광주과학기술원(이하 GIST) 전기전자컴퓨터공학부 이동선 교수팀은 미국 매사추세츠공과대(이하 MIT)와의 공동연구를 통해 반도체를 계속 복제할 수 있는 ‘질화갈륨 원격 에피택시’ 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

질화갈륨은 LED 제작에 사용되는 반도체 물질로 레이저, 트랜지스터 등에도 사용되며 최근에는 전기차 반도체로도 사용되고 있을 정도로 반도체 산업에 중요한 자리를 차지하고 있다.

반도체의 구조는 크게 웨이퍼과 반도체 물질로 이루어지는데, 마치 건물을 세울 때 기초(웨이퍼) 위에 건물(반도체 물질)을 지을 수 있는 것처럼 고품질의 반도체 물질을 성장시키려면 실리콘, 실리콘 카바이드, 사파이어 등으로 만든 웨이퍼가 필수적이다.

반도체 물질은 이 웨이퍼 위에 웨이퍼와 동일한, 혹은 유사한 물질을 아주 잘 정렬된 형태의 박막으로 성장시키는 에피택시 기술로 만들어진다.

본래 반도체의 구동에는 원래 웨이퍼가 아니라 그 위에 만들어진 반도체 물질만 있으면 충분하다.

그러나 기존 기술로는 웨이퍼 위에서 반도체 물질만을 떼어내기가 어려웠기에 그동안의 반도체 생산은 반도체 물질을 생산할 때마다 웨이퍼도 함께 소모되었다.

하지만 이번에 개발된 원격 에피택시 기술을 사용하면 웨이퍼 위에 질화갈륨 반도체를 ‘성장(growth)’시킨 후 쉽게 떼어낼 수 있어 하나의 웨이퍼로 반도체를 복사하듯 계속 생산할 수 있다.

웨이퍼에서 반도체물질을 분리하는 모식도 [GIST 제공]

여기서 성장이란 반도체 용어로 웨이퍼 위에 결정질의 얇은 박막층을 물리적, 화학적 방법을 통해 만드는 것을 의미한다.

‘원격 에피택시’ 기술은 2017년 MIT의 김지환 교수가 최초로 제안한 것으로 웨이퍼 위에 그래핀처럼 매우 얇은 물질을 올리고 그 위에서 반도체 물질을 성장시키는 독특한 기술이다.

웨이퍼의 특성을 그대로 ‘복사’한 박막 형태의 고품질 반도체 물질을 얻을 수 있을 뿐 아니라 이를 웨이퍼에서 깔끔하게 떼어낼 수 있어 이론적으로는 웨이퍼를 무한히 재사용할 수 있게 된다.

해당 기술이 상용화되면 특히 LED 디스플레이와 전기차의 질화갈륨 반도체 생산에 큰 도움이 될 전망이다.

본래 질 갈륨 반도체 생산을 위해서는 질화갈륨 웨이퍼를 사용하는 것이 가장 좋으나, 웨이퍼를 소모해야 하는 기존 생산법 특성상 값비싼 질화 갈륨 웨이퍼를 계속해서 소모하는 것은 어렵다.

이에 지금까지는 질화갈륨 웨이퍼보다 가격은 100분의 1로 싸지만 대신 결정성이 1000분의 1로 떨어지는 사파이어 웨이퍼를 사용해왔다.

그렇기에 비싸지만 효율이 높은 질화갈륨 웨이퍼를 재사용할 수 있게 하는 원격 에피택시 기술에 주목하는 것이다.

GIST 이동선 교수팀 [GIST 제공]

실제로 반도체 생산에 적용될 경우 고품질의 반도체물질을 매우 저렴한 가격에 양산할 수 있을 것으로 기대받고 있다.

나아가 박막 형태로 성장된 반도체만을 떼어내 쓸 수 있으므로 여러 기능의 다양한 반도체를 같은 좁은 공간에 적층형으로 쌓을 수도 있게 되었다.

GIST 이동선 교수는 “이번 연구성과로 박리까지 가능한 ‘질화갈륨 원격 에피택시’ 기술을 구현하는 방법과 필수 조건을 제시할 수 있었다”라고 전했다.

이어 “MIT와의 지속적인 연구교류를 통해 원격 에피택시 기술과 같은 반도체 초격차 기술을 개발하겠다”라는 포부를 밝혔다.