세기원, 차차세대 전력반도체용 산화갈륨 에피 웨이퍼 국산화 성공

- 차세대 전력반도체(GaN)보다 성능이 우수한 새로운 전력반도체로 각광
- 일본 독점 공급의 사슬을 깰 단초 마련
- 실리콘 소재 대체시 연간 1440만톤 이산화탄소 저감

<산화갈륨(Ga₂O₃) 에피 소재를 성장시켜 국산화에 성공한 전력반도체용 2인치 에피 웨이퍼>(자료제공: KICET)

국내 연구진이 일본 독점 산화갈륨 에피 소재를 개발해 차세대 전력반도체 자립화에 기대를 모으고 있다.
한국세라믹기술원(KICET, 원장 유광수)은 전대우 광·전자부품소재센터 박사 연구팀이 일본이 독점 공급하고 있는 차차세대 전력반도체 소재인 산화갈륨(Ga₂O₃) 에피 소재를 성장시켜 2인치 웨이퍼의 국산화에 성공했다고 지난달 11일 밝혔다.
에피(epi)는 인조사파이어, 질화갈륨, 탄화규소, 실리콘, 산화갈륨 등 다양한 기판에 질화갈륨, 산화갈륨 등의 반도체 물질을 3차원적으로 원자스케일 규칙성을 갖도록 얇은 막으로 성장한 핵심 소재이다.

<초소형/고효율화를 위한 전력반도체 핵심 소재 개발 방향>

산화갈륨(Ga₂O₃) 소재는 기존 실리콘(Si)이나 차세대 전력반도체라 불리는 탄화규소(SiC)나 질화갈륨(GaN)보다 성능이 우수한 새로운 전력반도체로써 크게 산화갈륨 기판 소재와 에피 소재로 구분할 수 있으며, 산화갈륨 기판 소재는 일본에서 5년 전 상용화가 되었고 에피 소재도 일부 상용화에 성공하여 전 세계에 독점 공급하고 있다.
연구팀이 개발한 산화갈륨 에피 소재 웨이퍼는 수소화기상성장법(HVPE)을 이용하여 기판에 얇은 막을 성장시켜 넓은 영역의 전자농도 제어가 가능하고 기존 대비 높은 전자이동도 특성을 가지고 있다.
산화갈륨 에피 성장 기술은 수소화기상성장법(HVPE), 금속유기화학기상증착법(MOCVD), 분자선에피성장법(MBE), 분무화학기상증착법(Mist-CVD)까지 4개의 성장 기술이 있으며, 이 중 HVPE성장법은 높은 성장속도, 농도제어 용이, 낮은 유지비용, 대면적화 가능성으로 현재 유일한 상용 기술로 평가받고 있다. 제조비용이 탄화규소(SiC)나 질화갈륨(GaN) 소재의 20~30% 수준이며, 전력변환 시 3%의 효율 향상은 물론 전력변환모듈 크기도 30% 이상 줄일 수 있다. 이러한 장점으로 고효율 전력변환 모듈과 초소형 인버터 및 컨버터 시스템을 만들 수 있으며, 기존 실리콘 소재를 대체한다면 연간 1440만 톤의 이산화탄소를 줄일 수 있다.
전력반도체의 세계 시장은 2025년에 약 33조 규모로 추정되며, 소재·부품·장비 핵심 전략 기술 중 하나로 군수, 이동통신, 자동차, 태양광/풍력발전, 전력전송 등 국가 산업 전반의 핵심 부품으로 95% 이상 해외 수입에 의존하고 있다.
현재 2인치 이상의 산화갈륨 기판과 에피 소재는 일본의 NCT가 독점하고 있으나 이번에 개발한 기술을 기반으로 국내 전력반도체 산업의 육성 및 상용화가 가속화 될 것으로 기대된다.

<전대우 박사(왼쪽)와 박지현 박사(오른쪽)이 산화갈륨(Ga₂O₃) 에피 소재를 성장시켜 국산화에 성공한 전력반도체용 2인치 에피 웨이퍼를 들고 있는 모습>

한국세라믹기술원 전대우 박사는 “2인치 에피 국산화에 이어 최종적으로는 4, 6인치급의 기술개발을 목표로 하고 있다”며 “공동연구기관과의 협업을 통해 세계 최초로 산화갈륨 전력반도체 상용화를 추진하겠다”고 말했다.
이번 연구는 산업부 소재부품핵심기술개발사업과 과기부 나노 및 미래소재기술개발사업을 통해 추진되었으며, 연구결과는 국내 특허 7건 출원 및 6건 등록하였고 국제 논문 10편, 국내 논문 5편을 발표했다.