궁극의 반도체 길 열렸다...한국공학대, '다이아몬드 웨이퍼' 최초 구현

남옥현 교수팀, 쌍정 결함 없는 (111)면 단결정 다이아몬드 성장
차세대 전력반도체와 우주, 양자 분야 응용 가능성 제시
국제학술지 표지논문 등재...주요국 특허 출원 완료

남옥현 한국공학대 반도체공학부 교수(왼쪽 2번째)가 연구팀과 기념촬영하고 있다./사진제공=한국공학대

한국공학대학교는 최근 남옥현 반도체공학부 교수 연구팀이 차세대 반도체 소재로 주목받는 다이아몬드 웨이퍼 분야에서 세계적인 성과를 냈다고 5일 밝혔다.

남 교수팀은 세계 최초로 쌍정 결함이 없는(twin-free) (111)면 단결정 다이아몬드를 r-면 사파이어 기판 위에 성장시키는 데 성공했다. 다이아몬드는 실리콘(Si), 실리콘카바이드(SiC), 갈륨나이트라이드(GaN)보다 월등히 넓은 밴드갭과 높은 열전도율, 전계 파괴 강도를 지녀 '궁극의 반도체'로 불린다. 방사선 내성이 뛰어나 우주·국방 등 극한환경에서도 안정적인 성능을 발휘할 수 있다.

그러나 단결정 다이아몬드 웨이퍼의 대면적 성장은 기술적 한계로 난제로 남아 있었다. 특히 (111)면 다이아몬드는 (100)면보다 반도체 특성이 우수하지만 성장 과정에서 쌍정 결함이 쉽게 발생하는 문제가 있었다.

한국공학대 연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 낮은 대칭성을 지닌 r-면 사파이어 기판을 사용했다. 다이아몬드가 단일 도메인으로 성장하도록 유도해 쌍정 결함이 없는 (111)면 단결정을 구현했다.

연구팀은 "이번 성과는 전력소자뿐만 아니라 양자 센싱·통신·컴퓨팅 등 다양한 분야에서도 파급효과가 클 것으로 기대된다"며 "(111)면 기판은 질소-공공(NV) 센터의 정렬이 유리해 광자 추출 효율과 신호대잡음비가 높아진다. 웨이퍼 스케일 양자 소자 제작 시 소자 간 균일도와 수율도 개선할 수 있을 것"이라고 설명했다.

아울러 (100)면 단결정 다이아몬드를 직경 2인치 규모로 성장시키는 데 성공하며 (111)과 (100)면 모두에서 의미 있는 진전을 이뤘다.

남 교수는 "미래 전력반도체와 우주·국방, 양자기술 시장을 선점할 수 있도록 대면적화와 고품질화를 병행하겠다"고 말했다.

한편 이번 연구는 산업부 '알키미스트 프로젝트'와 과기정통부 '나노소재기술개발사업'의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 'Diamond and Related Materials' 온라인판에 표지논문으로 게재됐다. 또 미국, 일본, 유럽, 중국 등 주요국에 특허를 출원했다.

남옥현 반도체공학부 교수팀의 연구자료 이미지./사진제공=한국공학대

권태혁 기자 taehkd@mt.co.kr