 다이아몬드 전력소자의 개발 동향 정공이동, 절연파괴 전계, 열전도 등 높고 유전율 낮아
보석으로만 알았던 다이아몬드는 공학적으로 보면 주기율표에서 제14족에 속하고 게르마늄(Ge)과 실리콘(Si) 위쪽에 자리한다. 실리콘과 같은 원소 반도체이며, 화합물 반도체와 달리 본질적으로 불순물이나 결함이 적은 결정 구조가 가능하다. 또한, 절연 내압이나 열전도율 등에서 다른 반도체보다 우수해 파워 소자용 반도체 재료로서 기대를 모으고 있다. 다이아몬드는 전도를 담당하는 자유 전자의 에너지가 진공 준위보다 높아지는 음전자 친화력이나 실온에서도 안정된 자유 여기자, 긴 스핀 완화 시간 등 다른 반도체에는 없는 물성을 보인다. 다이아몬드를 더 깊게 이해하려는 움직임이 더해지면서 다이아몬드 소자 개발이 가속화되고 있다. 다이아몬드 소자 연구에서는 일본 연구진이 앞서 실적을 내고 있어 이를 중심으로 살펴보았다.
<편집부>
전력소자 소재로서의 다이아몬드 다이아몬드는 우수한 반도체 특성을 겸비해 차세대 반도체 재료로 주목받고 있다. 우선, 전기적 특성이 우수하고, 심자외선 영역에 대응하는 넓은 밴드갭(5.5 eV)과 높은 정공 이동도(＞2000 ㎠/Vs 실온), 높은 절연파괴 전계(~10 ㎹/㎝), 높은 열전도도(＞2,000 W/mK), 낮은 유전율(5.7)을 갖는다. 특히, 파워 디바이스용 재료로서는 높은 절연파괴 전계(Si의 30배, SiC나 GaN의 3배)를 보인다. 이러한 물성 때문에 드리프트층을 얇게 해 온저항을 낮출 수 있다. 게다가 기존 반도체에서는 바이폴라(bipolar)형이 아니면 허용할 수 없는 고내압 영역이라도 다이아몬드는 다수 캐리어 디바이스인 유니폴라(unipolar)형에서도 동작이 가능고 스위칭 손실을 낮출 수 있다.
[표 1]은 4H-SiC와 다이아몬드를 사용한 디바이스의 내압을 나타낸 것이다. 디바이스 내압을 확정하면 재료의 절연파괴 전계로부터 필요한 결정막 두께(이 값 이상이 필요)와 불순물의 도핑 농도(이 값 이하에서 제어가 필요)를 어림잡을 수 있다. 내압이 20 ㎸인 디바이스를 생각한다면 SiC에서는 도핑 농도 4×1014 ㎝-3를 막 두께 210 ㎛에 걸쳐 고정밀도로 제어해야 한다. 어떤 특정 성장 조건에서는 백그라운드 불순물 농도를 1013 ㎝-3(0.1 ppb)까지 억제할 수 있는데, 이것도 목표 도핑 농도의 한 자릿수 낮은 값이라는 점에서 도핑 농도를 제어하기가 얼마나 어려운지 엿볼 수 있다. 다이아몬드의 경우, 절연파괴 전계가 높기 때문에 더 높은 내압이 요구되는 디바이스라도 SiC보다 한 자릿수 높은 도핑 농도역(＞1015 ㎝-3)을 제어하면 된다. 다이아몬드는 결정 성장이 어려운 재료지만 파워 디바이스에 요구되는 불순물 제어에 관해서는 다른 와이드 밴드갭 재료보다 용이하다.
다이아몬드 기판 성장법 다이아몬드 기판의 성장 방법에는 고온고압법과 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition: CVD)법 두 종류가 있다.
고온고압법은 벌크 결정을 합성하는 방법 중 하나로, 고압에서 원료를 용매에 용해-재석출함으로써 단결정을 합성할 수 있다. 다이아몬드는 상압에서 준안정 상태인데, 수만 기압 이상인 경우(가령 50,000기압, 1,400℃ 등)에서 열역학적으로 안정된다. 다이아몬드 결정의 고순도화나 고품질화에는 성장 조건의 최적화와 함께 적절한 금속 용매의 선정이 필수다. 대부분의 공업용 다이아몬드는 고온고압법으로 생산하고 있으며, 질소나 붕소, 용매 성분 등의 불순물을 포함하지 않는 고순도 단결정 합성에는 높은 기술이 필요하다. 성장 장치의 소형화·범용화를 생각하면 상압·저압에서 하는 CVD 성장이 바람직하다. 그러나 본디 상압에서 준안정 상태인 다이아몬드를 CVD법으로 성장하기가 쉽지 않았다.
CVD법은 박막 성장 방법의 하나로, 반응 용기 내에 박막의 구성 원소를 포함하는 원료 가스를 공급하고 기판 위에서 원료 가스를 분해·화학 반응함으로써 기판 위에 박막을 퇴적한다. 구체적으로, 주로 메탄가스와 수소가스를 원료로 필라멘트 또는 마이크로파 여기 플라스마를 이용해 활성종을 생성함으로써 다결정일 경우 지름 6인치 이상의 기판 위에 다이아몬드 박막을 증착할 수 있다. 다이아몬드 디바이스에는 일반적으로 단결정 기판 위에 불순물 도핑 등을 한 고기능 박막을 에피택시얼 성장한 에피택시얼 기판을 쓰고 있다.
프랑스 파리 제13대학교의 야샤르(J. Achard)와 일본 물질·재료연구기구의 데라지 연구진의 발표, 영국 엘리먼트 식스(Element Six)사의 자립 기판 판매가 고속 성장 기술의 돌파구가 됐으며, 최근에는 마이크로파 플라스마 CVD 장치의 마이크로파원의 고출력으로 합성 속도가 비약적으로 향상됐다.
그동안은 고온고압법으로 제작한 기판 위에 CVD법으로 고기능 박막을 제작하는 것이 일반적이었다. 최근 CVD 성장 장치의 성능 향상으로 장시간 박막 성장이 가능하고, 또 질소 도핑으로 박막의 성장 속도가 비약적으로 향상함에 따라 0.5 ㎜가 넘는 후막을 비교적 손쉽게 CVD 성장할 수 있게 됐다. 그 결과 CVD 기판이 시판되는 수준에 이르렀다.
대형 웨이퍼 제작에서는 작은 조각을 타일 모양으로 만들어 박막 증착에서 일체화하는 방법을 시도했으나 기판의 결정 방위가 맞지 않아 어려움을 겪었다. 일본 산업기술종합연구소의 모쿠노 연구진은 하나의 단결정에서 복사 기판을 효율적으로 잘라낼 수 있는 ‘디렉트 웨이퍼화’ 방법을 개발하고, 2인치에 육박하는 모자이크 모양 다이아몬드 판을 개발한 바 있다. 이 기술은 실험 효율을 대폭 끌어올리면서 단결정 기판 자체의 대형화를 추진하고 있다.
한편, 대형 웨이퍼 제작을 위해 이종 대형 기판 위에 고품질 다이아몬드를 증착하는 헤테로 에피택시얼 성장 기술에 대한 연구 개발이 있었다. CVD 성장이 가능해진 무렵부터 다양한 시도가 있었으나 모두 다결정 다이아몬드의 범주였다. 이 때문에 1990년 전후로 있었던 미국의 프로젝트는 다이아몬드 반도체의 기능을 발휘하지 못한 채 일단 막을 내리고 말았다.
[표 2]는 성장 방법에 따라 얻은 다이아몬드 기판의 사이즈와 순도를 나타낸다. 형명은 보석 장식용 다이아몬드에서 자주 쓰이지만 연구 업계에서도 널리 쓰인다. 질소 농도의 많고 적음에 따라 Ⅰ형/Ⅱ형으로 분류되고, 여기서 다시 붕소 농도의 많고 적음에 따라 a/b로 세분화된다. 최근에는 러시아가 단결정 기판을 활발히 판매하고 있다. 그 밖에도 싱가포르와 중국, 미국에서 다이아몬드 기판을 판매하고 있다. 다이아몬드 기판의 전위 밀도는 평가법 등에 따라 값이 고르지 못하다. 시판 중인 Ⅰb형 기판에서는 103 ㎝-2 이상이라고 하나 연구 단계에 있는 고온고압법 기판에서는 100 ㎝-2 이하라는 보고가 있다. 또한, 에피택시얼 박막 속 전위 밀도는 본고에서도 서술하겠지만 베이스 기판의 전위 밀도에 크게 좌우되며, 전위가 낮은 기판을 사용하면 103 ㎝-2 이하의 에피택시얼 박막을 얻을 수 있다는 보고도 있다.
다이아몬드 전도도 제어
다이아몬드는 불순물 농도 제어를 통해 열 자릿수 이상에 걸쳐 전도도를 제어할 수 있는 ‘반도체’다. 정확하게는 최근 20여 년 동안 반도체로서 p형, n형과 함께 전도도 제어가 가능해진 새로운 반도체라고 볼 수 있다. 다이아몬드에 전도성이 있다는 것은 예전부터 알려진 사실이다. 1990년대 전반에는 혼입된 붕소가 억셉터(acceptor)로 작용하기 때문이라고 이해했다. 반면, n형은 자연계에 존재하지 않는다. 즉, 합성이 매우 어렵다. 그런데 1997년 일본의 무기재질연구소(현 물질·재료연구기구)의 고이즈미 연구진이 돌파구가 되는, 인(P)을 도핑한 호모 에피택시얼 n형 {111}면 성장 CVD 다이아몬드 막을 발표했다.
그러나 붕소 억셉터는 0.36 eV(360 meV), 인 도너(donor)는 0.57 eV(570 meV)로, 활성화 에너지가 Si의 경우와 견주어 엄청나게 크다. 전도도는 캐리어 수에 비례하기 때문에 다이아몬드는 실온에서 고저항이 되어 버린다. 이러한 이유로 다이아몬드는 전자 소자 재료가 되기 어려우나 새로운 반도체 재료로서 기초 연구가 계속됐다.
다이아몬드는 전자나 정공의 유효 질량이 다른 반도체에 비해 크고 유전율이 작다는 점 때문에 자유 여기자의 결합 에너지가 80 meV가 되는데, 이는 실온의 열에너지 25 meV보다 3배 이상 크다. 이 때문에 실온에서도 자유 여기자가 안정적으로 존재한다. 불순물이 아주 적은 고품질 진성형(intrinsic형: i형) 다이아몬드는 실온에서도 전자빔 여기 등에 의한 발광(Cathodoluminescence: CL)으로 밴드갭을 반영하는 다이아몬드 고유의 자유 여기자 발광(파장 235 ㎚(5.27 eV))을 보이는데, CVD 박막에서는 일본의 전자기술종합연구소(현 산업기술종합연구소)의 와타나베 연구진이 세계에서 처음으로 성공한 바 있다.
기본이 되는 pn 접합 다이오드는 n형 합성에 성공한 고이즈미 연구진이 다시금 돌파구를 열었다. 단순히 정류성을 보였을 뿐 아니라 pn 접합 다이오드가 온 상태일 때 저온에서 자유 여기자 발광을 관측해 정말로 다이아몬드의 pn 접합을 증명했다는 점이 중요하다. 다만 결함으로 생긴 발광(deep level 발광)이 자유 여기자 발광보다 강했다. 당시에는 이를 Si와 같은 간접 전이형 반도체이기 때문이라고 여겼다.
옴 전극에 대해 p형은 Ti 전극을 열처리해 쓰는데, n형은 와이드 밴드갭의 숙명으로 상당히 큰 쇼트키 장벽이 생기는 바람에 옴 전극을 형성하기가 매우 어려웠다. 이러한 이유로 전극의 접촉 저항을 낮출 목적으로 고농도 도핑 기술 개발이 추진됐다. 그 결과, 1019 후반부터 1022 ㎝-3로 붕소 농도가 아주 높은 p+형 다이아몬드의 합성이 발표됐다. 다이아몬드의 탄소 원자 밀도는 1.5×1023 ㎝-3이므로 0.03 %에서 10 % 정도까지 들어 있게 된다.
아무래도 결정성은 떨어졌지만, 다른 반도체 재료와 달리 중요한 것은 합금화하지 않고 다이아몬드 결정으로서의 전자 상태가 무너지지 않았다는 점이다. 이 때문에 고농도 도핑의 효과로 터널 현상이 기본이 되는 불순물 준위 간 호핑 전도(hopping conduction)와 불순물 밴드 전도, 금속적 전도, 금속 전도를 관측했으며, 실온의 저농도 영역 밴드 전도와 견주어 저항률이 두세 자릿수 떨어졌다. n형에서도 산업기술종합연구소의 가토 연구진이 같은 시도를 해 저항률을 네 자릿수 이상 떨어뜨렸다[그림 3].
새로운 다이아몬드 반도체
이를 바탕으로 산업기술종합연구소의 야마자키 연구진을 중심으로 다이아몬드가 가지는 반도체로서의 특징을 재차 정리, 이해하고 연구 목표를 명확히 했다. 즉, 다이아몬드 연구의 목적을 재확인하고 목적을 최대한 살리는 구조는 바로 목표로 해야 할 전자 소자의 구조라는 인식이었다.
앞서 다이아몬드는 간접 전이형이라서 빛을 내지 않는다고 설명했으나 이는 자유 여기자 발광이 실온에서는 거의 무시할 수 있는 Si에서의 상식으로, 자유 여기자가 안정적으로 존재할 수 있는 조건에서라면 다이아몬드는 자유 여기자를 이용한 파장 235 ㎚의 심자외선 발광 소자가 원리적으로 가능해진다.
LED에서 발광을 효율적으로 담당하는 활성층은 고품질 i층(진성 반도체층: intrinsic층)을 p층과 n층 사이에 끼운 p-i-n형 다이오드가 일반적이다. 이를 토대로 산업기술종합연구소의 마키노 연구진을 중심으로 p-i-n형 다이오드를 연구 개발하기 시작했다.
당초 자유 여기자 발광은 확인했지만 강도가 상당히 약했다. 그러다 산업기술종합연구소의 와타나베 연구진이 i형 CVD 다이아몬드를 이용해 전자빔 전류에 대해 자유 여기자 발광이 비선형으로 증대한다는 사실을 발견했다. 여기서 힌트를 얻어 활성층의 두께를 전자와 정공, 자유 여기자의 확산 길이까지 키워 접합 계면에서 분리하는 것이 좋겠다는 의견을 수렴해 i층의 두께를 100 ㎚ 정도에서 단번에 한 자릿수 이상(＞1 ㎛) 두껍게 했다. 두꺼운 i층과 고품질 i층 호모 에피택시얼 성장 기술, 고농도 불순물 도핑 기술 등이 결실을 맺어 결과적으로 교과서에 나오는 대로 빌트인 전압을 보이는 Ⅰ-Ⅴ 특성을 얻었다. 대전류 밀도에서 동작이 가능해지고, [그림 4]와 같이 간접 전이형이라고는 생각되지 않는 상당히 예리한 밴드단 발광(자유 여기자 발광) 스펙트럼을 얻었다([그림 3]도 참조).
이 결과는 상당히 큰 돌파구 역할을 했다. 실제로 i층에는 아직 많은 결함이 존재하고, 결함에서의 재결합으로 레이저 광 여기(Photoluminescence: PL)에 의한 측정에서는 [그림 4]의 결과에서 예측되는 것보다 짧게 수명이 10㎱ 이하인 보고도 있었다. 반면, 심자외선 LED에서는 주입 전류에 따라 발광 스펙트럼이 변하고 대전류 동작이 될 만큼 자유 여기자의 발광 강도가 증대했다.
이는 마키노 연구진이 결함의 여기 준위를 고려한 모델로 설명했다. 거칠지만 간단하게 서술해 보면 소전류 시에는 전자 또는 정공이 짧은 유한의 시간(＜10 ㎱)에 결함에서 재결합하지만, 대전류 시에는 결함에서의 재결합 시간 내에 대량의 전자·정공이 주입돼 자유 전자·정공과 함께 자유 여기자가 고농도로 쌓이는 것으로 보았다. 이를 [그림 4]와 같이 자유 여기자의 발광 강도가 주입 전류의 증가에 따라 비선형으로 증가하는 메커니즘으로 보고 있다. 흔히 소자 특성은 결함에 지배되는데 어느 정도 결함이 있어도 대전류 동작에 의해 결함에 지배되지 않는다는 것을 나타내며, 다이아몬드의 바이폴러 전자 소자가 파워 소자나 대출력 발광 소자에 유리한 물성을 가지고 있다는 것을 보여준다. 물론 결함이 적은 것이 낮은 전류에서 다이아몬드 본래의 발광을 얻을 수 있어 좋기는 하다. 이 같은 성질은 기존 반도체에서는 보이지 않는 다이아몬드 반도체만의 특징이라 할 수 있다.
수소 종단 표면에서는 탄소 원자가 수소 원자보다 전기 음성도가 크다는 점에서 다이아몬드의 특징인 음전자 친화력(Negative Electron Affinity: NEA)이 생긴다. 즉, [그림 5]에서 보듯이 전도대의 자유 전자는 표면에 에너지 장벽이 없어 외부로 새어 나간다.
필자들은 앞서 언급한 p-i-n형 심자외선 LED 연구에서 p-i-n형 다이아몬드 다이오드의 실온 대전류화의 기술적 길을 찾아냈다. 대전류 동작이 가능한 p-i-n형 다이아몬드 다이오드 표면을 NEA 상태로 해 지름이 150 ㎛ 정도인 다이오드로부터 1 ㎃ 이상의 전자 방출 전류를 얻었으며, 소자 면적으로 환산하면 4 A/㎠가 넘는 전자 방출 전류를 얻었다. 이를 발전시켜 이 다이아몬드를 이용한 NEA 전자원을 10 ㎸의 고압 회로에서 부하 저항과 함께 스위치로 동작시키는 실험을 한 결과, 온·오프의 스위칭 파형을 얻었다. 대전압, 고속의 진공 스위치에 돌파구 역할을 하지 않을까 기대하며 연구를 계속하고 있다.
깊은 결함 준위(deep level)로 인해 다이아몬드의 본래 특성을 얻지 못한 역사도 있지만, 결함 준위에 소자 기능을 찾아낸 독일의 브라흐트러프(J. Wrachtrup) 연구진의 발표는 큰 돌파구가 돼 세계 유수의 물리학자들의 경쟁을 부추겼다. 질소(N)와 빈자리(Vacancy)로 이뤄진 복합 결함에서 NV센터라 불리는 이 결함은 음(-)에 대전하면 전자스핀을 가지는데, 폭넓은 밴드갭과 낮은 유전율이라는 다이아몬드의 비호 아래 흡사 진공 속에 있는 하나의 스핀처럼 요란하게 강한 양자 비트로 행동한다. 게다가 공명 에너지를 겨냥해 레이저 광에 의한 양자 상태의 초기화와 상태 판독, 마이크로파에 의한 스핀 조작을 할 수 있어 원리적으로 양자 연산이 가능하다.
지금까지 언급하지 않은 다이아몬드의 중요한 성질은 다이아몬드가 화학적으로 안정된 결정이라는 것이다. 최근 연구에 따르면 재표면의 원자 수준에서 화학 반응을 제어할 수 있고, 특히 표면적이 큰 나노 입자나 그러한 입자들로 이뤄진 나노 결정 박막에서는 sp2 성분의 혼합과 더불어 광화학 또는 전기화학적으로 화학적 분자 수식이 가능하다는 것이 보고됐다. 이것이 돌파구가 돼 DNA나 단백질 같은 고분자 수식, 표면 전도층을 이용한 화학 센서, 전기화학 전극 등으로 응용 연구가 활발히 진행되고 있다.
BJT, JFET, 반전층형 MOSFET 끝으로, 중요한 돌파구가 된 기술들을 살펴보았다. pn 접합 다이오드 다음으로 당연히 목표로 해야 할 바이폴라 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor: BJT)는 산업기술종합연구소의 가토·오야마 연구진이 p-n-p형에서 성공했다. 접합 특성을 높이기 위해 pn 접합 계면에 i층을 활용했다. 또한, 저항이 높은 n형 다이아몬드의 게이트 저항을 낮추기 위해 인 도핑의 면 의존성을 철저히 살펴 {100}면상 고농도 인 도핑 선택 삽입 성장법을 개발했으며, 프로세스 기술의 축적 역시 성과를 거둔 요인이었다.
이어 도쿄공업대학교의 호시노·이와사키·하타노 연구진이 BJT와 마찬가지로 요소 기술을 집대성해 접합형 전계 효과 트랜지스터(Junction Field-Effect Transistor: JFET)를 움직였다. 게다가 중요한 돌파구로서 가나자와대학교의 마쓰모토 연구진이 마침내 파워 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor FET)와 IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)에 필요한 기본 구조인 반전층형 MOSFET의 동작 실증을 세계 최초로 성공했다. 이는 고품질 저농도 n형 CVD 성장 기술, 고농도 n형 선택 성장 기술, 고품질 표면 산화 기술, 프로세스 기술이 복합적으로 새롭게 만들어낸 결과이다.
<Energy News>
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