[특별기고] 다이아몬드도 차세대 반도체 재료다

이즈미야 와타루 산교타임즈 대표이사 사장

미세가공 10ns 이하의 반도체 제조 공정에 벽이 가로놓인 것은 누구나 알고 있다. 특히 노광장치에 대해서는 이제까지의 연장선상에서 이뤄지지 못하고 있으며 극자외검출기(EUV) 등 다양한 차세대 장치 개발이 진행되고 있지만 아직 돌파구는 없다. 미세화의 한계를 넘어야 웨어러블 단말기, 헬스케어 단말기, 심지어 M2M(Machine to Machine, 사물통신)으로 대표되는 장거리 고주파 무선 통신의 시대도 보일 것이다.

이렇게 되면 재료 자체를 바꿔야 한다는 생각이 나오는 게 당연하다. 과거에는 갈륨계를 중심으로 한 화합물 반도체가 대체재로 알려졌지만 비용, 취급상의 편의성, 안전성 등의 관점에서 절대적이라 할 수 있는 실리콘을 대체하지는 못했다. 카본 나노 튜브나 풀러렌 등의 나노 재료를 사용하려는 움직임도 나타나고 있으며, 이는 이미 트랜지스터는 물론 IC 생산으로까지 진전됐다. 그러나 이 또한 나노 레벨의 세계이므로 양산 장치를 만드는 수준까지는 이르지 못하고 있다. 또한 제어하기 어렵다는 결점도 있다. 철로 하면 될 것이라는 견해도 있지만 실리콘을 대체할 재료를 발견하지 못하면 반도체의 미래상은 크게 흔들리고 말 것이다.

그런데 실리콘을 대신할 유력한 재료가 가까이에 있다. 부유한 여성들이 모이는 고급 클럽과 귀빈이 모이는 상류사회의 파티장 등에서 여성의 손가락에서 찬란히 빛나는 다이아몬드가 그것이다. 다이아몬드가 고주파 반도체의 차세대 재료로 상당한 기대를 모으고 있다. 필자는 유리 반지와 다이아몬드 반지를 알아볼 능력이 없어 여성들로부터 바보 취급을 당하는 경우도 종종 있지만 다이아몬드 선물을 받고 기뻐할 여성은 많을 것이다.

다이아몬드를 차세대 반도체 재료로 보고 있는 사가대학의 가카즈 마코토 교수는 이 대학의 그린일렉트로닉스가전연구소장으로 교토대학에서 전기공학을 배우고, 초격자 연구에서 공학 박사학위를 취득했다. NTT의 기초연구소에서 오랫동안 반도체 연구에 힘써 오다가 2000년경 다이아몬드가 가진 특성을 깨닫고, 차세대 반도체 재료로 실용화하는 것을 목표로 연구에 매진하고 있다.

그는 “다이아몬드의 트랜지스터를 만든 것으로 알려진 고주파 디바이스의 권위자인 독일의 콘 교수에게 직접 가르침을 받은 덕이다. 대다수 사람들은 재료 위주로 연구를 시작하는데 나는 반도체 디바이스 자체를 깊이 연구하면서 동시에 다이아몬드라는 새로운 재료의 특성 조사도 병행하고 있다. 콘 교수와의 격렬한 논쟁이 나의 연구를 비약적으로 발전시키는 계기가 됐다”고 말했다.

다이아몬드의 고주파 특성은 훌륭하다. 전자의 이동속도는 현재의 실리콘에 비해 훨씬 고속이다. 가카즈 교수의 연구실에서 세계 최고 수준의 특성을 확인하고 있다. 현재로서는 전자 빔 노광, 파운드리, 또한 규슈대학의 분석장치 등을 이용해 양산에 없어서는 안 되는 기술 확립을 일괄적으로 진행하고 있다고 한다.

가카즈 교수는 “5년 이내에 기술적 돌파구를 찾고 싶다. 그리고 10년 이내에 실용 및 양산화시키고 싶다. 우선 사용 영역은 무엇보다도 고주파의 파워 디바이스일 것이다. 포스트 SiC와 바꿔도 된다. 이미 100개사 이상과 공동연구 또는 개발에 들어갔으며 이것이 완성되면 M2M 시대에 걸맞은 디바이스가 탄생할 것이다. 외국의 반도체 업체와도 공동으로 돌파구를 찾고자 한다”고 말했다.

관건은 비용 경쟁력인데, 인공 다이아몬드는 메탄가스의 CVD(화학증착)로 만들어지기 때문에 실리콘에 비해 터무니없이 비싸진 않다. 다이아몬드 반도체 양산이 확실해진다면 우주항공, 고속철도, 의료기기 등에도 많은 혜택을 줄 것이다.