- 첨단 공용 인프라 및 다각적 해석 기법 총동원, 측정 난제였던 사다리꼴 결함 구조 밝혀

- 금속·무기재료 분야 최상위 학술지 ‘Acta Materialia’ 투고 2개월 만에 초고속 게재 승인

한국전기연구원(KERI) 차세대반도체연구센터 나문경 박사팀이 충남대학교 홍순구 교수팀, 분석 전문 기업 호리바에스텍코리아와 공동 연구를 통해 SiC(탄화규소) 전력반도체 제조 과정에서 발생하는 치명적 불량인 ‘킬러 결함’의 내부 구조와 발생 원리를 세계 최초로 규명했다.

SiC 전력반도체는 고온·고압 환경에서 전류 방향과 전력 변환을 제어하는 핵심 부품으로, 최근 AI 데이터센터와 전기차 시장 확대로 고품질 제품 양산 기술 확보가 중요해지고 있다.

SiC 전력반도체는 기판 위에 탄소와 실리콘 원자를 정교하게 쌓는 ‘에피택시(Epitaxy) 공정’을 통해 제작된다. 원자 배열이 조금만 어긋나도 ‘킬러 결함(적층 결함)’이 발생해 반도체 칩 수율을 크게 떨어뜨릴 수 있다.

특히 길이 1mm에 달하는 막대 모양의 ‘사다리꼴 결함(TZD, Trapezoidal Defect)’은 칩 전체 성능을 저하시키는 대표적 결함으로 꼽힌다. 기존에는 크기와 형태만 다른 일반 결함으로 인식됐지만, 공동 연구팀은 결함 내부의 특이한 구조에 주목해 실체 규명에 나섰다.

연구팀은 광 발광 매핑·스펙트럼 분석·원자 수준 해석·밀도범함수이론(DFT) 계산 등 다각적 분석 기법을 적용하고, 구미전자정보기술원의 고분해능 주사투과전자현미경(HR-STEM), 한국과학기술정보연구원의 누리온 슈퍼컴퓨터, 포항방사광가속기 싱크로트론 장비 등 국가 연구 인프라를 활용해 1년 이상 연구를 진행했다.

그 결과 사다리꼴 결함 내부에는 최대 32층으로 구성된 다수의 결함이 복잡하게 얽혀 있으며, 제조 과정에서 에피층으로 전파되고 스스로 형태를 변화시키며 확장된다는 사실을 밝혀냈다. 이번 연구는 무결점 웨이퍼 생산과 SiC 전력반도체 양산 수율 향상에 기여할 것으로 기대된다.

KERI 나문경 박사는 “그동안 성능 저하 원인으로 지목됐던 거대 사다리꼴 결함의 복잡한 내부 구조와 진화 과정을 원자 단위에서 세계 최초로 밝혀낸 성과”라며 “고품질 SiC 전력반도체 양산을 위한 기술적 기반이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 금속 및 무기재료 분야 권위지인 

‘악타 머티리얼리아(Acta Materialia, JCR 상위 5% 이내, IF 10.7)’에 게재됐다. 심사가 까다로운 저널임에도 투고 후 2개월 만에 게재 승인되는 성과를 거뒀다.

공동 연구팀은 SiC를 넘어 와이드밴드갭(WBG) 등 차세대 전력반도체 소재의 결함 생성 원리를 심층 연구하고, 구조 결함 검증 기준을 확립해 국내 전력반도체 기술 경쟁력 강화에 기여할 계획이다.

한편 KERI는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이며, 이번 연구는 산업부 ‘화합물전력반도체고도화기술개발사업(주관기관 SK실트론)’ 지원으로 수행됐다.