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파워 반도체 재료에 새로운 주역 등장
차세대 재료 '산화갈륨'

높은 전압에도 안정적인 사용이 가능한 파워 반도체의 차세대 재료로 ‘산화갈륨’에 대한 관심이 높아지고 있다. 실리콘을 능가하는 재료로 탄화규소와 질화갈륨이 유력시되어왔지만, 이를 대체할 가능성도 제기되고 있다. 현재 일본의 연구 그룹이 기판 제작 및 소자 개발에서 세계의 선두를 달리고 있다.

-- 일본 연구팀이 주도, 미국도 관심 보여 --
정보통신연구기구 그린ICT디바이스첨단개발센터의 히가시와키(東脇) 센터장은 ‘산화갈륨 반도체 소자의 아버지’라고 불린다. 그는 산화갈륨을 사용해 ‘전계 효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)를 만들어 소자로 활용하는 실험에 처음으로 성공, 2012년에 발표했다.

-- 양산이 수월 --
현시점에서 본다면 실험은 매우 기본적이다. 히가시와키 센터장은 “실험의 성과를 계기로 산화갈륨의 활용 가능성에 주목하는 연구자들이 단번에 증가했다”라고 당시를 회상했다.

산화갈륨이 좋은 특성을 갖추고 있다는 것은 이미 이론적으로 밝혀져 있었다. 특히 전차와 태양광발전, 이동통신 기지국 등 전력 제어를 통해 1,000볼트 이상의 고전압을 취급하는 분야에서 기대가 높았다. 하지만 고품질의 대형 단결정(単結晶) 기판을 만드는 기술이 없어 본격적인 연구는 불가능했다.

정보통신연구기구의 기술을 도입한 다무라제작소에서 2015년 분리∙독립한 노벨크리스탈테크놀로지(사이타마 현)이 그 장벽을 무너뜨렸다. 도쿄농공(東京農工)대학의 구마가이(熊谷) 교수팀과 협력해 직경 2인치(약 5cm)의 기판을 양산하는 기술을 확립해 2017년에 발매했다.

미국으로부터의 문의도 많다. 정부의 연구 지원이 지금까지 대상이었던 질화갈륨에서 산화갈륨으로 전환되었기 때문으로 관측된다. 일본에서도 관심을 보이는 연구자들이 늘고 있어 기판 사업이 확대될 조짐을 보이고 있다.

또 한 기업, 후지타(藤田) 교수팀이 개발한 ‘미스트 CVD’라고 하는 결정 성장 기술을 기반으로 설립된 Flosfia(교토)도 산화갈륨의 재료 연구 및 소자 개발에 도전한다. 덴소가 2018년 1월, 전기자동차에 탑재되는 반도체 개발을 목표로 프로스피아와 협력 계약을 맺어 주목을 끌고 있다.

파워 반도체 분야에서는 탄화규소 시장이 급격히 확대되기 시작, 질화갈륨 응용도 전망되고 있다. 과연 산화갈륨이 시장에 파고들 수 있을 것인가? 노벨크리스탈테크놀로지의 구라마타(倉又) 사장은 “장래성은 탄화규소와 질화갈륨 보다 높다”라고 설명한다.

그 첫 번째 이유는 낮은 비용으로 기판을 만들 수 있다는 점이다. 탄화규소와 질화갈륨은 단단해 취급하기 어렵다는 단점이 있다. 기판을 만들 때는 고품질의 단결정을 천천히 키워내야 하기 때문에 큰 기판은 가격이 비싸다. 한편, 산화갈륨은 실리콘과 같이 녹인 후 서서히 냉각시키는 제조법을 사용할 수 있어 양산이 수월하다. “탄화규소의 3분의 1 이하 가격을 상정하고 있다”(구라마타 사장).

노벨크리스탈은 직경 6인치 크기의 기판을 만드는 기술도 개발. 양산화의 길을 개척해 보다 저렴한 기판 제공을 목표로 하고 있다.

-- 섭씨 250도에서도 정상적으로 작동 --
산화갈륨은 파워 반도체로서의 성능도 높다. 높은 전압에 견디는 성능은 탄화규소와 질화갈륨보다 높다. 섭씨 250도의 고온에서도 정상적으로 움직이기 때문에 높은 전압 분야에서 이용된다면 에너지 효율을 높일 수 있다.

과제도 있다. 성능이 좋은 소자를 만들기 위해서는 반도체의 ‘P형’을 만들 필요가 있다. 산화갈륨은 전자가 많이 포함된 n형은 만들 수 있지만, 전자가 빠져나간 구멍(정공)이 많은 P형은 아직까지 만들 수 없다. 히가시와키 센터장은 “기술적으로 피하는 방법은 있다. 이것이 어느 정도 치명적인 문제인지는 앞으로 검토해나가야 할 것이다”라고 말한다.

탄화규소는 마쓰나미(松波) 교토대학 명예교수를 중심으로, 질화갈륨은 아카사키(赤崎) 메이조(名城)대학 종신교수가 핵심이 되어 실용화 연구가 활발히 추진되고 있다. 일본은 파워 반도체 연구 개발에서 세계를 선도하고 있고, 산화갈륨에서도 현재까진 가장 앞서고 있다.

경쟁력의 기반이 되는 핵심 기술을 지적 재산권으로서 확실하게 보호할 수 있도록 연구자들은 세심한 주의를 기울이고 있다. 노벨크리스탈은 판매된 기판을 모방한 기판이 시중에 유통되지 않도록 하기 위해 특허를 주요국에서 취득. 특허 내용을 읽어도 간단히 모방할 수 없도록 중요한 노하우는 공개하지 않고 있다.

구라마타 사장은 “2030년경에는 수 천억엔 규모의 시장으로 성장했으면 좋겠다”라며 산화갈륨 반도체 성장을 꿈꾸고 있다.

▶ 파워 반도체 재료의 비교표

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