 예컨대 일부 하이퍼스케일 데이터센터에는 GaN으로 구현한 1MHz 동작 VRM(Voltage Regulator Module)이 도입되어, 기존 실리콘 대비 에너지 손실을 크게 줄였습니다.

자동차 및 모빌리티 분야도 중요한 응용처입니다[50]. 현재 전기차(EV)의 구동 인버터나 메인 충전용 인버터는 주로 1200V급 SiC MOSFET이 담당하고 있으나, 온보드 차저(OBC)와 DC/DC 컨버터(예: 400V->12V)는 650V급 이하로 GaN이 충분히 적용 가능합니다. 실제 일부 전기차 모델은 3.3kW~6.6kW급 OBC에 GaN FET 기반 회로를 탑재하여, 충전 효율을 높이고 컨버터 크기를 축소하였습니다. 향후 800V 시스템에서도 GaN 디바이스가 보조 컨버터 등에 적용되고, 더 나아가 1200V GaN 소자가 상용화되면 구동 인버터의 후보로도 검토될 전망입니다[21][51]. 자율주행 센서로 쓰이는 LiDAR의 발광 소자에도 GaN 레이저가 활용되고 있어, 차량 내 GaN 사용은 전장부품 영역으로도 확장되고 있습니다.

에너지 및 산업 분야에서는 신재생 에너지와 스마트그리드가 주요 시장입니다. 태양광 발전의 마이크로 인버터나 풍력발전의 보조 컨버터 등에서 GaN의 고속 스위칭이 변환 효율 향상에 기여합니다. 에너지저장장치(ESS)의 고효율 컨버터에도 GaN 적용이 검토되고 있습니다[49]. 산업용 모터 드라이브의 경우, 수백W~수kW급 서보 모터 제어에 GaN 기반 인버터를 사용하면 고주파 PWM 제어로 토크 리플을 줄이고 시스템 경량화를 기대할 수 있습니다. 특히 TI 등은 에어컨, 냉장고 등의 BLDC 모터 구동 IC에 GaN을 활용해 더 작은 공간에서 높은 전력을 제어하는 솔루션을 제시하고 있습니다[18].

그 외에도 우주항공 분야에서 GaN의 내輻射성 및 고온 안정성을 활용하려는 움직임이 있습니다. 위성 전원관리 시스템이나 전력분배 장치에 GaN FET를 사용하면, 우주 방사선 환경에서 Si 대비 높은 신뢰성을 보이는 것으로 보고됩니다. 군사 레이더나 통신 시스템에서도 L~Ku 밴드 대역의 GaN RF 전력증폭기가 이미 활용 중이며[50], 향후에는 전력 변환용 GaN 소자가 군용 전원에도 채택될 가능성이 있습니다.

요약하면, GaN 소자의 활용 사례는 소비자전자 → 산업/통신 → 차량/에너지 분야로 빠르게 확산되는 추세입니다. 초기에는 작은 고속충전기 등 니치시장에 국한되었으나, 이제는 데이터센터 절전, 친환경차 효율 향상, 신재생에너지 보급 등 글로벌 트렌드의 핵심요소로 자리매김하고 있습니다. GaN 기술의 성숙도 상승과 함께, 앞으로 더욱 다양한 전력전자 응용에 GaN 기반 솔루션이 등장할 것으로 기대됩니다.

기술적 과제 및 한계

GaN 전력반도체 기술이 도전적인 만큼, 해결해야 할 과제와 한계도 존재합니다.

첫째는 디바이스 구조 및 구동 안정성 이슈입니다. GaN HEMT는 기본적으로 D-모드(Depletion-mode) 소자로서 게이트 전압이 0V일 때 도통되는 특성이 있고, 이를 E-모드(Enhancement-mode)로 바꾸기 위해 p-GaN 게이트, 플루오린 주입 등 복잡한 공정을 거칩니다. E-모드 GaN 소자는 상용화되었지만 게이트 절연파괴 전압이 6~8V로 낮아 게이트 구동 회로 설계 제약이 큽니다[52]. 또한 D-모드 소자는 캐스코드 구성 시 부품 수 증가 및 Miller 효과 등으로 고속 동작에 불리합니다. 이 때문에 Normally-off 구현은 GaN 기술의 상징적 과제로 남아 있으며, 업계에서는 위에서 언급한 ICeGaN 등 내장형 게이트 드라이브로 이 문제를 완화하고 있습니다[29].

또한 GaN HEMT의 동적 온(ON)저항 증가 현상도 과제입니다. 높은 전압을 스위칭한 직후 소자의 R_on이 일시적으로 증가하는 현상이 보고되며, 이는 트랩에 전하가 포획되면서 채널 전도도가 낮아지는 것으로 알려져 있습니다. 이 드레인 러그 전하 포획 현상은 스위칭 손실과 열을 증가시켜 신뢰성에 영향을 주기에, 제조사들은 에피층 최적화와 패시베이션 개선으로 이를 줄이고자 합니다[52].

둘째는 열 관리와 패키징의 한계입니다. GaN 소재 자체는 높은 전자이동도를 갖지만, 열전도도는 SiC 대비 낮습니다[53]. 예를 들어 GaN의 열전도율은 약 130 W/mK 수준으로 SiC(약 370 W/mK)의 1/3 정도에 불과하여, 고출력 동작시 채널 발열을 효과적으로 방출하기 어려운 약점이 있습니다. 특히 GaN-on-Si 기판의 경우 GaN과 Si 간 열팽창계수 차이도 커서, 열 사이클 스트레스 시 기판 뒤틀림이나 결함 증가 우려가 있습니다[53][54]. 이러한 문제로 고출력 GaN 시스템에는 고성능 방열판, 액침 냉각 등의 보조 대책이 필요하며, 패키징도 SiC 대비 더 세심한 열설계가 요구됩니다[55][56]. 현재 업계에서는 Ag Sinter링 등 첨단 접합기술, 이중 사이드 냉각 패키지 등을 개발하여 GaN 칩의 열저항을 낮추고 있습니다. 열 문제를 해결하지 못하면 GaN은 고전력 영역으로 진입하기 어려우므로, 패키지 혁신은 중요한 기술 과제입니다.

셋째는 결함 밀도와 기판 이슈입니다. GaN-on-Si 방식은 경제적이지만 GaN 격자와 Si 격자 상수 불일치로 결함(dislocation)이 cm²당 $10^6$개 이상 많이 생성됩니다[57]. 이 때문에 소자의 누설전류와 수명이 나빠질 수 있습니다. GaN 단결정 기판을 사용하면 결함密度를 크게 낮출 수 있으나, GaN bulk 결정은 1장 수십만 달러 수준으로 매우 비싸고 직경도 2~4인치로 작습니다. Ammonothermal 법 등으로 저결함 GaN 결정 성장을 시도하지만 성장속도가 느려 상용화가 제한적입니다[57]. 따라서 당분간은 Si 기판 기반으로 공정/소자 설계를 개선하여 결함 영향을 극복하는 방향과, 동시에 장기적으로 GaN 자체 기판 양산능력을 확보하는 방향이 병행되어야 합니다. 수직 소자의 경우 특히 저결함 두꺼운 GaN Drift층이 필수여서, 고품질 GaN 기판 기술 확보가 가장 큰 과제입니다[58].

넷째, 신뢰성 및 표준화 문제입니다. GaN 소자는 아직 실리콘처럼 오랜 대량 현장데이터가 누적되지 않아 신뢰성 평가 기준이 완전히 확립되지 않았습니다. 특히 자동차와 같은 엄격한 환경 조건에서 GaN이 수십년간 작동할 수 있는지, 우려가 남아 있습니다. 문턱전압 드리프트, 게이트 누설, 피로 파괴 같은 모드에 대한 가속 시험 데이터가 축적되고 있으며, 국제적으로 JEDEC 등을 통해 표준화 작업이 진행 중입니다. 여기에 더해 GaN 디바이스 구동을 위한 회로 설계 표준, 모델링 라이브러리 구축도 아직은 미흡한 상태입니다. 기존 Si 부품 대비 회로적 호환성이 낮아 엔지니어 교육과 생태계 마련이 필요합니다.

마지막으로 국내 산업 측면의 한계도 있습니다. 전세계 화합물 전력반도체 시장의 95% 이상을 해외 기업들이 차지하고 한국은 1~2%에 불과하여[36], 국내 수요처(가전, 자동차 등)에서 조차 대부분 수입 부품에 의존해왔습니다. 이 때문에 초기 레퍼런스 확보와 신뢰도 평판 형성에 어려움이 있어 국내 기업이 진입하는 데 진입장벽이 존재합니다. 다행히 정부와 민간이 이 문제를 인식하여 팹 인프라 투자, 국산화 지원을 시작했지만, 기술 격차를 줄이기 위해서는 지속적인 연구개발과 전략적 투자가 요구됩니다.

향후 전망 및 기술 진화 방향

GaN 전력반도체의 미래 전망은 매우 밝으며, SiC 등과 함께 차세대 전력소자 시장을 양분할 것으로 예상됩니다. 단기적으로 GaN은 소비자 전자와 데이터센터, 통신 분야에서 고속·고효율 스위칭 소자로서 입지를 확고히 할 것입니다. 2025~2030년경에는 GaN이 600V 이하 중저전압 시장의 주력 기술로 자리잡아, 실리콘 MOSFET을 상당 부분 대체할 것으로 보입니다. 중기적으로는 GaN 기술이 점진적으로 전압 스펙트럼을 확장하여 900V, 나아가 1200V급 제품이 출시되고, 이를 통해 전기차 파워트레인의 일부 영역(온보드 차저, 보조컨버터 등)을 차지할 가능성이 큽니다[21]. 다만 1200V 이상 본격적인 고전압·대전력(수백 kW) 영역에서는 당분간 SiC가 유리할 전망이며[51][19], GaN과 SiC가 각기 장점을 살려 공존하는 형태의 시장 구도가 예상됩니다. 예컨대 SiC는 3상 인버터, 철도, 송배전 등 극고전압/고전력 용도로, GaN은 1kV 이하 고속스위칭/고밀도 용도로 서로 보완하며 활용될 것입니다[51][19].

기술 진화 측면에서는, 수직 GaN 트랜지스터의 등장과 함께 GaN의 활용 범위가 비약적으로 넓어질 수 있습니다. 수직 GaN FinFET이나 MOSFET 구조가 2030년 전후 상용화된다면, 1700V 이상급에서도 GaN이 SiC 대비 우수한 성능을 발휘하여 차세대 전력망 솔루션이 될 가능성이 있습니다. 또한 고주파 전력변환 분야에서는 GaN의 스위칭 속도를 극한으로 높여, RF와 Power의 경계를 넘나드는 새로운 응용(예: 무선전력전송, RF 에너지 변환)이 시도될 수 있습니다.

한편 열 관리 혁신과 패키징 발전도 지속될 것입니다. GaN 특성에 최적화된 고방열 세라믹 패키지, 이중 냉각 패키지, 3D 적층 패키지 등이 개발되어 GaN 칩을 보다 높은 전력밀도로 안전하게 구동하게 해줄 것입니다[59]. 예를 들어 이면 방열 구조나 임베디드 패키지를 통해 GaN을 병렬 연결하여 수백Amp를 취급하는 모듈도 가능해질 것입니다. 또한 GaN과 드라이버 IC, 센서 등을 한데 묶은 지능형 전력모듈(IPM)이 발전하여, 시스템 수준에서 GaN 활용을 쉽게 할 전망입니다.

국내적으로는, 정부가 발표한 차세대 전력반도체 발전전략에 따라 2030년까지 SiC·GaN 분야 세계 시장점유 6위권 진입을 목표로 하고 있습니다. 이를 위해 산학연 컨소시엄을 통한 기술 개발, 전문인력 양성, 수요 연계형 데모 프로젝트 등이 추진될 예정입니다[46]. 특히 자동차, 에너지 분야 대기업들이 GaN 기술 도입을 가속한다면 국내 생태계도 빠르게 성장할 것입니다. 가전 강국인 한국은 이미 충전기 등 일부에서 선도 사례를 보유하고 있으므로, 이를 발판으로 응용 실적을 축적하고 글로벌 시장에 진출하는 전략이 중요합니다.

결론적으로, GaN 전력반도체는 향후 10년간 전력전자 혁신을 이끌 핵심 기술로서 자리잡고 있습니다. 지속적인 기술 개선과 대량생산 인프라 확충을 통해 비용이 감소하면, GaN은 갈수록 넓은 분야에 스며들 것입니다. 궁극적으로 더 높은 효율과 작은 크기의 전력전자 기기를 가능케 함으로써, 탄소중립 사회를 위한 에너지 절감과 전동화 추세에 크게 기여할 것으로 전망됩니다[60][61]. GaN과 함께 SiC 등 화합물 반도체에 대한 꾸준한 투자와 기술 축적이 이루어진다면, 전력반도체 분야에서의 새로운 기술 혁신과 산업 도약이 현실이 될 것입니다.

[1] [2] [3] [4] [5] [15] [16] Low-Power HEMT LNAs for Quantum Computing

https://research.chalmers.se/publication/537233/file/537233_Fulltext.pdf

[6] [14] Cryogenic Low-Noise Amplifiers and InP HEMT Technologies | Nature Research Intelligence

https://www.nature.com/research-intelligence/nri-topic-summaries/cryogenic-low-noise-amplifiers-and-inp-hemt-technologies-micro-509547

[7] [9] [12] [13] 경기도 지원으로 3차원 적층형 양자컴퓨팅 판독 소자 제작 성공. 양자컴퓨터 실용화 앞당긴다 : 보도자료 : 경기도뉴스포털

https://gnews.gg.go.kr/briefing/brief_gongbo_view.do?BS_CODE=s017&number=53457&subject_Code=BO01

[8] 3D stackable cryogenic InGaAs HEMTs for heterogeneous and monolithic 3D integrated highly scalable quantum computing systems - Korea Advanced Institute of Science and Technology

https://pure.kaist.ac.kr/en/publications/3d-stackable-cryogenic-ingaas-hemts-for-heterogeneous-and-monolit

[10] [11] The Effect of Cryogenic Temperatures on the Lateral Heat Spreading in InGaAs/InP HEMTs for IEEE T-ED - IBM Research

https://research.ibm.com/publications/the-effect-of-cryogenic-temperatures-on-the-lateral-heat-spreading-in-ingaasinp-hemts

[17] [논문]GaN 전력반도체 글로벌 연구개발 현황 및 미래 발전방향