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Nikkei X-TECH_2024.1.16

보이기 시작한 다이아몬드 반도체의 실용화 가능성
2025년에 제품이 나올 수 있을까?

‘다이아몬드는 매우 뛰어난 재료적 특성을 갖추고 있지만, 반도체 소자로서는 과제가 많아 실용화까지는 아직 멀었다’. 하지만 최근 이러한 인식을 뒤집는 연구 성과들이 속속 등장하고 있다.

기업들이 파워 반도체에서 라이벌인 탄화규소(SiC)를 뛰어넘는 특성을 갖춘 다이아몬드 반도체 소자의 시작(試作)에 성공하면서, 다이아몬드 웨이퍼의 구경은 탄화규소 수준을 넘볼 수 있는 정도까지 확대되어 왔다. 이르면 2025년에 다이아몬드 파워소자 제품이 나올 수 있을 것으로 전망된다.

다이아몬드는 뛰어난 재료적 특성을 갖추고 있어 궁극의 반도체 재료로 불린다. 예를 들어, 파워 반도체로서 밴드갭이 넓고 절연파괴전계와 열전도율이 매우 높다. 파워 반도체 재료의 지표로 여겨지는 ‘발리가(Baliga) 성능 지수’는 탄화규소의 80배 이상, 질화갈륨(GaN)의 10배 이상으로 크게 주목 받고 있다. 이동통신 기지국에서 이용되는 고주파 소자나 센서 소자의 재료도 다이아몬드는 기대를 모으고 있다.

그러나 지금까지 다이아몬드는 반도체 소자로서 기대만큼의 특성이 나오지 않아 재료의 높은 잠재력을 끌어내지 못하고 있었다. 또한 소자 제조에 필요한 다이아몬드 웨이퍼의 구경이 작아 실제 사용에는 적합하지 않았다. 하지만 이러한 과제들의 해결로 이어지는 성과들이 최근 속속 등장하고 있다.

-- 탄화규소 파워 소자를 뛰어넘는 이동도 --
예를 들면, 스타트업인 파워다이아몬드시스템즈(Power Diamond Systems(PDS), 도쿄)는 와세다대학과 공동으로, 높은 캐리어(Carrier)이동도와 ‘노멀리오프(Normally-off) 동작’을 양립시킨 다이아몬드 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)를 시작해, 2023년 12월에 개최된 ‘IEDM 2023’에서 발표했다. 이동도가 높을수록 저손실 파워소자를 실현할 수 있다.

노멀리오프 동작이란 게이트에 전압을 인가하지 않으면 전류가 흐르지 않고, 어떤 값(임계치 전압)까지 인가하면 전류가 흐르는 것을 가리킨다. 전력변환기에서는 안전성 관점에서 노멀리오프 동작이 강하게 요구된다.

그러나 다이아몬드 MOSFET에는 높은 이동도와 노멀리오프 동작이 상충 관계에 있어 양립하기 어려웠다. PDS와 와세다대학의 연구팀은 이 상충 관계를 완화했다.

연구팀이 시작한 것은 전류가 수평(가로) 방향으로 흐르는 ‘가로형’ MOSFET와, 전류가 수직(세로) 방향으로 흐르는 ‘세로형’ MOSFET. 모두 노멀리오프 동작이다. 가로형에서는 150cm2/V·s 이상으로 높은 이동도를 달성했다.

세로형은 게이트부에 홈(트렌치)이 파인 트렌치형 MOSFET이다. 이동도는 약 80cm2/V·s으로 가로형에 비해 약간 낮다. 그래도 이 정도의 이동도는 탄화규소의 MOSFET 제품과 같은 수준이거나 그 이상이라고 한다. 향후, 게이트 절연막의 최적화를 통해 이동도는 100cm2/V·s를 넘을 수 있을 것으로 전망. 내압은 300V 정도이지만, 1kV까지 높일 수 있다고 한다.

이러한 우수한 특성은 주로 이산화규소(SiO₂)와 접하는 다이아몬드의 표면 부분을 바꿈으로써 실현할 수 있었다. 다이아몬드의 표면을 수소로 덮는 '수소 종단(終端)'에서 실리콘 산화물로 덮는 실리콘 산화물 종단으로 변경했다. 구체적으로는 C-Si-O 결합으로 다이아몬드 표면을 덮었다.

PDS는 와세다대학 가와하라다(川原田) 교수 연구팀의 성과를 기반으로 2022년 8월에 설립된 기업이다. 가와하라다 교수는 PDS의 공동 창립자이자 최고과학책임자(CSO)이다. 2023년 12월 시점에서 누계 5억 엔 미만의 투자를 끌어 모았다. 그는 “다이아몬드의 파워 소자를 제품화해 빠르면 2025년에 샘플 출하를 개시하고 싶다”라고 한다.

-- 다이아몬드 소자로 파워 회로 구성 --
다이아몬드 소자로 회로를 구성해 동작시켜 다이아몬드 소자의 유용성을 증명한 것은 사가(佐賀)대학의 가카즈(嘉数) 교수의 연구팀이다. DC-DC컨버터 등의 전력 변환기로의 적용을 내다보고 ‘파워 회로’를 구축했다.

가카즈 교수 연구팀에 따르면, 다이아몬드 소자를 파워 회로로 동작시켰을 경우, 소자의 열화가 빨라 장시간 동작에 적합하지 않다는 견해가 있었다고 한다. 이번 성과는 그것을 뒤집는 것이라고 평가되고 있다.

구체적으로는, 파워 회로를 190시간 연속으로 동작시켜도 다이아몬드 소자의 특성은 열화되지 않았다고 한다. 온에서 오프, 혹은 오프에서 온에 걸리는 시간은 모두 10나노초(ns) 미만으로 짧았다.

이러한 성과로 이어진 요인 중 하나는 독자적인 배선 기술에 있다. 다이아몬드 소자의 전극과 프린트 배선 기판을 금선으로 와이어본딩(Wire Bonding)했다. 기존 기술에서는 전극의 금속이 금선으로 당겨져 박리되는 과제가 있었다. 연구팀은 이것을 와이어본딩으로 해결했다.

가카즈 교수 연구팀은 다이아몬드 고주파 소자도 연구개발 중이다. 고주파 소자는 우주항공연구개발기구(JAXA)와 공동으로 연구를 시작. 우주 통신을 위한 마이크로파 전력증폭소자 개발을 향후 5년간 추진할 방침이다. 다이아몬드는 실리콘(Si)이나 탄화규소, 질화갈륨에 비해 방사선에 대한 내성이 높다. 이러한 특징 때문에 우주에서의 통신에 적합하다고 여겨지고 있다.

-- 6인치 웨이퍼도 시야에 --
다이아몬드 소자 제조에 불가결한 다이아몬드 웨이퍼의 연구개발도 추진되고 있다. 생산성을 높여 비용을 절감하려면 대구경화가 필수이다. 최근 구경 확대를 위한 성과들도 나오고 있다.

예를 들면, 오브레이(Orbray, 도쿄)는 구경 50mm(2인치)의 다이아몬드 웨이퍼의 제품화에 성공했다. 이 크기는 다이아몬드 웨이퍼로서는 크지만, 다이아몬드 소자의 코스트 절감을 위해서는 한층 더 큰 크기가 요구된다. 그래서 오브레이는 구경 100mm(4인치) 제품과 구경 150mm(6인치) 제품을 현재 개발 중이다. 4인치 제품을 2024년, 6 인치 제품을 2027년경에 샘플 출하하는 것을 목표로 하고 있다.

오브레이는 도요타자동차와 덴소가 공동 출자하는 미라이즈테크놀로지즈(아이치 현)와 협업해 다이아몬드 파워 소자 연구개발을 추진하고 있다. 미라이즈는 전기차(EV) 등의 용도로 향후 10년 이내에 다이아몬드 파워 소자를 실용화하는 것을 목표로 하고 있다.

<키워드>
다이아몬드: 다이아몬드는 파워 소자, 고주파 소자, 센서와 같은 반도체 소자의 재료로 주목 받고 있다. 예를 들면, 파워 소자에 적합한 특성을 구비하고 있다. 고내압 소자에 적합한지 여부의 지표가 되는 ‘밴드갭’이나 ‘절연파괴전계’의 값이 탄화규소나 질화갈륨보다 크고, 열전도성도 높다. 파워 반도체 재료의 지표로 여겨지는 ‘바리가 성능 지수’는 탄화규소의 80배 이상, 질화갈륨의 10배 이상이다.

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