Special 차세대 단결정 성장기술 및 산업응용 동향(2)

미래 극한환경용 단결정 다이아몬드 반도체 성장기술 현황 및 전망

남옥현_한국공학대학교 나노반도체공학과 교수
유근호_한국공학대학교 연구교수
곽태명_한국공학대학교 박사 후 연구원

1. 서론

- 극한환경에서 구동이 가능한 반도체의 필요성

현대 사회는 1950년대 이후 반도체의 발명으로 인해 이전에는 생각하지 못했던 급속한 속도로 기술발전이 이루어졌다고 해도 과언이 아니며 이는 현재진행형이다. 반도체 소재의 측면에서 구분해볼 때, 1세대 반도체인 실리콘(Si)은 풍부한 원재료, 고도화된 단결정 기판기술, 우수한 결정성과 더불어 n/p형 도핑이 수월하며, 12인치 이상의 기판이 상용화되어 있어 반도체 소재로 최적의 조건을 갖추고 있어 4차 산업혁명 시대를 바라보는 현재까지 메모리 소자, 집적회로, 마이크로 프로세서, 전자소자 등 다양한 반도체 소자의 핵심재료로 활용되고 있다. 1970년대 이후에는 이른바 2세대 반도체로 알려진 갈륨비소(GaAs), 인듐인(InP) 계열의 III-V족 화합물반도체를 이용하여 고속/고주파 전자소자, 광전소자 등 다양한 소자가 본격적으로 개발 및 상용화되었다. 또한, 1994년 개발된 청색 발광다이오드의 소재인 질화갈륨(GaN) 계열과 탄화규소(SiC)는 넓은 띄간격(wide bandgap) 반도체 특성으로 광대역 파장범위를 갖는 광전소자와 고출력/초고주파 전자소자 등 다양한 응용이 가능한 3세대 반도체로 분류할 수 있다.[1]
  하지만, 1세대~3세대 반도체 소재는 물성의 한계로 원자력 발전, 재난지역, 심해, 우주 등과 같이 극한환경(초고전력, 초고속 통신, 극저온, 고압, 고충격, 고방사선)에서 안정적으로 동작할 수 있는 반도체 소자의 응용이 어려우며, 인구가 급증하고 자원이 고갈되면서 발생하는 트래픽 처리, 고출력 구동 등 가혹한 환경에서 사용이 가능한 극한환경 반도체 소재기술의 개발 필요성은 증가되고 있는 상황이다. 예시로 시중에 판매되는 반도체는 70℃, 10 Krad의 방사선량을 견디면 되지만 우주(항공) 반도체는 –55℃~125℃의 온도, 10,000 Krad의 방사선량 및 2,000G(중력가속도) 이상의 충격도 견뎌야 한다. 실제로 후쿠시마에서 파손된 원자로에서 시간당 65 Krad의 방사선 누출에도 재난용 로봇이 작동되지 않아 내방사선 반도체의 필요성을 확인할 수 있었다.[2], [3]
  현재 인공위성이나 행성 탐사용 로봇 등 우주 환경에서 사용되는 반도체소자는 기존 1세대~3세대 반도체 소재인 실리콘 반도체와 화합물 반도체 소자 기반으로 만들어지고 높은 방사선량과 높은 온도 차이 등 극한 환경을 견디기 위해 별도의 밀폐, 차폐 및 방열시스템이 필요하지만 우수한 물성을 갖는 반도체 소재를 통해 이러한 문제를 해결함으로써 소자를 경박화하고 시스템을 소형화/단순화하여 활용성을 극대화할 수 있다.

그림 1. 인류가 직면한 다양한 극한환경과 극한환경 반도체의 필요성

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