차세대 전력 반도체 및 양자 디바이스용 다이아몬드 기판 연구 성과

도쿄, 2026년 4월 17일 /PRNewswire/ -- Orbray 주식회사는 다이아몬드 반도체 소재의 대면적화 기술에 관한 연구 성과를 정리한 논문

「Freestanding 30 mm square {111} twin-free heteroepitaxial diamonds grown on highly-misoriented {0001} sapphire substrates」

 를 응용물리 분야의 국제학술지 「Applied Physics Express」에 발표했습니다.

 당사는 사파이어 기판 위에서의 헤테로에피택셜 성장 기술을 활용하여 (111) 다이아몬드 기판 기준으로 세계 최대인 20mm x 20mm 크기의 기판 제작에 성공했음을 지난해 3월에 발표했습니다. 이번 연구에서는 이를 한 단계 발전시켜, 30mm x 30mm 크기의 대면적이면서도 높은 품질과 순도를 갖춘 (111) 단결정 다이아몬드 자립 기판 제작 기술을 새롭게 확립했습니다. 또한 제어가 어려운 결정 결함인 '트윈(쌍정)'을 효과적으로 억제할 수 있는 핵심 성장 조건도 밝혀냈습니다.

 이번 성과는 차세대 고내압 전력 반도체와 양자 센서 등 다양한 첨단 디바이스 개발에 활용될 핵심 기술로 소재 연구 발전에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

【URL】https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1882-0786/ae4b05

1. 연구 성과 개요

(1) 연구 개요

본 연구에서는 사파이어 기판 위에 이리듐의 버퍼층을 형성하고, 마이크로파 플라스마 CVD법으로 다이아몬드를 성장시켰습니다.

특히 특정 방향으로 경사각이 큰 결정면을 갖는 사파이어 기판을 이용하여 다이아몬드 결정의 성장형태(스텝플로 성장)를 제어하고 쌍정 형성을 억제하면서 대면적 (111) 다이아몬드를 제작하는 기술을 확립했습니다.

그 결과, 기존에는 수 mm 수준이 일반적이었던 (111) 다이아몬드 기판을 30mm x 30mm 크기의 자립형 단결정 기판으로 확대하는 데 성공했습니다.

(2) 연구 결과의 주요 특징

• 30mm 정사각형 자립형 (111) 단결정 다이아몬드 기판 제작에 성공 
• X선 회절 측정을 통해 기판 전 영역에서 쌍정이 없는 단결정 구조를 확인
• 사파이어 기판의 비교적 큰 경사각이 스텝플로우 성장을 촉진할 뿐만 아니라, 특정 경사방향 (<11-20> 방향)이 쌍정 억제에 중요한 역할을 한다는 사실을 발견&nbsp;

2. 연구&nbsp;배경

다이아몬드는&nbsp;다음과&nbsp;같은&nbsp;우수한&nbsp;특성을&nbsp;가지고&nbsp;있습니다.

• 높은 내전압 특성
• 매우 높은 열전도율
• 높은 캐리어 이동도

이와&nbsp;같은&nbsp;특성으로&nbsp;인해&nbsp;차세대&nbsp;전력&nbsp;반도체&nbsp;소재로&nbsp;주목받고&nbsp;있습니다.

현재&nbsp;다이아몬드&nbsp;반도체&nbsp;연구에서는&nbsp;주로&nbsp;(100)면을&nbsp;갖는&nbsp;다이아몬드와&nbsp;(111)면을&nbsp;갖는&nbsp;다이아몬드의&nbsp;두&nbsp;가지&nbsp;결정면이&nbsp;주로&nbsp;활용됩니다.

• (100) 다이아몬드&nbsp;

&nbsp; &nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;비교적&nbsp;제작이&nbsp;용이하여&nbsp;산업용으로&nbsp;널리&nbsp;사용되고&nbsp;있으며, 전력&nbsp;반도체&nbsp;디바이스&nbsp;연구에서도&nbsp;폭넓게&nbsp;활용되고&nbsp;있습니다.

• (111) 다이아몬드&nbsp;

&nbsp; &nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;n형&nbsp;도핑&nbsp;제어가&nbsp;비교적&nbsp;용이할&nbsp;뿐만&nbsp;아니라, 양자&nbsp;센서에&nbsp;활용되는&nbsp;NV 센터의&nbsp;스핀&nbsp;배향을&nbsp;정렬하기&nbsp;쉽다는&nbsp;특징이&nbsp;있습니다.

이처럼 (111) 다이아몬드는 전력 디바이스와 양자 디바이스 모두에 중요한 소재로 평가되지만, 쌍정이 발생하기 쉬워 대면적 기판 제작이 어렵다는 한계가 있었습니다.

3. 연구&nbsp;결과&nbsp;발표

본&nbsp;연구&nbsp;성과는&nbsp;다음&nbsp;논문으로&nbsp;발표되었습니다.

논문명:

Freestanding 30 mm square {111} twin-free heteroepitaxial diamonds grown on highly-misoriented {0001} sapphire substrates

게재지

Applied Physics Express

게재일

2026년&nbsp;3월&nbsp;11일

4. 향후&nbsp;전개

본&nbsp;연구에서&nbsp;확보한&nbsp;(111) 다이아몬드&nbsp;기판&nbsp;제작&nbsp;기술은&nbsp;다음과&nbsp;같은&nbsp;분야에서의&nbsp;응용이&nbsp;기대됩니다.

• 차세대 전력 반도체
• 고감도 양자 센서
• 극한 환경용 전자 디바이스

앞으로는&nbsp;반도체&nbsp;소재의&nbsp;대면적화와&nbsp;고품질화를&nbsp;더욱&nbsp;추진하는&nbsp;한편, 디바이스&nbsp;적용을&nbsp;위한&nbsp;도핑&nbsp;기판&nbsp;개발까지&nbsp;포함하여&nbsp;연구를&nbsp;확대&nbsp;진행해&nbsp;나갈&nbsp;계획입니다.