차세대고효율 / 고출력반도체 : GaN 전력소자연구개발현황 문재경 (J.K. Mun) 민병규 (B.G. Min) 김동영 (D.Y. Kim) 장우진 (W.J. Chang) 김성일 (S.I. Kim) 강동민 (D.M. Kang) 남은수 (E.S. Nam) RF 융합부품연구

차세대고효율 / 고출력반도체 : GaN 전력소자연구개발현황 문재경 (J.K. Mun) 민병규 (B.G. Min) 김동영 (D.Y. Kim) 장우진 (W.J. Chang) 김성일 (S.I. Kim) 강동민 (D.M. Kang) 남은수 (E.S. Nam) RF 융합부품연구팀팀장 RF 융합부품연구팀책임연구원 RF 융합부품연구팀책임연구원 RF 융합부품연구팀선임연구원 RF 융합부품연구팀선임연구원 RF 융합부품연구팀선임연구원 광무선융합부품연구부부장 Ⅰ. 차세대 GaN 전력소자 Ⅱ. 글로벌연구개발현황 Ⅲ. 시장및특허현황 Ⅳ. 국내연구개발현황 Ⅴ. 국내주요연구과제 Ⅵ. 맺음말 차세대에너지절감반도체로각광을받고있는 GaN(Gallium Nitride) 전자소자의연구개발동향, 특히전력증폭기용 GaN 기술동향에관하여기술하였다. GaN 전자소자는와이드밴드갭 (E g =3.4eV) 과고온 (700 C) 안정성등재료적인특징으로인하여고출력 RF(Radio Frequency) 전력증폭기와고전력스위칭소자로서큰장점을갖는다. 본고에서는차세대 GaN 전력소자의주요특성을소개하고미국, 유럽, 일본을중심으로한대형국책연구프로젝트분석을통한 GaN 전력소자연구개발방향및 GaN 전력소자시장과주요특허현황을살펴보았다. 또한국내의주요연구개발현황과현재수행중이거나완료된연구개발과제를간략하게언급하였다. 이러한연구개발현황분석을통하여 GaN 기술의중요성과함께국산화의시급성을강조하고자한다. 96 2012 한국전자통신연구원

Ⅰ. 차세대 GaN 전력소자 GaN(Gallium Nitride) 반도체는실리콘이나갈륨비소와비교하면와이드밴드갭 (E g =3.4eV) 특성과고온 (700 C) 안정성에장점이있다. 이동통신망기지국의전력증폭기로사용될경우, 기존 Si-기반 LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터보다전력밀도가 10배이상높아소형화와경량화를통해 30% 이상의전력절감이가능하고, 레이더, 위성등의송수신모듈에사용할경우, GaAs(Gallium Arsenide)-기반전력증폭기에비해높은전력밀도 (>8배) 와효율 (>20%) 특성으로탑재체의경량화와에너지절감에크게기여할수있다. 고전력용 GaN 전력스위칭소자는기존 Si-기반 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 에비하여스위칭손실과온-저항손실이낮아 30% 이상의에너지절감이가능하여 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 나전기자동차에적용하면경량화, 변환효율향상, 전용냉각시스템을제거할수있어연료소모를 10% 이상줄일수있다 [1]. < 표 1> 은 GaN-based electronics의개발역사를보여준다 [2]. 최초의 GaN 반도체재료는 1969년 Maruska 와 Tietjen 이 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방법에의한결정성장으로거슬러올라간다. 1971년에는 MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) 방법으로, 1974년에는 Akasaki 그룹에서 MBE (Molecular Beam Epitaxy) 방법으로 GaN 결정을성장하였다. Mg 도핑과급속열처리를통한 p-형 GaN 반도체형성기술은 1992년 Nakamura 그룹에서소개되었다. AlGaN(Aluminum Gallium Nitride)/GaN HEMT (High Electron Mobility Transistor) 소자는 1993년미국 South Carolina 대학의 Asif Khan 교수그룹에서처음으로보고를하였으며, 1997년 AlGaN/GaN HEMT on SiC(Silicon Carbide) 소자를이용한 RF(Radio Frequency) 전력특성은 4GHz S-band에서 1.4W, 10GHz < 표 1> GaN-based Electronics의개발역사 Year Event Authors 1969 GaN by hydride vapor phase epitaxy Maruska and Tietjen 1971 MIS LEDs GaN by MOCVD Pankove et al. Manasevit et al. 1974 GaN by MBE Akasaki and Hayashi 1983 AIN intermediate layer by MBE Yoshida et al. 1986 Specular films using AIN buffer Amano et al. 1989 p-type Mg-doped GaN by LEEBI Amano et al. and GaN p-n junction LED 1991 GaN buffer layer by MOCVD Nakamura 1992 Mg activation by thermal annealing AlGaN/GaN two-dimensional electron gas Nakamura et al. Khan et al. GaN MESFET Khan et al. AlGaN/GaN HEMT Khan et al. 1993 Theoretical prediction of piezoelectric Bykhovski et al. effect in AlGaN/GaN 1994 InGaN/AlGaN DH blue LEDs(1 cd) Microwave GaN MESFET Microwave IIFET, MISFET GaN/SIC HBT 1995 AlGaN/GaN HEMT by MBE Ozgur et al. 1996 1997 1998 1999 2000 Doped channel AlGaN/GaN HEMT Ion-implanted GaN JFET 340V VGD AlGaN/GaN HEMT 1st blue laser diode Quantification of piezoelectric effect AlGaN/GaN HEMT on SiC 1.4W @ 4GHz 0.85W @ 10GHz 3.1 W/mm at 18GHz 3.3W p-n junction in LEO GaN HEMT in LEO GaN 6.8W/mm(4W) @ 10GHz HEMT on SiC 10-4 Hooge factor for HEMT on SiC 1st AIGaN/GaN HBT 1st GaN MOSFET 9.1W/mm @ 10GHz HEMT on SiC GaN BJT(n-p-n) 4.3kV AlGaN rectifler p-n-p GaN/AlGaN HBT p-n-p GaN BJT Nakamura et al. Binari et al. Binari et al.; Khan et al. Pankove et al. Khan et al. Zolper et al. Wu et al. Nakamura and Fosal Asbeck et al. Binari et al.; Ping et al. Gaska et al. Thibeault et al. Siram et al. Wu et al. Sullivan et al. Kozodoy et al. Mishra et al. Sheppard et al. Levinshtein et al. McCarthy et al. Ren et al. Ren et al. Mishra et al. Yoshida et al. Zhang et al. Zhang et al. Zhang et al. X-band에서 0.85W 수준이었다. 최초의 AlGaN/GaN HBT(Hetero-Bipolar Transistor) 소자와 GaN MOSFET 문재경외 / 차세대고효율 / 고출력반도체 : GaN 전력소자연구개발현황 97

(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) 소자는 1998년에보고가되었으며, Zhang 그룹에서는 2000년 p-n-p GaN BJT (Bipolar Junction Transistor) 소자를개발하였다. Ⅱ. 글로벌연구개발현황미국의경우, 정부주도형으로 2003년부터 2010년까지 WBGS-RF(Wide Band Gap Semiconductor for RF applications) 프로젝트를통하여전력부가효율 >60%, 전력밀도 >9W/mm(10GHz), 평균수명 (MTTF: Mean- Time-To-Failure) >10 7 시간 (150 C), 수율 >80% 의 GaN on SiC 기반전력증폭기를개발하였다 [3]. 2009년부터 2014년까지 NEXT(Nitride Electronic next-generation Technology) 프로젝트를수행하고있으며고항복전압의아날로그-혼성신호와차세대디지털 GaN 회로용고성능신소자개발을목표로하고있다. 목표사양은증가형트랜지스터 (enhancement mode FET) 의경우, f T /f max >400/450GHz, 공핍형트랜지스터 (depletion mode FET) 의경우, f T /f max >500/550GHz 이다 [4]. 유럽연방 7개국 29 개그룹을중심으로 2005년부터 2009년까지 KORRIGAN(Key Organization for Research in Integrated Circuits in GaN Technology) 프로젝트를통해 S-/X-band 고출력증폭기 (HPA: High Power Amplifier) 와저잡음증폭기 (LNA: Low Noise Amplifier) 및스위치 MMICs 를개발하였다 [5]. 2010 년부터 2014년까지수행중인 MANGA(Manufacturable GaN Technology) 프로젝트는영국, 프랑스, 이탈리아, 스웨덴, 독일등 5개국 14 기관이참여하며 4인치 AlGaN/GaN on SiC 양산기술개발을목표로하고있다 [6]. KORRIGAN 프로젝트와는별도로 2005년부터 2008년까지수행된 ULTRAGAN(Ultra-high Power Gallium Nitride) 프로젝트에서는 AlInN/GaN MOS- HEMT 소자를개발하여 2GHz 에서전력밀도 13W/mm, 10GHz 에서출력 >10W과전력부가효율 56% 의특성과함께최초로 1,000 C 의고온동작을선보였다 [7]. 2008 년부터 2011년까지 11개국 24기관이참여한 MORGAN (Materials for Robust Gallium Nitride) 프로젝트에서는 < 표 2> GaN 고출력전력증폭기개발현황 RFHIC Cree Eudyna Fujitsu Toshiba NKL(China) Freq. band S-band S-band S-band X-band X-band X-band Freq.(GHz) 2.7~3.1, 2.9~3.3 3.3~3.6 2.9~3.3 9.5 9.5 8/7.7~8.2 P out.max (W) 160/250 520 150/300/600 101 81 37/110 PAE(%) 55/38 63 55 53 34 40/38 Gain(dB) 11/34 12 14-8 8 Duty(%) 20 3 10 - CW CW Vdd(V) 40 55 65-30 35/32 Etc. Nitronex Thales vendor Four chips highest in S Four chips highest in X Four chips highest in X photo (51mm 36mm) (58.5mm 40mm) (14.3mm 15.2mm) (21mm 12.9mm) (17mm 24mm) 98 전자통신동향분석제 27 권제 4 호 2012 년 8 월

단결정다이아몬드기판위에제작된 0.2μm 게이트 AlGaN/GaN HEMT 소자의 f T /f max 는 21GHz/ 42GHz 수준을얻었으며, InAlN/GaN HEMT on SiC 소자는전력밀도 6.6W/mm(3.5GHz) 와 PAE 70% 를보였다. 특히 cantilever 형태와 drumskin 형태의고온-고압 (550 C, 50bar) 센서를제작하기도하였다 [8]. NEDO 국가프로젝트는일본경제산업성지원하에 2002년부터 2007 년까지 16 개기관이함께수행한고전력고주파 AlGaN/GaN HFETs 개발프로젝트이다. 주요연구결과로는 2GHz 주파수와동작전압 50V 에서출력 230W( 전력밀도 4.7W/mm), 전력부가효율 67%, 이득 9.5dB 를얻었으며, 30GHz Ka-band 에서 0.25μm T gate HFET(Hetero-structure Field Effect Transistor) 의경우전력밀도는 5.8W/mm 로우수한결과를발표하였다 [9]. < 표 2> 는 GaN 고출력전력증폭기개발현황을나타낸다. 미국의 Cree 사에서 S-band 용으로최대출력 520W, 효율 63% 제품을개발하였고, X-band 용으로는일본 Fujitsu 사가최대출력 101W, 효율 53% 제품을개발하였으나실제로구매를할수있는 X-band 내부정합형전력증폭기는 Toshiba 의 50W 급 ( 모델명 : TGI 8596-50) 이최고수준이다. 2012년최근 Freescale사는 2.3~2.7GHz에서출력 350W, 50% 효율, 16dB 이득의전력증폭기를개발하여 2013년 2분기에양산계획을발표하였다 [10]. Ⅲ. 시장및특허현황 1. 국내외시장현황 GaN 전력소자시장은크게군수, 무선통신망, 고전력및케이블 TV/ 위성통신분야로나눌수있는데, 2010년 Strategy Analytics사에의해발표된시장예측자료 (( 그림 1) 참조 ) 에의하면현재군수분야가가장많은점유율을갖고있으나민수분야로시장이확대되어 2014년전체약 3.8억달러의시장이형성될것으로보고있다. 즉, 2014년전체 GaN 소자시장에서군수분야가 46% 를차지할것으로예측하고, 민수시장분야는무선통신망에사용되는전력증폭기요구에의해주도되어성장하고, 자동차용스위칭소자와같은고출력을요구하는전력소자분야에는 GaN 와경쟁관계에있는 SiC 기술에의해초기성장이제한되었다고보고하였다 [11]. ( 그림 2) 에서볼수있듯이 Yole Development 사의시장분석자료에따르면 2011년고전력용 GaN 전력소자시장은 250만달러이하였으나, 2012년에는거의 1,000 만달러까지성장하고 2016년에는 5억달러에이를것으로예측하고있다 [12]. 특히 2013년에는 GaN 전력소자의생산품질관리에집중하던것이생산단계로의도약이이루어져칩생산업체의연간매출이 5000만달러까지상승할것으로예상된다. 2012년현재 IR(International Rectifier) 사와 EPC(Efficient Power Conversion) 사가 GaN 전력소자의 ( 그림 1) GaN 전자소자시장예측 ( 그림 2) 고전력 GaN 소자시장예측 문재경외 / 차세대고효율 / 고출력반도체 : GaN 전력소자연구개발현황 99

( 그림 3) GaN RF 소자시장예측주요공급업체이나 2015년 600V 이상의항복전압을갖는전력소자가널리사용되면 6인치웨이퍼기준으로십만장이상의수요가발생하여 12~15 개의업체가시장을공유할것으로예측된다 [13]. 무신통신등의 RF 시장에서 GaN 전자소자의시장은 ( 그림 3) 의예측된자료에서보듯이 2014년 1억달러이상으로성장하고 140만개의전력증폭기가소요될것으로보고있다 [11]. 국내군수용고출력전력증폭기시장과관련하여서는대당 4억원대의대전차탑재레이저레이더의국산화대체, 위치추적및근거리물체포착센서개발등초고가무기체계국산화및정밀군수용품에대한수요발생으로새로운시장이계속확대되는양상이다. 따라서급격히증가하게될초고주파레이더용고출력전력소자및전력증폭모듈의해외의존도에서벗어나부품소재산업의경쟁력과지속적인경제성장을위한 GaN 전력소자및모듈의기술력확보가시급하다. 2. 국내외특허현황각국의주요연구주체상위순위 (top 10) 를살펴본결과, GaN 전자소자분야에서전세계에특허출원 ( 등록 ) 이가장활발한연구주체로는일본기업인 Toyoda Gosei 와 Hitachi Cable 및 Matsushita Electric 사로나타 났다. Toyoda Gosei, Hitachi Cable 사는각각 122건 (1 위 ), 59건 (2위) 을출원하고있으며, Matsushita Electric 사는 55건 (3위), Sony 사가 48건 (4위) 의출원으로대다수일본기업들이특허출원을하였다. Top 10을제외하고기술적관련도가높은기업에는 Nichia Chem, Oki Electric, 및 Nitronex 사가있다. 세부기술별핵심기술을보유한기업군은아래 < 표 3> 에나타낸바와같다. 소자구조및제조기술과관련된핵심기술을보유한기업으로는 NTT, Sony, Cree 및 Nitronex 사등이있는것으로파악되었다. 고품질반도체결정기술의대표적특허출원기업으로는 Toyoda Gosei, Matsushita Electric, Nichia Chem사로나타났다. 그외 Hitachi Cable 과 Oki Electric 사는전자이동도분야에서핵심기술을보유하고있으며, Eudyna Device사는물질구성과조성비율의핵심기술을보유하고특허를출원한것으로파악되었다. GaN 전자소자기술분야의특허분포를살펴본결과결정성장, 단결정에피택시, 도핑조절등의기판및에 < 표 3> GaN 전자소자분야의기업별핵심기술요약 기술중요도구분 : 핵심기술, 사용기술 에피택셜웨이퍼제조 물질구성과조성비율 고품질반도체결정 저접촉전자저항이동도전극 Toyoda Gosei Hitachi Cable Nippon Telegraph & Telephone 소자구조및제조 Sony Cree Matsushita Electric Nichia Chem Oki Electric Nitronex Eudyna Device 100 전자통신동향분석제 27 권제 4 호 2012 년 8 월

피기술과드레인 / 소스 / 게이트, 전자게이트, 전자공급층등의전극구조구현기술에대한밀집도가높은것으로나타났다. 여전히 GaN 에피택시분야가중요한이슈로진행되고있으며, 이는기존의 Si 전자소자와경쟁우위를가지기위하여대면적에피택시성장및 GaN on Si의에피택시성장분야에서 killer 기술이확립되지않았음을알수있다. 드레인 / 소스 / 게이트의전극분야와전자게이트 / 전자공급층분야가비슷한정도의빈도를가지고특허출원이되어있는것으로파악되었으며, 전극과채널구조를최적화하는설계및소자공정분야의기술개발이원천성을확보하는데용이할것으로판단된다. Ⅳ. 국내연구개발현황 ( 그림 5) 포항공대 3.5GHz 대역 36W급 GaN HEMT 전력증폭기 포항공대에서는 Nitronex 사의 GaN HEMT를사용하여 ( 그림 4) 에서보는바와같이 2.14GHz 에서출력전력 40.7dBm의특성을갖는 Doherty 증폭기를발표하였다 [14]. 그리고포항공대에서는 Cree 사의 GaN HEMT를이용하여 ( 그림 5) 에서보는바와같은 3.5GHz 에서 45.6dBm의출력전력을갖는전력증폭기를발표하였다 [15]. 한국전자통신연구원은 2011년 8월 TriQuint 사 GaN 상용라이브러리를활용하여 S-band에서 20W 출력전력과 40% 이상의효율을갖는전력증폭기 MMIC(Microwave Monolithic Integrated Circuit) 와 X-band 에서 8W 출력에 25% 정도의효율을갖는전력증폭기 MMIC 를함께구현하였다 [16]. 한국전자통신연구원에서는또한자체보유한 4인치 화합물반도체팹에서독자적인소자설계및공정기술을활용하여 2012년 2월 AlGaN/GaN/SiC 이종접합구조를기반으로 S-band용 20W급 GaN HEMT 소자와 X-band용 10W급 GaN HEMT 소자를독자개발하여발표하였으며 [17],[18], ( 그림 6) 과 ( 그림 7) 과같이 2012 년 6월 S-band 용 40W 급 GaN HEMT 소자와 X-band 용 30W급 GaN HEMT 소자를개발하여경주에서개최된 2012년한국군사과학기술학회에전시발표하였다 [19]. 최근제작된 S-band 용 GaN HEMT 소자는 100W ( 그림 4) 포항공대 2GHz 대역 12W급 GaN HEMT Doherty 증폭기 급출력을나타내었다. 뿐만아니라국내최초로자체 GaN 반도체제조공정을이용하여개발된 S-band용 문재경외 / 차세대고효율 / 고출력반도체 : GaN 전력소자연구개발현황 101

< 표 4> ETRI 에서개발한 S-band 170W SSPA 특성 Parameter Specification Remark Operating Frequency 2.9 to 3.1GHz Bandwidth: 200MHz Peak Output Power Large Signal Average Gain 170V max, 10% Duty 34.5dB±2dB @30 C case temperature @ 0dBm Input Power, 30 C case temperature Input/Ouput VSWR 1.6:1 - DC condition 27V, 2.3A - ( 그림 6) ETRI S-band 40W 급 GaN HEMT 소자 ( 그림 7) ETRI X-band 30W 급 GaN HEMT 소자 GaN HEMT 소자를활용하여 < 표 4> 와 ( 그림 8) 에서보는바와같은 S-band용 170W SSPA(Solid State Power Amplifier) 제작에성공하였다 [19] 국내산업계에서는 GaN LED(Light Emitting Diode)/LD(Laser Diode) 등의광소자에비해 GaN 전력소자에대한연구개발이미비한상태이다. LG전자기술원은 2004년경북대와함께전자소자에대한연구를수행한바있으며, 나노이엔스는 2011년 5월까지 X-band GaN HEMT 전력소자개발을중소기업청과제로수행하였으나가시적인결과는발표되지않은상태이다. 삼성전자는 Cree의상용 GaN HEMT를사용하여기지국 / 중계기용인 2GHz 대역 20W GaN 증폭기를개발하였다. RFCore에서는 TriQuint 사 0.25μm GaN on SiC 상 ( 그림 8) ETRI S-band 170W SSPA 용라이브러리를이용하여, 2~6GHz 에서 17W의출력과 24dB의이득, 35% 의효율을갖는전력증폭기 MMIC 와 8~11GHz 에서 10W의출력과 18dB 이상의이득, 28% 이상의효율을갖는전력증폭기 MMIC 를제작하여 2011년마이크로파및밀리미터파워크숍에서발표하 102 전자통신동향분석제 27 권제 4 호 2012 년 8 월

( 그림 9) RFHIC L-band 1kW급 GaN 전력증폭기였다 [20]. 또한, RFCore 는 2011년초 Cree 사와 Toshiba사의 GaN HEMT 상용칩을사용하여 S-band 200W GaN SSPA 와 X-band 100W GaN SSPA 를한국전자통신연구원과함께개발하였다. RFHIC 는 ( 그림 9) 에서보는바와같이 1.2~1.4GHz 에서약 1.3kW 의출력을갖고이득이 53dB이고효율이 50% 인 GaN 전력증폭기를개발하여발표하였다 [21]. 한국전자통신연구원에서자체개발한 S-band 및 X- band용 GaN 전력소자의특성은 ( 그림 10) 에서보는바와같다. X-band용소자는 0.25μm 의게이트길이와 2 100μm 의게이트폭을갖는 AlGaN/GaN HEMT 구조로 pinch-off 전압은 -3.5V 로서 6% 정도의균일도를가지며, 0V의게이트전압에서드레인전류는 0.7A/mm 수준이고, 최대상호전달이득은 270mS/mm 의특성을가진다. RF 특성으로서차단주파수 (f T ) 및최대발진주파수 (f max ) 는 8V의드레인전압에서각각 39GHz 및 119GHz 의특성을보여주고있다. X-band GaN 고출력소자의항복전압은 120V 이상으로 ±4% 정도의균일도를가지며, 단일칩파워바의출력은 30W 이상을나타내었다. 이처럼한국전자통신연구원에서는 2012년 6월현재자체보유한 4인치화학물반도체팹과 GaN 공정및설계기술을활용하여 S-/C-/X-band용고출력전력소자를개발하였으며, 향후에는 Ku-/K-/Ka-band용전력소자연구개발과함께글로벌트렌드에발맞추어차세대디지털레이더트랜시버용구동증폭기 (DA: Drive Amplifier), 고출력증폭기 (HPA: High Power Amplifier), 저잡음증폭기 (LNA: Low Noise Amplifier), 스위치 (switch) MMIC 설계및제작을위한국산라이브러리를구축함으로써세계선진국으로부터기술자립화가시급한 GaN 기술의총체적인국산화를위한기반을구축하여국가의국방기술중장기로드맵에대응할예정이다. ( 그림 10) ETRI GaN 전력소자특성 문재경외 / 차세대고효율 / 고출력반도체 : GaN 전력소자연구개발현황 103

Ⅴ. 국내주요연구과제 1. 에피성장기술한국전자통신연구원에서는 2011년 3월부터 2016년 2월까지차세대데이터센터용에너지절감반도체기술개발과제를수행중에있으며, GaN 전력소자용에피소재기반기술및 normally-off FET 와쇼트키다이오드기반기술확보를목표로하고있다. 전자부품연구원에서는 2011년 10월부터 2013년 9월까지계통연계형인버터시스템을위한고효율 GaN 전력소자기반기술개발과제를수행하고있으며, 4인치이상급에피택시성장기술을경북대학교와공동으로개발하고, 여기서구현된에피택시기술을바탕으로 6 인치급에피택시에대한적용기술개발을목표로하고있다. 경북대학교에서는 2008년 9월부터 2015년 2월까지 MOCVD를이용하여실리콘기판위에선택적 GaN계박막성장기술개발과제를수행하고있으며, 다기능성센서및구동회로가집적화된복합시각센서모듈을위한선택적 GaN계박막성장기술개발을내용으로하고있다. 2. 공정 / 소자기술한국전자통신연구원에서는 2009년 1월부터 2012년 12월까지광 /RF 융합소자기반의차세대국방부품플랫폼개발과제를수행하고있다. 연구목표는군수용레이더등의송수신핵심기술인 GaN 전력소자의개발이다. 또한 2012년부터 3년간기가레인, 한국전자통신연구원, RFCore 가참여하여민군겸용기술개발과제인 GaN 트랜지스터기반의 Ku-band 고출력증폭기개발을수행할예정이다. K-band 고출력 / 고효율 SSPA 국산화기술개발과제 는삼성탈레스주관으로경북대학교와기가레인이참여하여 2011년부터 2013년까지소자개발부터 K-band SSPA 개발까지진행중이다. 홍익대학교에서는에너지절감형그린반도체소자실용화를위한 GaN 전력소자의신뢰성향상연구를수행중이다. 최종적으로 600V급고전압 GaN 이종접합전력소자의 10 5 시간수명확보를목표로한다. 3. 회로 / 모듈 / 시스템기술항공관제레이더용 X-band GaN 패키지모듈개발과제를 2011년 9월부터 2012년 8월까지엘이디팩에서수행중이다. 연구목표는칩과외부와의인터커넥션방법, 구동시발생하는열을외부로신속하게배출시켜줄수있는방열구조설계그리고열악한환경에서도성능을보장할수있는신뢰성확보기술개발이다. 최종목표는 X-band 50W급 GaN 고출력증폭기제조기술개발이다. GaN 전력소자를이용한시스템개발과제는 2011년 7월부터 2014년 6월까지개발중인국지방공레이더시스템개발, 2011년 8월부터 2013년 7월까지개발중인 K-band 고효율 / 고전력고출력증폭기개발, 2011년 7 월부터 2015년 6월까지수행중인 X-band 이중편파기상레이더시스템개발, 그리고 2011년 11월부터 2016년 12월까지차기대포병탐지레이더개발과제가있다. 향후추진예정인군수용핵심시스템개발과제는 X-band AESA(Active Electronically Scanned Array) 레이더개발, 밀리미터파 (Ka-band) 탐색기개발등이있다. 이러한군수시스템개발및국산화는모두 GaN 전력소자를고출력트랜시버모듈의솔루션으로채택하고있다. 따라서시스템의국산화율제고와선진국의기술종속으로부터탈피하기위하여정부주도적으로 GaN 전력소자및제조공정기술의국산화가시급한실정이다. 104 전자통신동향분석제 27 권제 4 호 2012 년 8 월

Ⅵ. 맺음말차세대화학물반도체플랫폼으로각광을받고있는 GaN 전력소자의글로벌연구개발및국내동향에관하여기술하였다. GaN 플랫폼은고출력전력증폭기뿐만아니라고전력스위칭소자로서차세대에너지절감용핵심소자로각광을받고있으며, 글로벌선진국은모두 GaN 기술을차세대고출력 / 고효율전력소자의솔루션으로채택하고있다. 따라서국내에서도선진국의기술종속으로부터탈피하고고부가가치신시장을선점하기위해서는정부주도적인대형국책사업을통하여미국, 유럽, 일본등선진각국의연구개발일정에뒤쳐지지않도록늦어도 2015년까지 GaN 전력소자기술의연구개발과함께고출력, 고효율에너지절감 GaN 반도체소자, 제조공정, MMIC 라이브러리의국산화가반드시이루어져야할것으로생각된다. HEMT High Electron Mobility Transistor HEV Hybrid Electric Vehicle HFET Hetero-structure Field Effect Transistor HPA High Power Amplifier HVPE Hydride Vapor Phase Epitaxy IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor LD Laser Diode LDMOS Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor LED Light Emitting Diode LNA Low Noise Amplifier MBE Molecular Beam Epitaxy MMIC Microwave Monolithic Integrated Circuit MOCVD Metal-Organic Chemical Vapor Deposition MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor MTTF Mean-Time-To-Failure RF Radio Frequency SiC Silicon Carbide SSPA Solid State Power Amplifier 용어해설 Frequency Band의관용적인분류 ( 미국전기전자기술인협회 ) L-band 1 to 2 GHz(Long wave) S-band 2 to 4 GHz(Short wave): C-band 4 to 8 GHz(Compromise between S and X) X-band 8 to 12 GHz(X for cross): Ku-band 12 to 18 GHz(Kurz-under) K-band 18 to 27 GHz(German Kurz (short)) Ka-band 27 to 40 GHz(Kurz-above) V-band 40 to 75 GHz W-band 75 to 110 GHz mm-band 110 to 300 GHz 약어정리 AESA Active Electronically Scanned Array AlGaN Aluminum Gallium Arsenide f max f T GaAs GaN HBT Maximum oscillating frequency Cut-off frequency Gallium Arsenide Gallium Nitride Hetero-junction Bipolar Transistor 참고문헌 [1] 문재경등, GaN 전자소자글로벌연구개발동향, 전자통신동향분석, vol. 27, no. 1, 2012. 2, pp. 74-85. [2] S.J. Pearton et al., GaN Electronics for High Power, High Temperature Applications, Electrochem. Soc. Interface, vol. 9, no. 2, 2000, pp. 34-39. [3] M. Rosker et al., The DARPA Wide Band Gap Semiconductors for RF Applications (WBGS-RF) Program, CS MANTECH Conf., Tampa, Florida, USA, May 18th-21st, 2009. [4] M.J. Rosker et al., NEXT Program, Dec 3th, 2008. [5] ESA MOD Workshop on GaN Microwave Component Technologies, Ulm, March 2009. [6] DGA, European Scenario for GaN and SiC for Microwave Applications, Apr. 27th, 2010. [7] S.L. Delage, UltraGaN Project: Breakthrough in GaN Devices Thanks to InAlN/GaN Heterostructure, 2nd EU FET-Clustee Meeting, Nov. 13th-16th, 2007. [8] S. Delage, MORGAN-Materials for Robust Gallium Nitride, June 2009. [9] Y. Nanishi et al., Development of AlGaN/GaN High 문재경외 / 차세대고효율 / 고출력반도체 : GaN 전력소자연구개발현황 105

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