'차세대 전력반도체 핵심' 3kV급 산화갈륨 소재·소자기술 개발

ETRI·KICET 공동연구진, "성능 10배·가격 경쟁력 20배 높여"
"산화칼륨 소재 해외 의존서 탈피" 기대

ETRI와 KICET 공동연구진이 개발한 전력반도체 모스펫(MOSFET) 소자(조각-2인치-4인치). 에트리 제공

국내 연구진이 차세대 전력반도체로 불리는 산화갈륨(Ga2O3) 전력반도체의 핵심소재 및 소자 공정기술을 개발했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 한국세라믹기술원(KICET)과 함께 국내 최초로 3kV급 산화갈륨 전력반도체 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(모스펫, MOSFET) 소자 기술을 개발했다고 1일 밝혔다. 세계 최초로 시도된 플랫폼형 단일 연구단 프로젝트에서 상용화 기술까지 체계적으로 연계해 개발한 성공적인 사례로 꼽힌다.

전력반도체 소자는 소재·부품·장비 관련 12대 국가전략기술 중 하나다. 이동 및 양자통신, 전기차, 태양광 및 풍력발전, 전력전송, 국방, 우주항공, 양자컴퓨터 등 국가 산업 전반에 쓰이는 핵심 부품이다.

하지만 현재 95% 이상 해외 수입에 의존하고 있다.

이에 따라 이번 차세대 산화갈륨 전력반도체 소재 및 소자 기술의 국산화는 국가 전략기술의 자립화 측면에서 매우 큰 의미가 있는 것으로 평가되고 있다.

연구진이 개발에 성공한 산화 갈륨 에피 소재 기술은 단결정 기판 위에 고품질의 전도성을 갖는 여러 층의 박막을 성장시키는 공정이다.

연구진은 세계적으로 대구경 에피 소재 양산 기술로 기대되는 금속 유기화학 기상증착법(MOCVD)을 활용해 고품질 베타 산화 갈륨 에피 소재 성장 기술 개발에 성공했다.

이 기술은 에피 소재 두께를 십억분의 1ｍ인 나노미터(㎚) 크기에서 100만분의 1ｍ인 마이크로미터(㎛) 단위까지 자유롭게 만들 수 있으며, 전자 농도도 광범위하게 조절할 수 있다.

이로써 다양한 크기의 전압과 전류 성능을 갖는 전력반도체 소자 개발이 쉬워져 한층 더 양산 기술에 가까워졌다.

연구진이 추가로 성공한 산화 갈륨 소자 공정 기술은 에피 소재 기판 위에 미세 패턴 형성, 저손상 식각, 증착 및 열처리 공정 등을 통해 전력반도체 소자를 제작하는 웨이퍼 스케일 집적화 공정 기술이다.

연구진은 이번 산화 갈륨 에피 소재와 전력반도체 모스펫(MOSFET) 소자 기술이 기존 전력반도체보다 3분의 1~5분의 1 수준으로 제조 비용을 줄일 수 있어 우리나라가 차세대 전력반도체 고부가가치 산업에서 주도권을 확보할 수 있게 됐다고 설명했다.

앞으로 전력 송배전망, 고속철도, 데이터센터, 양자컴퓨터, 전기자동차 등 전력 사용이 많은 산업 분야에 적용하면 에너지 절감 효과가 커질 것으로 기대된다.

문재경 박사는 "산화 갈륨 전력반도체를 시스템에 적용하는 시기를 한층 더 앞당길 것으로 생각한다"며 "세계 최초로 수 kV급 산화 갈륨 전력반도체 MOSFET 소자를 상용화할 계획"이라고 말했다.

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CBS노컷뉴스 지영한 기자 younghan@cbs.co.kr

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