전력반도체 끝판왕 ‘다이아몬드’, 韓도 도전한다

실리콘·탄화규소보다 물성 뛰어나
전기차·직류송전망 등 응용 기대
전기연, 원천기술 ‘수직형 소자’ 개발
日 오브레이는 대면적 웨이퍼 목표

일본 오브레이가 만든 다이아몬드 웨이퍼. 사진 제공=오브레이

다이아몬드가 실리콘보다 뛰어난 물성(물질 특성) 덕에 차세대 전력반도체와 양자컴퓨터용 반도체 재료로 주목받고 있다. 소부장(소재·부품·장비) 강국 일본이 다이아몬드 반도체 연구에서도 앞서가는 가운데 최근 국내에서도 추격을 위한 관련 연구가 본격적으로 시작됐다.

17일 업계에 따르면 한국전기연구원은 올해 정부 연구개발(R&D) 신규 과제로 다이아몬드 전력반도체 원천기술인 버티컬(수직형) 소자 개발에 착수했다. 내년까지 수직형 소자를 개발해 이후 본격적인 다이아몬드 전력반도체 개발을 추진하는 게 연구진의 목표다.

다이아몬드는 실리콘은 물론 최근 주목받는 탄화규소(SiC)보다도 내구성과 전기·열 특성 등 물성이 뛰어난 덕에 학계에서는 전자 기기의 전력 제어를 효율화하는 전력반도체 신소재로 주목해왔다. 우주방사선의 영향으로 기존 반도체가 무력화하는 인공위성·우주선용 반도체는 물론 민감한 제어가 필요한 양자컴퓨터용 반도체로도 각광받는다.

문정현 전기연 박사는 “1200V(볼트)의 고전압을 다뤄야 하는 전기차용에 이어 6500V에 달하는 초고압직류송전(HVDC)용까지 점점 더 높은 전력반도체 성능이 필요해지고 있다”며 “이에 기존 실리콘 대신 SiC를 적용하는 연구가 활발한 상황이며 그 다음 세대로 다이아몬드도 연구되고 있다”고 말했다.

다이아몬드 전력반도체 기술 중에서도 수직형 소자는 가장 먼저 확보해야 할 원천기술로 꼽힌다. 전력반도체는 반도체 집적회로(IC·칩) 안에서 전류를 적절히 흘려주는 역할을 한다. 수평형 소자는 말그대로 전류를 웨이퍼(기판)의 수평 방향으로 흘려 면적을 비교적 많이 차지한다. 반면 수직형 소자는 전류를 수직 방향, 즉 위아래로 흘려 좁은 면적에 집적할 수 있다. 실리콘과 SiC 모두 수직형 소자로 개발된 만큼 다이아몬드도 이 기술부터 필요하다. 다이아몬드 수직형 소자 개발이 정부 R&D 과제로 추진되는 것은 이번이 처음인 것으로 알려졌다.

전기연은 수직형 소자를 시작으로 향후 본격적인 다이아몬드 전력반도체 칩 개발도 추진할 계획이다. 또다른 핵심기술인 웨이퍼 제작 기술을 가진 일본 기업 오브레이와도 협력 중이다. 오브레이는 다이아몬드 웨이퍼를 제작하고 전기연은 이 위에 소자를 만들어 성능을 검증하는 식의 협력이 이뤄질 예정이다. 다이아몬드는 비싸고 희소하기 때문에 현재 실리콘처럼 웨이퍼를 대량 생산하기는 어려운데 대신 오브레이는 화학적 기법으로 다이아몬드 결정을 성장시켜 웨이퍼를 만드는 기술을 가졌다. 회사는 2인치 웨이퍼 제작에 이어 4인치로의 확장을 추진 중이다.

남옥현 한국공학대 반도체공학부 교수 연구팀도 지난해 말 다이아몬드를 사파이어 웨이퍼 위에 성장시키는 독자 기술을 선뵀다. 오브레이 기술로도 4인치 미만 크기에 그치는 듯 다이아몬드 웨이퍼를 대면적으로 만드는 일은 여전히 고난도 과제로 꼽힌다. 연구팀은 대신 사파이어 위에서 다이아몬드를 고르게 성장시키는 방법을 고안해냈다.

전력반도체는 인공지능(AI) 시대 핵심 기술로서 수요가 크게 늘고 있는 만큼 다이아몬드 같은 신기술 개발 경쟁도 치열해질 것으로 보인다. 최근 AI 기업들이 연산 인프라인 데이터센터를 앞다퉈 구축하고 있지만 막대한 전력 수급 문제가 발목을 잡고 있다. 전력반도체는 연산에 드는 전력 효율을 높여 이 같은 문제를 개선할 수 있다.

김윤수 기자 sookim@sedaily.com