질화갈륨 전력 소자는 주로 수평 HEMT 구조를 중심으로 개발되었습니다. 이러한 소자는 고속 충전기, 서버 전원 공급 장치, 모터 드라이브 및 기타 고주파 전력 변환 애플리케이션에서 점점 더 중요해지고 있습니다.

2026년에는 수직 GaN에 대한 관심이 증가하고 있습니다.주요 차이점은 전류 흐름의 방향입니다.기존의 수평 GaN HEMT에서는 전류가 주로 에피택셜 구조의 표면을 따라 흐릅니다. 수직 소자에서는 전류가 반도체의 두께를 통해 흐릅니다.

이러한 변화는 GaN이 수평 칩 면적을 지속적으로 늘리지 않고도 더 높은 전압 및 전류 수준으로 이동할 수 있도록 할 수 있습니다.

과제는 기판입니다.

수직 GaN이 전통적으로 네이티브 GaN을 필요로 하는 이유

수직 전력 소자는 전류가 에피택셜 구조를 통해 후면 접촉부로 통과해야 합니다.

벌크 GaN 기판은 이러한 구조에 적합합니다. 기판과 에피택셜 층이 본질적으로 동일한 결정 시스템을 공유하기 때문입니다.

이는 다음을 제공할 수 있습니다:

낮은 스레딩 디슬로케이션 밀도;

개선된 에피택셜 호환성;

• 직접적인 수직 전도 경로;

• 격자 불일치 응력 감소;

• 두꺼운 고전압 드리프트 층에 대한 더 나은 지원.

• 그러나 네이티브 GaN 기판은 주류 실리콘 웨이퍼보다 훨씬 작고 비쌉니다.

• 이는 대량 시장 전력 전자 장치에서 수직 GaN의 경제적 이점을 제한합니다.

대신 수직 GaN을 대형 실리콘 웨이퍼에서 제조할 수 있다면 경제성은 크게 달라질 수 있습니다.

기존 GaN-on-Si 버퍼의 문제점

실리콘 위에 직접 GaN을 성장시키는 것은 어렵습니다.

GaN과 실리콘은 격자 상수와 열팽창 계수가 다릅니다.

결과적으로 기존의 GaN-on-Si 구조는 일반적으로 다음을 제어하기 위해 엔지니어링된 버퍼 층이 필요합니다:

응력;

균열;

• 디슬로케이션;

• 웨이퍼 휨;

• 전기적 절연.

• 이러한 버퍼 층은 수평 소자에 잘 작동합니다.

• 그러나 수직 소자의 경우 고저항 버퍼는 전류가 구조를 통과해야 하기 때문에 주요 문제가 될 수 있습니다.

수평 GaN 트랜지스터를 절연하는 데 도움이 되는 동일한 층이 수직 전류 흐름을 차단할 수 있습니다.

이것이 저저항 버퍼 엔지니어링이 중요한 연구 방향이 되고 있는 이유입니다.

새로운 저저항 인터레이어 접근 방식

2026년, 일본 연구원들은 매우 얇은 비정질 유사 인터레이어를 사용하여 Si(111) 위에 GaN을 성장시키는 새로운 접근 방식을 보고했습니다.

이 방법은 실리콘과 GaN 사이에 약 나노미터 이하의 인터레이어를 형성하여 격자 불일치를 수용하면서도 낮은 수직 전기 저항을 유지하는 데 도움이 됩니다.

연구원들은 이 접근 방식이 견고한 열 안정성과 수직 전류 전도를 유지하면서 후속 MOCVD GaN 성장을 지원할 수 있음을 입증했습니다.

그 중요성은 단순히 또 다른 GaN 버퍼 층 구조가 아닙니다.

이는 수직 GaN-on-Si의 핵심 모순 중 하나를 해결합니다:

인터페이스는 전기적 장벽이 되지 않으면서 결정 불일치를 흡수해야 합니다.

이러한 구조를 안정적으로 확장할 수 있다면 실리콘을 수직 GaN 소자를 위한 더 실용적인 플랫폼으로 만들 수 있습니다.

200mm 실리콘이 개념을 더 흥미롭게 만듭니다

실리콘은 네이티브 GaN이 아직 경제적으로 제공하지 못하는 한 가지 주요 이점을 제공합니다:

대형 반도체 인프라.

200mm 실리콘 팹에는 이미 다음과 같은 성숙한 장비가 있습니다:

리소그래피;

이온 주입;

• 금속화;

• 검사;

• 웨이퍼 핸들링;

• 자동 공정 제어.

• 2026년에 발표된 연구는 200mm 실리콘 기판에 GaN 에피택셜을 사용하여 제조된 준수직 GaN p-n 다이오드에서 애벌랜치 동작을 입증했습니다. 이 소자들은 별도의 에지 종단 없이 약 805V에 도달했으며, 이는 GaN-on-Si 연구가 전통적인 수평 트랜지스터 구조를 넘어서기 시작했음을 보여줍니다.

• 이는 수직 GaN-on-Si가 기존 GaN 또는 SiC 플랫폼을 대체할 준비가 되었다는 것을 의미하지는 않습니다.

하지만 이는 연구원들이 왜 수직 GaN 소자 물리학과 대형 실리콘 웨이퍼 경제성을 결합하는 방법을 계속 조사하는지를 보여줍니다.

수직 GaN도 시스템 레벨 테스트로 이동하고 있습니다

2026년의 또 다른 중요한 변화는 수직 GaN이 개별 테스트 장치를 넘어서고 있다는 것입니다.

연구원들은 수직 GaN 트렌치 MOSFET을 사용한 10.4kW 3상 인버터를 시연했습니다.

이 연구는 또한 문턱 전압 이동 및 온 저항 증가와 관련된 신뢰성 문제를 식별하여 MOS 인터페이스 및 p-바디 설계를 개선하는 것의 중요성을 강조했습니다.

이것은 기술 개발의 중요한 단계입니다.

실험실 항복 전압만으로는 전력 반도체가 실제 시스템에 준비되었음을 증명하지 못합니다.

실제 인버터는 다음을 포함한 장치에 노출됩니다:

스위칭 스트레스;

온도 주기;

• 고전류;

• 게이트 스트레스;

• 과도 전압;

• 병렬 장치 불균형.

• 시스템 레벨 시연은 간단한 웨이퍼 레벨 측정에서는 나타나지 않을 수 있는 신뢰성 문제를 드러냅니다.

• GaN 웨이퍼가 여전히 중요한 이유

수직 GaN이 네이티브 GaN 또는 실리콘에서 제조되든, 웨이퍼 품질은 여전히 기본입니다.

중요한 매개변수는 다음과 같습니다:

스레딩 디슬로케이션 밀도;

웨이퍼 휨 및 왜곡;

• 에피택셜 두께 균일성;

• 드리프트 층 도핑 균일성;

• 표면 거칠기;

• 균열 밀도;

• 후면 접촉 호환성.

• 고전압 수직 소자의 경우 두꺼운 GaN 드리프트 층이 특히 중요해집니다.

• 두께 또는 도핑의 작은 변화는 웨이퍼 전체의 항복 전압 및 온 저항 변화로 이어질 수 있습니다.

이는 수직 GaN 제조가 우수한 트랜지스터 구조뿐만 아니라 매우 일관된 에피택셜 재료도 필요로 함을 의미합니다.

네이티브 GaN은 여전히 이점을 가질 것입니다

GaN-on-silicon 연구는 네이티브 GaN 기판이 더 이상 필요하지 않다는 증거로 해석되어서는 안 됩니다.

네이티브 GaN은 매우 낮은 결함 밀도와 우수한 결정 호환성을 제공할 수 있기 때문에 최고 성능의 수직 장치에 여전히 매력적입니다.

2026년 수직 GaN 기술 검토는 네이티브 GaN을 고전압 작동을 위한 중요한 플랫폼으로 계속 식별하는 동시에 기판 비용을 광범위한 상용화를 위한 주요 장애물로 강조합니다.

따라서 시장은 두 가지 경로로 발전할 수 있습니다.

네이티브 GaN은 재료 품질이 더 높은 기판 비용을 정당화하는 까다로운 애플리케이션에 사용될 수 있습니다.

GaN-on-Si는 제조 규모와 비용이 더 중요한 고용량 애플리케이션을 대상으로 할 수 있습니다.

다음 질문은 제조 수율입니다

수직 GaN은 이미 인상적인 실험실 성능을 보여주었습니다.

다음 과제는 단순히 또 다른 항복 전압 기록을 달성하는 것이 아닙니다.

업계는 수직 소자를 다음을 통해 제조할 수 있는지 결정해야 합니다:

안정적인 웨이퍼 간 에피택셜;

허용 가능한 결함 밀도;

• 재현 가능한 MOS 인터페이스;

• 높은 장치 수율;

• 장기 신뢰성;

• 경쟁력 있는 비용.

• 저저항 GaN-on-Si 버퍼 기술이 계속 개선된다면, 실리콘은 결국 고급 GaN 장치 물리학과 고용량 웨이퍼 제조 사이의 다리 역할을 할 수 있습니다.

• 이는 수직 GaN-on-Si를 2026년 이후 주목해야 할 가장 흥미로운 GaN 웨이퍼 개발 중 하나로 만듭니다.