국내 연구진이 차세대 화합물 반도체 분야에서 세계 최고 수준의 초고주파 성능을 구현하는 데 성공했다. 반도체 소재 기업 아이브이웍스는 자사의 선택적 재성장 기술 ‘reGaN’을 적용한 질화갈륨(GaN) 기반 트랜지스터가 세계 최초로 최대 발진 주파수(fmax) 700GHz를 돌파했다.
이번 성과는 경북대학교 전자공학부 김대현 교수 연구팀이 개발한 45nm급 GaN HEMT(고전자이동도 트랜지스터)를 통해 입증됐으며, 연구 결과는 18일 반도체 분야 최고 권위 학술대회인 VLSI Symposium 2026에서 발표됐다.
연구팀은 45nm 게이트 길이의 GaN 트랜지스터를 구현해 최대 발진 주파수 742GHz를 기록했다. 이는 현재까지 보고된 GaN 트랜지스터 가운데 가장 높은 수준의 초고주파 성능이다. 또 평균 주파수(favg) 역시 497GHz를 달성해 GaN 기반 반도체 기술 중 최고 기록을 세웠다.
고품질 GaN 반도체 성장을 위해 엔지니어가 양산 장비에 들어갈 플라즈마 장비를 점검하고 있다. (사진 제공: 아이브이웍스)
초고주파 시장 향한 GaN 반도체의 반격
초고주파 영역은 그동안 인화인듐(InP) 기반 반도체가 주도해 왔다. InP는 높은 주파수 특성을 갖고 있지만 낮은 항복 전압과 출력 한계로 인해 시스템 확장성에 제약이 있다는 평가를 받은 반면 GaN 반도체는 높은 전력 밀도와 항복 전계 특성으로 주목받았지만 초고주파 영역에서는 성능 확보가 쉽지 않았다.
연구팀은 45nm급 초미세 게이트 공정을 적용해 이러한 한계를 극복했다. 특히 핵심 역할을 한 것은 아이브이웍스의 선택적 재성장 기술인 ‘reGaN’이다. reGaN은 소스·드레인 영역에 고농도 n형 GaN을 선택적으로 재성장시켜 접촉 저항을 크게 낮추는 기술이다. 이를 통해 전류 흐름 효율을 높이고 고주파 특성을 향상시킬 수 있다.
아이브이웍스는 공동 연구자로 참여해 4인치 웨이퍼 전 영역에서 우수한 저항 균일성을 확보했으며, 재성장 계면 저항(Rint)을 0.027Ω·mm 수준까지 낮췄다. 이는 해당 전자 농도 조건에서 이론적 한계에 근접한 수치로 평가된다.
김대현 경북대 교수는 “이번 연구는 GaN HEMT의 RF 성능 한계를 한 단계 끌어올린 결과”라며 “세계 최초 700GHz급 fmax 달성을 통해 GaN 반도체의 초고주파 응용 가능성을 실증했다”고 말했다. 이어 “산업계의 재성장 기술과 대학의 소자·회로 연구 역량이 결합된 대표적인 산학협력 사례”라며 “향후 6G 통신과 국방 분야 테라헤르츠 대역용 차세대 전자소자 연구를 더욱 가속화할 계획”이라고 덧붙였다.
노영균 아이브이웍스 대표는 “reGaN은 이미 대만 주요 파운드리 업체의 품질 인증을 통과해 양산에 적용된 기술”이라며 “이번 연구를 통해 자사의 Hybrid-MBE 기반 reGaN 기술이 세계 최고 수준의 초고주파 GaN 반도체 개발에도 활용될 수 있음을 입증했다”고 말했다.
이번 연구는 경북대학교를 비롯해 한국전자통신연구원(ETRI), 아이브이웍스, 큐에스아이, 텍사스공과대학교, KAIST가 공동 수행했다. 경북대 연구팀은 삼성미래육성사업과 한국연구재단 차세대 화합물반도체 사업의 지원을 받아 연구를 진행했다.
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