일본산업뉴스요약

산화갈륨 트랜지스터, 소비전력이 실리콘의 1,000분의 1
다무라제작소∙Novell사 2022년에 제품화

차세대 파워반도체로써 탄화규소(SiC)와 질소갈륨(GaN)을 사용한 반도체 소자의 실용화가 추진되고 있지만, 노벨 크리스털(Novell Crystal Technology)과 다무라제작소는 저렴하고 가공이 용이할 뿐만 아니라, 고전압, 대량의 전류 및 고온에도 사용이 가능한 산화갈륨제 소자에 대한 연구 개발에 주력해왔다.

산화갈륨에 막을 입히는 것이 어려웠지만, 노벨 크리스털은 산화갈륨을 도가니 안에서 융점 이상으로 가열해 융해한 후, 종자 결정과의 접촉으로 천천히 온도를 내려 단결정을 얻는 ‘융액성장법’을 확립. 연내에 직경 2인치 웨이퍼를 양산할 계획으로 9월에 다이오드 개발에도 성공했다.

노벨 크리스털은 다이오드만으로는 응용 분야가 한정되기 때문에 트랜지스터 개발도 추진해왔다. 트랜지스터는 전압의 변화로 전기를 흐르게 하거나 멈추게 하는 반도체 소자이다. 교류전력(AC)를 직류전력(DC)로 바꾸는 다이오드와 결합해 전자회로의 전류를 직류에서 교류로 바꾸거나, 전압을 올리거나 내리는 등을 한다.

트랜지스터와 다이오드는 현재 대부분 실리콘으로 만들어지고 있지만, 전기자동차(EV)나 전차 등 고전압에 사용하기에는 성능에 한계가 있었다. 트랜지스터는 통상적인 플러스와 마이너스의 전기 특성을 가진 반도체를 섞어 만든다. 재료에 불순물을 섞어 각각의 특성을 갖도록 하는 방법이지만, 산화갈륨에 플러스 특성을 갖게 하는 불순물이 발견되지 않아 개발이 어려웠다.

이를 해결하기 위해 노벨 크리스털은 마이너스 특성의 소재만으로 트랜지스터의 기능을 실현할 수 있는 구조를 이용, 개발에 성공했다. 그 구조는 반도체 표면에 홈을 만들어 측면과 바닥면에 산화물 절연막과 금속전극을 설치한 트렌치 MOS(Trench MOS)형이다. 개발품으로 소비전력이 기존 실리콘제에 비해 최대 1,000분의 1로 절감되는 효과를 얻을 수 있었다고 한다.

시장조사기관인 후지경제에 따르면, 산화갈륨으로 만든 파워반도체 시장은 2016년에는 거의 형성되지 않았지만, 2025년에는 700억엔 규모로 성장할 전망. 기체에서 반도체 소자를 제조하는 SiC이나 GaN와는 달리, 산화갈륨은 실리콘처럼 액체로부터 만들어지기 때문에 SiC이나 GaN의 100분의 1이라는 짧은 시간에 제조할 수 있다. 제조 비용도 낮아, 가전에서 공작기계, 발전 장치 등에 광범위하게 응용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

다무라제작소는 2008년에 산화갈륨 기판을 개발하는 고하(光波)(도쿄)를 인수했다. 노벨 크리스털 테크놀로지는 정보통신연구기구(NICT), 도쿄농공(東京農工)대학을 중심으로 구성된 연구팀이 2016년에 설립. 다무라제작소가 40%를 출자하고 있다. 향후 대형 전자부품 제조사 등과 협력해 2022년에 트랜지스터 양산을 시작할 계획이다.

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