한국공대 남옥현 교수팀, 단결정 다이아몬드 웨이퍼 기술 개발

한국공학대학교(총장 황수성) 반도체공학부 남옥현 교수 연구팀이 차세대 반도체 소재로 주목받는 다이아몬드 웨이퍼 분야에서 세계적인 성과를 거두었다.

이번 연구는 세계 최초로 ‘쌍정 결함이 없는(twin-free) (111)면 단결정 다이아몬드’를 r-면 사파이어 기판 위에 성장시키는 데 성공한 것이다.

다이아몬드는 실리콘(Si), 실리콘카바이드(SiC), 갈륨나이트라이드(GaN)보다 월등히 넓은 밴드갭, 높은 열전도율, 뛰어난 전계 파괴 강도를 지녀 ‘궁극의 반도체’로 불린다. 특히 방사선 내성이 우수해 우주·국방 등 극한환경에서도 안정적인 성능을 발휘할 수 있어, 미래 전략산업의 핵심 소재로 꼽힌다.

그러나 단결정 다이아몬드 웨이퍼를 대면적으로 성장시키는 것은 기술적으로 매우 어려워, 전 세계적으로 난제로 남아 있었다.

(111)면 다이아몬드는 기존에 주로 연구된 (100)면 보다 반도체 특성이 우수하지만, 성장 과정에서 두 도메인의 경쟁으로 쌍정(twin) 결함이 쉽게 발생해 고품질 성장이 어려웠다.

남 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 낮은 대칭성의 r-면 사파이어 기판을 이용, 다이아몬드가 단일 도메인으로 성장하도록 유도함으로써 쌍정 결함이 전혀 없는 (111)면 단결정 다이아몬드를 구현했다.

이번 (111)면 단결정 성과는 전력소자를 넘어 양자 센싱·통신·컴퓨팅 응용에서도 큰 파급력을 지닌다. (111)면 기판에서는 질소-공공(NV) 센터의 정렬이 유리해 광자 추출 효율과 신호대잡음비가 향상되며, 이는 웨이퍼 스케일 양자 소자 집적 시 소자 간 균일도와 수율 향상으로 이어진다.

또한 연구팀은 (100)면 다이아몬드에서도 직경 2인치 크기의 단결정 다이아몬드 성장에 성공하여, (111) 과 (100)면 모두에서 의미 있는 진전을 이뤄 대면적 다이아몬드 웨이퍼 개발의 새로운 가능성을 열었다.

핵심 개발자인 곽태명 박사는 “이번 성과는 우리나라가 다이아몬드 반도체 분야에서 세계 선도 위치로 도약할 수 있는 중요한 이정표”라 말했다.

남옥현 교수는 “한국의 다이아몬드 기술이 미래 전력반도체뿐 아니라 우주·국방 등 극한환경용 차세대 반도체 및 양자기술 시장을 선점할 수 있도록, 웨이퍼의 대면적화와 고품질화를 병행해나갈 것”이라고 밝혔다.

이어 “다이아몬드를 비롯한 와이드밴드갭(WBG) 반도체는 각국이 전략자산으로 분류하는 핵심소재로, 국산화 기술 확보가 곧 국가 경쟁력과 직결된다”며 “이번 성과는 한국이 독자적인 다이아몬드 소재 기술력을 확보하는 데 중요한 의미를 갖는다”고 덧붙였다.

이번 연구는 산업통상자원부 알키미스트 프로젝트와 과학기술정보통신부 나노소재기술개발사업(미래기술연구실)의 지원으로 수행되었다.

성과는 국제 저명 학술지 Diamond and Related Materials 온라인판 (2025년 9월 20일자, DOI: 10.1016/j.diamond.2025.112857) 표지논문으로 게재되었으며, 개발된 원천기술은 미국, 일본, 유럽, 중국 등 주요 국가에 특허 출원을 완료해 세계적인 기술 경쟁력을 입증했다.