Special(Ⅱ) 차세대 단결정 성장기술 및 산업응용 동향(1)

InP 화합물 반도체 기술 동향 및 전망

주경_㈜삼양세라텍 대표이사
임학준_㈜삼양세라텍 소재연구팀 팀장

1. 서론

1947년 트랜지스터 소자의 등장 이후 실리콘 반도체는 눈부신 발전을 거듭해 현대 기술과 사회의 발전에 핵심적인 역할을 수행하고 있으며, 기술의 진보와 요구 사항의 변화에 따라 발전을 거듭해 현재 우리의 일상생활에서 빼놓을 수 없는 핵심 소재로 자리 잡고 있다.

그림 1 . 무어의 법칙 : 마이크로 칩의 트랜지스터 수는 2년마다 두 배가 된다.

  실리콘 반도체의 발전 속도는 초기에는 무어의 법칙에 따라서 매우 빠르게 진행되었다. 무어의 법칙에 따르면, 반도체 집적회로의 단위 면적당 트랜지스터의 수는 약 18~24개월마다 두 배로 증가한다고 예측되었다. 이는 초기에는 매우 정확하게 실현되었다.
  최근까지 삼성과 TSMC는 혁신적인 제조 공정과 기술 개발을 통해 실리콘 반도체의 발전을 선도하고 있고 이러한 경쟁은 무어의 법칙에 따라 반도체 기술의 발전 속도를 유지하고 개선하는 데에 크게 이바지했으나 실리콘 반도체의 발전 속도는 시간이 지남에 따라 점차 둔화하고 있는 경향을 보이고 있고 다음과 같은 기술적 한계에 봉착했다.
 - 축소한계 : 반도체 기술은 점점 소형화되고 있으나 몇몇 물리적인 제한으로 인해 실리콘 반도체를 더 작고 밀도 높은 크기로 만들기 어렵다. 원자 수준에서의 미세한 특성과 양자 터널링 현상으로 인해 축소한계에 도달하면 전기적인 특성이 예측할 수 없게 되고, 반도체의 안정성과 성능이 저하될 수 있다.
 - 발열 문제 : 반도체가 작아질수록 단위 면적당 전력 밀도가 증가하므로 발열 문제가 심각해진다. 높은 발열은 전자 기기의 성능과 수명에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 현재의 냉각 기술로는 발열을 효과적으로 제어하기 어려울 수 있으며, 실리콘 이외의 소재를 사용하는 새로운 냉각 기술이 필요할 수 있다.
 - 전력 소모 : 반도체 기술이 발전함에 따라 더 많은 전력이 필요하다. 특히 데이터 센터 및 대규모 컴퓨팅 시스템에서는 전력 소모가 매우 중요한 문제가 될 수 있다. 실리콘 반도체의 전력 효율을 높이기 위해 에너지 절약 및 효율적인 전력 관리 기술이 필요하다.
 - 물리적 한계 : 실리콘 반도체는 속도 제한, 전기적 노이즈, 한정된 대역폭 등의 물리적 한계를 가지고 있다. 이러한 한계는 높은 속도 처리, 대용량 데이터 전송, 빠른 반응성 등의 요구 사항을 충족시키기 어려울 수 있다.
  이러한 한계를 극복하기 위해 다양한 연구와 개발이 진행되고 있으며, 다른 소재를 사용하는 반도체 기술 특히 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 개발이 최근 활발하게 진행되고 있다.

2. 본론

2-1. Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체

앞서 서술한 바와 같이 기존 실리콘 반도체의 경우 반도체 칩 집적도가 높아지면서 실리콘 반도체의 물리적 한계로 인해 더는 속도 향상을 기대하기 어려워지고 전력 소비량 증가 및 누설 전류로 인한 발열 현상이 심해지는 문제점이 발생하고 있어 실리콘 반도체의 한계가 드러난다.
  GaAs 및 InP 등으로 대표되는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는, 기존 실리콘 반도체보다 높은 전자 이동도를 보이며 소비전력도 적다. 전자 이동속도가 빠를수록 전력 소비가 낮고 전력 소비가 낮을수록 발열량도 적어지는 특성으로 인해 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 기존 실리콘 반도체보다 빨라 소비전력이 기존 반도체 대비 1/8 ~ 1/10 수준으로 고성능의 차세대 반도체 핵심 소재로 주목받고 있다. 그러나 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 소재 제조 공정에서 사용되는 원료 비용이 많이 들고, 제조 및 가공 기술이 복잡하므로 비용 면에서 실리콘 반도체보다 상대적으로 비싸게 제조된다.
  실리콘 반도체의 한계와 화합물 반도체의 높은 생산비용을 해결하기 위해 MBE 또는 MOCVD 성장 메커니즘을 통해 헤테로에피택셜 기법인 실리콘 웨이퍼 위에 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 직접 성장시키는 방법 또한 많은 연구가 진행되었으나, 실리콘과 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 사이의 격자 상수 불일치(Si 기판과 GaAs 물질 간의 4% 차이, Si 기판과 InP 물질 간의 8% 차이), 물질의 열팽창계수 차이(Si: 2.6×10-6K-1, GaAs: 5.7×10-6K-1, InP: 4.56×10-6K-1) 그리고 격자의 극성 불일치(Ⅲ-Ⅴ는 극성 반도체, Si는 비극성 반도체) 등의 문제(광통신Ⅲ-Ⅴ/Si 레이저 다이오드 기술 동향 : ETRI, 2021)로 인해 호모에피택셜(같은 기판 위에 성장) 성장이 요구되고 있다.

그림 4 . InP 화합물 반도체의 응용 분야

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