차세대 산화갈륨 전력반도체 소자 국산화 성공
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전력반도체는 전자기기의 전력을 제어하는 반도체로, 전기차, 양자컴퓨터, 고속철도, 데이터센터, 전력생산 및 송전망 등에서 광범위하게 사용하는 핵심 부품이다.
아울러 ETRI는 4㎛ 두께 도금공정을 이용한 세계 최초 4인치 산화갈륨 전력반도체 MOSFET 소자 공정 및 상용화 기술 개발에 집중하고 있다.
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전력반도체는 전자기기의 전력을 제어하는 반도체로, 전기차, 양자컴퓨터, 고속철도, 데이터센터, 전력생산 및 송전망 등에서 광범위하게 사용하는 핵심 부품이다.
때문에 전력반도체 소자는 12대 국가전략기술 중 하나로 꼽히지만, 현재 95% 이상을 수입에 의존하고 있다.
차세대 산화갈륨 소재·소자 국산화
한국전자통신연구원(ETRI)은 차세대 전력반도체인 ‘산화갈륨 전력반도체’의 핵심소자 공정기술을 한국세라믹기술원(KICET)과 공동 개발했다고 1일 밝혔다.
산화갈륨 전력반도체는 우수한 물성으로 높은 전압을 견딜 수 있어 소자 크기를 기존대비 절반 이하로 줄여 소형화시킬 수 있고, 전력변환 효율도 높아 성능을 10배 이상 향상시킬 수 있다.
이에 따른 가격 경쟁력은 기존 전력반도체 대비 20배 이상일 것으로 추정된다.
이번에 공동연구팀이 국내 최초로 개발한 3㎸급 ‘산화갈륨 전력반도체 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(모스펫, MOSFET) 소자 기술’은 전력변환 효율을 높이는 동시에 인버터 및 컨버터 시스템 크기를 기존 1/10 이하로 줄일 수 있다.
이번 성과는 KICET 전대우 박사팀이 개발한 에피소재를 토대로 ETRI 문재경 박사팀이 성능이 향상된 3㎸급 모스펫 소자를 개발한 데 의의가 있다.
에피 기술은 단결정 기판 위에 고품질의 전도성을 갖는 여러 층의 박막을 성장시키는 공정으로, KICET 연구팀은 금속유기화학기상증착법(MOCVD)을 활용해 고품질 베타 산화갈륨 에피 소재 성장기술 국산화에 성공했다.
또 연구팀은 에피 소재 기판 위에 미세 패턴을 형성하고, 저손상 식각 및 증착·열처리 공정 등을 통해 전력반도체 소자를 제작하는 웨이퍼 스케일의 산화갈륨 소자공정기술을 개발했다.
이를 활용해 ETRI 연구팀은 누설전류를 피코암페어(㎀, 1조 분의 1암페어) 수준으로 줄일 수 있는 새로운 에피 구조를 개발하고, 여기에 항복전압을 3㎸ 이상으로 대폭 향상시킨 소자 및 공정기술을 새로 추가했다.
이번 성과로 현재 질화갈륨(GaN), 탄화규소(SiC) 등 와이드밴드갭(WBG) 전력반도체 기술 대부분을 해외에 의존하는 상황을 탈피, 미래 글로벌 경쟁력을 확보할 수 있게 됐다.
특히 산화갈륨 에피 소재와 전력반도체 모스펫(MOSFET)소자 기술은 기존 전력반도체 대비 1/5 수준으로 제조비용을 줄일 수 있어 우리나라가 차세대 전력반도체 산업에서 주도권을 확보할 수 있을 전망이다.
아울러 ETRI는 4㎛ 두께 도금공정을 이용한 세계 최초 4인치 산화갈륨 전력반도체 MOSFET 소자 공정 및 상용화 기술 개발에 집중하고 있다.
이에 따라 향후 국내 기술로 개발된 4인치급 대면적 에피 소재 및 소자 공정 기술을 활용한 산화갈륨 전력반도체 양산기술을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 프로젝트를 총괄한 ETRI 문 박사는 “산화갈륨 전력반도체를 시스템에 적용하는 시기를 앞당기고, 세계 최초로 ㎸급 산화갈륨 전력반도체 MOSFET 소자를 상용화할 계획”이라고 말했다.
KICET 전 박사도 “차세대 전력반도체 핵심 소재인 산화갈륨 에피 소재의 국산화로 원가 절감과 소재 자립화를 가능하게 할 것”이라고 밝혔다.
대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com
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