일본 산업기술총합연구소 에너지기술연구부문의 연구그룹은 다이아몬드 반도체를 이용하고 전력증폭 작용을 가지는 바이폴라 트랜지스터를 세계 최초로 제작했다고 밝혔다. 이번 연구에서는 저저항 다이아몬드 박막을 이용하여 디바이스 제작 공정을 개선함으로써 세계에서 처음으로 전력증폭이 가능한 바이폴라 트랜지스터를 제작하는 데 성공한 것이다. 이러한 결과는 차세대 다이아몬드 파워소자 개발을 크게 촉진시킬 것으로 기대된다. 한편 이번 성과의 자세한 내용은 2011년 9월 5일부터 독일에서 개최되는 제22회 다이아몬드 유럽학회에서 발표될 예정이다.

에너지 절감에 의해 이산화탄소의 배출량을 줄이기 위해서는 재생가능한 에너지를 적극적으로 도입하거나, 스마트그리드 등을 이용하여 전력을 자유자재로 제어할 필요가 있다. 또한 전력을 제어하기 위한 파워 디바이스를 고효율화하는 것도 에너지 절감량을 결정하는 매우 중요한 요소가 되고 있어 고성능 파워 디바이스의 개발이 전세계적으로 매우 활발하게 이루어지고 있다. 고성능 파워 디바이스를 실현하기 위한 새로운 반도체 재료로서 절연내압이나 열전도율이 뛰어난 실리콘 카바이드(SiC)와 질화갈륨(GaN)가 개발되어 현재 주로 사용되고 있는 실리콘반도체를 대체하려는 노력이 이루어지고 있다. 다이아몬드는 SiC나 GaN보다 더욱 절연내압과 열전도율이 뛰어나다는 점에서 다이아몬드를 이용한 혁신적인 초저손실 파워 디바이스의 실현이 기대되어 왔다.

일반적으로 다이아몬드는 전기저항이 크고 절연체에 가까운 반도체이지만, 보론(B)이나 인(P)을 도입함으로써 전기저항을 작게 할 수 있다. 보론이 들어간 다이아몬드는 블루다이아몬드의 형태로 자연계에도 존재하며 정공이 플러스의 전하를 수송할 수 있는 p형 반도체이다. 또한 자연계에는 존재하지 않지만 인을 혼입하면 자유롭게 이동하는 전자가 발생하여 마이너스의 전하를 수송할 수 있는 n형 반도체가 된다. 일반적으로 반도체 디바이스를 제작하기 위해서는 p형과 n형 반도체 모두가 필요하며, 다이아몬드에서도 p형과 n형 반도체를 만들 수 있지만, 다이아몬드의 유전율이 다른 반도체에 비해 매우 작기 때문에 이동이 가능한 전자와 정공의 양이 작고 흐르는 전류가 매우 작다는 문제가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 대량의 불순물을 첨가하고, 결함의 발생을 적극적으로 억제한 저저항 다이아몬드 박막을 제작하는 데 성공하였다. 불순물을 고농도로 첨가한 다이아몬드에서는 전자나 정공이 이동함으로써 전류가 흐르지만, 이러한 전자나 정공의 이동 방법은 일반적인 반도체 디바이스에서 볼 수 있는 밴드전도가 아니라, 호핑전도라고 불리는 특유의 메커니즘에 의한다. 따라서 다이아몬드 파워 디바이스를 개발하기 위해서는 호핑전도와 밴드전도를 잘 조합할 수 있는 아이디어가 필요하게 된다. 이번에 연구팀이 개발한 다이오드는, 고농도로 보론을 첨가한 p+층과 고농도로 인을 첨가한 n+층 사이에 불순물의 도입을 억제한 진성층(i층)을 위치시킨 구조를 취하고 있다. 이 다이오드에서는 10000A/cm2를 넘는 큰 전류밀도를 얻을 수 있었으며, 역방향으로 전압을 거는 경우에는 전류가 흐르지 않는 매우 양호한 반도체 특성을 나타내는 것을 확인하였다.

또한 이번에 개발한 트랜지스터는 고농도 불순물층인 p+층과 n+층, 불순물이 거의 들어있지 않은 i층과 함께 인의 농도를 조절한 n층을 사용하여 디바이스의 구조를 개선함으로써 제작한 것이다. 이 트랜지스터의 전력증폭 특성을 측정한 결과, 트랜지스터 입력에 대응하는 베이스 전류의 변화에 대해 출력이 되는 컬렉터 전류의 변화가 약 10배 정도가 되어, 전류의 증폭율이 10을 넘는 것을 확인할 수 있었다. 지금까지도 다이아몬드를 반도체로 이용한 바이폴라 트랜지스터를 제작한 예가 보고되었지만, 의미있는 전력증폭 결과는 확인된 바가 없다.

앞으로 전류의 밀도를 증가시키는 등, 소자의 성능을 더욱 향상시킬 필요가 있으나, 다이아몬드 반도체에서도 실온에서 바이폴라 동작에 의한 트랜지스터를 실현할 수 있었다는 것은 다이아몬드의 뛰어난 물성을 활용한 고성능 파워 디바이스의 실현에 매우 의미있는 결과로 평가된다. 앞으로 연구팀은 스마트그리드 등 다이아몬드 파워 디바이스를 사용할 수 있는 응용범위를 명확히 하고, 절연내압이나 전류밀도 등의 우위성을 확인함으로써 현재 산업기술총합연구소를 중심으로 산학관 공동으로 진행되고 있는 다이아몬드 파워 디바이스의 연구개발을 가속화 하고 이를 더욱 발전시켜 나갈 계획이다. 한편, 이번 연구는 과학기술진흥기구 전략적창조연구추진사업(CREST), 초저손실 파워 디바이스 실현을 위한 기반구축 프로젝트에서 [대전력밀도 전자디바이스 실현을 위한 n형 다이아몬드 반도체의 저저항화 및 오옴성 접합기술의 개발] 과제의 일환으로 수행되었다.

(그림1) 고농도 불순물을 사용한 바이폴라 다이오드 소자의 단면 모식도이다.
(그림2) 다이아몬드 바이폴라 트랜지스터 소자의 단면 모식도이다.
(그림3) 다이아몬드 바이폴라 트랜지스터의 전류-전압 특성이다.