전북대 등, ´차세대 산화갈륨 전력반도체 신소자´ 공동 개발

전북대와 시지트로닉스가 공동 개발한 차세대 산화갈륨 전력반도체 신소자. (자료제공: 전북대)

전북대학교(총장 양오봉)는 최철종 반도체과학기술학과 교수팀이 시지트로닉스(대표 심규환)와 공동으로 1.2~2.6㎸ 고전압 환경에서 안정적인 동작이 가능한 산화갈륨 전력반도체 신소자 기술을 개발했다고 지난달 16일 밝혔다.
산화갈륨은 실리콘카바이드, 질화갈륨과 더불어 제3세대 반도체라 불리는 와이드 밴드갭(WBG) 반도체 계열의 하나인 차세대 전력반도체 소재다. 기존 실리콘(Si) 반도체에 비해 고전압과 고온 조건에서도 안정적으로 동작하고, 방사선 등 외부 충격으로부터도 강하다.
연구팀이 개발한 신소자는 저손상 식각기술을 이용해 형성된 도랑 구조에 P형 반도체 박막을 접합한 구조적 특징을 가지고 있어 기존 평판형 소자와 비교해 항복전압을 2배 이상 높일 수 있었다. 특히 이번에 개발된 신소자의 누설전류와 온저항 특성은 충분히 사업화 수준에 근접했다는 평가를 받고 있다.
또한 이번 기술이 산화갈륨 벌크 기판의 대구경화를 통해 1㎾급을 넘어 100㎾급으로 대전력 스위칭을 제어하는 성능을 갖추면 질화갈륨(GaN)이나 탄화규소(SiC)와 차별화된 응용분야로의 확장성도 기대된다.
차세대 반도체 개발 분야에서 게임 체인저가 될 수 있는 이번 기술은 전북대 반도체물성연구소장으로 10여 년간 국가 R&D 및 인력양성을 주도해 온 최철종 교수가 갖고 있는 연구 경험과 경쟁력이 기반이 됐다. 반도체 물질의 분석과 평가에 전문성을 갖고 있는 최 교수는 산화갈륨 반도체의 결정성이 여타 반도체와 다르게 특이한 결정구조이지만 고품질 대구경으로 성장되기 때문에 파워반도체 제작에 매우 유용하다는 점에 주목했다.
최 교수는 “현재 전북대가 보유하고 있는 반도체 시설과 장비가 6인치 중심이므로 GaN을 비롯한 WBG 반도체 R&D에 최적”이라며 “이번의 성과를 기반으로 산화갈륨 파워반도체 기술수준을 더욱 높여 동작전압 1~10㎸ 대역에서 대전력 반도체를 최초로 상용화하겠다”고 밝혔다.
전북대 실험실창업기업 시지트로닉스의 장태훈 본부장은 “부가가치가 높은 E-모빌리티, K-방산, K-우주항공 분야에 고주파, 고전압, 고효율의 WBG 반도체 국산화는 시급하고 필수 불가결한 당면 과제라 할 수 있다”며 “향후 15년 정도면 GaN을 위주로 탄화규소(SiC) 및 산화갈륨의 WBG 전력반도체가 전체 시장의 절반 이상을 점유하면서 주축이 될 것이기 때문에 지금이라도 국가차원에서 전략적으로 접근해야 한다”고 조언했다.
이번 연구는 과학기술정통부와 중소벤처기업부 지원을 받아 수행됐다.