탄화규소(SiC) 전력반도체 기판소재 고품질화 핵심기술 개발

용액성장법으로 얻은 탄화규소 단결정 성장공정 모습.(자료제공: KICET)

한국세라믹기술원(원장 유광수)은 에너지 효율소재센터 정성민·신윤지 박사 연구팀이 산업통상자원부 전략적핵심소재기술개발 사업을 통해 세계 최고 수준의 전력반도체 용 탄화규소 단결정 기판 제조기술을 개발 했다고 12월 28일 밝혔다.

전력반도체 기판으로 활용되는 탄화규소 (SiC) 단결정 기판소재는 기존 널리 사용되 는 실리콘 기판보다 우수한 열적·전기적 특 성을 갖고 있어 고전압·고전류 특성이 필요 한 항공·우주·전기차 등 에너지 산업에 적용 되기 시작하여 시장이 폭발적으로 증가추 세에 있으나, 재료 특성상 결함이 많아 반도 체 집적회로에 적용될 수 있는 고신뢰성의 기판을 제조하는 것이 매우 어려워 결함을 최소화할 수 있는 단결정 성장기술이 필요 하다.

연구팀은 기존의 승화법이 아닌 용액성장법 을 통해 직경 2인치급(50mm) 탄화규소 단결 정 기판을 제조하였으며, 제곱센티미터당 결 함밀도 270개 이하의 고품질의 기판을 제조 할 수 있는 원천기술과 공정기술을 개발했다. 용액성장법은 상대적으로 안정적인 열적 평 형상태에서 결정을 성장시키기 때문에 결함 이 적은 단결정을 성장시킬 수 있으나 변수 가 많고 공정제어가 매우 까다로운 단점이 있었다.

이러한 단점을 극복하기 위해 연구팀은 동의대학교·(주)악셀·일진디스플레이(주) 등과 협력을 통해 핵심 원천기술을 확보하고 공 정기술을 최적화하였다.

개발된 용액성장 탄화규소 단결정 기판의 결함수준은 제곱센치미터당 결함밀도 270 개 이하인 것으로 확인되었으며, 기존 프라 임급의 상용 탄화규소 기판이 제곱센치미터 당 결함밀도 1,000개 이상인 점과 비교해볼 때 품질을 약 4배 향상시켰다.

특히, 고품질 탄화규소 단결정 용액성장기 술이 적용된 기판의 품질은 세계 최고수준 에 해당한다. 전세계 탄화규소 반도체 소자 시장규모는 22년에 10억 8300만 달러를 넘 어서는 등 급증세이나, 탄화규소 반도체의 핵심소재인 기판소재는 아직 품질문제 등 으로 국산화되지 못하여 100% 수입에 의존 하고 있다.

이번에 개발한 고품질 탄화규소 단결정 기 판 제조기술은 국내 탄화규소 기판소재의 품질을 단시간에 향상시킬 수 있어 아직 사 업화 실적이 미약한 국내 전력반도체 산업 의 육성 및 세계 시장 점유율 확대에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

정성민 박사는 “고품질 탄화규소 단결정 용 액성장기술은 후발주자인 우리나라의 기판 시장 진입을 가속화할 수 있는 핵심적인 소 재원천기술”이라며 “후속 연구를 진행해 국 내 기업이 하루 빨리 고품질 탄화규소 기판 제품을 양산할 수 있도록 노력하겠다”라고 말했다.