한국 연구팀, 전력반도체 국제기준 오류 밝혀… 결함 파장은 어떻게 확인했나

한국전기연구원 공동연구팀이 SiC(탄화규소) 전력반도체의 내부 결함을 판별하는 지표의 오류를 밝히고 새 지표를 제시했다. 기존에 국제전기기술위원회(IEC) 기준에 반영돼 있던 값과 실제 결함의 빛 파장이 다르다는 연구 결과다.

SiC 전력반도체는 고온·고압 환경에서 전류 방향과 전력 변환을 제어하며 전기차와 신재생에너지 설비 등에 쓰인다. 제조 과정에서 원자층이 쌓이는 순서가 어긋나는 ‘적층 결함’이 생기면 성능이 떨어질 수 있어 품질 검사가 중요하다.

산업계의 광발광(PL) 검사는 웨이퍼에 빛을 쏘고, 결함 부위와 정상 부위에서 방출되는 빛의 파장이 다르다는 점을 이용해 결함을 찾는다.

나문경 한국전기연구원 차세대반도체연구센터 책임연구원과 홍순구 충남대 연구팀, 호리바에스텍코리아, SK실트론 등이 참여한 공동연구팀은 상용 웨이퍼 207장에 담긴 결함 10만여 개를 분석했다. 분석 결과 주요 결함 유형은 ‘프랭크형 적층 결함’이었다.

결정 구조에서 원자 한 층이 빠지거나 새로 삽입돼 생기는 결함으로, 케이크에서 시트가 놓일 차례에 크림이 한 겹 더 쌓이는 상황에 비유할 수 있다.

프랭크형 적층 결함 가운데 ‘(4,1) 프랭크형 적층 결함’은 424나노미터(nm)의 빛을 낸다고 알려져 있었고, 이 값은 약 15년간 IEC 기준에 반영됐다. 하지만 기존 값은 빛의 신호와 실제 원자 구조를 직접 대조해 확인한 결과가 아니었다.

연구팀은 광발광으로 결함 위치를 찾은 뒤 해당 부위를 수 나노미터 단위로 잘라 원자분해능 주사투과전자현미경(HAADF HR-STEM)으로 관찰했다. 이를 통해 이 결함의 지표가 424nm가 아니라 459nm임을 밝혔다.

연구 결과는 국제학술지 ‘악타 머티리얼리아’ 9월 8일자에 게재됐다. 결함에서 나온 빛의 파장을 실제 원자 구조와 직접 연결해 확인한 만큼, 검사 신호로 결함 유형을 판별하고 제조 과정의 불량 원인을 추적하는 데 도움이 될 수 있다.