IBK투자증권은 다양한 화합물 반도체 중에서 GaN과 SiC 등 2종의 반도체가 발전 가능성이 가장 높은 것으로 평가했다. IBK투자증권 이건재 연구원은 4월 13일 발표한 ‘전기차 보급 확대를 기다리는 화합물 반도체’와 7월 27일 발표한 ‘전환의 시대 화합물 반도체’등 두 번에 걸친 화합물 반도체에 대한 보고서를 통해 이 두가지 화합물 반도체의 장 단점을 비교 분석했다. 이건재 연구원은 “다양한 화합물 반도체가 존재하지만 근시일내 폭발적 성장을 나타낼 것으로 확실시 되는건 GaN(질화갈륨)과 SiC(실리콘 카바이드)”라며 “화합물 반도체 시장의 주인공은 GaN와 SiC 등 두가지”라고 진단했다. 이어 “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”고 설명했다.  

질화갈륨(GaN)은 우수한 전자 이동성과 강한 파괴 전압, 우수한 열전도 특성을 지니고 있어 높은 스위칭 주파수 효율성을 필요로 하는 전력과 라디오 주파수(RF)소자에 이상적이다. 가전, 통신 하드웨어, 전기자동차를 막론하고 전력 변환율 향상, 전력 밀도 증진, 배터리 수명 연장, 스위칭 속도 향상이 필요하며, 이같은 요구조건에 맞추기 위해 새로운 체계의 전력용 반도체 개발이 필수적이다.

GaN은 2005년 이후로 여러 산업에 상당한 파급효과를 끼쳤다. GaN은 SiC와 유사한 성능 이점을 제공하지만 비용 절감 가능성은 더 높다. SiC보다 저렴한 실리콘이나 사파이어 기판에서 GaN 전력 소자를 양산할 수 있기 때문에 가격과 성능 두 마리 토끼를 잡을 수 있다.

우선 사용 분야를 살펴보면 GaN은 청색 LED제조에 필수 재료로 사용되고 있어 조명용 백색 LED 상품화에 크게 이바지 하고 있으며 전체 LED의 약 80%가 GaN 기반이다. 무선통신 부문에서는 고전자 이동 트랜지스터(HEMT)나 모놀리식 마이크로 집적회로(MMIC)등 고출력 무선 주파수 기기에도 채택된다.

전력 반도체는 크게 군수, 무선 통신망, 고전력 및 케이블 TV/위성통신섹터가 주된 사업영역이며 전력 공급 애플리케이션을 담당한다. 자동차 분야에서는 하이브리드 자동차용 온보드 충전기 어댑터 / 자동차용 DC-DC컨버터 / LIDAR용 드라이버에 사용된다.

제품별로 살펴보면 GaN MMIC는 설계의 높은 난이도가 요구되지만 전체적인 생산단가 절감 및 고신뢰성을 바탕으로 한 대량 생산 가능성으로 RF 시스템으로 각 분야로 빠르게 확산되고 있다. GaN 트랜지스터를 사용하고 있는 엔드제품 중 최근 가장 빠르게 대량 생산되고 있는 제품은 USB C타입 전원 어댑터와 충전기다. 휴대폰과 노트북 PC를 빠르게 충전할 수 있다. 

많은 GaN장치는 파운더리 서비스 공급자를 통해 제작되고 있으며 표준 실리콘 웨이퍼에 대한 GaN 상피 결정 성장 및 불륨 증가에 따라 잠재적으로 무제한 생산 용량 확장 또한 가능할 것으로 전망이다.

다만 GaN은 가격이 비싸고 집적도가 높은 IC 회로(intergrated Circuit) 제작엔 한계가 있다. GaN을 구성하는 Ga와 N원자간 내부 전기장이 높고 전자와 정공의 결합에너지가 낮아 양자효율이 떨어지기 때문이다. 또한 Al2O3나 SiC기판과 원자간 거리 차이가 커 박막 제조시 결함이 많이 발생하고 이 결함이 소자 수명과 특성을 저해한다.

GaN은 결합 후 과잉 전자가 많은 n형 반도체의 특성을 보이기 때문에 정공 수가 많은 p형 반도체로 도핑하는 과정이 까다롭다. 따라서 사업 경제성을 높이기 위해선 미니멈 6인치 이상의 웨이퍼 생산능력을 보유해야 한다.