전기전자/정보통신

닛케이 일렉트로닉스_2603호 (p15)

다이아몬드 반도체의 실용화 근접, 사가대학이 최대 120GHz 구동 성공
다이아몬드 세미컨덕터, 샘플 제품의 제조·판매 개시

사가대학과 우주항공연구개발기구(JAXA) 등 연구팀은 2025년 12월 8일, 차세대 반도체 소재인 다이아몬드를 활용한 고주파 반도체 디바이스를 제작했으며, 최대 120 GHz에서 증폭 구동을 확인했다고 발표했다.

다이아몬드 반도체 디바이스가 가진 특성은 6세대 이동통신 시스템(6G) 기지국이나 위성 통신 등 고주파·고출력 용도에 적합하다. 2026년 1월부터, 사가대학발 스타트업 기업인 다이아몬드 세미컨덕터(사가시)가 샘플 제품의 제조·판매를 시작한다. 이 반도체 디바이스의 출하는 전 세계 최초라고 한다.

연구 그룹을 이끄는 사가대학의 가스 교수(사가대학 이공학부 다이아몬드반도체연구센터 센터장)에 따르면, “120GHz까지의 고주파 동작은 세계 최고 수준이다. 마이크로파 대역(3~30 GHz)부터 밀리미터파 대역(30~300 GHz) 통신까지 적용할 수 있다”고 밝혔다.

이들 주파수 대역에서는 현재도 일부에서 진공관이 사용되고 있다. 다이아몬드 반도체로 대체될 경우, 통신 장비의 신뢰성과 수명을 향상시킬 수 있다는 기대가 있다.

-- 전자선 묘화 공정으로 게이트 구조 제작 --
연구 그룹은 우선 다이아몬드 트랜지스터의 게이트 산화막을 개선했다. 원료인 트리메틸알루미늄을 고순도화한 결과, 산화막의 내전압이 향상되어 전원을 껐을 때의 내전압을 “세계 최고”(가스 교수) 수준인 4,266V까지 끌어올릴 수 있었다.

또한 ‘T형’이라고 부르는 미세 게이트 전극을 제작함으로써 트랜지스터의 구동 주파수를 높였다. 게이트 전극은 미세화할수록 구동 주파수를 높일 수 있지만, 저항이 증가한다는 과제가 있다. 이 때문에 전극의 상부는 크게, 하부는 미세하게 만든 T형 형태가 필요하지만, 미세 가공의 난이도는 높아진다.

이번에 연구팀은 전자선 묘화 기술을 활용해 157nm라는 초미세 게이트 크기의 전극을 제작하는 데 성공했다. 이렇게 개발한 디바이스의 전력 이득을 측정한 결과, 이득이 0dB(데시벨)이 되는 차단 주파수가 120GHz라는 높은 수치를 얻었다. 가스 교수는 “마이크로파 대역을 넘어 밀리미터파 대역에서도 증폭이 가능함을 확인했다”라고 설명했다.

다이아몬드는 견고한 재료이기 때문에 실리콘(Si) 등 기존 반도체 재료에 비해 가공 난이도가 훨씬 높다. 연구팀은 앞으로 본딩 및 패키징과 같은 후공정 기술을 개발하는 한편, 우주 환경 및 지상에서의 구동 실증을 위한 연구를 진행할 계획이다.

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닛케이 일렉트로닉스_2603호 목차

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