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기술번호
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KST2014066747
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자료제공기관
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미래기술마당
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기술공급기관
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한국전자통신연구원
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기술명
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질화갈륨 기반 내부정합형 전력증폭 모듈 기술
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기술개요
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본 발명은 전계 효과 트랜지스터의 제조 방법을 개시한다. 이 방법은 기판 상에 활성 층과 캡핑 층을 형성하고, 상기 캡핑 층 상에 소스 전극과 드레인 전극을 형성한다. 이후, 기판 상에 층간 절연막을 형성하고, 소스 전극과 드레인 전극 사이의 층간 절연막 상에서 비대칭적인 깊이의 제 1 개구부와 제 2 개구부를 갖는 레지스트 층들을 형성한다. 제 1 개구부는 층간 절연막을 노출시키고, 제 2 개구부는 상기 레지스트 층들 중 최하부 레지스트 층을 노출시킨다. 다음으로, 제 1 개구부 바닥의 층간 절연막과 제 2 개구부 바닥의 최하부 레지스트 층을 동시에 제거하여 상기 제 1 개구부 내에 캡핑 층을 노출시키고, 상기 제 2 개구부 내에 층간 절연막을 노출시킨다. 그리고, 제 1 개구부의 캡핑 층을 제거하여 활성 층을 노출 시킨 후, 기판 상에 금속 층을 증착하여 제 1 개구부와 제 2 개구부 내에 게이트 전극과 전계 전극을 동시에 형성할 수 있기 때문에 생산성을 향상시킬 수 있다. 마지막으로 레지스트 층들을 제거하여 상기 레지스트 층들 상의 금속 층을 리프트 오프 시킬 수 있다. 활성, 캡핑(capping), 개구부, 절연막, 리프트 오프(lift-off)
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개발상태
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상용모델 개발
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기술의 우수성
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1) 과거 레이더 시스템에서는 고출력 증폭부를 구현하기 위하여 클라이스트론 (Klystron), 마그네트론(Magnetron), 진행파관(Traveling Wave Tube)과 같은 진공관 형태의 단일 소자에 매우 높은 전압을 인가하여 구동시키는 기술을 이용하였음. 이러한 기술은 단일 모듈에서 수kW의 고출력을 발생시킬 수 있으나 수명과 신뢰성이 낮아 국방 및 안보 등 시급성과 기동성이 요구되는 분야에서는 치명적인 단점으로 지적되어 왔음
2) 특히, 국방 무기체계의 고효율, 고신뢰, 소형경량화 추세에 따라 해외 선진사에서는 국가차원의 전폭적인 지원을 받으며 진공관 기반 고출력증폭기 기술의 단점을 극복할 수 있는 반도체 고출력 증폭기(Solid State Power Amplifier) 기술을 집중적으로 개발해 오고 있음
3) 반도체 고출력 증폭기는 평균고장시간간격(MTBF) 약 5만 시간 이상으로 3천 시간 이하인 진공관 보다 15배 이상이며 광대역 주파수 구현이 용이하며 고전압 전원 공급 장치가 필요하지 않고, 디지털 신호처리 기법을 적용한 최첨단 고성능 전력 증폭기 구현에 매우 적합하다는 장점을 가지고 있음
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응용분야
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1) GaN 트랜지스터 기반 고출력 전력증폭기는 각종 레이더 및 통신 시스템의 핵심 단위 부품으로써 전체 시스템의 성능, 효율, 신뢰성을 결정하는 가장 중요한 역할을 하며, 또한, 전체 기술 중에서 난이도가 가장 높아 현재까지도 해외 선진사들이 독점하고 있는 기술 분야임
2) 특히, 민(민간선박용 레이다 송신기)/군(항공기 및 유도무기 탐색기용 송신기)에서 사용되는 TWTA는 고출력 특성에도 불구하고 부품의 신뢰성이 부족(대형, 저효율, 낮은 평균고장간 시간)하여 이를 대체하기 위해 고효율/고전력 특성을 가지며 소형화에 유리한 GaN 트랜지스터 기반의 반도체 고출력증폭기 개발이 선진 각국에서 활발히 진행되고 있는 실정임
3) 현재 GaN 트랜지스터를 기반으로 하는 고출력전력증폭기에 대한 국내외 수요업체의 관심이 집중되고 있으며 주요 기술 및 시장 분석기관에서는 향후 2~3년 사이에 기존 TWTA와 GaAs, Si 기반의 기술을 전면적으로 대치할 것으로 예상하고 있음
4) 본 기술 사업화를 통해 GaN 기반 반도체 고출력 증폭기 기술 개발의 선진화를 달성하고 기반 기술을 확보하는 것이 향후 민수분야 및 군수분야의 급격한 시장 확대를 고려할 때 매우 시기 적절하며 미래 핵심기술이 될 것임
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시장규모 및 동향
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1. 해외 시장동향
1) GaN 전력소자 시장은 크게 군수, 무선통신망, 고전력 및 케이블 TV/위성통신 분야로 나눌 수 있는데, 현재 군수 분야가 가장 많은 점유율을 갖고 있으나 민수 분야로 시장이 확대되어 2014년 전체 약 3.8억 달러의 시장이 형성될 것으로 예측됨. 2010 Strategy Analytics 시장예측 자료
- 군수분야의 수요는 계속될 것이고, 민간 산업분야에서는 무선통신망에 사용되는 전력증폭기에 대한 수요를 바탕으로 성장할 것으로 예상함
- 자동차용 스위칭 소자와 같은 고출력을 요구하는 전력소자 분야에는 GaN의 경쟁 기술인 SiC 기술에 의해 초기 성장은 다소 제한되었음
2) Yole Development사는 2011년 고전력용 GaN 전력소자시장은 250만 달러 이하로 발표하였으나 2012년에는 거의 1,000만 달러까지 성장하고 2016년에는 5억 달러에 이를 것으로 예측함
3) GaN 전력 소자 시장은 기본적으로 현재 실리콘 기반의 시장을 대체하며 성장할 것이며, 현재 Sic(탄화수소)와 GaN 기술이 친환경, 고효율 장점을 바탕으로 시장에서 경쟁 구도를 형성하고 있음
2. 국내 시장동향
1) 국내에서는 선진국에 비해 GaN 기술개발이 선진국에 비해 늦은 편이며, 기술개발의 중요성에 대한 공감대와 기술개발에 대한 정부의 지원은 일부 이루어지고 있지만, 상용화 및 시장 형성까지는 이루어지지 못한 상황임
- GaN 트랜지스터 기술의 우수성과 효율성이 높은 장점 때문에 관련 선진국의 기업들은 2000년 초부터 예산과 자원을 집중 투자하여 개발 및 상용화를 진행하였으며, 최근에는 최종 응용제품을 선보이기 시작함
- 우리나라의 경우는 GaN 소자의 핵심 기술에 대한 상용화에 도달하지 못해 관련시장이 성숙되지 못하고 있음
2) 국내 시장은 향후 군사용 및 이동통신 기지국용 전력증폭기, 고출력소자 등이 주 시장을 이룰 것으로 예측되고 있으며, 국내 시장에는 기지국, 중계기의 핵심부품인 전력소자를 전량 외국에 의존하고 있는 상황으로, 이 시장을 가장 먼저 점유할 것으로 전망함
3) 국내 군수용 고출력 전력증폭기 시장의 경우 대당 4억 원대의 대전차 탑재 레이저 레이더의 국산화 대체, 위치추적 및 근거리 물체 포착 센서 개발 등 초고가 무기 체계 국산화 및 정밀 군수용품에 대한 수요(고주파 레이더용 고출력 전력소자 및 전력증폭 모듈)가 확대되고 있음
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희망거래유형
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사업화적용실적
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도입시고려사항
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