최근 세 가지 연구는 전력 전자 및 통신 분야에서 질화갈륨(GaN)의 사용을 제한하는 주요 문제인 고전압 내성, 접촉 저항 감소, 열 관리에 대해 서로 다른 해결책을 제시한다. 연구 결과는 스위스 연방공과대학교 로잔(EPFL), 매사추세츠공과대학교(MIT), 나고야대학교, 코넬대학교, 조지아공과대학교, 펜실베이니아 주립대학교와 중국의 연구기관 등 여러 기관이 이끄는 연구팀에서 나왔다.
약 4킬로볼트를 견디는 트랜지스터
EPFL 연구진은 intrinsic polarization superjunction (iPSJ)라는 새로운 종류의 GaN 트랜지스터를 개발했다. 연구팀에 따르면, 저비용 실리콘 기판 위에 GaN 층을 쌓아 만든 이 소자는 파괴되기 전에 약 4킬로볼트의 전압을 견디면서도 낮은 저항을 유지했다.
이 설계는 GaN의 자연적인 분극 효과를 이용해 양전하와 전자가 평행하게 배열된 두 개의 층을 만든다. 층의 두께를 조절하면 두 전하의 균형을 맞출 수 있어 트랜지스터가 꺼질 때 과잉 전하가 축적되는 것을 막고, 소자 전체에 걸쳐 전압을 고르게 분배하는 데 도움이 된다. 또한 이 접근법은 화학적 도핑의 필요성을 없앤다. 연구진은 이를 일반적으로 약 600~650볼트에서 파괴되는 기존 GaN 트랜지스터와 비교했다.
연구팀은 넓은 온도 범위에서 전압을 견디는 특성 덕분에 이 기술이 전기자동차 시스템과 산업용 전력 시스템에 적합할 수 있다고 본다. 그러나 발표된 자료만으로는 이 소자들이 상업 생산에 아직 준비됐다는 점이 입증되지는 않았다.
p-GaN 접촉 저항 감소
또 다른 연구에서 나고야대학교, MIT, 코넬대학교, 홍콩시립대학교, 중국과학원 연구진은 p형 GaN의 표면에 매우 얇은 마그네슘 층을 증착한 뒤 섭씨 600도에서 5분간 가열해 p형 GaN 접촉의 저항을 낮췄다.
연구팀에 따르면 이 방법은 (1–3) × 10⁻⁴ Ω cm²의 비접촉 비저항을 달성했으며, 이는 연구에서 보고된 얇은 p-GaN 접촉 가운데 가장 낮은 값에 속한다. 두꺼운 마그네슘 층을 사용하지 않아 표면 거칠기가 줄었고, 얇은 시료에서는 두께가 10나노미터에 이르러도 산화가 최상부 표면층에만 국한되는 것으로 나타났다.
짧은 열처리 과정에서 마그네슘은 표면 영역으로 확산되어 공핍 영역을 좁힌다. 이에 따라 정공의 터널링 통과가 촉진되고 저항이 감소한다. 연구진은 이 공정이 상향식 결정 성장보다 단순하고 빠르며 비용이 적게 든다고 말하며, 이를 LED와 전기자동차용 전력 트랜지스터에 적용하기 위해 연구하고 있다.
열을 분산하는 층으로서의 다이아몬드
MIT, 조지아공과대학교, 펜실베이니아 주립대학교가 수행한 세 번째 연구에서는 GaN 트랜지스터를 단결정 다이아몬드의 초박막 층 내부에 통합했다. 이 층은 열 확산기 역할을 하며 GaN과 실리콘 사이의 온도를 균형 있게 유지해, 신뢰성을 희생하지 않고 소자가 최고 성능에 가까워지도록 한다.
공정은 웨이퍼에서 작은 GaN 조각을 절단한 뒤 펨토초 레이저를 사용해 다이아몬드에 공동을 파는 방식으로 시작된다. 그런 다음 공동 내부에 접착층을 배치하고 조각을 삽입한 뒤 열과 압력을 가하고, 구조 위에 절연층과 금속층을 추가한다. 연구팀은 이 기술을 사용해 FR3 대역의 6G 애플리케이션용 4와트 무선 전력 증폭기를 제작했다.
잠재적인 응용 분야는 고출력 레이더, 위성 통신, 산업용 드론, 데이터센터의 전력 변환으로 확대될 수 있다. 실제로 이 결과는 GaN의 개선이 채널 물질에만 달려 있지 않다는 점을 보여준다. 연결부, 열, 패키징이 모두 이론적 성능을 실제 시스템에서 사용할 수 있는지를 결정할 수 있다.