반도체 소자의 재료 혁신 후보로 오래 거론돼 온 다이아몬드가 다시 연구 무대에 올랐다. 랩그로운 다이아몬드 전문 기업 다이아몬드 파운드리(Diamond Foundry)가 스탠퍼드대학교와 함께 소자 전체를 다이아몬드로 구성하는 '올-다이아몬드 트랜지스터' 연구를 진행하고 있으며, 동시에 다이아몬드 트랜지스터를 개발하는 여러 연구 그룹에 다이아몬드 기판을 공급하고 있다. 특정 제품의 출시나 성능 수치가 공개된 단계는 아니지만, 소자 연구를 뒷받침하는 기판 공급과 학계와의 공동 연구를 묶어 생태계를 넓히려는 움직임이라는 점에서 눈여겨볼 만하다.
왜 하필 다이아몬드인가
다이아몬드는 재료과학 교과서에서 전력·고주파 소자용 '궁극의 반도체' 후보로 꼽혀 온 물질이다. 밴드갭이 매우 넓어 높은 전압과 전계를 견디고, 열전도율이 알려진 고체 가운데 최상위권이라 소자가 만들어 내는 열을 빠르게 빼낼 수 있다. 전력 반도체에서 현재 주류로 올라선 실리콘카바이드(SiC)나 질화갈륨(GaN)보다도 이론적 한계가 높다고 평가받는 이유가 여기에 있다. 같은 전력을 다루면서 소자를 더 작고 뜨겁지 않게 만들 수 있다면, 전기차 인버터·전력 변환·고출력 RF 같은 영역에서 설계 여유가 크게 달라진다.
그러나 이 '이론적 우수함'과 '실제 동작하는 트랜지스터' 사이의 간극이 수십 년째 연구 과제로 남아 있다. 가장 큰 벽은 도핑이다. 실리콘처럼 불순물을 넣어 전하 운반자를 쉽게 만들어 내기가 다이아몬드에서는 매우 어렵고, 특히 전자를 다수 운반자로 쓰는 n형을 상온에서 안정적으로 구현하기가 까다롭다. 이 때문에 다이아몬드 트랜지스터 연구는 전통적인 벌크 도핑과는 다른 접근을 필요로 해 왔다.
표면 전이 도핑이라는 우회로
이번 연구에서 핵심 기법으로 언급된 표면 전이 도핑(surface transfer doping)이 바로 그 우회로에 해당한다. 다이아몬드 결정 내부에 불순물을 심는 대신, 수소로 종단 처리한 표면에 특정 물질을 접촉시켜 표면 근처에 정공(양전하 운반자) 층을 유도하는 방식이다. 결정 자체를 손상시키지 않고도 전류가 흐를 채널을 만들 수 있다는 점에서, 벌크 도핑의 한계를 피해 가는 현실적인 선택지로 연구돼 왔다. '올-다이아몬드'라는 표현은 채널뿐 아니라 기판까지 다이아몬드로 통일한 구조를 겨냥한 것으로 읽힌다.
여기서 다이아몬드 파운드리의 역할은 두 갈래다. 하나는 스탠퍼드와의 직접 공동 연구이고, 다른 하나는 품질 좋은 다이아몬드 기판을 외부 연구 그룹에 꾸준히 공급하는 '인프라 공급자' 역할이다. 소자 연구에서 기판의 결정 품질과 재현성은 결과를 좌우하는 변수이기 때문에, 균일한 기판을 안정적으로 받을 수 있다는 것만으로도 개별 연구실의 진입 장벽이 낮아진다. 재료 회사가 완제품 경쟁에 뛰어들기보다 공급망의 바닥을 깔아 생태계 전체의 속도를 끌어올리는 전략으로 볼 수 있다.
실무자가 읽어야 할 거리감
한국의 반도체·전력전자 실무자 입장에서 중요한 것은 기대의 눈금을 맞추는 일이다. 이 연구는 상용 공정이나 양산 로드맵이 아니라 소자 수준의 R&D 단계이며, 공개된 정량 지표도 없다. 다이아몬드 전자소자가 가진 구조적 과제—안정적인 n형 도핑, 대구경 웨이퍼 확보, 비용, SiC·GaN 대비 한참 뒤처진 공정 성숙도—는 이번 발표로 해소된 것이 아니다. 당장 설계 선택지에 올리기보다는, 전력·고주파 소자의 장기 재료 로드맵을 추적하는 선에서 의미가 있다.
그럼에도 주목할 지점은 분명하다. 재료 공급과 학계 공동 연구가 한 기업 안에서 맞물린다는 것은, 그동안 소재 수급 때문에 더뎠던 다이아몬드 소자 연구의 반복 주기가 빨라질 여지가 생겼다는 뜻이다. 실험 결과가 쌓이고 표면 전이 도핑의 안정성과 수명 문제가 풀려 간다면, 극한 환경·고출력 응용에서 다이아몬드가 '이론 속 재료'에서 '실험실의 소자'로 한 걸음 더 내려올 수 있다. 지금은 그 가능성의 초입을 확인하는 단계로 보는 것이 타당하다.