Special AX 시대 선도하는 전력반도체 기술 개발 동향(2)

산화갈륨 반도체를 이용한 X-ray 검출기 소자 개발

황완식_한국항공대학교 신소재공학과 교수

1. X-ray 검출기 소재 연구의 변화: 고감도에서 ‘환경 내구성’으로

X-ray 검출기 기술은 의료 영상 및 산업용 비파괴 검사(Non-Destructive Testing, NDT) 분야를 중심으로, 검출 감도(Sensitivity)와 영상 해상도(Spatial Resolution) 향상을 목표로 발전해 왔다. 이를 위해 실리콘(Si), 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 카드뮴 아연 텔루라이드(CdZnTe, CZT), 비정질 셀레늄(a-Se)과 같은 반도체 소재가 폭넓게 활용되고 있다[1–3], 이들 소재는 성숙한 공정기술과 우수한 가격 경쟁력으로 상용 X-ray 검출 시스템의 핵심 구성 요소로 자리 잡고 있다. 그러나 그림 1에서와 같이 최근 X-ray 응용 환경은 기존 표준 응용에서 벗어나 고온, 고방사선, 무인 운용 및 제한적 냉각 환경을 요구하는 방향으로 확대되고 있다. 이에 따라 이러한 가혹한 조건에서도 안정적으로 동작할 수 있는 높은 신뢰성과 낮은 유지보수를 만족하는 X-ray 검출기 소자기술의 중요성이 더욱 강조되고 있다. 이러한 응용 환경의 변화는 기존 반도체 소재가 지니는 물리적·환경적 한계를 더욱 부각시킨다[4,5]. 특히 고온, 고방사선 및 장시간 연속 동작 조건에서는 소재 특성이 소자 성능과 장기 신뢰성에 중요한 영향을 미친다.

그림 1. X-ray 검출기 응용 환경의 변화와 신규 특화 시장의 등장

예를 들어, 중·협대역 밴드갭 반도체는 온도 상승에 따라 열적으로 생성되는 전하 농도가 증가하면서 누설 전류가 커지고, 결과적으로 신호대잡음비(SNR)가 저하될 수 있다[6]. 또한 반복적인 X-ray 조사 환경에서는 누적 방사선 조사(Total Ionizing Dose, TID)에 의해 결함과 전하 트랩이 점진적으로 축적되어 암전류 증가, 감도 저하, 응답 불안정 등 성능 열화를 유발할 수 있다[7,12]. 이러한 문제를 보완하기 위해 상용 시스템은 능동 냉각(active cooling)에 의존하기도 하지만, 이는 시스템 부피와 전력 소모, 구조적 복잡성 증가라는 부담을 수반한다[8]. 특히 저선량(low-dose) 조건에서는 소자 고유의 누설 전류 및 전자 잡음이 상대적으로 크게 작용해 신호 확보가 어려워질 수 있다[3,13]. 정리하면, 기존 소재는 의료 영상 및 일반 산업용 NDT처럼 요구 조건이 비교적 균일한 표준 시장에서 여전히 유효한 선택지이다. 반면 고온·고방사선·무인 운용·제한적 냉각 환경과 같은 특화 응용에서는 초기 소재 비용보다 운용 안정성, 유지보수 최소화, 시스템 단순화가 더 중요해지는 경우가 많다. 이로 인해 시장 규모는 상대적으로 작더라도 기술적 진입 장벽이 높고 부가가치가 큰 특화 응용 영역이 점차 형성되고 있으며, 최근 소재 연구 역시 이러한 요구를 보완·확장하는 방향으로 전개되고 있다.

2. 초광대역 밴드갭 반도체 기반 X-ray 검출기 소재의 부상

이러한 흐름 속에서 초광대역 밴드갭(Ultra-Wide Bandgap, UWBG) 반도체가 차세대 X-ray 검출기 소재 후보 중 하나로 논의되고 있다[9,11]. UWBG 반도체는 일반적으로 4 eV 이상의 넓은 밴드갭을 가지며, 낮은 고유 전하 밀도 특성으로 인해 고온에서도 열적으로 생성되는 전하가 억제되어 누설 전류가 감소하고 SNR 유지에 유리하다[14]. 이는 냉각기 사용이 제한되는 환경에서 특히 중요한 장점으로 작용할 수 있다. 또한 UWBG 반도체는 높은 항복 전계와 전기적 안정성을 나타내는 경우가 많아, 고전압 구동이나 강한 전기장이 요구되는 X-ray 검출기 구조에서도 안정적인 동작을 기대할 수 있다. 이는 두꺼운 활성층 설계나 넓은 공핍 영역 형성을 가능하게 하여 X-ray 흡수 효율과 전하 수집 효율 향상에 기여할 수 있다[10]. 더불어 넓은 밴드갭과 강한 결합 특성은 방사선 조사로 인해 생성되는 결함의 전기적 활성화를 억제하는 방향으로 작용하여, TID에 따른 성능 열화를 완화하는 데 도움을 줄 가능성이 있다[4,5]. 세라믹 소재 관점에서도 UWBG 반도체는 산화물 또는 질화물 계열이 많아 화학적 안정성, 내열성, 내산화성과 같은 장점을 동시에 갖는다. 이는 고온 산업 환경이나 화학적으로 가혹한 조건에서도 소자의 물리적·화학적 열화를 줄이는 데 유리할 수 있으며, 기능성 세라믹 소재로 확장 가능성이 크다[15]. 대표적인 UWBG 반도체로는 다이아몬드, AlN, 그리고 최근 연구가 빠르게 확대되고 있는 산화갈륨(Ga₂O₃) 등이 있다. 이들 소재는 박막 공정, 대면적화, 접촉 저항 등에서 서로 다른 장단점을 가지므로, 응용 목적에 맞춘 소재·구조 선택이 중요하다. 다음 장에서는 UWBG 반도체 중에서도 Ga₂O₃에 초점을 맞추어, 결정 구조와 물성을 중심으로 살펴보고자 한다.

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<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2026년 1월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>