한국공학대 남옥현 교수 연구팀, 세계 최초 이종성장 다이아몬드 Monolithic 전력반도체 개발 반도체 원천기술 해외 특허 성과

한국공학대 남옥현 교수 연구팀이 실험실에서 단결정 다이아몬드 웨이퍼 성장과정을 점검하고 있다. (왼쪽부터) 유근호 박사, 남옥현 교수, 곽태명 박사

(왼쪽) 다이아몬드 E-모드 & D-모드 트랜지스터 (MOSFET) 구조그림, (오른쪽) 다이아몬드 트랜지스터 동작특성 그래프. [D(Depletion)-모드: off-상태에서 전류가 흐르는 소자, E(Enhancement)-모드: off-상태에서 전류가 흐르지 않는 소자, VTH: 문턱전압]

한국공학대학교는 나노반도체융합센터의 남옥현 교수 연구팀이 세계 최초로 이종성장 단결정 다이아몬드 웨이퍼 위에 E-모드 및 D-모드 동작을 구현하는 monolithic 다이아몬드 트랜지스터 개발에 성공했다고 29일 밝혔다.

이번 연구성과는 지난 10월 13일부터 5일간 개최된 '아시아태평양 와이드갭 반도체 국제학술대회(APWS-2024)' 에 초청돼 구두논문으로 발표됐다.

세계 반도체 시장 주도권 경쟁에서 반도체 성능을 높일 다이아몬드 웨이퍼 연구가 활발한 가운데, 남 교수 연구팀의 세계 최초의 다이아몬드 웨이퍼 및 소자기술이 특허로 출원됨에 따라 산업계와 학계에서 많은 관심을 받고 있다.

남 교수 연구팀은 반도체 모드를 각각의 단일 소자로 구현하는 기존 기술과 달리 반도체 두 가지 모드(E-모드와 D-모드)를 웨이퍼 상에 하나의 Monolithic으로 동시 구현하는 기술을 제시하였다. 이 기술은 개별 소자의 복잡한 공정과정을 단순화하고, 소자의 효율성을 높여 이전 기술보다 전력 소모를 줄이며, 회로의 성능을 극대화한 기술로, 전력-전자기기 성능과 효율 높일 수 있어 차세대 전력-전자기기로 나아가는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

특히, 전기자동차, 신재생에너지, 그리고 우주용 반도체 분야에서 혁신적인 변화를 이끌 것으로 기대되는 다이아몬드 소재를 활용한 기술이기에 더욱 관심이 높다. 다이아몬드 소재는 높은 내방사선성, 내전압성, 그리고 뛰어난 열전도 특성을 모두 갖춘 최고의 반도체 소재로 알려졌다.

최근 미국항공우주국(NASA) 탐사선 '유로파 클리퍼'의 반도체가 목성의 우주 방사선에 취약한 것이 알려져 내방사선 다이아몬드 반도체 기술 선점이 국가 간 반도체 경쟁 이슈가 되면서 더욱 관심이 높아졌다. 다이아몬드는 결정 내부의 질소 공공 구조(NV 센터)를 활용해 양자 큐빗 및 양자자기센서로 응용될 수 있고, 다른 물질보다 상온에서 안정적으로 동작해 차세대 양자기술의 광원소재로써 활발히 연구되고 있는 상황이다.

또한 남 교수 연구팀은 다른 종류의 기판 위에 단결정 소재를 성장하는 기술인 이종성장기술을 활용하여 20×20mm²크기의 단결정 다이아몬드 웨이퍼를 국내 최로로 개발하는데 성공했다. 이로써 반도체 산업에서 대구경 다이아몬드 반도체 소자를 활용한 기판을 상용화하는데 가능성을 높여준 계기가 되었다.

남 교수 연구팀의 핵심개발자로 참여한 곽태명 박사는 이번 성과에 대해"궁극적인 반도체 소재인 다이아몬드를 상용화할 수 있는 큰 진전"이라고 강조하며,"앞으로 더 큰 크기의 다이아몬드 웨이퍼를 개발하고, 차세대 반도체 소자를 상용화하는 연구에 전력을 다할 것"이라고 밝혔다.

황수성 한국공대 총장은 "한국공학대는 정부가 출자해 설립한 대학으로서 우리나라 산업발전에 기여하기 위해 20여 년 간 반도체 연구와 교육에 투자해왔다."며, "이번 성과와 같이 반도체 산업이 글로벌 경쟁에서 우위를 점하는데 기여하도록 최선을 다해 지원하겠다"고 강조했다.

이번 연구는 한국연구재단, 한국정보통신진흥원, 산업통상자원부 등 다양한 기관의 지원을 받아 수행되었으며, 한국공대 남옥현 교수, 곽태명 박사, 유근호 박사가 참여하였다. 남 교수 연구팀은 다이아몬드 반도체 핵심기술로 다수의 국내·외 특허를 출원하고, SCI급 국제 학술지에 7편의 논문을 게재한 바 있다.

한편 한국공학대는 정부 3대 반도체 인력 양성사업 총 340억 원, 경기도 반도체 인력양성 기술협력 대학혁신플랫폼 사업 컨소시엄으로 총 60억 원 선정 등 반도체 분야 인력양성에 우수한 평가를 받고 있다.

연소연기자 dtyso@dt.co.kr