한국전기연구원 방욱·나문경 박사팀, 광여기발광(PL) 현상 이용 소재의 결함 검출
한국전기연구원 전력반도체연구센터 방욱·나문경 박사팀이 전력반도체 소자의 시작점인 탄화규소(SiC) 소재의 결함을 조기에 분석하고 평가할 수 있는 기술을 개발했다.
기술이 상용화 되면 일본이 독점해오던 고가의 전력반도체 검사 장비를 국산으로 대체할 것으로 전망된다.
전력반도체는 전력을 다루는 분야에서 필수적인 부품으로, 전류 방향을 조절하고 전력 변환을 제어하는 역할을 한다.
전기차의 배터리와 전기모터를 연결하는 고성능 인버터에 들어가며 신재생에너지 산업 등에서도 필수적인 첨단 소재다.
전력반도체의 핵심인 제어 효율을 유지하는 소재는 실리콘(Si)에서 탄화규소(SiC)로 대체되고 있다.
뛰어난 내구성과 범용성, 동작 온도 및 속도, 높은 효율성 등의 장점을 지니고 있기 때문이다.
문제는 SiC 소재가 재료 특성상 눈에 보이지 않는 내부의 결정 결함이 있어 반도체 소자의 성능을 저하시키는 주요 원인으로 작용하고 있다는 점이다.
더 큰 문제는 결정 결함이 워낙 복잡한데다 규명하기도 어려워 반도체 소자의 구동 초기부터 특성을 저하시키는 경우가 발생한다.
또 사용 중에 점차 특성이 변화돼 문제를 일으키는 경우도 있다.
전력계통 현장이나, 도로에서 주행 중인 전기차의 SiC 전력반도체에 문제를 일으킬 수도 있다.
당연히 SiC 전력반도체를 개발하는 만큼 추후 문제가 발생하지 않도록 결함을 검사하고 각종 문제를 해결할 수 있는 분석 기술도 반드시 필요하다.
SiC 소재의 결함은 눈에 보이지 않고, 물질도 아주 단단해 관찰 방법이 매우 어렵다.
현재 SiC 소재 검사 장비는 기술 난이도와 진입장벽이 높아 일본이 세계시장의 80% 이상을 점유하고 있다.
장비 가격도 고가로 국내에서는 일부 웨이퍼 표본으로 성능을 검사하는 수준에 그치고 있다.
연구팀은 광여기발광(PL) 현상을 이용해 SiC 소재의 결함을 검출하는 기술을 국내 최초로 개발했다.
여기된(excited) 전자들이 다시 제자리로 돌아가는 단계에서 특정한 파장의 빛을 내게 되는 현상을 분석했다.
SiC 소재에 자외선(UV) 에너지를 보낸 뒤, 전자들이 내놓는 특정 파장을 분석해 정상인지 아닌지를 판단한 것이다.
일본 제품은 검사 대상 및 평가 항목에 따라 2개의 다른 파장 빛을 선택해서 표면과 내부 결함을 검출한다.
개발된 장비는 단 하나의 레이저 파장만으로도 SiC 소재의 파괴 없이 내부의 다양한 결함을 검사할 수 있다.
검사 정밀도 등 성능이 일본 장비보다 높게 나왔다.
또 향후 기술 이전과 상용화를 통해 장비 가격도 일본 제품(약 14억)의 절반 수준으로 생산될 것으로 전망하고 있다.
연구팀은 “SiC 전력반도체의 설계에서 공정, 평가로 이어지는 통합 제작라인에 대한 다양한 평가 방법을 개발한 것”이라며 “앞으로 평가 대상의 확대 및 분석기법의 다양화·정밀화가 이루어질 수 있도록 하겠다”고 밝혔다.
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