차세대 탄화규소 전력반도체 대량생산 기술 개발

원자력연에서 개발한 탄화규소 반도체 웨이퍼의 모습이다. 중성자를 쫴 원자핵 중 극미량을 인으로 변환시키는 중성자 핵변환 도핑(NTD) 기술을 통해 인의 균일도를 크게 높였다. 원자력연 제공

국내 연구진이 차세대 전력반도체로 꼽히는 탄화규소(SiC) 전력반도체를 대량생산할 원천기술 확보에 성공했다.

한국원자력연구원은 10일 세계 최초로 ‘탄화규소 반도체 웨이퍼의 대량 도핑 기술’을 개발했다고 밝혔다.

전력반도체는 전기차와 신재생에너지 설비의 핵심 부품으로, 주로 실리콘(Si) 소재를 사용했으나 최근에는 전력 효율과 내구성을 극대화한 차세대 전력반도체 시장이 부상하고 있다. 특히 탄화규소와 질화갈륨(GaN), 산화갈륨(Ga2O3)이 3대 핵심소재로 꼽힌다.

이 중 탄화규소는 단단하고 고온에 강하며, 전력변환 시 손실이 적다. 또 높은 전력에 대한 제어능력이 실리콘 대비 600배 우수한 것으로 알려졌다. 다만 지금까지 탄화규소 소재의 웨이퍼를 작게 자른 소형 반도체 칩 단위에서 실험하는 수준이었다. 

이에 2018년부터 탄화규소 기반 전력반도체 연구에 돌입한 박병건 원자력연 하나로이용부 선임연구원팀은 상용되고 있는 탄화규소 웨이퍼 그대로, 여러 장을 한꺼번에 도핑하는 데 성공했다.

이번 원천기술에는 국내 유일의 연구용 원자로 하나로를 이용한 ‘중성자 핵변환 도핑(NTD)’ 기술이 주요 토대가 됐다. 부도체인 탄화규소 단결정(잉곳)에 중성자를 쫴 원자핵 중 극미량을 인(P)으로 변환시켜 반도체로 만드는 원리다. 인을 직접 주입하는 일반적인 화학 공정보다 인이 균일하게 분포된다.

연구팀은 이를 통해 중성자 도핑 균일도를 1% 이내로 유지했다. 균일도는 0에 가까울수록 균일함을 뜻한다. 기존 탄화규소 웨이퍼의 상용도핑 균일도가 6% 수준이었던 반면, 연구팀은 0.35% 수준으로 그 정확도를 높였다.

또 탄화규소 잉곳을 담는 도핑 장치를 이용해 하나로 수직 조사공에 직경 4인치(10.16㎝) 웨이퍼 1000장을 넣는 방식을 통해 대량 공정이 가능케 했다.

선광민 원자력연 하나로이용부장은 “이번 원천기술 확보를 발판 삼아, 2023년까지 탄화규소 전력반도체 도핑을 본격적으로 상업화하는 것이 목표”라고 말했다. 박원석 원자력연 원장은 “세계 최초라는 이름에 걸맞게 다가오는 차세대 전력 반도체 시장에서 우위를 점하는 데에 기여하겠다”고 밝혔다.

[서동준 기자 bios@donga.com]