전력반도체 국제기준 오류 수정, 424nm로 알려진 결함 빛은 왜 459nm였나

한국전기연구원 연구팀이 SiC 전력반도체의 적층 결함을 판별하는 국제 기준의 오류를 바로잡았다. 약 15년 동안 (4,1) 프랭크형 적층 결함의 발광 파장으로 알려진 424nm가 실제로는 459nm라는 사실을 확인해 25일 발표했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘악타 머티리얼리아’ 9월 8일자에 게재됐다.

연구는 나문경 한국전기연구원 차세대반도체연구센터 책임연구원과 홍순구 충남대 연구팀, 호리바에스텍코리아, SK실트론 등이 함께 수행했다. SiC 전력반도체는 고온·고압을 견디며 전류 방향과 전력 변환을 제어해 전기차와 신재생에너지 설비 등에 쓰인다.

제조 과정에서 원자층이 쌓이는 순서가 어긋나 생기는 적층 결함은 성능을 떨어뜨릴 수 있어 정밀한 품질 검사가 필요하다.

산업계는 웨이퍼에 빛을 쏘고 결함 부위에서 나오는 빛의 파장을 살피는 광발광(PL) 검사로 웨이퍼를 깨지 않고 불량을 찾는다. 연구팀은 상용 웨이퍼 207장에 담긴 10만여 개의 결함 데이터를 분석해 프랭크형 적층 결함이 주된 유형임을 확인했다. 이 결함은 결정 구조에서 원자층 하나가 빠지거나 삽입돼 생긴다.

오류가 들어 있던 국제전기기술위원회(IEC) 기준은 빛의 신호와 실제 원자 구조를 직접 대조해 확인한 결과가 아니었다. 연구팀은 광발광으로 결함 위치를 찾은 뒤 그 위치를 수 나노미터 단위로 정밀하게 잘라 원자분해능 주사투과전자현미경(HAADF HR-STEM)으로 관찰했다.

이처럼 발광 파장과 원자 구조를 직접 연결해 459nm라는 지표를 밝혀낸 성과는 결함 종류를 정확히 가리고 불량 원인을 추적하는 데 도움이 된다. 제조 공정 개선으로 이어지면 전기차와 전력 변환 시스템의 품질과 안전성을 높일 수 있다.