차세대반도체연구회

(요약) 현재 질화 갈륨(GaN)을 채널에 이용하는 차세대 고주파 트랜지스터의 개발이 활발하게 행해지고 있으며 GaN을 초과하는 밴드갭을 가진 질화알루미늄 갈륨(AlGaN)을 사용하여 차세대 트랜지스터를 개발하고 있다. 마쓰시타 전기산업은 내압이 1만 400V로 높은 GaN계 반도체를 사용하는 트랜지스터를 개발하였다. 이 값은 지금까지의 GaN계 트랜지스터의 최대값인 ‘1,900V의 5배 이상’에 상당한다. 수천 V의 고전압을 취급하는 전철이나 산업용 전력 기기에 탑재되는 모터 구동 회로 등에서의 이용을 가정하고 있다고 한다. 온(on) 저항도 183mΩcm2로 작고 ‘Si제 트랜지스터를 이용하여 내압 1만 V를 확보하는 경우에 비해 1/10 정도’라고 설명한다. 온 저항이 작은 점도 소비 전력 삭감으로 연결된다. (내용) 질화갈륨(GaN)을 대표로 하는 제3세대 반도체 재료는 제1세대 규소 반도체 재료와 제2세대 갈륨비소 반도체 재료의 뒤를 이어서 약 10년 동안에 신속하게 일어선 신형 광역폭 반도체 재료이고, 현재 세계 반도체 연구의 주요 관심사이며 여러 국가가 앞 다투어 점령하는 전략 첨단기술 내용이다. 미쓰비시(Mitsubishi) 전기 주식회사(이하, 미쓰비시)는 국립대학 법인 도쿄(Tokyo) 공업대학 독립 행정법인 이화학 연구소와 공동으로 슈퍼 와이드 밴드갭 반도체인 질화알루미늄 갈륨(AlGaN)을 전류가 흐르는 부분(채널)에 이용한 초고내압 트랜지스터를 처음으로 개발했다. 이것에 의해 새로운 고출력화를 가능하게 하는 차세대 고주파 트랜지스터의 실현이 개척되었다. 개발 배경으로 마이크로파를 이용한 통신은 휴대전화나 위성통신 등에 널리 이용되고 있다. 마이크로파대 통신용 고주파 디바이스로 고출력이 요구되는 용도에는 현재 갈륨비소(GaAs)를 채널에 사용한 트랜지스터가 많이 사용되고 있다. 고출력화의 요구에 대응하기 위해서는 채널의 절연 파괴 전압을 올리는 것으로 밴드갭(주1)이 큰 반도체를 사용하는 것이 가장 유효하다. 이를 위해 현재, GaAs보다 큰 밴드갭을 가지는 질화 갈륨(GaN)을 채널에 이용하는 차세대 고주파 트랜지스터의 개발이 활발하게 행해지고 있다. 그리고 출력이 큰 차세대 고주파 트랜지스터의 개발을 위해서는 GaN보다 밴드갭이 큰 반도체를 채널에 이용하는 것이 바람직하지만, 절연체에 가깝게 하기 위해서 전류를 흘리는 것 자체가 매우 곤란하게 되며 결정을 제작하는 온도가 매우 높아지기 때문에 고품질 결정의 적층 구조를 얻는 것도 곤란하게 된다. 주된 개발 성과로는 GaN을 초과하는 밴드갭을 가진 질화알루미늄 갈륨(AlGaN)을 채널에 이용한 트랜지스터 구조 설계를 실시하여 고품질인 AlGaN의 결정 성장 기술과 충분한 전류를 흘리기 위한 기술을 아울러 확립해 GaN 트랜지스터에 비해 훨씬 높은 1,600 V의 내압을 가지는 트랜지스터를 실증했다. AlGaN은 절연체에 가깝기 때문에 결정 성장 중에 의도적으로 불순물을 넣는 종래 방법에서는 트랜지스터로서 충분한 전자 밀도를 얻는 것은 곤란하였다. 따라서 알루미늄 조성이 다른 AlGaN의 사이에 발생하는 압전 효과를 응용하여 트랜지스터 구조를 설계했다고 한다. 트랜지스터 구조를 실현하기 위해서 고품질인 AlGaN을 성장시키는 기술을 개발하여 트랜지스터 동작에 필요한 전자를 채널에 형성했다. 그리고 채널 이외를 흐르는 불필요한 전류의 억제를 도모했다. 그리고 외부로부터 채널에 충분히 전류를 흘리기 위한 전기 접속이 어렵다고 하는 문제가 있었지만, 전기 접속이 필요한 부분에게만 이온을 주입하여 저항이 낮은 영역을 형성해 트랜지스터 동작에 충분한 전류를 흘리는 것에 성공했다. 향후 목표는 대규모 트랜지스터를 시범 제작하여 초고출력 고주파 디바이스를 실용화하는 것이다. (주1) 밴드갭 반도체의 성질을 결정하는 중요한 파라미터로, 클수록 절연체에 가깝게 된다. 밴드갭이 매우 큰 경우를 슈퍼 와이드 밴드갭이라고 부른다. * 출처: (주) 미츠비시전기