AlN(질화알루미늄)은 SiC(탄화규소) 및 GaN(질화갈륨)보다 손실이 적고 내전압이 높은 특성을 갖고 있다.

최근 일본 기업 NTT는 AlN을 사용하여 트랜지스터 작동을 성공적으로 달성했다. 이는 AIN을 SiC 및 GaN을 넘어 유망한 차세대 전력 반도체 재료로 만들 수 있는 가능성을 연 것이다.

산화갈륨, 다이아몬드와 함께 AlN은 초광대역 반도체로 알려져 있다. 이를 전력 반도체로 사용하기 위한 세계 최초 트랜지스터 동작이 성공한 것이다.

AIN은 물성 면에서 SiC, GaN보다 손실이 적고 내전압이 높아 고전압 고효율 전원 회로를 구성할 수 있다. AlN은 전도대와 가전자대 사이의 에너지 차이인 6.0eV의 “밴드 갭”을 가지며, 이는 실리콘(Si)의 경우 1.1eV, SiC의 경우 3.26eV, GaN의 경우 3.4eV에 비해 매우 크다.

따라서 다이아몬드와 함께 초광대역 밴드갭 반도체의 하나로 간주된다.

큰 밴드 갭으로 인해 절연 파괴 전계 강도도 높다. 전력 장치를 제조할 수 있다면 이론적으로 전력 손실을 SiC 또는 GaN의 절반 미만으로 줄일 수 있다.

고품질 AlN 반도체 트랜지스터의 전압-소스 및 전류-소스 특성은 오믹 특성으로 인한 매우 작은 누설 전류와 상승 추세를 나타낸다. 또한, 전력 반도체로 전압 조정값도 1.7kv에 도달했다.

또한 AlN 트랜지스터는 고온에서도 안정적으로 동작할 수 있음을 확인했다.기존의 반도체 재료와 달리 AlN 트랜지스터는 500°C에서 약 100배의 전류 증가로 고온에서 성능이 향상되었다. 또한 누설 전류는 500°C에서도 10-8A/mm의 매우 낮은 수준으로 억제될 수 있다.

이 성과로 이어지는 세 가지 기술적 포인트가 있다. 첫 번째는 고품질 AlN 제조 기술로 독자적 MOCVD 기술을 개발해 고온에서 AlN 결정을 제조할 수 있도록 원료 가스 공급 방식을 설계하였다.

AlN 결정에 잔류하는 불순물과 결정을 개발해 마침내 세계에서 가장 높은 전자 이동도를 가진 고품질의 n형 전도성 AlN 반도체를 구현했다.

두 번째는 오믹 특성이 좋은 전극 형성 기술이다. AlN은 전극으로 사용되는 금속 물질과 에너지 장벽이 크기 때문에 저항성 접촉을 형성하기 어렵다. 따라서, AlN 상에 Al 조성이 점차 감소하는 경사형 AlGaN 층을 형성하고, 오믹 접촉을 형성하기 쉬운 낮은 Al 조성을 갖는 AlGaN을 금속과 접촉시킴으로써 양호한 오믹 특성을 성공적으로 얻었다.

세 번째는 이상적인 단축키 특성을 구현하는 것이다. 쇼트키 특성은 금속 재료의 종류 외에도 반도체의 결정질, 금속과 반도체의 계면, 오믹 전극측 접촉저항 등의 요인에 의해 영향을 받는다.

위에서 언급한 바와 같이 NTT는 고품질 AlN 및 우수한 옴 접촉을 달성하여 우수한 정류 효과와 함께 쇼트키 특성을 나타낸다.

반도체 칩 초미세공정 내지 더 첨단화로 갈 경우 현재의 실리콘 반도체로는 성능을 감당하기가 쉽지 않다. 새로운 성능의 반도체 재료가 요구된다.

NTT가 개발한 AIN은 그 가능성을 보여주었다. 하지만 실현 가능성은 좀 더 긴 시간이 필요하다. 상용화와 대중화는 축적의 시간이 더 필요하다.


박정한 글로벌이코노믹 기자