KERI, SiC 결함 분석 및 평가기술 개발
눈에 보이지 않는 SiC 결정 결함 조기 관찰
에타맥스와 장비 개발, 日장비 가격 절반


최근 전력반도체 소재로 실리콘(규소; Si)보다 내구성, 범용성, 효율성이 우수한 실리콘카바이드(탄화규소; SiC)가 주목받고 있다. 하지만 SiC 소재는 눈에 보이지 않는 내부의 결정 결함(dislocation)이 있어 반도체 소자의 성능을 낮출 수 있다. 

한국전기연구원(KERI) 전력반도체 연구센터 방욱, 나문경 박사팀은 8일, SiC 소재의 결정 결함을 조기에 분석하고 평가하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

결정 결함은 복잡하고 규명하기 어려워 반도체 소자의 구동 초기부터 특성을 저하하는 경우가 있고, 사용 중에 특성이 변화되어 문제를 일으키는 예도 있다. 만약 전력계통 현장 설비, 도로 주행 중인 전기차의 SiC 전력반도체에 문제가 발생하면, 심각한 인명 및 재산 피해가 발생할 수 있다. 분석 기술이 필요한 이유다.

SiC 소재의 결함은 눈에 보이지 않고, 물질도 단단해 관찰하기 어렵다. 현재 SiC 소재 검사 장비는 일본이 세계시장의 80% 이상을 점유할 정도로 기술 난이도와 진입장벽이 높다. 장비 가격도 높다 보니 국내에서는 일부 웨이퍼 표본으로 성능을 검사하는 수준에 그치고 있다. 이에 연구팀은 광여기발광(Photoluminescece; PL) 현상으로 SiC 소재의 결함을 검출하는 기술을 국내 최초로 개발했다. 

PL 분석법은 여기된(excited) 전자들이 제자리로 돌아가는 단계에서 특정한 파장의 빛을 내게 되는 현상을 분석한다. 즉 SiC 소재에 자외선(UV) 에너지를 보낸 뒤, 전자들이 내놓는 특정 파장을 분석하여 정상인지 아닌지를 판단하는 것이다. 

SiC 소재는 PL 방출 효율이 낮은 간접형 반도체 물질로, 신호 검출이 어렵다. 연구팀은 광학 검사 장비 전문 업체인 ㈜에타맥스와 함께 PL 손실을 줄인 ‘전력반도체용 SiC 소재 결함 분석 장비’를 개발했다. 

이번에 개발된 장비는 검사 대상 및 평가 항목에 따라 2개의 다른 파장 빛을 선택해서 표면과 내부 결함을 검출하는 일본 제품과 달리, 단일 레이저 파장만으로도 SiC 소재의 파괴 없이 내부의 다양한 결함을 검사한다. 연구팀은 “장비의 성능은 일본 장비보다 동등하거나 그 이상”이라며, “장비 가격도 약 14억인 일본 제품 대비 절반 수준으로 공급할 수 있을 것으로 기대”했다.

KERI 나문경 박사는 “지속적인 연구를 통해 평가 대상을 다이아몬드 등 광대역 반도체 소재로 확대하고, 분석기법의 다양화와 정밀화가 이루어질 수 있도록 노력하겠다”라고 밝혔다. 연구팀은 해당 기술에 대한 원천특허 출원을 완료했고, 에타맥스와의 협력을 지속해 장비 업그레이드와 조기 상용화를 추진할 방침이다.

한편, 시장조사기관 IHS 마킷은 SiC 전력반도체 시장 규모가 2020년 약 7억 달러(약 7800억 원) 수준에서 연평균 32% 성장해 2030년 약 100억 달러(약 11조1400억 원) 수준으로 커질 것으로 전망했다.