일본산업뉴스요약

Next Tech 2030
다이아몬드로 궁극의 반도체
고효율, 우주에서도 고성능

모든 반도체보다 고성능이며 에너지를 절약할 수 있는 ‘다이아몬드 반도체’ 개발이 진전되면서 실용화에 대한 길이 보이기 시작하였다. 실리콘이나 탄화규소(SiC) 등 기존의 반도체 소재와 비교해 인공 다이아몬드는 내구성이나 열전달성 등에 뛰어나다. 이 분야에서 최고 수준인 산업기술총합연구소(산총연)는 다이아몬드를 사용한 파워반도체 제조 기술이나 웨이퍼의 대형화 등에 착수한다. 2030년 무렵에는 작고 고성능이며, 우주 등에서도 사용할 수 있는 ‘궁극의 반도체’를 실현할 가능성이 있다.

재료를 가공하는 공구에도 사용되는 다이아몬드는 반도체로서 전기를 통하게 했을 때 열이 쉽게 발생하지 않는다. 전기를 낭비 없이 사용할 수 있기 때문에 전자기기 등에서 전기의 변환이나 제어 등을 담당하는 파워반도체에의 응용이 기대된다.

다이아몬드는 실리콘과 비교해 10배 이상이나 열을 전달하기 쉽고, 발생한 열을 쉽게 놓아준다. 반도체를 식히는 기기를 작게 만들 수 있다. 단단하고 열이나 전기에도 강하다. 실리콘제 파워반도체의 약 30분의 1의 두께로 동일한 전압에 견딜 수 있다. 다이아몬드의 원료인 탄소는 지구 상에 풍부하게 존재하기 때문에 제조 비용을 억제할 수 있다.

다이아몬드 반도체를 개발하는 산총연의 마키노(牧野) 연구팀장은 “다이아몬드의 특성을 이끌어내면 지금까지의 반도체 성능을 크게 웃도는 반도체를 만들 수 있다”라고 말한다.

지금까지의 파워반도체는 실리콘제가 일반적이다. 그러나 변환 효율이 낮기 때문에 일부 전기를 낭비했었다. 최근에서는 탄화규소나 질화갈륨제 파워반도체가 실용화되고 있다. 이에 대해 다이아몬드는 더 큰 전기를 다룰 수 있고, 변화효율을 높여 소형화할 수도 있다. 전기자동차나 산업기기, 송배전 설비 등 광범위한 분야에서 응용이 예상된다.

산총연은 세계에서 가장 먼저 다이아몬드를 사용한 파워반도체나 트랜지스터, 발광다이오드(LED) 등을 개발해 왔다. 반도체 제조에서 중요한 고품질 웨이퍼의 대형화도 리드한다. 19년에는 최적의 온도를 찾아내서 결함이 없는 사이즈 1㎠의 다이아몬드 결정체를 제작하였다.

다이아몬드는 원료인 탄소가스를 플라즈마로 분해, 발생한 원자나 분자를 반응시켜 키운다. 개발한 기술은 1회 합성으로 두께 2~5mm의 깨끗한 결정을 만들 수 있다. 지금까지는 1mm에 미치지 못하는 단계에서 성장을 멈췄다. 여러 번 반복하여 두껍게 만들었기 때문에 결함 발생으로 크게 만들지 못했다.

미국과 유럽에서는 파워반도체 외에 우주에서의 응용을 목표한 복수의 연구 프로젝트가 있다. 인공위성에 탑재한 실험 등이 진행되고 있다. 산총연의 마키노 씨는 국내를 포함하여 “우선은 다이아몬드로만 가능한 용도부터 실용화를 추진한다”라고 말한다.

산총연은 지금까지의 반도체 개념을 바꾸는 용도도 모색한다. 예를 들면 1만 암페어 이상의 대전류를 다룰 수 있는 반도체 소자나, 온도가 올라갈수록 발광효율이 높아지는 LED 등이다. 이들의 원리 검증을 마쳤다.

다이아몬드 반도체의 실용화를 위해서는 우선 웨이퍼의 대형화가 필수다. 대형화가 진행되면 기존의 반도체 제조 라인에서 개발할 수 있기 때문에 제조 기술의 향상을 기대할 수 있다. 산총연의 다케우치(竹内) 총괄연구주간은 “25년까지 1인치의 웨이퍼 실현을 목표하고 있다”라며 의욕적이다.

-- 양자계산기에도 응용 --
세계에서는 양자컴퓨터나 양자통신 등에서 사용되는 소자에 다이아몬드를 응용하는 연구가 활발하다. 일본에서도 18년부터 10년간의 장기 프로젝트의 일환으로서 연구가 시작되었다. 유럽과 미국에서는 일본의 10배 이상의 연구 예산이 투입되고 있다.

양자에 의한 계산이나 통신을 하기 위해서는 양자 정보를 일시적으로 보존하거나 정보를 읽어내는 소자가 필수다. 그 가운데서도 다이아몬드는 고체, 실온에서 장시간에 걸쳐 정보를 보존할 수 있는 재료로서 주목을 받는다. 지금까지는 저온으로 하지 않으면 작동을 못하거나 보존 가능한 시간도 상당히 짧다는 것이 문제였다.

다이아몬드를 구성하는 탄소 원자를 질소 원자로 치환하거나 누락시킨 부분에 양자 정보를 보존하면, 다이아몬드 안에서 상당히 안정적으로 양자 정보를 보존할 수 있다. 빛을 사용하여 정보를 읽어내거나 전파로 조작할 수 있다. 물질로서의 안정성 등 다이아몬드의 특별한 성질이 있기 때문에 실현 가능한 것이다.

다이아몬드를 사용한 소자를 만들기 위해서는 반도체 제조 기술이나 재료가 되는 기판 등을 응용한다. 산총연의 다케우치 씨는 “실제로 물건을 만들 수 있는 것은 현재는 일본뿐이다”라고 말한다. 산총연은 물질∙재료연구기구 등과의 협력을 통해 이 강점을 활용하여 세계를 리드해 나간다.

● 다이아몬드 반도체 연구의 동향

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