미국 연구진이 얇은 다이아몬드 층을 이용해 차세대 반도체의 고질적인 발열 문제를 해결하고 성능을 획기적으로 높이는 기술을 개발했다.
미국 매사추세츠공과대학(MIT) 연구팀은 9일(현지시간) 질화갈륨(GaN) 트랜지스터를 다이아몬드 기판에 내장해 열을 효과적으로 분산시키는 데 성공했다고 밝혔다. 이 연구 결과는 국제전기전자공학회(IEEE) 국제 마이크로파 심포지엄에서 발표됐다.
실리콘 기반 반도체는 전력 처리 한계로 6G나 위성통신 같은 차세대 무선 통신 시스템의 속도와 에너지 효율을 높이는 데 제약이 있었다.
대안으로 떠오른 질화갈륨은 고속·고에너지 처리에 유리하지만, 작동 시 막대한 열이 발생해 성능 저하와 안정성 문제를 일으키는 단점이 있었다. 특히 좁은 면적에 트랜지스터가 고집적될수록 국소적인 '핫스팟'이 생겨 문제가 심화됐다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 질화갈륨 트랜지스터를 다이아몬드 기판에 삽입하는 새로운 방식을 고안했다. 열전도율이 가장 높은 물질인 다이아몬드가 '방열판' 역할을 해 칩 전체의 온도를 균일하게 유지하고 트랜지스터가 최대 성능을 내도록 돕는다.
기존에는 질화갈륨 트랜지스터 위에 다이아몬드 층을 성장시키는 방식이 연구됐지만, 이 경우 불필요한 정전용량(capacitance)이 발생해 작동 속도를 늦추는 부작용이 있었다. 연구팀의 새로운 접근법은 이러한 문제를 해결했다.
연구팀은 이 기술을 적용해 무선 통신용 전력 증폭기를 제작했으며, 기존에 발표된 어떤 유사 장치보다도 높은 출력과 효율, 이득을 달성했다고 설명했다.
논문 제1 저자인 프라됴트 야다브 MIT 연구원은 "이 기술은 고출력 레이더, 우주 통신, 산업용 드론 등 까다로운 응용 분야에 적합하다"며 "데이터센터의 전력 변환 시스템에 적용해 에너지 효율을 개선할 수도 있다"고 말했다.
그는 "이종 3D 통합 시스템의 신뢰성과 열 관리가 핵심 과제였는데, 우리가 대규모 상용화에 필요한 마지막 단계를 열었을 수 있다"고 덧붙였다.