[신기술소개] 세계 최초의 전력 증폭 작용을 가진 다이아몬드 트랜지스터

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Figure 1.

세계 최초의 전력 증폭 작용을 가진 다이아몬드 트랜지스터

일본 산업기술종합연구소 에너지연구그룹 연구원들은 다이아몬드 반도체를 이용한 전력 증폭 작용을 갖 는 바이폴라 트랜지스터를 세계 최초로 개발했다.

다이아몬드는 반도체 재료로 가장 높은 절연 내압과 열전도율이 뛰어난 특징이 있다. 고전압을 걸어도 손상이 없고 또한 대전류가 흐를 때 발생하는 주울 열을 효율적으로 방출할 수 있다. 반면, 다이아몬드는 일반적으로 전기 저항이 매우 큰 절연체에 가까운 반도체이며, 따라서 대전류를 흘릴 수 없는 특징이 다이 아몬드 파워 디바이스로 이용하는 데 있어서 큰 과제가 되고 있다. 산업기술종합연구소는 품질의 열화를 최대한 억제하면서 높은 농도의 불순물을 첨가하여 낮은 저항을 갖는 다이아몬드 박막의 제작에 성공하였 었는데, 이번에 낮은 저항의 다이아몬드 박막을 이용하여 기존 파워 장치와 원리적으로 다르며 전력 증폭 이 가능한 바이폴라 트랜지스터의 제작에 성공했다. 이것은 에너지 절약 효과가 기대되는 차세대 다이아몬 드 파워 디바이스의 개발에 길을 터놓게 되는 것이다.

그동안 이산화탄소의 배출을 억제하고, 스마트그리드 등에 의해 전력을 자유자재로 컨트롤 할 필요가 요 구되어 고성능 파워 디바이스의 개발이 진행되어 왔다. 고성능 파워 디바이스 개발을 위한 새로운 반도체 재료로서 절연 내압과 열전도율이 뛰어난 실리콘 카바이드(SiC)와 질화 갈륨(GaN)이 개발되어 현재 주류 인 실리콘 반도체와의 대체가 도모되고 있다. 하지만 다이아몬드는 SiC나 GaN보다 더 절연 내압과 열전도 율이 뛰어난 혁신적인 에너지 초저 손실 전력 소자의 창출이 기대되고 있다.

산업기술종합연구소는 차세대 초저 손실 전력 소자를 목표로, 다이아몬드 고유의 특성을 살린 새로운 구 조의 고성능 파워 디바이스의 연구 개발을 하고 있는데, 그 과정에서 다이아몬드에 불순물을 첨가해도 결 정 구조가 잘 유지되는 것에 주목했다. 고농도 불순물을 혼입하는 기술의 개발과 또한 호핑 전도라는 전기 전도 메커니즘을 적극적으로 이용하여 다이아몬드의 낮은 저항을 실현했다. 이러한 성과를 바탕으로 이번 낮은 저항 다이아몬드를 사용하여 고성능 파워 디바이스에 필요한 증폭 작용을 갖는 바이폴라 트랜지스터 개발에 최초로 성공했다.

일반적으로 다이아몬드는 전기 저항이 크고, 절연체에 가까운 반도체이지만, 붕소와 인을 혼입하여 전기 저항을 작게 할 수 있다. 붕소가 들어간 다이아몬드는 블루 다이아몬드로 자연에 존재하고 정공이 플러스 의 전하를 나를 수 있다(p형 반도체). 또한 자연에는 존재하지 않지만, 인을 혼입하면 마이너스의 전하를 운반할 수 있게 된다(n형 반도체). 일반적으로 반도

체 소자는 p형과 n형의 두 반도체가 필요하고, 다이 아몬드도 p형과 n형 반도체를 제작할 수는 있지만, 다이아몬드의 유전율이 다른 반도체 재료에 비해 작 기 때문에, 전자와 정공의 양이 적고 흐르는 전류는 무시할 만한 정도이다.

이러한 단점을 보완하기 위해 산업기술종합연구 소에서는 매우 많은 양의 불순물을 첨가하여 결점의 발생을 최대한 억제한 낮은 저항의 특성을 갖는 다 이아몬드 박막을 제작하는 데 성공했다. 불순물을 고농도로 첨가한 다이아몬드는 전자와 정공이 이동 하여 전류가 흐르는데, 그 전자와 정공의 이동 방법

KIC News, Volume 14, No. 5, 2011

KIC News, Volume 14, No. 5, 2011

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Figure 3.

은 일반 전자 장치에서 보여지는 밴드 전도라는 기구가 아니라 호핑 전도라는 특유의 기구이다.

다이아몬드 파워 디바이스 개발에는 호핑 전도와 밴드 전도를 교묘하게 결합하는 연구가 필요하게 된다.

Figure 1은 산업기술종합연구소에서 개발한 고농도 붕소를 첨가한 p+층과 고농도 인을 첨가한 n+층 사이 에 불순물의 혼입을 최대한 낮춘 진성반도체(intrinsic)(i 층)를 넣은 다이오드를 보여준다. 이 다이오드는 10,000 A/cm² 이상이라는 큰 전류 밀도를 실현할 수 있으며, 반대 방향으로 전압을 걸어도 전류가 흐르지 않는 양호한 반도체 특성이 확인되었다.

이번에 개발된 바이폴라 트랜지스터는 이전 다이오드보다 더 교묘하게 호핑 전도와 밴드 전도를 결합하 여 실현할 수 있었다. 개발한 바이폴라 트랜지스터의 모식도를 Figure 2에 나타냈다. 고농도 불순물 층인 p+층과 n+층, 불순물을 거의 포함하지 않는 i계층 이외에, 인의 농도를 컨트롤하는 n계층을 사용하여 장 치 구조를 고안하여 제작한 것이다.

Figure 2. 다이아몬드 바이폴라 트랜지스터의 실물사진(좌) 및 모식도(우).

Figure 3은 트랜지스터의 전력 증폭을 측정한 결 과를 나타낸다. 트랜지스터의 입력에 대응하는 베 이스 전류의 변화에 출력되는 수집 전류의 변화가 10배에 달하는 것을 확인할 수 있다. 지금까지도 다이아몬드 반도체를 이용한 바이폴라 트랜지스터 를 제작하는 경우는 있었지만 상당한 전력 증폭은 확인되지 않았다.

앞으로 전류 밀도를 더 증폭시키는 등의 특성을 향상시킬 필요가 있지만, 다이아몬드 반도체도 실 온에서 바이폴라 동작에 의한 트랜지스터가 실현 될 수 있었던 것은, 다이아몬드의 우수한 물성을 살린 고성능 파워 디바이스 실현의 첫걸음이라 생 각되어진다.

출처 : 일본 산업기술종합연구소, 2011. 9. 2.

작성 : 최 창 식(고등기술연구원)