“왜 반도체 원료는 꼭 실리콘을 써야 하나요. 고정관념 아닌가요. 저는 약 25년 전부터 다른 화합물을 기반으로 한 반도체 신기술을 연구했어요.”
황철주 주성엔지니어링 회장이 17일 경기도 용인 R&D 센터에서 진행한 서울경제신문과의 인터뷰에서 “주기율표상 4족 화합물인 실리콘 대신 3족과 5족 원소를 결합한 3-5족 화합물인 질화갈륨(GaN) 등을 쓰면 공정을 초미세화하지 않고도 전자이동 속도를 높이고 전력 사용량과 발열량은 줄일 수 있다”고 설명했다. 반도체 실리콘 웨이퍼(기판)의 한정된 공간에 칩을 많이 넣을수록 기술적 난도가 높아지고 속도도 느려지는데 역발상을 통해 해결의 실마리를 찾았다는 것이다. 황 회장은 이 같은 접근법을 활용할 수 있는 차세대 원자층증착(ALD·웨이퍼를 여러 차례 특수 물질로 균일하게 코팅) 장비를 개발해 3년 뒤에는 반도체 양산 공정에 투입할 수 있을 것으로 내다봤다.
현재 반도체사들은 8·12인치 같은 실리콘 웨이퍼에 더 많은 칩을 넣기 위해 경쟁한다. 이를 위해 회로의 선폭을 ㎚(나노미터·10억분의 1m) 단위까지 초미세화하면서 기술 한계에 부딪히고 있다. 그럼에도 현재 반도체 트랜지스터의 채널은 실리콘 기판 위에서만 형성이 가능해 무려 2나노 경쟁까지 벌이는 실정이다. 황 회장은 “3-5족 화합물 반도체를 쓰면 기존 반도체 기술의 패러다임에 새로운 방향을 제시할 수 있다”며 “물질의 특성상 공정을 미세화하지 않아도 전자 이동 속도가 빠르다”고 했다.전자 이동도와 정공 이동도 측면에서 실리콘이 각각 1400㎠/Vs, 600㎠/Vs인데 비해 3-5족 화합물인 GaN 반도체는 둘 다 2,000㎠/Vs나 된다는 것이다.
기존 3-5족 화합물 반도체는 1000도 이상 고온 공정에서 하부 구조와 재료의 품질이 뒷받침돼야 구현할 수 있었다. 탄소 함량이 높아 결정 결함이 많고 박막이 두꺼웠기 때문이다. 황 회장은 “수많은 시행착오 끝에 낮은 온도에서 하부 재료의 종류와 무관하게 결정 결함 없이 박막 증착이 가능한 기술을 개발했다”며 “기판에 상관없이 위로 쌓을 수 있어 생산성이 크게 증가하고 원가 혁신을 꾀할 수 있다”고 했다. 3-5족 화합물을 ALD 장비로 여러 차례 증착하고 반복적으로 빛으로 회로를 새기는 공정을 거쳐 위로 계속 쌓을 수 있다는 것이다. 이렇게 되면 네덜란드 ASML만이 갖고 있는 초고가 극자외선(EUV) 노광장비의 필요성이 줄어들고 기존 실리콘 웨이퍼가 아닌 다양한 기판을 사용할 수 있게 된다.
황 회장은 “3-5족 물질 ALD 박막 증착은 탄소 함량이 없어 10㎚ 이하 두께에서도 유리 기판에 저온으로 증착이 가능하다”며 “반도체뿐 아니라 태양광·디스플레이로 확장이 가능하다”고 강조했다. 3-5족 물질 ALD 박막 증착의 경우 탄소 함량이 없어 10nm 이하 두께에서도 유리기판에 저온으로 증착이 가능해 무기발광 디스플레이의 원가 절감과 마이크로미터(㎛) 단위 픽셀 구현으로 이어질 수 있다는 것이다. 한편 반도체 기술을 바탕으로 전기에너지를 빛으로 전환하면 디스플레이가 되고 역으로 빛에너지를 전기로 전환하면 태양광이 된다.
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