GaN, 4G 때부터 LDMOS 기반 전력증폭기 시장 파고들어
5G에선 대세로 부각... 가격 한계 넘기 위해 업계 안간힘

신종 코로나 바이러스 감염증(코로나19)과 미국의 화웨이 제재로 멈칫했던 5세대 이동통신(5G) 투자에 다시 불이 붙고 있다.

4G 투자 때 시작됐던 LDMOS(Lateral Double diffused MOS) 기반 전력 증폭기(PA)와 질화갈륨(GaN) 기반 PA의 경쟁 역시 재개됐다. 4G 때는 LDMOS PA의 비중이 다소 컸지만, 5G 때는 반대로 GaN PA의 비중이 크다. 

물론 그렇다고 GaN PA가 LDMOS를 완전히 대체할 수 있는 건 아니다.

 

4G: LDMOS에서 GaN으로

사진 속 셀 타워처럼 모든 기지국에는 송신장치와 안테나, 그리고 전력 증폭기가 들어간다.

전력 증폭기는 입력 전원으로부터 전력을 받아 증폭한 후 이를 출력 장치나 다른 증폭단으로 내보내는 장치를 뜻한다. 기지국에 들어가는 전력 증폭기는 스마트폰 같은 이동통신 단말기가 신호를 받아들일 수 있게 저전력 신호를 받아 이를 키워서 안테나로 출력한다. 

3G 이동통신까지 기지국용 전력 증폭기는 주로 LDMOS가 쓰였다. LDMOS 공정은 상보성금속산화물반도체(CMOS) 공정보다 선형성이 높아 외부 신호 간섭에서 자유롭고 효율 또한 좋았다. 8인치 웨이퍼 생산라인에서 만들어졌고, 재료도 실리콘이라 가격도 저렴하고 안정적이다.

처음 4G 투자가 시작되면서 선도를 차지한 것도 LDMOS PA였지만 지난 2014년 화웨이가 GaN 기반 PA를 넣은 4G 기지국을 출시하면서 판도가 뒤바뀌었다. 

3㎓ 이상 대역에서는 LDMOS의 효율이 제대로 나오지 않았기 때문이다. 업계에 따르면 고주파 대역에서의 LDMOS PA 효율은 30~35%에 불과하다. 100와트(W)를 넣으면 35W만 전송하고 나머지는 열에너지로 바뀐다는 얘기다.

때문에 3㎓ 이상 대역을 쓰는 4G부터는 GaN이 총소유비용(TCO) 측면에서 유리했다.

GaN은 와이드밴드갭(WBG) 소재다. 전자가 궤도에서 벗어나는 데 필요한 에너지의 양(Band gap)이 실리콘(1.1eV)보다 큰 3.4eV로 전력 밀도가 높고, 스위칭 속도도 빠르다. 

예를 들어 실리콘 LDMOS 기반 PA보다 더 적은 숫자의 GaN PA를 넣어 같은 용량의 전력을 처리할 수 있다. 반대로 같은 크기와 개수의 LDMOS PA와 GaN PA가 있으면 GaN PA의 전력 처리량이 더 많다. 

이는 곧 전력 소모량 절감으로 이어진다. 울프스피드(Wolfspeed)에 따르면 GaN 기반 PA를 쓰는 시스템은 LDMOS PA를 사용했을 때보다 200W 이상의 직류(DC) 전력을 아낄 수 있다.

통신사 관계자는 “화웨이가 GaN PA 기반 기지국을 출시한 이후 중국 이동통신사를 중심으로 GaN PA의 사용량이 늘어나기 시작했다”며 “물론 가격적 이유로 4G 때는 LDMOS의 비중이 더 컸다”고 말했다.

 

5G: GaN이 메인... 발목 잡는 비용

 

4G보다도 주파수 대역이 높은 5G부터는 GaN이 보편화되고 있다. 4G 때처럼 화웨이가 선도적으로 GaN PA를 선택한 데 이어 삼성전자⋅시스코 등 나머지 이동통신 장비 업체들도 GaN PA를 도입한 기지국을 앞다퉈 내놨다.

5G는 6㎓ 이하 주파수 대역(FR1: 450㎒~6㎓)과 밀리미터파 대역(FR2: 24.25㎓~52.6㎓)을 쓴다. 3㎓에서 한계에 부딪힌 LDMOS PA로는 주파수 대역이 감당하기 버거울 정도로 높다. 

주파수 대역만이 아니다.

4G 기지국 한 대에는 보통 12개의 송신기가 4개씩 묶여 전방위로 신호를 내보낸다. PA는 각 송신기마다 하나씩 들어간다. 이와 달리 5G 매크로 기지국에는 32개 또는 64개의 송신기가 있다. 그만큼 많은 수의 전력 증폭기가 들어간다는 뜻이다. 여기에 배열 안테나까지 통합한 대용량 다중입출력장치(Massive MIMO) 시스템까지 통합되는 추세다.

또 LDMOS PA로는 5G의 핵심 중 하나인 엔벨롭 트래킹(Envelope Tracking) 기술을 구현하기 어렵다. 엔벨롭 트래킹은 무선 신호의 진폭을 추적, 그에 따라 전압을 조정해 PA가 순간순간의 전력 레벨에서 최대의 효율로 작동하게 하는 기술이다. GaN PA는 스위칭 속도가 빨라 이를 쉽게 구현할 수 있다.

통신사 관계자는 “부품 밀집도가 높아지면 전력 및 열 관리가 어려워진다”며 “업계가 LDMOS 대신 GaN PA를 채택한 이유 중 하나는 부품 밀집도를 낮추기 위해서”라고 말했다.

남은 과제는 가격이다. GaN PA의 가격은 아직 LDMOS PA보다 2배 이상 비싸다. 때문에 6㎓ 이하 대역용 기지국에는 GaN PA 대신 LDMOS PA를 쓰는 경우도 많다. 

이에 코보(Qorvo), 스미토모전기전자(SEDI), NXP반도체, 후지쯔 등 주요 GaN PA 공급 업체들은 GaN PA의 가격을 줄일 수 있는 방법을 모색하고 있다. 웨이퍼 크기를 늘리고 공정 흐름을 개선, 비용을 줄이는 식이다.

GaN PA 가격에 가장 영향을 미치는 건 기판이다. GaN PA에는 열 전도율이 높은 실리콘카바이드(SiC) 기판이 쓰인다. 유기금속화학증착(MOCVD) 시스템으로 SiC 기판에 GaN 에피택셜 층을 형성하는 식이다. SiC 기판은 아직 6인치(150㎜)가 최대고, 4인치가 메인이다. 

업체들은 이에 SiC 기판을 8인치 실리콘 기판으로 대체하려는 연구개발을 진행하고 있다. 실리콘 기판으로 GaN PA를 만들면 가격도 저렴하고, 다른 반도체들과 함께 패키지, 멀티 칩 모듈을 만드는 것도 가능하다. 

코보 관계자는 “실리콘 기판을 쓸 때의 가장 큰 이점은 다른 칩과 묶어 시스템온칩(SoC) 형태 등의 통합 칩을 만들 수 있다는 것”이라며 “공정 미세화를 하면 전력 용량이 제한되기 때문에 첨단 공정을 쓸 가능성은 낮다”고 말했다.

 

GaN이 LDMOS를 완전히 대체할 수 있을까

통상 생산량이 늘어나면 가격이 내려가는 게 일반적이지만, SiC 기반 GaN PA의 경우 SiC 기판이라는 한계가 있다. SiC 기판은 생산 단계에서 결함이 발생하기 쉬워 공급 업체가 제한적이기 때문이다. 게다가 이동통신 외 전력 반도체 등에서도 수요가 증가하고 있어 좀처럼 가격이 내려갈 기미를 보이지 않는다.

실리콘 기판을 쓰는 GaN(GaN-on-Si) PA는 아직 연구개발 단계다. 기판 형성부터 소자 제조, 열 관리에 이르기까지 해결해야할 문제가 한 둘이 아니다. 

먼저 실리콘과 GaN은 SiC와 GaN보다 물성 차이가 커 기판에 GaN 단결정을 형성하기 어렵다. 두 재료의 열 팽창 계수 차이도 크기 때문에 제조 과정에서 결함이 발생하기 쉬워 결정 품질이 SiC 기판을 썼을 때보다 낮다.

또 실리콘의 열전도율은 SiC 대비 3분의1 수준에 불과하다. 열을 빼낼 수 없다면 그만큼 칩의 표면적이 넓어져야 하는데, 칩이 커지면 LDMOS와 비교했을 때의 장점 중 하나가 사라진다.

업계는 GaN이 LDMOS를 완전히 대체하진 못할 것으로 본다. 고주파 시장에선 GaN PA가 확실히 유리하지만, 그렇다고 저주파 시장이 사라지진 않기 때문이다. GaN이 메인이 된 5G에서도 이동통신사들은 저주파 5G 대역을 배포할 때 LDMOS를 쓴다. 

업계 관계자는 “GaN-on-Si PA가 개발되면 LDMOS와 경쟁해볼 수 있겠지만, 그 전까지 LDMOS 시장이 완전히 죽지는 않을 것”이라며 “밀리미터파에선 GaN-on-SiC PA가 메인이지만, 아직 LDMOS와 가격 차이가 심하기 때문에 6㎓ 이하 대역에서는 큰 대역폭이 필요한 경우가 아니면 LDMOS가 채택되는 추세”라고 말했다.

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