산화 갈륨(Ga2O3) 단결정 기판을 이용한 전계 효과형 트랜지스터(FET) 세계 최초 실현
독립 행정법인 일본 정보통신 연구기구는 주식회사 타무라 제작소, 주식회사 코하와 공동으로 새로운 와이드 갭 반도체 재료인 산화 갈륨(Ga2O3) 단결정 기판을 이용한 전계 효과형 트랜지스터(FET)를 개발, 세계 최초로 동작 실증에 성공했다.
산화 갈륨은 와이드 갭으로 대표되는 재료 물성으로 인해, 고내압·저손실 파워 디바이스용으로 새로운 반도체 재료로서 매우 유망하다. 또한 산화 갈륨은 실리콘 카바이드(SiC), 질화 갈륨(GaN) 등 기존의 와이드 갭 반도체에서는 불가능한 융액성장법에 의한 단결정 기판의 제작이 가능해 제조에 필요한 에너지나 비용의 대폭적인 삭감이 전망된다.
이번에 개발한 트랜지스터로 대표되는 "산화 갈륨 파워 디바이스"는 현대의 에너지 절약 문제에 직접 공헌할 수 있는 새로운 반도체 디바이스 연구 개발 분야인 것은 물론, 가까운 장래의 반도체 산업을 한층 더 발전시키는 데 일익을 담당하는 분야가 될 것으로 기대된다.
이 연구 성과는 미국 물리 학회지 "Applied Physics Letters" 1월 2일호에 온라인으로 게시되었다.
[배경]
현재 세계적인 과제로서 화석 연료를 대체할 새로운 에너지의 창출과 동시에 혁신적인 전력 절감 기술의 개발이 요구되고 있다. 이러한 사회 상황에서 현재의 실리콘(Si)보다 더욱 고내압-저손실의 파워 디바이스의 실현을 기대할 수 있는 SiC, GaN 등의 와이드 갭 반도체 재료가 주목을 끌고 있는데, 일본은 물론 미국, 유럽 등 에서도 활발하게 연구 개발이 진행되고 있다.
산화 갈륨은 SiC, GaN에 비해 더 큰 밴드 갭으로 대표되는 물성으로 파워 디바이스에 응용하면, 고전압 저손실화 등 더욱 뛰어난 디바이스 특성을 기대할 수 있다. 또한, 간편한 융액 성장법에 의해 단결정 기판을 만들 수 있다는 산업적 측면에서 유리한 특징도 가지고 있다. 그러나 이러한 높은 재료적 잠재력에도 불구하고 지금까지의 연구 개발은 거의 진행된 바가 없는 상태였다.
[연구성과]
이번에 새롭게 개발한 "산화 갈륨 단결정 기판 제작, 박막 결정 성장, 디바이스 프로세스 기술"을 이용하여 전계 효과 트랜지스터의 일종(MESFET)을 제작해 그 동작 실증에 세계 최초로 성공했다. 이번 개발의 최대 포인트는 융액 성장법 중 하나인 플로팅 존 법으로 제작한 단결정 산화 갈륨 기판 상에 분자선 에피택시법에 의하여 성장시킨 고품질 n형 산화 갈륨 박막을 트랜지스터의 채널로 이용한 것이다.
디바이스 특성은 연구 개발 초기 단계이기 때문에 아주 간단한 트랜지스터 구조임에도 불구하고,
(1) 높은 오프 상태 내압 (250V 이상),
(2) 매우 작은 누설 전류(수μA/mm 정도),
(3) 높은 전류 On/Off 비율(약 10,000)을 얻을 수 있는 등 우수하다.
이러한 장치 특성은 실제 파워 디바이스 기기에 응용했을 경우, 그 스위칭 동작시의 대폭적인 손실 저감으로 연결된다.
[향후전망]
이번에 새로운 와이드 갭 반도체 재료인 "산화 갈륨"을 이용한 트랜지스터 개발에 성공함으로써 차세대 고성능 파워 디바이스 실현의 가능성이 열렸다. 앞으로 우수한 물성을 살린 산화 갈륨 디바이스에 대한 연구 개발이 세계적으로 폭넓게 진행될 것으로 예상된다. 고성능 산화 갈륨 파워 디바이스는 세계적인 과제인 에너지 절약 문제에 직접적으로 공헌하는 것과 동시에, 일본의 새로운 반도체 산업의 창출이라는 경제적 측면에서의 공헌도 함께 기대된다. 조만간 송배전, 철도 등 고전압에서 전기 하이브리드 자동차 응용 등 중내압, 나아가서는 에어컨, 냉장고와 같은 가전 기기 등에서 사용되는 저내압 분야도 포함한 매우 광범위한 영역에서 응용이 기대되고 있다.
출처: 경기과학기술진흥원
원본출처: nict.go.jp