사가 대학의 카스 마코토 교수 연구팀이 다이아몬드 반도체를 이용한 전력 회로 개발에 있어 획기적인 성과를 이루었습니다. 세계 최초로 10나노초 미만의 고속 스위칭 동작을 성공적으로 시연하였습니다. 이 혁신은 Beyond 5G 및 통신 위성에 적용될 것으로 기대됩니다.
통신 용량이 증가함에 따라 고주파 및 고출력 반도체 소자에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 모바일 단말기는 약 1.5 GHz/1W의 주파수와 출력을 가지지만, 통신 위성 및 텔레비전 방송국은 10 GHz/1 kW 이상을 요구하며, Beyond 5G는 100 GHz/100W 이상을 필요로 합니다. 현재 이러한 분야에는 진공관이 사용되고 있지만, 반도체에 비해 효율이 낮고 에너지 손실이 크기 때문에 반도체화가 강력히 요구되고 있습니다.
다이아몬드 반도체는 기존 소재를 훨씬 능가하는 특성을 가지고 있어 고주파 전력 소자에 이상적입니다. 2022년, 카수 교수는 다이아몬드 반도체 소자로서 세계 최고 출력 밀도 875 MW/cm2와 출력 전압 3659 V를 달성했습니다. 그러나 다이아몬드 반도체를 전력 회로로 작동시킬 경우 소자의 열화가 빠르게 진행되어 장기 운전이 어렵고 실용화가 쉽지 않다는 보고가 있습니다.
이 문제를 극복하기 위해 연구팀은 다이아몬드 반도체와 인쇄 회로 기판 사이에 금선을 이용한 독특한 와이어 본딩 방식을 적용한 전력 회로를 개발했습니다. 이 회로의 동작은 10나노초 미만의 초고속 스위칭 동작과 손실의 현저한 감소를 보여주는 것으로 확인되었습니다. 또한, 190시간 연속 측정 후에도 특성의 열화가 관찰되지 않았습니다.
이 획기적인 성과는 다이아몬드 반도체를 Beyond 5G와 같은 통신 용도 및 전기차용 전력 제어 장치로 확장하는 길을 열어줍니다. 연구팀은 개발된 회로의 특성 변화 메커니즘을 규명하고 대응책을 갖춘 장치를 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다. 또한, 더 높은 전압에서의 동작 및 동적 특성 시험을 수행하여 실용화를 위한 연구개발을 가속화할 예정입니다.
