가습기 원리로 만들어지는 반도체… 박막 성장 과정 관찰 성공

- 반도체 성장 모니터링 시스템으로 미스트 이동 변화 확인
- 초광대역 전력반도체의 상용화에 기여 기대

가습기 원리를 이용하여 고효율 전력반도체 소자를 만들 수 있을까? 일본 플로스피아社에서는 가습기 원리를 이용하여 제작한 산화갈륨 전력소자 시제품을 선보이며 상용화를 준비하고 있다. 국내에서도 이러한 연구개발이 진행되고 있다.
  한국세라믹기술원(원장 유광수)은 배시영·하민탄 박사 연구팀이 반도체 성장 모니터링 시스템을 통해 미스트(물방울 안개)를 이용한 산화갈륨 반도체 박막의 성장을 관찰하는데 성공했다고 지난달 12일 밝혔다.
  미스트를 이용한 산화갈륨 박막 소재의 성장 속도 및 균일도를 향상시킬 수 있는 실마리를 제공함으로써 초광대역 전력반도체의 상용화를 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다. 
  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)¹⁾ 현상을 수 밀리초 단위의 영상으로 촬영하여 성장 과정을 관찰하였다.
연구팀은 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.
  배시영 박사는 “다년간 축적된 미스트 성장 기술 노하우를 통해 전력반도체 뿐만 아니라 자외선 검출을 통한 의료 및 안전센서 등에도 활용이 가능하다”고 말했다.
  이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 기초 연구사업과 산업통상자원부 세라믹전략기술사업의 지원을 통해 수행되었으며, 연구성과는 ‘어드밴스드 머티리얼즈 인터페이스(Advanced Materials Interfaces)’에 3월 23일 표지논문으로 게재됐다.

<그림 1> 라이덴프로스트 효과에 의해 침적되는 물방울의 이동 개요도
물방울은 상온에서는 중력에 의해 표면에서 고정되는데 반해 고온에서는 견인력의 작용을 받아 이동한다. 본 연구에서는 초고속 카메라로 촬영된 물방울의 움직임과 계산을 통해 도출된 물방울의 궤적을 비교하였다.

<그림 2> 고온 성장 기판의 경사각 변화에 따른 물방울의 이동 궤적을 촬영한 스틸 사진
기판의 경사각이 22.5°에서 67.5°로 커져감에 따라 물방울이 이동하는 궤적의 입사각은 줄어들며 이동거리는 135에서 790 마이크로미터까지 늘어난다. 경사각 증가에 따른 미스트의 표면 이동량 증가는 박막 성장률 향상에 기여한다.

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