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 에피 소재와 모스펫 소자를 개발한 ETRI와 KICET 공동연구팀. ETRI 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.
전력반도체 모스펫. ETRI 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.
산화갈륨 에피 소재 성장 모식도. ETRI 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.
고효율 전력반도체용 산화갈륨 에피 소재. ETRI 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.
ETRI와 KICET 공동연구팀이 개발한 전력반도체 모스펫 소자. ETRI 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.
