다이아몬드 반도체(Diamond Semiconductor)란?

탄소의 결정인 다이아몬드로 만든 반도체. 약 5.5 eV의 밴드갭, 물질 중 최고 수준의 열전도율, 높은 절연 파괴 전계를 갖추어 고내압·고주파·고온 소자로 유망하지만, n형 도핑과 대형 기판이 어렵다.

일본어 명칭: ダイヤモンド半導体

다이아몬드 반도체(Diamond Semiconductor)은(는) 화합물 반도체 등 1개 분야의 연습 문제 2개에 나와요.

재료의 특성

다이아몬드는 밴드갭이 약 5.5 eV인 울트라 와이드 밴드갭 반도체로, 절연 파괴 전계는 약 10 MV/cm로 예상되어 SiC나 GaN의 약 3 MV/cm를 크게 웃돕니다. 열전도율은 약 2000 W/(m·K)로 물질 중 최고 수준이며, 구리의 약 5배입니다. 전자와 정공의 이동도도 비교적 높아, 파워 디바이스로서의 이론적인 성능 지수는 SiC나 GaN을 넘습니다. 이 때문에 '궁극의 반도체'라고 불리기도 합니다.

도핑이 어려운 이유

p형 다이아몬드는 붕소를 첨가하여 만들 수 있지만, 억셉터 준위가 가전자대에서 약 0.37 eV 위에 있어 실온에서는 붕소의 일부만 정공을 내놓습니다. n형은 더 어려워서, 인의 도너 준위가 전도대에서 약 0.57 eV 아래에 있으므로 실온에서 자유로운 전자가 매우 적습니다. Si나 SiC처럼 거의 모든 도펀트가 캐리어를 내놓는 얕은 준위가 없다는 점이 다이아몬드 소자가 어려운 근본적인 이유입니다.

수소 종단 표면을 쓰는 트랜지스터

다이아몬드 표면을 수소 원자로 종단하면, 바로 아래에 정공으로 된 얇은 전도층(2차원 정공 가스)이 생깁니다. 이는 표면에 흡착한 물질과의 전자 교환으로 생기는 것으로 생각되며, NO2 같은 분자를 흡착시키면 정공 밀도가 높아집니다. 깊은 도펀트 준위의 문제를 피할 수 있으므로, 이 표면층을 채널로 쓰는 p채널 MOSFET이 연구되고 있습니다. 2023년에 사가 대학은 NO2로 정공을 유기한 p채널 다이아몬드 MOSFET을 사용한 파워 회로의 동작을 발표했습니다.

기판과 남은 과제

단결정 다이아몬드는 메탄과 수소를 원료로 하는 CVD(화학 기상 성장) 등으로 만들지만, Si나 SiC처럼 대구경이고 결함이 적은 기판을 싸게 대량 생산하기는 아직 어려워, 2020년대 중반 시점의 연구는 작은 기판이 중심입니다. 고내압 파워 디바이스 외에도 고주파 고출력 증폭기, 방사선과 고온에 강한 소자, 다이아몬드 속의 질소-공공(NV) 센터를 이용한 양자 센서 등의 응용이 연구되고 있습니다.

도전해 보기: 다이아몬드 반도체(Diamond Semiconductor) 관련 문제

다이아몬드 반도체에서 인을 첨가한 n형 층의 실온 전자 밀도가 첨가한 인의 농도보다 훨씬 작아지는 주된 이유로 올바른 것은?

A다이아몬드는 간접 천이형 반도체이기 때문에
B인의 도너 준위가 전도대로부터 약 0.57 eV로 깊어 실온에서는 거의 이온화되지 않기 때문에
C인은 다이아몬드 안에서 억셉터로 작용하기 때문에

정답과 해설 보기

정답: B. 인의 도너 준위가 전도대로부터 약 0.57 eV로 깊어 실온에서는 거의 이온화되지 않기 때문에

도너가 전자를 내놓으려면 도너 준위에서 전도대까지 전자를 열로 끌어올려야 합니다. 실리콘 속 인의 준위는 전도대로부터 약 0.045 eV로 얕아 실온에서 거의 모두 이온화됩니다. 다이아몬드 반도체에서는 인의 준위가 약 0.57 eV로 깊어 실온의 열에너지(약 0.026 eV)보다 훨씬 크므로, 대부분의 인이 전자를 내놓지 않습니다. p형의 붕소도 약 0.37 eV로 깊은 편이어서, 도핑의 어려움이 다이아몬드 소자 개발의 큰 과제가 되고 있습니다.

다이아몬드 반도체 트랜지스터에서 표면을 수소로 종단하여 생기는 전도층이 채널로 연구되고 있는 주된 이유로 올바른 것은?

A표면 바로 아래에 정공이 모인 얇은 전도층이 생겨, 깊은 불순물 준위 문제를 피해 p채널 트랜지스터를 만들 수 있기 때문에
B수소로 종단하면 다이아몬드의 밴드갭이 0 eV가 되어 금속이 되기 때문에
C수소로 종단하면 n형 층을 쉽게 형성할 수 있기 때문에

정답과 해설 보기

정답: A. 표면 바로 아래에 정공이 모인 얇은 전도층이 생겨, 깊은 불순물 준위 문제를 피해 p채널 트랜지스터를 만들 수 있기 때문에

다이아몬드 반도체에서는 붕소나 인의 불순물 준위가 깊어 실온에서 충분한 캐리어를 얻기 어려운 것이 과제입니다. 표면을 수소로 종단하면 표면에 흡착한 물질과의 사이에서 전자를 주고받게 되어, 표면 바로 아래에 정공이 모인 2차원 정공 가스가 생깁니다. NO2 등을 흡착시키면 정공 밀도를 높일 수 있으며, 이 층을 채널로 한 p채널 MOSFET이 연구되고 있습니다. 사가 대학은 2023년에 NO2로 정공을 유기한 다이아몬드 MOSFET에 의한 전력 회로의 동작을 발표했습니다.

자주 묻는 질문

다이아몬드 반도체의 장점은 무엇인가요?

약 5.5 eV의 큰 밴드갭, 약 10 MV/cm의 높은 절연 파괴 전계, 물질 중 최고 수준의 열전도율을 함께 갖추고 있습니다. 발열이 큰 고내압 파워 디바이스나, 고온·방사선 환경에서 쓰는 소자에 적합할 것으로 기대됩니다.

n형 다이아몬드는 왜 만들기 어렵나요?

인의 도너 준위가 전도대에서 약 0.57 eV 아래에 있어, 실온에서는 전자를 거의 내놓지 않기 때문입니다. 붕소의 억셉터도 약 0.37 eV로 꽤 깊어서, 실온의 캐리어 밀도가 낮다는 것이 공통된 문제입니다.

다이아몬드 반도체는 실용화되었나요?

2020년대 중반 시점에서는 연구 개발 단계에 있습니다. 파워 회로의 동작 같은 성과는 보고되고 있지만, 크고 품질이 좋은 기판의 대량 생산과 도핑 문제의 해결이 실용화의 열쇠입니다.

해설 속 다이아몬드 반도체(Diamond Semiconductor)

다이아몬드 반도체에서는 인의 준위가 약 0.57 eV로 깊어 실온의 열에너지(약 0.026 eV)보다 훨씬 크므로, 대부분의 인이 전자를 내놓지 않습니다.
다이아몬드 반도체에서 인을 첨가한 n형 층의 실온 전자 밀도가 첨가한 인의 농도보다 훨씬 작아지는 주된 이…
다이아몬드 반도체에서는 붕소나 인의 불순물 준위가 깊어 실온에서 충분한 캐리어를 얻기 어려운 것이 과제입니다.
다이아몬드 반도체 트랜지스터에서 표면을 수소로 종단하여 생기는 전도층이 채널로 연구되고 있는 주된 이유로 …