전력반도체, 300mm GaN 시대 열린다-아이씨엔매거진

imec, 글로벌파운드리 등과 손잡고 차세대 GaN 프로그램 출범
생산 비용 절감 및 기술 고도화 목표

실리콘(Si)을 넘어설 차세대 전력반도체의 핵심 소재, 질화갈륨(GaN) 기술이 새로운 변곡점을 맞았다. 나노전자공학 및 디지털 기술 분야의 세계적인 연구개발 허브 아이멕(Imec)은 10월 10일, 저·고전압 전력 전자 애플리케이션 개발을 위한 ‘300mm(밀리미터) GaN 오픈 이노베이션 프로그램’을 공식 출범한다고 발표했다.

이번 프로그램은 현재 업계 표준인 200mm 웨이퍼에서 300mm 웨이퍼로 GaN 생산 기반을 전환하는 것을 목표로 한다. 웨이퍼 구경이 커지는 만큼 한 번에 더 많은 반도체 칩을 생산할 수 있어 제조 비용을 획기적으로 낮출 수 있다. 이번 프로그램에는 엑시트론(AIXTRON), 글로벌파운드리(GlobalFoundries), KLA, 시놉시스(Synopsis), 비코(Veeco) 등 반도체 생태계의 핵심 기업들이 첫 파트너로 참여해 개발에 속도를 낼 전망이다.

전력반도체, 300mm GaN 시대 열린다 — 그림 1. 엑시트론의 300mm GaN-on-Si 웨이퍼를 imec이 p-GaN 식각 후 KLA 코퍼레이션의 8 시리즈/CIRCLTM 검사 장비에서 분석하는 모습 (image. imec)

왜 300mm GaN인가? 비용 절감과 기술 혁신

최근 GaN 기반 고속 배터리 충전기가 시장에 속속 등장하며 전력 효율과 소형화에 대한 GaN 기술의 잠재력은 이미 입증되었다. 앞으로 GaN 기술은 전기차의 온보드 충전기(OBC), 태양광 인버터, AI 데이터센터의 전력 분배 시스템 등 사회 전반의 전기화와 디지털화를 이끄는 핵심 부품으로 자리 잡을 전망이다.

이러한 시장 확대에 발맞춰 생산성을 높이고 가격 경쟁력을 확보하기 위한 대구경 웨이퍼로의 전환은 필연적인 수순이다. 하지만 300mm 전환의 이점은 단순히 비용 절감에만 그치지 않는다. 더 큰 웨이퍼는 더 정밀하고 진보된 반도체 공정 장비를 사용할 수 있다는 의미이기도 하다.

스테판 드쿠테르(Stefaan Decoutere) imec GaN 프로그램 디렉터는 “300mm 최첨단 장비를 활용해 CPU와 GPU의 에너지 효율을 높이는 저전압 POL(Point-Of-Load) 컨버터와 같은 첨단 전력 소자를 개발할 수 있게 됐다”고 설명했다.

그림 2. 300mm 기판 위 GaN HEMT용 개발 마스크 세트 (image. imec)

글로벌 생태계 구축으로 기술 난제 해결

물론 300mm로의 전환이 쉬운 것만은 아니다. 웨이퍼가 커질수록 공정 중 휘어짐(bow)을 제어하고 기계적 강도를 확보하는 것이 핵심 기술 과제가 된다. imec은 이러한 기술적 난제를 해결하기 위해 강력한 글로벌 생태계를 구축하는 데 초점을 맞추고 있다.

프로그램의 첫 단계로 300mm 실리콘 기판을 활용한 저전압(100V 이상) GaN HEMT 기술 플랫폼을 구축하고, 이후에는 특수 엔지니어드 기판을 사용해 650V 이상의 고전압 애플리케이션 개발에 나설 계획이다.

스테판 드쿠테르 디렉터는 “첨단 GaN 전력 전자 개발에는 설계, 에피택시, 공정 통합, 애플리케이션 간 긴밀한 결합이 필수적”이라며, “견고한 생태계 구축을 통해 공동으로 혁신을 추진할 것이며, 더 많은 파트너의 합류를 기대한다”고 강조했다. imec은 2025년 말까지 300mm 공정 전용 장비를 클린룸에 완비하고 본격적인 R&D에 돌입할 예정이다.