Special AX 시대 선도하는 전력반도체 기술 개발 동향(2)

고전압 전력반도체 응용을 위한 산화갈륨(Ga₂O₃) 단결정 성장 최신 기술 동향

배시영_국립부경대학교 조교수

먼저, 본인은 산화갈륨 단결정 성장 기술 동향을 2년 전에도 세라믹코리아(423호, 23년 8월호) 기고한 바가 있음을 알린다. 급변하는 AI 시대에서 전력의 사용량은 기하급수적으로 증가하고 있고, 이에 따라 전력반도체의 중요성은 나날이 부각되고 있다. 전력변환의 효율화는 물리적으로 제한적인 공간과 비용 안에서, 많은 전력 수요 기업들이 관심을 갖는 토픽이며, 산화갈륨은 이러한 전력변환 효율화에 분명 돌파구가 될 수 있는 소재 중의 하나이다. 본 글은 기존 산화갈륨 단결성장 기술 동향에서 최근 2년여간 변화하고 있는 내용을 중심으로 최신 기술 동향을 추가하여 소개한다.

1. 산화갈륨 소재 개요

산화갈륨은 초광대역 에너지 밴드갭(Ultra-Wide Bandgap, UWBG)* 소재 중 하나이다. 산화갈륨은 넓은 밴드갭(>4.4eV)과 높은 항복전계(>8MV/cm) 특성으로 현재 상용화 적용 중인 탄화규소(SiC) 및 질화갈륨(GaN) 기반 전력반도체 소재에 비해 높은 잠재력을 가진 소재로 기대된다. 산화갈륨의 전력소자 성능지수(Baliga’s figure of merit, BFOM)는 실리콘(Si) 소재 대비 무려 3,444배에 이르는 것으로 알려져 있다. 또한, UV영역에서의 높은 투과성과 n-형 도핑 제어 가능한 특성으로 다양한 광전자 소자에 응용이 가능하다. 최근 전력반도체 응용 가능성에 대해 높은 주목을 받게 된 이유는 단결정 기판의 상용화와 그에 따른 전력소자 구현이 결정적인 역할을 했다고 볼 수 있다[1]. 2025년 기준 4인치 산화갈륨 단결정 기판이 상용화된 수준이나, 업계 선도 기업인 일본의 노벨크리스탈테크놀로지(NCT社)는 2026년 중 6인치급 상용화 출시할 예정이다. 그림 1은 대표적인 전력반도체 소재의 물성을 비교하는 도표이다. 높은 항복 전계에도 불구하고, 열전도도와 전자이동도는 다른 소재들에 비해 상대적으로 낮은 편에 속한다[2]. 

*UWBG 소재: 에너지밴드갭이 4eV 이상인 반도체 소재

**Novel Crystal Technology(NCT): 2015년 일본 Tamura로부터 스핀오프된 산화갈륨 기판소재 특화 벤처 기업

그림 1. 다양한 전력반도체 소재의 성능 비교 [2].

그림 2와 같이 산화갈륨은 주로 α, β, γ, δ 및 ε(또는 κ)로 표시되는 다섯 가지 다형체(Polymorph) 결정구조를 갖는다 [3]. 그 중 β상 구조가 열역학적으로 가장 안정하여 단결정 기판으로 공급되고 있으며, 그 외의 결정 구조는 준안정 상태로, 열을 가하면 그림 3에서 보여주는 바와 같이 다른 결정상으로 쉽게 전이되는 특성을 갖는다[3]. 따라서, 현재까지 산화갈륨 단결정 기판은 융액법을 기반으로 성장시킨 β상 구조에 대해서만 활용이 가능하다. 커런덤(Corundum) α상 구조는 주로 사파이어 기판과의 이종 에피택시(Hetero epitaxy)를 통해 주로 구현되어 왔으며, 이 때 에피택시 성장법은 주로 mist CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 HVPE(Halide Vapor Phase Epitaxy)가 활용되었다[2,4]. γ상 구조는 결함 있는 스피넬 구조로 합성 및 분석에 관한 연구 결과는 매우 드물었는데, 최근 노르에이 오슬로대학교에서 결함 주입에 의한 β→γ 상전이 현상을 통해 비교적 안정적인 γ상 유지와 내방사선 특성을 보고하였다[5]. δ, ε 및 κ상은 결정 구조간 연관성으로 인해 유사한 결정으로 간주될 수 있다. 예를 들어 육각형 ε상 구조는 회전 경계가 있는 사방정계 κ상 도메인으로 구성되는 반면, 빅스바이트 δ상은 β상과 ε상이 혼합되어 있는 형태로 보고된 바 있다[6,7]. 

그림 2. α, β, γ, δ, 및 ε(κ)상 산화갈륨 결정 다형체의 원자 단위셀 형태.

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