입력 2025.11.05 10:08
- 차세대 다이아몬드 파워반도체·우주·양자 분야 활용 기대
한국공학대학교(총장 황수성) 반도체공학부 남옥현 교수 연구팀이 차세대 반도체 소재로 주목받는 다이아몬드 웨이퍼 분야에서 세계적인 성과를 거두었다.
이번 연구는 세계 최초로 ‘쌍정 결함이 없는(twin-free) (111)면 단결정1) 다이아몬드’를 r-면2) 사파이어 기판 위에 성장시키는 데 성공한 것이다.
다이아몬드는 실리콘(Si), 실리콘카바이드(SiC), 갈륨나이트라이드(GaN)보다 월등히 넓은 밴드갭3), 높은 열전도율, 뛰어난 전계 파괴 강도4) 를 지녀 ‘궁극의 반도체’로 불린다. 특히 방사선 내성이 우수해 우주·국방 등 극한환경에서도 안정적인 성능을 발휘할 수 있어, 미래 전략산업의 핵심 소재로 꼽힌다.
그러나 단결정 다이아몬드 웨이퍼를 대면적으로 성장시키는 것은 기술적으로 매우 어려워, 전 세계적으로 난제로 남아 있었다.
(111)면 다이아몬드는 기존에 주로 연구된 (100)면 보다 반도체 특성이 우수하지만, 성장 과정에서 두 도메인의 경쟁으로 쌍정(twin) 결함이 쉽게 발생해 고품질 성장이 어려웠다.
남 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 낮은 대칭성의 r-면 사파이어 기판을 이용, 다이아몬드가 단일 도메인으로 성장하도록 유도함으로써 쌍정 결함이 전혀 없는 (111)면 단결정 다이아몬드를 구현했다.
이번 (111)면 단결정 성과는 전력소자를 넘어 양자 센싱·통신·컴퓨팅 응용에서도 큰 파급력을 지닌다. (111)면 기판에서는 질소-공공(NV) 센터5)의 정렬이 유리해 광자 추출 효율과 신호대잡음비6) 가 향상되며, 이는 웨이퍼 스케일 양자 소자 집적 시 소자 간 균일도와 수율 향상으로 이어진다.
또한 연구팀은 (100)면 다이아몬드에서도 직경 2인치 크기의 단결정 다이아몬드 성장에 성공하여, (111) 과 (100)면 모두에서 의미 있는 진전을 이뤄 대면적 다이아몬드 웨이퍼 개발의 새로운 가능성을 열었다.
핵심 개발자인 곽태명 박사는“이번 성과는 우리나라가 다이아몬드 반도체 분야에서 세계 선도 위치로 도약할 수 있는 중요한 이정표”라 말했다.
남옥현 교수는 “한국의 다이아몬드 기술이 미래 전력반도체뿐 아니라 우주·국방 등 극한환경용 차세대 반도체 및 양자기술 시장을 선점할 수 있도록, 웨이퍼의 대면적화와 고품질화를 병행해나갈 것”이라고 밝혔다.
이어 “다이아몬드를 비롯한 와이드밴드갭(WBG)7) 반도체는 각국이 전략자산으로 분류하는 핵심소재로, 국산화 기술 확보가 곧 국가 경쟁력과 직결된다”며 “이번 성과는 한국이 독자적인 다이아몬드 소재 기술력을 확보하는 데 중요한 의미를 갖는다”고 덧붙였다.
이번 연구는 산업통상자원부 알키미스트 프로젝트와 과학기술정보통신부 나노소재기술개발사업(미래기술연구실)의 지원으로 수행되었다.
성과는 국제 저명 학술지 Diamond and Related Materials 온라인판 (2025년 9월 20일자, DOI: 10.1016/j.diamond.2025.112857) 표지논문으로 게재되었으며, 개발된 원천기술은 미국, 일본, 유럽, 중국 등 주요 국가에 특허 출원을 완료해 세계적인 기술 경쟁력을 입증했다.