일본산업뉴스요약

도시바 ‘질화 갈륨’ 기술에 진전
차세대 파워반도체의 실용화 위한 프로세스 기술 개발

도시바는 차세대 파워반도체로서 기대를 모으고 있는 질화 갈륨 소자 ‘금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터’ (MOS field-effect transistor)의 실용화를 위한 프로세스 기술을 개발했다. ‘JFET’라고 불리는 기존의 소자에 비해 모스펫(MOSFET)은 스위칭 속도를 약 2배로 높일 수 있다. 실리콘 성능을 능가하는 고성능의 질화 갈륨 파워반도체의 실현이 가까워지고 있다.

질화 갈륨의 모스펫은 일반적으로 게이트 구동(Gate Driver)이 용이하기 때문에 고속화할 수 있다. 하지만, 문턱 전압의 변동이 커, 소자의 특성이 균일하게 나타나지 않아 실용화될 수 없었다. JFET는 게이트 구동에 전류 용량이 필요하기 때문에 고속화에 어려움이 있었다.

도시바는 이번 개발에서 질화 갈륨 모스펫의 문턱 전압의 변동이 게이트 절연막에 포함된 불순물 때문이라는 것을 밝혀내고, 절연막 내부의 불순물인 수소원자와 불소원자를 최대한 제거하는 프로세스 기술을 개발했다. 소자의 에칭(Etching) 가공 후에 암모니아로 소자 표면 상태를 평평하게 회복시킨 후, 게이트 절연막을 형성해 적절한 열 처리를 시행. 이러한 방법으로 소자를 제작해 질화 갈륨 모스펫의 전압 한계치 변동 양을 기존에 비해 20분의 1 이하로 줄이는데 성공했다. 앞으로 실용화를 위해 변동 양을 더욱 줄여 소자의 신뢰성을 향상시킬 계획이다.

질화 갈륨의 파워 반도체는 실리콘의 파워반도체 대비 10배 이상의 성능을 가지게 될 것으로 전망된다. 앞으로 정보통신용 전원 및 가전 인버터(Inverter) 등을 중심으로, 실리콘에서 질화 갈륨으로의 재료 전환이 추진되고, 질화 갈륨 파워반도체는 2020년경부터 시장이 급속히 확대될 것으로 보인다. 이를 위해서는 JFET보다 고속화가 가능한 모스펫의 실용화가 필요하다. 이번 기술은 미국 샌프란시스코에서 열리고 있는 ‘국제전자디바이스회의(IEDM)’에서 6일 발표된다.

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