IBK투자증권이 화합물 반도체에 대한 전망을 담은 보고서를 내놓았다. 이건재 연구원은 27일 발표한 ‘전환의 시대 화합물 반도체’를 통해 전세계적인 전기차 보급 확대로 화합물 반도체가 전기차 성능 향상의 핵심 솔루션으로 부각되고 있으며, 국내 기업들도 기술 확보에 적극 나서고 있음을 보여준다. IBK투자증권 이건재 연구원은 지난 4월 13일에도 ‘전기차 보급 확대를 기다리는 화합물 반도체’라는 보고서를 통해 화합물 반도체의 최신 동향과 국내 기술 현황을 분석했다. 화합물 반도체에 대한 이 두가지 보고서의 주요 내용을 6회에 걸쳐 소개한다. <편집자 주> 

1884년 에디슨이 전구 실험 과정에서 ‘열전자 방출효과(에디슨 효과)’를 확인후 유리 진공관이 개발되어 사용되면서 반도체의 개발은 시작됐다. 진공관을 대체할 수 있는 트랜지스터 개발을 위한 노력이 지속되던 중 1947년 벨 연구소의 바딘, 브래튼, 쇼클리에 의해 게르마늄 반도체 트랜지스터가 개발됐다. 게르마늄 반도체 트랜지스터는 진공관을 대체해 소형 라디오를 만들 수 있게 하고 전자산업을 혁명적으로 발전시켰으며 컴퓨터, 정보통신 시대를 현실화 시켰다. 고도화하던 반도체 기술은 점차 극복해야할 근원적 문제점이 나타나기 시작하면서 이에 대한 솔루션으로 화합물 반도체가 점차 부각 되고 있다. 

화합물 반도체는 두 종류 이상의 원소로 구성되어 있는 반도체로 우리에게 익숙한 실리콘(Si), 게르마늄(Ge)과 같은 단원소 반도체와 구분된다. 단원소 반도체는 지난 반세기 동안 고집적화에 기반한 가파른 기술적 진보를 이루어 냈지만 반도체 공정 선폭이 10나노(nm)미만에 다다르며 생산 공정의 어려움과 발열 문제등이 문제점으로 대두되고 있다.

특히 10나노 이하의 극미세 공정에서는 트랜지스터 크기를 미세화 하더라도 소자 간 간격이 좁아져 소자 연결을 위한 메탈 저항(RC delay)이 커져 발열 문제가 발생한다. 발열 문제 해결과 반도체 본질적 기능 개선을 위해 차세대 반도체로서 화합물 반도체 활용이 확대될 것으로 전망된다.

전자 이동속도가 빠를수록 전력 소비가 낮으며, 전력 소비가 낮을수록 발열량도 낮아진다. Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 기존 실리콘 반도체보다 높은 전자 이동도를 보이며 소비전력도 적어 고성능 핵심소재로 인식되고 있다.

대표적인 화합물 반도체는 GaAs, InP, GaN, ZnO, SiC, SiGe, GeSbTe 등이 있으며, 단원소 반도체와 달리 화합물 반도체는 원소의 조합을 목적에 따라 변화시킴으로 특화성이 있는 반도체를 제조할수 있다.

Ⅲ-Ⅴ족 화합물로는 현재 질화갈륨(GaN)와 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 안티몬화인듐(INSb)의 연구가 활발히 진행이다. Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체에서 전자 이동속도는 기존 실리콘 반도체보다 수십 배 빠르고 소비전력도 기존 반도체 대비 1/8 ~ 1/10 수준이다. 

화합물 반도체 시장의 주인공은 GaN와 SiC 등 두가지다. 다양한 화합물 반도체가 존재하지만 근시일내 폭발적 성장을 나타낼 것으로 확실시 되는건 GaN(질화갈륨)과 SiC(실리콘 카바이드)다. GaN은 빠른 스위칭 속도와 밴드갭이 Si 대비 3배가 높아 RF 장비 및 가전 전력 변환 장치 사용에 용이하다. SiC는 고전압과 고내열성을 보유하고 있고 밴드갭이 Si 대비 3배가 높아 전기차 및 전력 변환 장치 사용에 용이하다.

화합물 반도체는 제조공정이 비싼 단점이 있어 지금 까지는 방위산업, 우주개발, F1 등 특수 분야에 한정적으로 이용됐다. 최근 각광을 받고 있는 기술은 실리콘 기판 위 전자가 이동하는 반도체 채널 부분에만 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체인 인듐갈륨비소(InGaAs)를 얇고 균일하게 형성해 효과적이지만 저비용의 화합물 반도체 소자를 제작하는 방식도 주목을 받고 있다.

접착제를 사용하지 않고 서로 다른 기판을 접합하는 기술인 ‘웨이퍼 본딩’ 공정을 통해 필요한 부분에만 인듐갈륨비소(InGaAs)를 접착하는 기술은 Si반도체 생산 공정을 최대한 활용 가능한 이점이 있다.