전력반도체 국제기준 오류 수정 연구, SiC 결함 지표는 왜 달라졌나

한국 연구팀이 SiC 전력반도체의 결함을 판별하는 데 쓰인 기존 빛의 파장 값이 실제 결함 구조와 다르다는 점을 밝혀 새 지표를 제시했다. 약 15년간 국제 기준에 반영돼 온 값의 오류를 연구로 규명한 것이다.

한국전기연구원 나문경 차세대반도체연구센터 책임연구원은 충남대, 호리바에스텍코리아, SK실트론 연구진과 공동으로 연구했으며, 결과는 국제학술지 ‘악타 머티리얼리아’ 9월 8일자에 게재됐다.

SiC 전력반도체는 고온·고압을 견디며 전류 방향과 전력 변환을 제어해 전기차와 신재생에너지 설비 등에 쓰인다. 제조 과정에서 원자층이 어긋나는 적층 결함이 생기면 성능이 떨어질 수 있어 품질 검사가 중요하다. 산업계는 웨이퍼를 깨지 않고 검사하는 광발광(PL) 방식을 활용한다.

빛을 비췄을 때 결함 부위와 정상 부위에서 방출되는 빛의 파장이 다르다는 원리로 불량 위치를 찾는다.

연구팀은 상용 웨이퍼 207장에 담긴 10만여 개의 결함 데이터를 분석해 프랭크형 적층 결함이 주된 유형임을 밝혔다. 이 결함은 결정 구조에서 원자의 한 층이 빠지거나 추가돼 생긴다.

그중 ‘(4,1) 프랭크형’ 결함은 424나노미터(nm·1nm는 10억분의 1m)의 빛을 낸다고 알려져 국제전기기술위원회(IEC) 기준에 반영돼 있었다. 하지만 이 값은 빛의 신호와 실제 원자 구조를 직접 대조해 확인한 결과가 아니었다.

연구팀은 광발광으로 결함 위치를 찾은 뒤 해당 부위를 수 나노미터 단위로 정밀하게 잘라 원자분해능 주사투과전자현미경(HAADF HR-STEM)으로 구조를 확인했다. 그 결과 (4,1) 프랭크형 결함의 지표는 424nm가 아니라 459nm로 드러났다.

결함을 정확히 판별하면 불량 원인을 추적해 제조 공정을 개선하는 데 도움이 되며, 이는 전기차와 전력 변환 시스템의 품질·안전성 향상으로 이어질 수 있다.