연산속도ㆍ고주파처리 탁월
전자 이동속도 실리콘의 6배… 고성능 통신 등에 적합
트랜지스터 구조 간단해 많은 집적 가능
에너지 빛으로 발산… LED 소재로 각광
높은 전력소모ㆍ낮은 수율ㆍ비싼가격 단점
우리나라 수출 품목에서 1등 효자 품목으로 자리매김한 D램, 플래시메모리 등 반도체는 기본적으로 모래(규소, 실리콘)를 주요 원료로 사용합니다. 반도체 산업에 대해 이야기 하다보면 실리콘웨이퍼라는 단어가 빠지지 않을 정도로 실리콘이 반도체의 핵심 재료로 소개되고 있습니다.
사실 반도체는 그 소자가 구현하고자하는 목적에 따라 실리콘 외 다른 소재가 더욱 유용하게 쓰일 수도 있습니다. 실제로 실리콘게르마늄이나 갈륨비소, 인듐인 등 두 가지 이상 원소를 화학반응을 통해 얻을 수 있는 화합물도 반도체 산업에 있어 훌륭한 소재로 이용되고 있습니다. 화합물 반도체 가운데 하나인 갈륨비소반도체에 대해 알아보겠습니다.
◇갈륨비소 반도체의 특성=정보통신 기술이 발전하면서 유선과 무선을 이용한 데이터, 음성, 멀티미디어 전송이 점점 더 증가하고 있고, 이에 따라 더욱 높은 동작주파수와 대역폭에 대한 요구가 발생해 왔습니다. 반면에 고성능 통신 애플리케이션에서 실리콘 기반 솔루션은 한계를 드러냈으며 이에 대한 대안으로 떠오른 것이 갈륨비소 반도체 기술입니다.
실리콘이 4족 원소로 구성돼 안정성을 보이는데 반해 갈륨비소는 3족 원소인 갈륨(Ga)과 5족 원소인 비소(As)를 혼합한 화합물로 여러 다른 특성을 보입니다.
우선 갈륨비소는 실리콘에 비해 전자의 이동 속도가 약 6배 가량 빠른 특성을 갖습니다. 따라서 연산속도도 6배 빠르다고 할 수 있습니다. 또 트랜지스터 구조가 간단하여 많은 트랜지스터를 집적할 수 있습니다. 250GHz에 이르는 고주파 대역까지 처리할 수 있으며 실리콘과 비교해 동작시 노이즈가 적은 장점이 있습니다.
하지만 무엇보다도 갈륨비소의 가장 큰 특징은 에너지를 빛으로 발산하는 성질이 있는 점입니다. 바꿔말하면 발광 효율이 좋다고 할 수 있는데요. 이는 전도띠(conduction band)의 최저점과 원자가띠(valence band)의 최고점이 일직선상에 위치하는 특성(direct band gap) 때문입니다.
하지만 갈륨비소도 몇 가지 단점을 갖고 있습니다. 우선 갈륨비소는 웨이퍼의 크기가 커질 경우 쉽게 깨지는 특성이 있습니다. 실리콘웨이퍼가 200~300mm가 주로 쓰이는 반면 갈륨비소는 주로 50mm 웨이퍼를 사용합니다. 경쟁소재라고 할 수 있는 실리콘의 지구 매장량이 풍족하고 값이 워낙 싸기 때문에, 갈륨비소는 고가의 소재가 돼버렸습니다.
또한 실리콘과 달리 CMOS으로 처리 할 수 없기 때문에 구동시 전력 소모가 심한 단점이 있습니다. 이 점이 실리콘 반도체와 경쟁에서 쳐지는 가장 큰 이유로 전문가들은 지적하고 있습니다.
◇갈륨비소의 활용 분야=앞서 설명한 것처럼 갈륨비소 반도체는 성능은 뛰어나지만 수율이 좋지 못하며 가격 또한 비싸기 때문에 통신위성이나 레이더 시스템 등 고급 애플리케이션이나 군사용 제품에 주로 쓰여왔습니다. 최근 급격한 성장을 보이는 발광다이오드(LED) 소재로 각광받고 있으며 태양전지 모듈의 원료로도 쓰이고 있습니다.
1970년 구소련의 조레스 알페로브(Zhores Alferov)박사의 연구팀이 갈륨비소를 이용해 복합 반도체 방식 태양광 전지를 처음 만들었습니다. 1980년대 초반에는 갈륨비소 태양전지의 효율이 실리콘 방식 셀을 처음으로 뛰어넘었고, 1990년대 이르러서는 인공위성에 쓰이는 실리콘 방식 태양전지를 갈륨비소 방식이 대체하기에 이릅니다. 이후 갈륨비소와 게르마늄, 인듐갈륨을 함꼐 사용해 만든 이중, 삼중 구조의 태양전지가 발명되면서 갈륨비소 태양전지는 32% 효율을 내기에 이르렀습니다.
전자 이동속도 실리콘의 6배… 고성능 통신 등에 적합
트랜지스터 구조 간단해 많은 집적 가능
에너지 빛으로 발산… LED 소재로 각광
높은 전력소모ㆍ낮은 수율ㆍ비싼가격 단점
우리나라 수출 품목에서 1등 효자 품목으로 자리매김한 D램, 플래시메모리 등 반도체는 기본적으로 모래(규소, 실리콘)를 주요 원료로 사용합니다. 반도체 산업에 대해 이야기 하다보면 실리콘웨이퍼라는 단어가 빠지지 않을 정도로 실리콘이 반도체의 핵심 재료로 소개되고 있습니다.
사실 반도체는 그 소자가 구현하고자하는 목적에 따라 실리콘 외 다른 소재가 더욱 유용하게 쓰일 수도 있습니다. 실제로 실리콘게르마늄이나 갈륨비소, 인듐인 등 두 가지 이상 원소를 화학반응을 통해 얻을 수 있는 화합물도 반도체 산업에 있어 훌륭한 소재로 이용되고 있습니다. 화합물 반도체 가운데 하나인 갈륨비소반도체에 대해 알아보겠습니다.
◇갈륨비소 반도체의 특성=정보통신 기술이 발전하면서 유선과 무선을 이용한 데이터, 음성, 멀티미디어 전송이 점점 더 증가하고 있고, 이에 따라 더욱 높은 동작주파수와 대역폭에 대한 요구가 발생해 왔습니다. 반면에 고성능 통신 애플리케이션에서 실리콘 기반 솔루션은 한계를 드러냈으며 이에 대한 대안으로 떠오른 것이 갈륨비소 반도체 기술입니다.
실리콘이 4족 원소로 구성돼 안정성을 보이는데 반해 갈륨비소는 3족 원소인 갈륨(Ga)과 5족 원소인 비소(As)를 혼합한 화합물로 여러 다른 특성을 보입니다.
우선 갈륨비소는 실리콘에 비해 전자의 이동 속도가 약 6배 가량 빠른 특성을 갖습니다. 따라서 연산속도도 6배 빠르다고 할 수 있습니다. 또 트랜지스터 구조가 간단하여 많은 트랜지스터를 집적할 수 있습니다. 250GHz에 이르는 고주파 대역까지 처리할 수 있으며 실리콘과 비교해 동작시 노이즈가 적은 장점이 있습니다.
하지만 무엇보다도 갈륨비소의 가장 큰 특징은 에너지를 빛으로 발산하는 성질이 있는 점입니다. 바꿔말하면 발광 효율이 좋다고 할 수 있는데요. 이는 전도띠(conduction band)의 최저점과 원자가띠(valence band)의 최고점이 일직선상에 위치하는 특성(direct band gap) 때문입니다.
하지만 갈륨비소도 몇 가지 단점을 갖고 있습니다. 우선 갈륨비소는 웨이퍼의 크기가 커질 경우 쉽게 깨지는 특성이 있습니다. 실리콘웨이퍼가 200~300mm가 주로 쓰이는 반면 갈륨비소는 주로 50mm 웨이퍼를 사용합니다. 경쟁소재라고 할 수 있는 실리콘의 지구 매장량이 풍족하고 값이 워낙 싸기 때문에, 갈륨비소는 고가의 소재가 돼버렸습니다.
또한 실리콘과 달리 CMOS으로 처리 할 수 없기 때문에 구동시 전력 소모가 심한 단점이 있습니다. 이 점이 실리콘 반도체와 경쟁에서 쳐지는 가장 큰 이유로 전문가들은 지적하고 있습니다.
◇갈륨비소의 활용 분야=앞서 설명한 것처럼 갈륨비소 반도체는 성능은 뛰어나지만 수율이 좋지 못하며 가격 또한 비싸기 때문에 통신위성이나 레이더 시스템 등 고급 애플리케이션이나 군사용 제품에 주로 쓰여왔습니다. 최근 급격한 성장을 보이는 발광다이오드(LED) 소재로 각광받고 있으며 태양전지 모듈의 원료로도 쓰이고 있습니다.
1970년 구소련의 조레스 알페로브(Zhores Alferov)박사의 연구팀이 갈륨비소를 이용해 복합 반도체 방식 태양광 전지를 처음 만들었습니다. 1980년대 초반에는 갈륨비소 태양전지의 효율이 실리콘 방식 셀을 처음으로 뛰어넘었고, 1990년대 이르러서는 인공위성에 쓰이는 실리콘 방식 태양전지를 갈륨비소 방식이 대체하기에 이릅니다. 이후 갈륨비소와 게르마늄, 인듐갈륨을 함꼐 사용해 만든 이중, 삼중 구조의 태양전지가 발명되면서 갈륨비소 태양전지는 32% 효율을 내기에 이르렀습니다.
