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Nikkei Electronics_2023.3 (p74~77)

Emerging Tech
차세대 파워반도체 재료
압도적 잠재력, 하지만 실용의 길은 멀어

파워디바이스 재료는 일반적으로 밴드갭(Bandgap)이 넓을수록 우수한 특성을 갖는 경향이 있다. 이 때문에 탄화규소(SiC)의 밴드갭 에너지(3.3eV)를 크게 웃도는 질화알루미늄(AlN, 약 6eV), 입방정 질화붕소(c-BN, 약 6.5eV), 루틸형 이산화게르마늄(r-GeO2, 약 4.6eV)은 우수한 재료라고 할 수 있다.

하지만, 이 재료들에는 극복해야 할 과제들도 많이 남아 있으며, 다이아몬드 등 다른 울트라와이드밴드갭(UWBG) 반도체에 비해 연구가 크게 뒤처진 것도 사실이다. 실용화의 성패는 이 재료들의 압도적인 잠재력을 끌어낼 수 있느냐에 달려 있다.

■ 질화알루미늄(AlN)
트랜지스터 동작에 첫 성공

질화알루미늄은 질화갈륨(GaN)과 질화알루미늄갈륨(AlGaN)의 연장선상에 있는 질화물 반도체로, 파워디바이스 및 발광 소자로서의 연구가 진행되고 있다. 질화알루미늄 재료를 오랜 기간 연구해 온 NTT에 따르면, 지금까지 질화알루미늄이 트랜지스터로서 동작한 연구 보고 사례는 없었다고 한다.

이러한 가운데, NTT 물성과학기초연구소 다원물질창조과학연구부 박막재료연구그룹이 2022년 4월, 세계 최초로 질화알루미늄 트랜지스터의 동작을 실현했다고 발표했다.

개발 포인트는 질화알루미늄에 전자를 쉽게 주입할 수 있도록 했다는 점이다. MOCVD(유기금속기상성장법)을 통한 조성 제어로 전극과 질화알루미늄 층 사이에 조성 경사 질화알루미늄갈륨 층을 형성시킨다.

금속과 질화알루미늄을 직접 연결하면 배리어(에너지 장벽)가 높아 전자 주입이 어렵지만, 연속적으로 조성이 바뀌는 질화알루미늄갈륨 층을 설치하면 배리어가 낮아져 오믹(Ohmic)의 특성을 확보하기 쉬워진다. 알루미늄 비율이 50%에서 100%가 되도록 조성을 제어했다.

동작 검증 결과, 누설 전류가 극히 적고, 절연파괴전압도 1.7kV로 매우 크다는 것을 확인. 500℃의 고온 하에서도 동작했다고 한다.

NTT는 지금까지 절연체로서 취급되어온 질화알루미늄을 2002년에 세계 최초로 반도체화에 성공, 말하자면 질화알루미늄 연구의 선구자이다. 이번 개발은 질화알루미늄 연구의 새로운 이정표가 될 것이다.

하지만, NTT가 제작한 디바이스는 극히 초기적인 구조이기 때문에, 실제로 동작했다고는 하지만 질화알루미늄 파워디바이스의 실용화까지는 먼 상황에 있다.

“사회 구현을 목표로 하려면 NTT 단독으로 추진하는 것이 아니라, 고도의 기술을 가진 디바이스 제조사 및 다른 연구기관 등과의 제휴가 필요하다”(NTT 물성과학기초연구소의 야호(谷保) 상석 특별연구원)라고 한다. NTT는 이번 성과를 계기로 질화알루미늄 파워디바이스의 가능성을 널리 알려 연구를 활성화해나갈 방침이라고 한다.

■ 입방정 질화붕소(CBN)
최고의 파워디바이스가 될 수 있을까?

질화알루미늄을 상회하는 파워디바이스의 성질을 가지고 있는 것이 입방정  질화붕소이다. 입방정 질화붕소란 입방정(立方晶)의 결정구조를 가진 질화붕소로, 질화알루미늄과 같은 질화물 반도체이다. 또한, 입방정 질화붕소은 준안정상(Metastable state)이며, 질화붕소의 안정상은 육방정계 흑연 구조의 육방정 질화붕소(h-BN)이다.

입방정 질화붕소의 밴드갭 에너지는 전술한 바와 같이 약 6.5eV로, 질화알루미늄이나 다이아몬드를 능가한다. 밴드갭 에너지는 절연파괴전계와 정의 관계에 있기 때문에 고내압화 및 소형화의 잠재력이 매우 높은 재료이다.

또한 n형과 p형이 모두 비교적 높은 전도성을 얻을 수 있는 등, 질화알루미늄에 없는 장점도 있다. 열전도율도 다이아몬드 다음으로 높다. 파워디바이스로서의 단순한 잠재력이란 관점에서는 모든 재료 중에서 최대급이라고 할 수 있다.

그러나 연구의 성숙도에서는 질화알루미늄과 비교해도 한참 뒤떨어져 있어 실용화까지는 갈 길이 멀다. 그 가장 큰 요인은 입방정 질화붕소의 양질의 단결정 합성이 매우 어렵다는 점에 있다. NTT에 따르면, 과거의 연구 사례에서 매우 높은 압력 및 고온의 환경일 경우, 벌크 결정을 성장시키는 것은 가능하지만, 그래도 사이즈는 현재로서는 1~2mm에 머물러 있다고 한다.

또한 파워디바이스로서의 응용을 고려했을 때, 같은 질화물 반도체인 질화갈륨이나 질화알루미늄과는 결정 구조가 다른, 즉, 질화물 반도체 디바이스의 일련의 진화 과정에서는 다소 벗어난 재료라는 점도 적지 않은 단점이 된다. 이것들과의 이종접합이나 혼정화(混晶化)가 어렵기 때문이다. “같은 입방정계 다이아몬드의 성질에 가깝다”(도쿄도립 산업기술연구센터개발본부)라는 점 등, 특이점이 있다.

이처럼 응용이 어려운 입방정 질화붕소이지만, 그 잠재력은 모든 반도체 재료 중에서도 최고이기 때문에 NTT는 파워디바이스 응용을 위한 기초연구를 추진하고 있다.

구체적으로는, 2014년, NTT는 단결정 입방정 질화붕소 박막의 에피택시얼 성장에 성공했다. 질화붕소의 성장 표면을 향해 아르곤이온(Ar+)을 조사(照射)함으로써 육방정 질화붕소가 아닌 입방정 질화붕소을 형성할 수 있다는 것을 확인했다고 한다. 이후 2020년에는 실리콘 도핑을 통해 전기저항률 제어에도 성공해 입방정 질화붕소 박막에서 처음으로 n형 전도를 실현했다.

■ 루틸형 이산화게르마늄(r-GeO2)
삼박자를 고루 갖춘 균형형

질화알루미늄과 입방정 질화붕소는 질화물 반도체인데 반해, 산화물 반도체인 루틸형 이산화게르마늄은 2018년경에 신규 파워디바이스 재료로 주목받기 시작했다.

이 재료를 연구하는 리쓰메이칸대학(立命館大学) 종합과학기술연구기구의 가네코(金子) 교수는 “기판의 저렴함, 밴드갭, 그리고 p, n 양형 전도라는 삼박자가 갖춰진 첫 파워 디바이스 재료라고 할 수 있을 것이다. 지금까지의 재료에서는 이 중 하나가 빠져 있었다”라고 말한다.

실제로 갈륨 옥사이드의 경우, p, n 양형 전도가 안 되고, 다이아몬드의 경우, 기판 가격이 비싸다는 단점이 있었다. 반면, 루틸형 이산화게르마늄은 벌크 결정을 수열합성이라고 불리는 저렴한 방법으로 만들 수 있으며, 밴드갭 에너지도 베타-갈륨 옥사이드와 같은 정도로 크다.

또한 p형화와 n형화가 모두 비교적 용이하다는 것이 이론적 계산을 통해 확인되었다 즉, 실용화에서 필요한 여러 조건들을 균형 있게 충족시키고 있는 것이다.

가네코(金子) 교수는 이 재료의 박막 기술 확립을 추진하고 있다. 2021년 8월에는 가네코 교수와 교토대학 대학원 공학연구과 박사 과정 학생인 다카네(高根) 씨가 루틸형 이산화게르마늄 박막을 1 µm/h 이상 고속 성장시키는 데 성공했다고 발표했다. 수증기 환경에서 성장시키는 미스트 화학기상성장법(미스트 CVD법)을 응용했다고 한다.

진공성장장치로 성장시키는 기존의 방법으로는 산소공(VO)이 결정 내부에 발생해 원료가 무기게르마늄으로서 증발 및 탈리한다는 과제가 있었지만, 개발한 방법을 통해 탈리를 억제할 수 있었다고 한다. 또한 가네코 교수 등으로 구성된 연구 그룹은 산화주석(SnO2)이나 산화실리콘(SiO2)이라고 하는 다른 루틸형 산화물 반도체와의 혼정계의 유용성에 대해서도 검증하고 있다.

하지만 현재 루틸형 이산화게르마늄에 대한 연구가 적어 극복해야 할 과제들이 많다. “첫 번째 관문은 고품질의 루틸형 이산화게르마늄 벌크를 만드는 것. 현재는 박막 작성 시 산화티타늄(TiO2) 상에 헤테로 에피택셜(Hetero-Epitaxial) 성장을 실시하고 있지만, 이를 통해서는 깨끗한 결정을 얻을 수 없다. 루틸형 이산화게르마늄 상으로의 호모에피택시(Homo-Epitaxy)가 중요해진다” (가네코 교수).

루틸형 이산화게르마늄은 파워디바이스 재료로서의 연구가 이제 막 시작되고 있는 단계로, 이론 예측의 범위를 벗어나지 않는 부분도 적지 않다. 이에 반해, 종합력으로 승부하는 다이아몬드는 기판의 저비용화 기술개발, 벤처 기업 설립 등, 사회 구현을 목표로 하는 움직임이 최근 활발해지고 있다.

또한 밴드갭 에너지가 비슷한 베타-갈륨 옥사이드 또한 2023년 시장에 나올 예정이다. 실용화를 향한 시간 승부는 이미 시작되었다고 할 수 있다.

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