차세대 전력 반도체 및 양자 디바이스용 다이아몬드 기판 연구 성과

도쿄, 2026년 4월 17일 -- 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

2. 연구 배경

다이아몬드는 다음과 같은 우수한 특성을 가지고 있습니다.

• 높은 내전압 특성
• 매우 높은 열전도율
• 높은 캐리어 이동도

이와 같은 특성으로 인해 차세대 전력 반도체 소재로 주목받고 있습니다.

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

• (100) 다이아몬드

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

• (111) 다이아몬드

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

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

3. 연구 결과 발표

본 연구 성과는 다음 논문으로 발표되었습니다.

논문명:

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

게재지

Applied Physics Express

게재일

2026년 3월 11일

4. 향후 전개

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

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

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