국내 연구팀, 전력반도체 국제기준 오류 바로잡아…결함 빛 파장은 왜 달라졌나

전기차와 신재생에너지 설비에 쓰이는 SiC(탄화규소) 전력반도체의 결함을 판별하는 국제 지표가 약 15년간 잘못 알려져 있었다. 한국전기연구원 나문경 책임연구원과 충남대, 호리바에스텍코리아, SK실트론 등의 공동연구팀은 결함의 실제 발광 파장을 밝혀 새 지표를 제시했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘악타 머티리얼리아’ 9월 8일자에 게재됐다.

SiC 전력반도체는 높은 열과 전압을 견디며 전류 방향과 전력 변환을 제어한다. 제조 중 원자층이 쌓이는 순서가 어긋나 ‘적층 결함’이 생기면 성능에 문제가 생길 수 있어, 웨이퍼를 손상시키지 않고 불량을 찾는 광발광(PL) 검사가 활용된다. 빛을 비춘 뒤 결함 부위에서 나오는 파장을 확인하는 방식이다.

연구팀은 상용 웨이퍼 207장에 포함된 결함 10만여 개를 분석해 주요 결함 유형이 ‘프랭크형 적층 결함’임을 확인했다. 이는 결정 구조에서 원자 한 층이 빠지거나 새로 끼어들어 생긴다.

특히 ‘(4,1) 프랭크형’ 결함은 424나노미터 빛을 낸다는 설명이 국제전기기술위원회(IEC) 기준에 반영돼 있었지만, 그 신호가 실제 원자 구조와 직접 대조된 결과는 아니었다.

연구팀은 먼저 빛으로 결함 위치를 찾고, 그 부분을 수 나노미터 단위로 잘라 원자분해능 주사투과전자현미경(HAADF HR-STEM)으로 구조를 확인했다. 그 결과 해당 결함의 지표는 기존에 알려진 424나노미터가 아니라 459나노미터로 드러났다. 결함의 빛 신호와 원자 배열을 직접 연결해 판별 기준의 오류를 짚은 것이다.

정확한 결함 분석은 제조 공정에서 불량 원인을 추적하는 데 도움을 주고, 전기차와 전력 변환 시스템의 품질·안전성을 높이는 데 이어질 수 있다.