『신기술 1』 차세대 반도체 소재·소자 기술개발
2024-04-15

차세대 반도체 소재·소자 기술개발
산화갈륨 및 고성능 소자
전력반도체 소자는 소재·부품·장비 관련 12대 국가전략기술 중 하나다. 모빌리티, 양자통신, 전기차, 태양광 및 풍력발전, 전력전송, 국방, 우주항공, 양자컴퓨터 등 국가 산업 전반에 쓰이는 핵심 부품이다. 현재 95% 이상이 해외 수입에 의존하고 있다. 국내 연구진이 차세대 전력반도체로 불리는 산화갈륨(Ga2O3) 전력반도체의 핵심소재 및 소자 공정기술 개발에 성공했다. 이어 초고속 구동이 가능하고 온도가 낮아질수록 성능이 더욱 향상되어 고주파수 대역 및 극저온에서의 활용 가능성이 기대되는 고성능 2차원 반도체 소자 개발에 성공하였다. 반도체 소재와 소자 기술개발 근황을 소개한다.


정리 편집부
자료 및 이미지 ETRI, KAIST

산화갈륨은 최근 들어 전 세계적으로 매우 활발히 연구되고 있는 차세대 전력반도체 핵심소재다. 일본과 미국이 기술적 우위에 있고 이번 기술개발로 격차가 줄어들게 되었다. 한국전자통신연구원(ETRI)은 한국세라믹기술원(KICET)과 함께 국내 최초로 3kV급1) 산화갈륨 전력반도체 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(모스펫, MOSFET2)) 소자기술을 개발했다고 밝혔다. 세계 최초로 시도된 플랫폼형 단일 연구단 프로젝트에서 상용화 기술까지 체계적으로 연계되어 개발된 성공적인 연구개발 사례다.따라서 이번 차세대 산화갈륨 전력반도체 소재 및 소자 기술의 국산화는 국가 전략기술의 자립화 측면에서 매우 큰 의미가 있다.


산화갈륨 공정기술 개발
연구진이 개발에 성공한 산화갈륨 에피3)소재 기술은 단결정 기판 위에 고품질의 전도성을 갖는 여러 층의 박막을 성장시키는 공정이다. 한국세라믹기술원 전대우 박사 연구팀은 세계적으로 대구경 에피소재 양산기술로 기대되는 금속유기화학기상증착법(MOCVD4))을 활용해 고품질 베타 산화갈륨 에피소재 성장기술 국산화에 성공했다.

기술은 에피소재의 두께를 십억 분의 1미터인 나노미터(㎚) 크기에서 1백만 분의 1미터인 마이크로미터(㎛) 단위까지 자유롭게 만들 수 있다. 전자농도 또한 광범위하게 조절할 수 있다. 이로써 다양한 크기의 전압과 전류 성능을 갖는 전력반도체 소자 개발이 쉬워져 한층 더 양산기술에 가까워졌다.

아울러 연구진이 개발에 추가로 성공한 산화갈륨 소자공정 기술은 에피소재 기판 위에 미세 패턴 형성, 저손상 식각, 증착 및 열처리 공정 등을 통해 전력반도체 소자를 제작하는 웨이퍼 스케일 집적화 공정기술이다.

ETRI 문재경 박사 연구팀은 해외 상용 에피소재가 아닌 KICET 연구팀에서 직접 개발한 에피소재를 사용해 성능이 더 우수한 3kV급 모스펫(MOSFET) 소자를 개발해 낸 셈이다. 먼저, 누설전류를 피코암페어(pA·조분의 1A) 수준으로 줄일 수 있는 새로운 에피구조를 개발했다. 그리고, 항복전압을 3kV 이상으로 대폭 향상시킬 수 있는 소자 및 공정기술을 새롭게 개발해 이뤄낸 결과다.

이번 산화갈륨 전력반도체 기술 국산화는 현재 질화갈륨(GaN), 탄화규소(SiC) 등 와이드밴드갭(WBG5)) 전력반도체 기술이 대부분 해외에 의존하고 있는 상황에서 차세대 글로벌 경쟁력 향상과 신시장 선점을 위해 매우 중요한 기술이다.

연구진은 이번 산화갈륨 에피소재와 전력반도체 모스펫(MOSFET)소자 기술이기존 전력반도체 보다 1/3~1/5배 수준으로 제조비용을 줄일 수 있어 국산화를 통해 우리나라가 차세대 전력반도체 고부가가치 산업에서 주도권을 확보할 수 있게 되었다고 설명했다. 또한, 산화갈륨 반도체는 물성이 더 우수하여 더 높은 전압까지 견딜 수 있어 전력반도체 소자의 크기를 50% 이하로 줄여 소형화가 가능할 뿐만 아니라 전력변환 효율도 높다. 따라서 전력반도체 소자의 성능을 10배 이상 향상시킬 수 있어 기존 전력반도체 대비 소자의 가격 경쟁력까지 20배 이상 높일 수 있다.

산화갈륨 전력반도체 소자는 전력변환 효율을 높이면서 동시에 인버터 및 컨버터 시스템의 크기도 1/10 이하로 줄일 수 있다고 설명했다. 향후 전력 송배전망, 고속철도, 데이터센터, 양자컴퓨터, 전기자동차 등 전력 사용이 많은 산업분야에 적용하면 에너지 절감효과가 커질 것으로 기대된다. ETRI는 4미크론 두께의 도금공정을 이용한 세계 최초의 4인치 산화갈륨 전력반도체 MOSFET 소자 공정 및 상용화 기술 개발에 집중하고 있다. 따라서 향후 국내 기술로 개발된 4인치급 대면적 에피소재 및 소자 공정 기술을 활용한 산화갈륨 전력반도체 양산기술 확보도 가능할 것으로 보인다.

2023년 일본 야노경제연구소 발표에 따르면, 2030년 전 세계 전력반도체 시장은 약 49조 원 규모, 산화갈륨 시장은 1조 7000억 원 규모로 성장할 것으로 예측된다. 한국세라믹기술원 전대우 책임연구원은 “차세대 전력반도체의 핵심 소재인 산화갈륨 에피 소재의 국산화는 국내 전력반도체 제조원가의 40% 이상을 차지하는 에피소재의 원가 절감과 소재 자립화를 가능하게 할 것이다”고 말했다.

ETRI 문재경 프로젝트 총괄책임자도 “산화갈륨 전력반도체를 시스템에 적용하는 시기를 한층 더 앞당길 것으로 생각한다. 세계 최초로 수 kV급 산화갈륨 전력반도체 MOSFET 소자를 상용화할 계획이다”고 밝혔다.
고성능 2차원 반도체 소자 개발에 성공
KAIST 연구진이 초고속 구동이 가능하고 온도가 낮아질수록 성능이 더욱 향상되어 고주파수 대역 및 극저온에서의 활용 가능성이 기대되는 고성능 2차원 반도체 소자 개발에 성공하였다.

전기및전자공학부 이가영 교수 연구팀이 실리콘의 전자 이동도와 포화 속도6)를 2배 이상 뛰어넘는 2차원 나노 반도체 인듐 셀레나이드(InSe)7)기반 고이동도, 초고속 소자를 개발했다고 지난 20일 밝혔다.
연구진은 고이동도 인듐 셀레나이드에서의 2.0×107cm/s를 초과하는 우수한 상온 전자 포화 속도 값을 달성하였는데, 이는 실리콘과 다른 유효한 밴드갭을 지니는 타 2차원 반도체들의 값보다 월등히 우수한 수치이다. 특히 80K으로 냉각시 InSe의 전자 포화 속도는 최대 3.9×107cm/s로 상온 대비 50% 이상 향상되는데, 이는 전자 포화 속도가 약 20% 정도만 상승하는 실리콘 그리고 냉각하여도 포화 속도에 거의 변화가 없는 그래핀 대비 주목할만하다. 인듐 셀레나이드의 전자 포화 속도를 체계적으로 분석하여 보고한 것은 이번이 처음이며, 연구진은 전자 포화 속도 양상의 결정 기제 또한 규명하였다.

이번 연구를 주도한 석용욱 학생은 “고성능 소자 개발을 통해 2차원 반도체 InSe의 높은 전자 이동도와 포화 속도를 확인할 수 있었다”며 “실제 극저온 및 고주파수 구동이 필요한 응용 기기에의 적용 연구가 필요하다”라고 덧붙였다.
이가영 교수는 “고주파수 전자 시스템 구현에는 높은 포화 속도가 요구되는데 이번에 개발한 고성능 전자 소자는 초고속 구동이 가능하여 5G 대역을 넘어 6G 주파수 대역에서의 동작이 가능할 것으로 예측된다”며 “저온으로 갈수록 소자의 성능이 더욱 향상되어 퀀텀 컴퓨터의 양자 제어 IC(Integrated circuit)와 같이 극저온 고주파수 구동 환경에 적합하다.”라고 말했다.

KAIST 전기및전자공학부 석용욱 박사과정 학생이 제1저자로 참여한 이번 연구는 나노과학 분야 저명 국제 학술지 <ACS Nano>에 2024년 3월 19일 정식 출판됐으며 동시에 저널 표지 논문으로 채택됐다.8) 
1) 3kV급: 도시철도, 지하철, 초급속 전기차 충전기 등에 응용이 가능한 전압 수준이다. 산화갈륨 3kV급 전력반도체를 전기차 초급속 충전기에 적용할 경우, 충전시간이 30분대에서 20분 이하로 대폭 줄어들 수 있다.  
2) 모스펫(MOSFET, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor): 금속-산화막-반도체 전계효과 트랜지스터이다. 
3) 에피: 결정 기판 위에 방향성을 가지고 성장된 결정막, 에피층에 도핑 농도를 조절함으로써 전류가 흐르거나 전기적인 격리가 이루어졌다. 일반적으로는 에피층의 도핑 농도가 낮고 두꺼워질수록 전압과 저항이 증가했다.
4) Metal-Organic Chemical Vapor Deposition: 고성능 반도체 소자 제작에 필요한 고품질 에피층을 성장시키는 방법으로 에피소재 상용화를 위한 핵심 공정기술이다.
5) 밴드 갭(Band gap): 전자가 차 있는 원자가띠와 전도띠 사이 존재하는 에너지 간격. 원자가띠와 전도띠가 겹쳐진 물질을 도체, 작은 틈이 존재하면 반도체, 큰 틈이 존재하면 부도체라고 한다. 와이드(넓음): 에너지 밴드갭 (Eg) 크기가 2eV 이상 매우 큰 반도체, 질화갈륨과 탄화규소가 대표적인 상용 반도체이다.
6) 포화 속도(Saturation velocity): 반도체 물질 내에서 전자나 정공이 움직일 수 있는 최대 속도를 가리킨다. 포화 속도는 포화 전류량 및 차단 주파수(Cutoff frequency) 등을 결정하며 반도체의 전기적 특성을 평가할 수 있는 핵심 지표 중 하나이다.
7) 인듐 셀레나이드(InSe): 인듐과 셀레늄으로 이루어진 무기 화합물로 2차원 층간 반데르발스 결합을 이루고 있다. 
8) 논문명: <High-Field Electron Transport and High Saturation Velocity in Multilayer Indium Selenide Transistors>

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