< 오른쪽부터 정성민 박사, 신윤지 박사 >

[한국기술뉴스] 전세계 탄화규소 반도체 소자 시장규모는 22년 10억 8300만 달러로 급증세이다. 하지만 탄화규소 반도체의 핵심소재인 기판소재는 품질문제 등으로 국산화되지 못하며 수입에 의존하고 있다.

한국세라믹기술원 에너지효율소재센터 정선민, 신윤지 박사 연구팀이 기존 실리콘 기판을 대체할 전력반도체용 탄화규소 단결정 기판 제조기술을 개발했다. 탄화규소(SiC)단결정 기판소재는 ‘우수한’ 열적·전기적 특성을 갖고 있어 전력반도체 기판으로 활용된다. 고전압·고전류 특성으로 항공·우주·전기차 등 에너지 산업에 적용되고 있다. 하지만 재료 특성상 결함이 반도체 직접회로에 적용하는 고신뢰성 기판을 제조하지 못하고 있다.

연구팀은 기존 승화법이 아닌 용액성장법으로 직경 2인치급(50mm) 탄화규소 단결정 기판을 제조했다. 제곱센티미터당 결함밀도 270개 이하 고품질 기판을 제조하는 원천기술이다. 용액성장법은 상대적으로 안정적인 열적 평형상태에서 결정을 성장시키기 때문에 결함이 적은 단결정을 성장시킬 수 있다. 하지만 변수가 많고 공정제어가 매우 까다로운 단점이 있었다. 

< 용액성장법으로 얻은 탄화규소 단결정 성장공정 모습 >

연구팀은 동의대학교·(주)악셀·일진디스플레이(주) 등과 협력을 통해 핵심 원천기술을 확보하고 공정기술을 최적화했다. 개발된 용액성장 탄화규소 단결정 기판은 제곱센치미터당 결함밀도가 270개 이다. 기존 프라임급의 상용 탄화규소는 제곱센치미터당 결함밀도가 1,000개 이상이다. 품질을 약 4배 향상시켰다. 국내 탄화규소 기판소재 품질을 단시간에 향상시킬 수 있어 국내 전력반도체 산업 육성에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

< 성장한 탄화규소 단결정을 원통가공 후 모습 >

한국세라믹기술원 정성민 박사는 “고품질 탄화규소 단결정 용액성장기술은 후발주자인 우리나라의 기판시장 진입을 가속화할 수 있는 핵심적인 소재원천기술”이라며, “후속 연구를 진행해 국내 기업이 하루 빨리 고품질 탄화규소 기판제품을 양산할 수 있도록 노력하겠다”라고 말했다.