차세대 GaN 반도체로 여는 6G 혁명

반도체는 전자 및 사물인터넷(IoT) 장치와 통신 장비의 기반입니다.

반도체는 전류 흐름을 제어하는 물질입니다. 전도체와 절연체 사이의 전도성을 가지고 있어 다이오드, 트랜지스터, 집적 회로와 같은 장치의 핵심 부품이 됩니다. 

반도체에 대한 수요는 급격히 증가하고 있습니다. 스마트폰, 컴퓨터, 가전제품, 의료 장비, 게임 하드웨어 등에 사용됩니다. 또한 인공지능(AI) 기술의 성장으로 칩 개발이 가속화되고 반도체 생산이 확대되고 있습니다.

5G 배포가 꾸준히 진행되는 것도 반도체 칩에 대한 건전한 수요 흐름을 견인하는 요인입니다.

2019년부터 전 세계 이동통신 사업자들이 도입한 “5세대” 이동통신 기술은 더 높은 다운로드 속도와 낮은 지연 시간을 제공해 거의 실시간에 가까운 통신을 가능하게 합니다. 

5G의 초저지연성과 높은 신뢰성은 첨단 기술 발전에 매우 중요합니다. 5G 네트워크 역시 이러한 이점을 제공하기 위해 반도체에 의존합니다.

반도체 부품은 데이터를 전달하는 신호를 처리하는 데 필요합니다. 기지국부터 스마트폰, IoT 장치까지, 빠른 신호 처리, 광대역 무선 주파수(RF) 전송, 안전한 연결을 가능하게 하는 칩이 바로 반도체입니다.

5G가 아직 배포 단계에 머물러 있는 동안, 업계 관계자들은 이미 6세대(6G) 개발에 대해 논의하기 시작했습니다. 그러나 이를 위해서는 극히 낮은 지연 시간, 초고 데이터 전송률, 높은 에너지 효율, 테라헤르츠(THz) 주파수 지원, 그리고 대규모 연결성을 처리할 수 있는 반도체 기술의 획기적인 발전이 필요합니다.

기업과 연구자들이 반도체 성능 향상에 매진하는 가운데, 최근 기술 혁신이 통신 방식을 근본적으로 바꿀 거대한 잠재력을 보여주고 있습니다.

6G 모바일 네트워크를 초고속으로 가속화해 현재 세대(5G)보다 빠른 속도, 더 효율적인 통신, 훨씬 넓은 커버리지를 제공함으로써, 이 최신 발전은 과학 소설을 현실로 만들 미래를 약속합니다.

대륙을 넘어 사는 사랑하는 사람의 손길을 느끼거나 집을 나서지 않고 즉시 의료 진단을 받는 등 미래적인 개념은 모두 기존 네트워크가 제공할 수 있는 속도보다 훨씬 빠른 데이터 전송 능력에 달려 있습니다.

브리스톨 대학교 물리학자들이 이를 가속화할 새로운 방법을 발견했습니다.

“다음 10년 안에, 이전에는 거의 상상할 수 없었던 기술들이 널리 보급되어 인간 경험의 다양한 영역을 변화시킬 수 있을 것입니다.”

– 공동 책임 저자 Martin Kuball, 브리스톨 대학교 물리학 교수.

가능한 이점에 대해 “광범위하다”고 언급한 Kuball는 원격 진단 및 수술을 통한 의료 혁신, 가상 교실, 가상 휴가 관광, 효율성을 높이는 산업 자동화, 도로 안전을 향상시키는 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS) 등을 꼽았습니다.

“가능한 6G 응용 분야의 목록은 끝이 없으며, 한계는 인간의 상상력에 달려 있습니다. 따라서 우리의 혁신적인 반도체 발견은 매우 흥미롭고 이러한 개발을 빠르고 대규모로 추진하는 데 도움이 될 것입니다.”

– Kuball 

이 6G 전환에 필요한 것은 반도체 기술, 시스템, 회로 및 관련 알고리즘의 급진적인 업그레이드입니다. 

GaN 기반 트랜지스터의 부상

빠르게 발전하는 반도체 분야에서 갈륨 나이트라이드(GaN)가 주요 반도체 부품으로 활용되고 있습니다. 

이 화합물 반도체는 매우 단단하고 기계적으로 안정적이며 넓은 밴드갭을 가지고 있어 고전력·고주파 응용에 적합합니다. 실리콘에 이어 GaN은 가장 중요한 반도체 중 하나이며, 소비자 전자 제품 전반에 걸쳐 채택이 확대되고 있습니다. 

GaN은 실리콘보다 넓은 밴드갭을 가지고 있는 것으로 알려져 있습니다. 그 결과 GaN 디바이스는 더 높은 전력 밀도를 처리할 수 있어 설계가 작고 가벼워지며 효율성과 신뢰성이 향상됩니다.

현재 5세대 통신 시스템에서 이러한 디바이스는 점점 새로운 표준이 되고 있습니다. 이제 연구자들은 6G 모바일 및 무선 인프라 응용을 위해 GaN을 탐구하고 있습니다. 

높은 출력 전력과 고주파 작동 능력 덕분에 GaN 기반 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)는 무선 및 군사 통신을 혁신하고 있습니다. 

이는 높은 임계 전기장, 실온 이동도, 높은 포화 속도와 같은 물질 파라미터 덕분이며, 필드 플레이트 설계 혁신으로 GaN HEMT의 성능이 더욱 향상되어 4 GHz에서 40 W mm⁻¹, 60 % 전력 추가 효율을 달성했습니다. 

하지만 이는 미래 응용을 가능하게 하기엔 충분하지 않습니다. GaN은 더 빠르고 신뢰성이 높으며 더 큰 전력을 방출해야 6세대 무선 통신을 구현할 수 있습니다.

장거리 신호 무결성을 유지하려면 출력 전력 향상이 필요하며, 이미 일부 프로젝트는 81 W mm⁻¹ 달성을 목표로 하고 있습니다.

이러한 배경에서 국제 엔지니어·과학자 팀은 특수 GaN 증폭기의 성능을 높이는 새로운 아키텍처를 개발·시험했습니다. 

GaN에서 래치 효과를 발견함으로써 매우 높은 무선 주파수 디바이스 성능을 구현했습니다. 차세대 디바이스는 병렬 채널을 사용하며, 100 nm 이하의 사이드 핀을 필요로 하는 트랜지스터 형태로 전류 흐름을 제어합니다.

최신 연구에서 팀은 SLCFET에 100 nm 이하 너비의 핀 1,000개 이상을 사용해 전류를 구동했습니다. 브리스톨 대학교 명예 연구원 겸 공동 책임 저자 Dr. Akhil Shaji는 다음과 같이 말했습니다:

“우리는 협력자와 함께 초격자 캐슬레이트 전계 효과 트랜지스터(SLCFET)라는 디바이스 기술을 파일럿했습니다.” 

GaN 기반 SLCFET는 프로젝트가 설정한 81 W mm⁻¹ 고출력 목표를 달성하는 데 활용될 잠재력이 있습니다. 최대 10개의 2차원 전자 가스(2DEG) 채널을 적층한 SLCFET는 단일 채널 GaN HEMT에 비해 전하 운반자를 10배 증가시킬 수 있습니다.

연구에 따르면 새로운 아키텍처는 낮은 케인 전압을 제공해 높은 전류 밀도와 결합된 큰 출력 전압 스윙에 최적입니다. 

SLCFET는 드레인 전압 12 V, 94 GHz에서 10 W mm⁻¹ 이상의 출력 전력과 40 % 이상의 전력 추가 효율을 보여주었으며, 최소 분산 및 전류 붕괴를 동반한 4.8 A mm⁻¹ 전류 밀도를 지원했습니다.

이 정도 전력에서는 열 방출 제어가 과제이지만 디바이스 면적을 늘리지 않아야 합니다. 전압(VDS)을 높여 전력을 향상시킬 수 있지만, 충격 이온화가 SLCFET 특성을 악화시킬 수 있습니다. 

또한 트랜지스터 래칭 현상이 있습니다. 여기서는 장치가 오프 상태 게이트 바이어스(VGS)에도 불구하고 온 상태를 유지합니다. 이는 실리콘 기반 디바이스에서 잘 알려진 현상이지만, GaN의 높은 밴드갭은 충격 이온화를 최소화합니다. 연구팀은 이전에 SLCFET의 온 상태 작동에서 충격 이온화가 발생함을 확인했습니다.

래치 효과를 통한 GaN 성능 향상

알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN) 또는 갈륨 나이트라이드(GaN) 기반 SLCFET는 차세대 레이더용 고전력 RF 증폭기 및 스위치의 기반으로 유망합니다. 

이 트랜지스터는 75 GHz에서 110 GHz까지의 W-밴드 주파수 대역에서 최고의 성능을 보여주었습니다. 그러나 그 과학적 원리는 지금까지 알려지지 않았습니다. 

Nature Electronics 저널¹에 발표된 연구에 따르면, “GaN의 래치 효과가 고주파 성능을 가능하게 한다”고 밝혔습니다.

이 효과가 확인된 뒤, 연구팀은 정확히 어디에서 발생하는지 조사했습니다. 초정밀 전기 측정과 광학 현미경을 동시에 활용해 효과를 더 깊이 연구했습니다.

1,000개 이상의 핀을 분석한 결과, 가장 넓은 핀에서 효과가 나타났습니다. 관찰을 추가 검증하기 위해 팀은 시뮬레이터를 이용해 3D 모델을 구축했습니다.

“전류‑전압 측정, 시뮬레이션, 그리고 래치 조건에서의 전기발광 방출은 핀 폭 의존적인 국부적 충격 이온화가 래치를 유발한다는 것을 나타냅니다.” 라고 연구는 언급했으며, 이러한 국부화는 제조 공정 변동성으로 인한 핀 폭 변동에 기인한다고 덧붙였습니다.

다음으로 팀은 실용적 적용을 위한 효과의 신뢰성 측면을 다루었습니다. 장치를 장기간에 걸쳐 엄격히 테스트한 결과, 래치 효과가 장치 성능이나 신뢰성에 부정적인 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다.

연구에 따르면 래치 상태는 가역적이며 비열화적이며, 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스 특성을 개선해 라디오 주파수 전력 증폭기의 선형성과 전력을 향상시킬 수 있습니다.

“우리는 각 핀 주변에 얇은 유전체 코팅 층이 존재한다는 점이 이 신뢰성을 주도하는 핵심 요소임을 발견했습니다.”

– 로열 아카데미 오브 엔지니어링 신흥 기술 분야 의장 Professor Kuball

디바이스 열영상 및 신뢰성 센터(CDTR)를 이끌고 있는 Kuball는 통신 및 레이더 기술을 위한 차세대 반도체 전자 디바이스 개발과 탄소 중립 달성을 목표로 하고 있습니다. CDTR은 또한 광대역·초광대역 밴드갭 반도체를 통해 디바이스의 열 관리, 전기 성능 및 신뢰성을 향상시키는 연구를 수행합니다. 

Kuball가 강조한 연구의 핵심 결론은 “래치 효과는 수많은 실용적 응용에 활용될 수 있으며, 앞으로 수년간 사람들의 삶을 다양한 방식으로 변화시킬 수 있다”는 것이었습니다.

앞으로 연구팀은 디바이스가 제공할 수 있는 전력 밀도 향상에 집중할 예정이며, 이를 통해 더 높은 성능을 제공하고 더 넓은 사용자층에 서비스를 확대할 계획입니다. 

또한 산업 파트너가 차세대 디바이스를 상업화하는 데 도움을 줄 것입니다.

반도체 혁신에 투자하기

GaN 기술에 투자한다면, MACOM (MTSI )은 이 분야에 직접 노출될 수 있는 미국 상장 기업 중 몇 안 되는 기업입니다. MACOM은 GaN‑on‑SiC와 GaN‑on‑Si 공정 기술을 모두 활용해 다양한 응용 분야에 걸친 차세대 시스템 아키텍처를 구현합니다. 이 회사는 DC부터 100 GHz 이상까지의 주파수를 아우르는 혁신적인 저노이즈 증폭기, GaN 파워 증폭기, 스위치를 제공합니다.

MACOM Technology Solutions Holdings Inc (MTSI )

MACOM Technology Solutions Holdings는 통신 분야를 비롯한 다양한 산업을 위한 고성능 반도체 제품 제조업체입니다. 

이 회사는 아날로그, 마이크로파, 라디오 주파수(RF), 혼합 신호, 광학 반도체 기술을 포함한 광범위한 제품 포트폴리오로 연간 6,000여 고객에게 서비스를 제공합니다. MACOM은 GaAs, GaN, InP 및 특수 실리콘을 포함한 화합물 반도체 제조, 아날로그·혼합 신호 회로 설계, 첨단 패키징, 후공정 조립·시험을 전문으로 합니다.

이 회사는 항공우주 표준 AS9100D, 자동차 표준 IATF16949, 국제 품질 표준 ISO9001, 환경 관리 표준 ISO14001 등 여러 인증을 획득했습니다.

MCOM의 시장 성과를 살펴보면, 시가총액 90억 달러에 MTSI 주가는 현재 123.41달러에 거래되고 있습니다. 올해 현재까지 MTSI는 6.37 % 하락했지만, 4월 초 저점 대비 46.7 % 상승했으며, 올해 1월 정점에서 약 15.5 % 정도 떨어진 수준입니다. 현재 EPS(TTM)는 -1.22, P/E(TTM)는 -99.66입니다.

재무 측면에서 MACOM은 2025년 4월 4일 종료된 회계연도 2분기 실적을 최근 발표했으며, 매출은 2억 3,590만 달러로 전년 동기 대비 30.2 % 증가했습니다.

영업이익은 3,490만 달러로 매출의 14.8 %를 차지했으며, 순이익은 3,170만 달러, 희석 주당 0.42달러였습니다. 이 기간 동안 총 마진은 2.7 % 상승해 55.2 %에 도달했으며, 조정 총 마진은 0.4 % 상승해 57.5 %를 기록했습니다. 

“견고한 2분기 실적”에 대해 사장 겸 CEO Stephen G. Daly는 “MACOM 전체 조직의 뛰어난 팀워크가 이 성공을 가능하게 했다”고 평가했습니다.

이 수치는 1분기 “양호한 시작”에 이어 나온 것으로, Daly는 “고객 서비스와 ‘더 강력하고, 더 넓으며, 더 경쟁력 있는 제품 포트폴리오 구축’에 계속 집중하고 있다”고 밝혔습니다.

2025년 1분기(MACOM) 매출은 2억 1,810만 달러로 전년 동기 대비 38.8 % 증가했으며, 영업이익은 1,750만 달러로 매출의 8 %를 차지했습니다. 전 분기에는 부채 소멸로 인한 일회성 손실 1억 9,310만 달러를 기록해 순손실 1억 6,750만 달러(희석 주당 2.30달러)를 기록했습니다.

2025년 3분기(7월 4일 종료) 매출은 2억 4,600만 달러에서 2억 5,400만 달러 사이로 전망되며, 조정 총 마진은 56.5 %에서 58.5 % 사이, 조정 희석 주당 순이익은 0.87달러에서 0.91달러 사이가 예상됩니다. 비GAAP 소득세율 3 %와 7,650만 주의 완전 희석 주식을 적용했습니다.

이 모든 가운데 MACOM은 투자를 통해 사업을 지속적으로 확장하고 있습니다. 올해 1월, MACOM은 매사추세츠와 노스캐롤라이나 웨이퍼 제조 시설에 5년 동안 최대 3억 4,500만 달러를 투자한다는 전략적 계획을 발표했습니다. 이번 투자는 기존 시설을 현대화하고 RF, 마이크로파, 밀리미터파 기술을 위한 첨단 제조 역량을 도입해 데이터센터, 통신, 방위 산업을 위한 제품 라인을 강화하는 것이 목표입니다. 

특히 매사추세츠 시설에는 150 mm GaN‑on‑SiC 제조 능력이 설치될 예정입니다.

“이번 계획은 MACOM의 국내 반도체 제조 역량을 강화할 것입니다.” 라고 Daly는 말했으며, 이는 회사 성장 전략을 가속화할 것이라고 덧붙였습니다.

이 이니셔티브는 CHIPS 프로그램 사무국과의 예비 협약으로 지원받고 있으며, 미국 내 시설·장비 투자에 총 390억 달러를 할당한 프로그램의 일환으로 MACOM에 1억 8,000만 달러의 자금 및 세액 공제를 제공할 예정입니다.

몇 달 전, MACOM은 ENGIN-IC라는 팹리스 반도체 회사를 인수했으며, 이 회사는 고급 GaN MMIC(단일 칩 마이크로파 집적 회로)를 설계해 목표 시장을 더 잘 서비스하고 시장 점유율을 확대하려 합니다.

ENGIN-IC의 초점은 미국 방위 산업에 서비스를 제공하는 것으로, 60개 이상의 표준 MMIC와 다수의 맞춤형 MMIC를 보유하고 있습니다.

“ENGIN-IC의 뛰어난 광대역·고효율 MMIC 및 모듈 설계 전문성은 우리 고객을 더 잘 지원하게 할 것입니다.” 라고 Daly가 당시 말했으며, ENGIN-IC 공동 설립자 겸 CTO Stephen Nelson은 “MACOM이 GaN 반도체 공정 및 제품 분야에서 업계를 선도하도록 돕는 일에 참여하게 되어 기쁩니다.” 라고 전했습니다.

결론

6G는 무선 통신을 위한 차세대 기술로, 더 빠른 속도와 보다 효율적인 통신을 약속합니다. 전 세계적인 통신, 자동화, 몰입형 가상 경험을 실현하려면 반도체의 진보가 필수적입니다. 반도체 재료인 GaN은 높은 속도, 낮은 저항, 높은 파괴 전압이라는 고유 특성으로 전자 및 통신 분야를 혁신할 잠재력을 보여줍니다.

GaN 기반 SLCFET의 최신 돌파구는 새로운 트랜지스터 아키텍처를 활용하고 래치 효과의 메커니즘을 밝혀 고주파 반도체 성능의 한계를 크게 확장합니다.

이 혁신은 확장 가능한 성능과 견고한 신뢰성을 제공함으로써 6G 실현 경로를 그 어느 때보다 명확하게 만듭니다.

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참고 연구:

1. Kumar, A. S., Dalcanale, S., Uren, M. J., & others. (2025). Gallium nitride multichannel devices with latch-induced sub-60-mV-per-decade subthreshold slopes for radiofrequency applications. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01391-5