[한국기술뉴스] 한국세라믹기술원 배시영·하민탄 박사 연구팀은 반도체 성장 모니터링 시스템을 통해 미스트를 이용한 산화갈륨 반도체 박막의 성장을 관찰하는데 성공했다고 밝혔다.

최근 전기자동차, 고속철도, 대형선박, 고전력 전송 등 초고전력 전기장치의 보급과 해가 갈수록 늘어가는 전력 수요로 인해 초고효율 전력반도체에 대한 시장의 관심이 높아지는 가운데, 기존 전력반도체 소재의 성능을 뛰어넘는 초광대역(Ultra-Wide Bandgap) 반도체 소재 개발에 대한 관심이 뜨겁다.

그 중 미스트를 이용하여 성장되는 산화갈륨 반도체 박막 소재는 기존 실리콘 소재 대비 6% 이상의 고효율 전력변환 특성과 무진공을 적용한 간단한 공정설비로 인한 우수한 가격경쟁력 때문에 주목받고 있다. 하지만, 성장되는 산화갈륨 박막의 균일도와 성장률이 낮고, 미스트의 움직임에 대한 예측이 어려워 효율적인 성장 조건을 찾는데 한계가 있었다.

특히, 미스트 주입 조건에 따라 박막의 성장과정 변화를 확인 할 수 없어 성장이 완료된 시료를 통해서만 미스트 거동을 추론하는 등 성장 메커니즘에 대한 인과관계를 파악할 수 없었다.

이러한 한계를 극복하고자 연구팀은 초고속카메라가 부착된 반도체 성장 모니터링 시스템을 구축하고 성장 공정 변화에 따른 미스트의 움직임을 분석하였다.

반도체 기판 위에서 온도, 유속, 기판 경사각 등의 성장 변수를 제어하여 미스트의 라이덴프로스트(Leidenfrost) 현상을 수 밀리초 단위의 영상으로 촬영하여 성장 과정을 관찰하였다.

특정 온도 이상의 조건에서 수 마이크로미터 크기의 물방울이 점핑하는 현상에 대해 유속 및 기판 경사각을 변화시켜가며 실험한 결과, 기판의 기울기가 커질수록 점프하는 물방울의 이동거리와 지속시간이 2배 이상 커져 반도체 박막 성장률이 향상됨을 확인하였다.

한국세라믹기술원 배시영 박사는 “다년간 축적된 미스트 성장 기술 노하우를 통해 전력반도체 뿐만 아니라 자외선 검출을 통한 의료 및 안전센서 등에도 활용이 가능하다”고 말했다. 

연구결과는 ‘어드밴스드 머티리얼즈 인터페이스(Advanced Materials Interfaces)’에 3월 23일 게재됐다.