전기연구원, SiC 전력반도체 ‘킬러 결함’ 구조 규명

KERI가 SiC 전력반도체 공정에서 발생하는 거대 사다리꼴 결함의 복잡한 내부 구조와 원자 단위에서 진화 과정을 세계 최초로 밝혀냈다.

한국전기연구원(KERI) 차세대반도체연구센터 나문경 박사팀이 충남대 홍순구 교수팀, 호리바에스텍코리아와 공동으로 탄화규소(SiC) 전력반도체 제조 과정에서 발생하는 ‘킬러 결함’의 내부 구조와 발생 원리를 규명했다. SiC 전력반도체는 규소(Si)와 탄소(C)가 1대1로 결합한 화합물반도체다. 기존 실리콘 전력반도체보다 높은 전압과 고온 환경을 견딜 수 있어 전기차·인공지능(AI) 데이터센터·고성능 전력변환 장치 등에 활용된다.

SiC 전력반도체는 기판 위에 탄소와 실리콘 원자를 한 층씩 쌓는 에피택시(Epitaxy) 공정을 거쳐 만들어진다. 이 과정에서 원자 배열이 어긋나면 적층 결함이 생기고, 반도체 칩의 수율을 낮출 수 있다.

공동 연구팀은 이 가운데 길이 약 1㎜에 이르는 막대 모양의 사다리꼴 결함(TZD·Trapezoidal Defect)에 주목했다. 이 결함은 전류 흐름을 방해하고 칩 성능을 떨어뜨리는 대표적인 구조 결함으로 알려져 있다.

연구팀은 광 발광 매핑, 스펙트럼 분석, 원자 수준 해석, 밀도범함수이론(DFT) 계산 등 8가지 분석 기법을 활용했다. 구미전자정보기술원의 고분해능 주사투과전자현미경(HR-STEM), 한국과학기술정보연구원 누리온 슈퍼컴퓨터, 포항방사광가속기 장비도 연구에 활용됐다.

분석 결과 사다리꼴 결함 내부에는 최대 32층으로 이뤄진 여러 결함이 복잡하게 얽혀 있는 것으로 확인됐다. 또 반도체 제조 과정에서 결함이 에피층으로 전파되고, 스스로 형태를 바꾸며 확장된다는 점도 확인했다.

나문경 KERI 박사는 “거대 사다리꼴 결함의 내부 구조와 진화 과정을 원자 단위에서 확인했다”며 “고품질 SiC 전력반도체 양산을 위한 수율 개선 연구의 기반이 될 수 있다”고 말했다.

연구 결과는 금속·무기재료 분야 국제학술지 ‘악타 머티리얼리아(Acta Materialia)’에 게재됐다. 논문은 투고 후 2개월 만에 게재가 확정됐다.

공동 연구팀은 앞으로 SiC를 넘어 와이드밴드갭(WBG) 등 차세대 전력반도체의 결함 생성 원리를 연구할 계획이다. 이번 연구는 산업통상자원부 ‘화합물전력반도체고도화기술개발사업’ 지원을 받아 수행됐다.

김나혜 인턴기자 kim.nahye1@joongang.co.kr