전력반도체 국제기준 오류 바로잡은 연구팀, 결함 신호는 어떻게 확인했나

국내 공동연구팀이 SiC 전력반도체의 결함을 판별하는 국제 기준의 오류를 밝히고, 실제 결함에서 나오는 빛의 파장을 새로 제시했다. 한국전기연구원은 나문경 차세대반도체연구센터 책임연구원과 충남대, 호리바에스텍코리아, SK실트론 연구진이 함께한 성과를 25일 알렸다.

연구 결과는 국제학술지 《악타 머티리얼리아》 9월 8일자에 게재됐다.

SiC 전력반도체는 전류의 방향과 전력 변환을 제어하며, 고온·고압을 견뎌야 하는 전기차와 신재생에너지 설비 등에 쓰인다. 제조 중 원자층이 쌓이는 순서가 어긋나 ‘적층 결함’이 생기면 반도체가 제 성능을 내지 못할 수 있어 품질 검사가 중요하다.

웨이퍼를 깨지 않고 검사하는 광발광(PL) 방식은 빛을 쏜 뒤 결함 부위에서 나오는 파장을 살핀다. 연구팀은 상용 웨이퍼 207장에 있는 10만여 개 결함 데이터를 분석해 프랭크형 적층 결함이 주요 결함임을 밝혀냈다. 이 결함은 결정 구조에서 원자 한 층이 빠지거나 추가돼 생긴다.

케이크에 비유하면 시트가 놓일 차례에 크림이 한 겹 더 쌓이는 셈이다.

국제전기기술위원회(IEC) 기준에는 프랭크형 결함 가운데 ‘(4,1) 프랭크형 적층 결함’이 424나노미터 빛을 낸다고 약 15년간 반영돼 있었다. 하지만 이 기준은 빛의 신호와 실제 원자 구조를 직접 대조해 얻은 결과가 아니었다.

연구팀은 광발광으로 결함을 찾은 뒤 해당 위치를 수 나노미터 단위로 정밀하게 잘라 원자분해능 주사투과전자현미경(HAADF HR-STEM)으로 확인했다. 그 결과 실제 지표는 424나노미터가 아니라 459나노미터인 것으로 드러났다.

결함의 빛 신호를 원자 구조와 직접 연결한 이번 분석은 불량 원인을 정확히 추적하고 제조 공정을 개선하는 데 도움이 될 수 있다. 공정 개선은 궁극적으로 전기차와 전력 변환 시스템의 품질과 안전성을 높이는 데 이어질 수 있다.