작성일 : 21-03-09 17:09
전기연 방욱·나문경 전력반도체연구센터 박사팀, 장비 비용 절반 낮춘 탄화규소 소재 기술 개발 , 日 점유 '전력반도체 결함 분석기' 국산화 성공
 글쓴이 : happy
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日 점유 '전력반도체 결함 분석기' 국산화 성공 

  •  이유진 기자
  •  
  •  승인 2021.03.08 11:00
 

전기연, 장비 비용 절반 낮춘 탄화규소 소재 기술 개발

‘전력반도체용 SiC 소재 결함 분석 및 평가기술'을 개발한 (왼쪽부터) 정현진·방욱·나문경 한국전기연구원 전력반도체연구센터 연구원. [사진=전기연 제공]
‘전력반도체용 SiC 소재 결함 분석 및 평가기술'을 개발한 (왼쪽부터) 정현진·방욱·나문경 한국전기연구원 전력반도체연구센터 연구원. [사진=전기연 제공]
전력이 필요한 곳이면 어디서든 사용되는 산업 핵심 부품 '전력반도체 결함 분석 기기'가 국내에서 개발됐다. 기존 세계시장 80% 이상을 점유했던 일본 기술보다 절반가량 저렴한 동시에 동등 이상의 성능을 보인다.

한국전기연구원(원장 직무대행 부원장 유동욱)은 방욱·나문경 전력반도체연구센터 박사팀전력반도체 소자 시작점인 탄화규소(SiC, Silicon Caribide) 소재의 결함을 조기에 분석하고 평가할 수 있는 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.

전력반도체는 전력이 필요한 곳이면 필수적으로 활용되는 중요 부품으로, 전류 방향을 조절하고 전력 변환을 제어하는 등 사람의 근육과도 같은 역할을 한다. 전력반도체는 전기차, 신재생에너지, 5G 이동통신망 등 산업 핵심 기술로 꼽힌다.

전력반도체 핵심인 제어 효율을 유지하는 소재는 기존 실리콘(Si)에서 탄화규소(SiC)로 대체되는 추세다. 우수한 열적·전기적 특성을 지닌 탄화규소는 뛰어난 내구성과 범용성, 동작 온도·속도, 높은 효율성 등을 자랑하며 기존 실리콘 전력반도체 시장을 빠르게 대체하고 있다. 

하지만 탄화규소 소재는 재료 특성상 눈에 보이지 않는 내부 결정 결함(dislocation)이 있어, 반도체 소자의 성능을 저하시키는 주요 원인 중 하나다. 이러한 결정 결함은 워낙 복잡하고 규명하기 어려워 반도체 소자 구동 초기부터 특성을 저하시키는 경우가 있고, 사용 중에 점차 특성이 변화돼 문제를 일으키는 경우도 있다. 

따라서 우수한 성능의 탄화규소 전력반도체를 개발하는 것도 중요하지만, 추후 문제가 발생하지 않도록 결함을 검사하는 분석 기술이 반드시 필요하다. 현재 탄화규소 소재 검사 장비는 일본이 세계시장 80% 이상을 점유할 정도로 기술 난이도와 진입장벽이 높다. 장비 비용도 고가이다 보니 국내에서는 일부 웨이퍼 표본으로 성능을 검사하는 수준에 그치고 있다.

연구팀은 광여기발광(PL, Photoluminescece) 현상을 이용해 탄화규소 소재 결함을 검출하는 기술을 국내 최초로 개발했다. PL 분석법은 여기된(excited) 전자들이 다시 제자리로 돌아가는 단계에서 특정한 파장의 빛을 내게 되는 현상을 분석하는 기술이다. 즉 탄화규소 소재에 자외선(UV) 에너지를 보낸 뒤, 전자들이 내놓는 특정 파장을 분석해 결함 여부를 판단하는 것이다.

본래 탄화규소는 PL 방출 효율이 낮은 간접형 반도체(Indirect bandgap semiconductor) 물질로, 장비로 신호 검출이 어려웠다. 연구팀은 광학 검사장비 전문 업체 에타맥스(대표 정현돈)와의 협업을 통해 전력반도체용 탄화규소 소재 결함 분석 장비를 개발할 수 있었다. 

검사 대상·평가 항목에 따라 2개의 다른 파장 빛을 선택해 표면과 내부 결함을 검출하는 일본 제품과 달리, 이번에 개발한 장비는 단 하나의 레이저 파장만으로도 탄화규소 소재 파괴 없이 다양한 결함을 검사할 수 있다. 검사 정밀도 등 장비 성능은 일본 장비와 동등 이상의 수준을 보였다. 

연구팀은 업체와의 기술이전·상용화 라인 구축을 통해 검사 장비 가격도 일본 제품(약 14억) 대비 절반 수준으로 공급할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

나문경 박사는 "그동안 고난도의 탄화규소 전력반도체 분야 시장 선점을 위한 소재 원천연구와 이를 활용한 소자 개발에 중심을 뒀다면, 이제는 개발된 제품의 신뢰성과 품질을 확보할 수 있는 다양한 평가 방법을 개발해 탄화규소 전력반도체의 '설계-공정-평가'까지 이어지는 통합 제작라인을 구축한 것"이라며 "지속적인 연구를 통해 평가 대상(다이아몬드 등 광대역 반도체)의 확대와 분석기법의 다양화·정밀화가 이루어질 수 있도록 할 것"이라고 말했다.

연구팀은 개발 기술과 관련한 원천특허 출원을 완료했으며, 에타맥스와의 지속적인 협력을 통해 장 업그레이드와 조기 상용화를 추진한다는 목표다.
 
전력반도체용 SiC 소재 결함 분석 장비. [사진=전기연 제공]