AlN (질화 알루미늄) 그것은 무엇인가?

AlN은 산화갈륨(Ga₂O₃) 및 다이아몬드와 함께 4세대 초광대역 금지대 반도체(UWBG)로 분류되며, 차세대 고성능 반도체 소자의 핵심 재료로 주목받고 있습니다.

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안녕하세요.  달차입니다.

오늘은 차세대 반도체 기술이라고 하는 AlN 에 대해서 알아보겠습니다.

 

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알루미늄 나이트라이드(AlN): 차세대 반도체 기술의 "황금 열쇠"

 

질화알루미늄(AlN)은 초광대역 (UWBG)  반도체 소재로, 넓은 밴드갭(6.2 eV), 높은 열전도율(340 W/(m∙K)), 높은 항복 전계(15.4 MV/cm), 우수한 자외선 투과율, 화학적 및 열적 안정성 등의 뛰어난 특성을 가지고 있습니다.

이러한 장점 덕분에 질화알루미늄은 고체 광원, 전력전자, 마이크로파·RF(무선주파수) 소자의 핵심 소재로 평가받고 있으며, 글로벌 반도체 기술 연구의 최전선이자 전략적 경쟁의 초점이 되고 있습니다.

현재 중국과 미국을 비롯한 여러 국가의 기업들이 이 분야에 빠르게 진입하고 있으며, 꾸준한 발전을 이루고 있습니다. 오늘날 반도체 소재 산업에서 질화알루미늄은 혁신적인 기술로 업계의 판도를 새롭게 바꿔가고 있습니다.

 

 

우수한 성능: 전력 한계를 다시 정의하다

 

질화알루미늄(AlN) 기판은 우수한 물성을 바탕으로 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있으며, 차세대 반도체 소재로서 밝은 상업적 전망을 가지고 있습니다. 이는 기존 광전자, 전력, RF(무선주파수) 소자의 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 항공우주 및 국방과 같은 차세대 응용 분야에서도 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.

 

AlN은 산화갈륨(Ga₂O₃) 및 다이아몬드와 함께 4세대 초광대역 금지대 반도체(UWBG)로 분류되며, 차세대 고성능 반도체 소자의 핵심 재료로 주목받고 있습니다. 주요 특징은 다음과 같습니다.

• 높은 내전압 특성 : 연구에 따르면, AlN 웨이퍼를 활용한 트랜지스터의 항복 전압은 2200V에 달하며, 기존 SiC 및 GaN 기반 전력 소자보다 우수한 전기적 성능을 보입니다.
• GaN 기반 소자와의 높은 호환성 : AlN은 GaN 소자의 기판으로 활용될 수 있어 RF 및 전력 소자의 성능을 향상시킬 수 있습니다.
• 우수한 열전도성 : 340 W/(m∙K)의 열전도율을 가지고 있어 발열 문제를 효과적으로 해결하며, 고출력 소자의 열 관리 성능을 극대화할 수 있습니다.
• 낮은 결함률 및 상용화 : 현재 AlN 단결정 기판은 2~4인치 크기로 상용화가 진행되고 있으며, 대규모 양산을 위한 기반이 마련되고 있습니다.

 

광범위한 응용 분야: 전통을 혁신하고 미래를 연결하다

 

질화알루미늄(AlN) 기판은 우수한 물성을 바탕으로 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있으며, 차세대 반도체 소재로서 밝은 상업적 전망을 가지고 있습니다. 이는 기존 광전자, 전력, RF(무선주파수) 소자의 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 항공우주 및 국방과 같은 차세대 응용 분야에서도 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.

 

전력전자(파워일렉트로닉스) 분야

 

전 산업이 전기화로 전환되면서, AlN 기반 소자는 전력 변환 및 배전 시스템의 에너지 효율을 획기적으로 개선할 수 있습니다.

• 초광대역 금지대(ultra-wide bandgap) 특성을 활용하여 10kV 이상의 고전압 소자를 구현할 수 있으며, 이를 통해 시스템 크기를 줄이고 제어 능력을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 전력망(grid) 수준의 응용에서 AlN 기판은 단 15μm 두께만으로도 10kV 변전소 요구사항을 충족할 수 있으며, 기존 소재 대비 부피를 70% 줄일 수 있습니다.
• 미국 조지아 공과대학교(Georgia Institute of Technology)는 AlN이 차세대 스마트 그리드(Smart Grid) 시스템을 위한 최적의 반도체 소재라고 발표한 바 있습니다.
• AlN 기반 전력 소자는 DC-DC/DC-AC 변환 과정에서 발생하는 에너지 손실이 SiC(실리콘 카바이드)나 GaN(질화갈륨) 대비 1/8 수준에 불과합니다.
• 800V급 전기차 플랫폼에서 전기 모터 컨트롤러의 효율을 5% 향상시킬 수 있으며, 태양광 인버터 시스템의 에너지 손실도 30% 줄일 수 있습니다.

송전망 방식에 따른 전력 장치의 최소 두께와 전력망 전압의 관계

 

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RF(무선주파수) 소자 분야

 

5.5G/6G 통신, 위성 통신, 위상 배열 레이더(Phased Array Radar) 등 고성능 RF 소자 개발에서는 발열 문제 및 높은 열경계 저항(thermal boundary resistance)이 주요 과제로 꼽힙니다.

• AlN 기반 소자는 GaN RF HEMT(고전자 이동성 트랜지스터) 사이에서 낮은 열경계 저항을 제공하며, 높은 벌크 열전도율(bulk thermal conductivity)을 가지고 있어 열 관리 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다. 
• 이를 통해 5.5G/6G 기지국의 전력 증폭기 효율을 65% 이상으로 향상시킬 수 있으며, 기지국의 전력 소모를 40% 줄일 수 있습니다. 위상 배열 레이더의 전력 밀도를 3배 증가시켜 탐지 거리를 50% 향상할 수 있습니다.

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극한 환경 전자기기 분야

 

AlN은 우수한 물리적·화학적 안정성과 강력한 방사선 저항 특성을 가지고 있어 항공우주 및 심부 지구 탐사(deep-earth exploration) 등 극한 환경에서도 안정적인 성능을 발휘할 수 있습니다.

• AlN 기반 탐사 장비는 300°C 이상의 고온 지열 환경에서도 10만 시간 이상 안정적으로 작동 가능합니다.
• AlN 소재를 적용하면 우주정거장 전력 시스템의 방사선 저항성을 100배 향상시킬 수 있으며, 수명을 15년 이상 연장시킬 수 있습니다.

 

산업화 진행 상황: 연구실에서 대량 생산으로

 

AlN 소재의 잠재력은 크지만, 웨이퍼 크기, 제조 생산성, 비용 등의 문제로 인해 대규모 상용화에는 아직 일부 과제가 남아 있습니다.

미국과 중국 기업들은 AlN 단결정 기판의 산업화를 두고 치열한 경쟁을 벌이고 있습니다.

• 미국 : Crystal IS는 2023년 8월 직경 100mm AlN 단결정 기판 샘플을 출시했으며, 2024년에는 사용 가능한 면적이 99%에 달하는 100mm AlN 웨이퍼를 개발했다고 발표했습니다.  DARPA는 2023년부터 Raytheon 및 HexaTech와 협력해 AlN과 인공 다이아몬드를 결합한 초광대역 반도체 개발을 추진 중이며, 4인치(100mm) AlN 단결정 기판의 상용화도 같이 진행하고 있습니다.
• 중국 :  奥趋光电技术(Optoelectronics Technology, Hangzhou)는 2019년 당시 세계 최대 크기였던 60mm AlN 단결정을 개발했으며, 2021년에는 2인치 AlN 기판의 소량 생산을 시작했습니다.  2022년에는 76mm(3인치) AlN 단결정과 웨이퍼 샘플을 개발했으며, 현재 4인치(100mm) AlN 웨이퍼 상용화를 추진 중입니다.

 

미래 전망: 소재 혁명이 새로운 산업 생태계를 창조하다

 

AlN 소재 기술이 지속적으로 발전하고, AlN 기반 소자의 혁신이 가속화되면서 "기판-에피택시(epitaxy)-소자-시스템"으로 이어지는 완전한 산업 생태계가 구축되고 있습니다.

• 전기차, 5.5G/6G 통신, 저궤도 위성통신, 스마트 그리드(지능형 전력망) 등의 시장 확장과 함께, AlN 기술이 전력 반도체 분야의 패러다임을 변화시키고 있습니다.
• 궁극적으로, 에너지 네트워크에서 통신 인프라까지 반도체 산업 전반의 기술적 지형을 새롭게 정의할 것입니다.

AlN은 단순한 신소재가 아닌, 반도체 산업의 핵심 경쟁력을 결정할 혁신적인 기술 요소로 자리 잡아 가고 있습니다.

 

앞으로 이 시장이 어떻게 전개될지 더욱 주목해야 할 것입니다

 

 

 

 

출처: Fraunhofer IISB 연구 보고서, SEMI 산업 백서, Crystal IS 기술 공보, 오추광전(奥趋光电)