한국전기연구원(KERI) 차세대반도체연구센터 나문경 박사팀이 SiC(탄화규소) 전력반도체의 불량을 찾아내는 국제 결함 판별 기준의 오류를 15년 만에 찾아냈다. 사진은 KERI 관계자가 전력반도체를 들고 있는 모습. 한국전기연구원 제공

SiC(탄화규소) 전력반도체의 불량을 찾아내는 국제 결함 판별 기준의 오류가 15년 만에 국내 연구진에 의해 규명됐다.

한국전기연구원(KERI) 차세대반도체연구센터 나문경 박사팀은 충남대학교 홍순구 교수팀, 호리바에스텍코리아, SK실트론 등과 함께 산·학·연 공동연구를 통해 SiC 반도체 내부 결함 검사에 활용하는 ‘특성 발광 파장’을 찾는 데 성공했다고 25일 밝혔다. 전기차와 신재생에너지 설비 등 첨단 산업에 널리 쓰이는 SiC 전력반도체는 고온·고압을 견디면서 전류 방향과 전력 변환을 제어한다. 사람으로 치면 근육 같은 역할을 담당하는 셈이다. 반도체를 만드는 과정에서 원자를 겹겹이 쌓다 미세하게 어긋나는 이른바 ‘적층결함(Stacking Fault)’이 생기면 제 성능을 낼 수 없다. 이에 꼼꼼한 품질 관리가 필요하다.

산업계에서는 ‘광발광(PL) 검사’를 사용한다. 빛을 비춘 뒤 파장이 다른 결함 부위를 찾는 방식이다. 특히 ‘(4,1) 프랭크형 적층결함’은 424㎚(나노미터)의 빛을 내는 것으로 알려져 국제전기기술위원회(IEC) 기준에도 반영돼 있다. 하지만 빛의 신호와 실제 원자 구조를 1대 1로 대조해 얻어낸 결과가 아니라는 데 한계가 있었다.

연구팀은 결함 위치를 찾은 뒤 나노(10억분의 1미터) 단위로 정밀하게 잘라낸 뒤 원자분해능 주사투과전자현미경(HAADF HR-STEM)으로 이를 직접 확인하는 고난도 분석을 수행했다. 그 결과 적층 결함은 파장이 424㎚가 아닌 459㎚라는 사실을 증명해 냈다. 연구팀은 이런 성과가 반도체 소재의 품질 검사 정확도를 획기적으로 높일 것으로 봤다.

이 연구는 금속·무기재료 분야 국제 학술지인 ‘악타 머티리얼리아’(Acta Materialia, JCR 상위 5% 내)에 게재됐고, 연구팀은 최근 일본 분석·계측 전문기업인 호리바(HORIBA)가 주관하는 국제 연구상을 거머쥐기도 했다. 나문경 박사는 “앞으로도 국내 전력반도체 산업의 품질 경쟁력을 높이는 데 노력하겠다”고 강조했다.