전기연, SiC 전력반도체 망치는 '킬러 결함' 정체 세계 최초 규명

한국전기연구원 나문경 박사팀이 충남대학교 홍순구 교수팀, 분석 전문기업 호리바에스텍코리아와 공동 연구를 통해 탄화규소(SiC) 전력반도체 제조 과정에서 발생하는 치명적인 불량인 '킬러 결함'의 원인을 세계 최초로 규명했습니다. 이번 연구는 AI 데이터센터와 전기차 수요 급증으로 고품질 반도체 대량 생산 경쟁이 치열한 가운데 중요한 성과로 평가됩니다. SiC 전력반도체는 규소와 탄소를 1대1로 결합하여 만들며, 기존 실리콘 반도체보다 10배 높은 전압과 3배 높은 고온 환경을 견디며 전력 변환 효율을 극대화하는 차세대 반도체입니다. 이 반도체는 에피택시 공정을 거쳐 완성되는데, 원자 배열이 조금이라도 어긋나면 치명적인 적층 결함이 발생하여 반도체 칩 전체의 수율을 크게 떨어뜨립니다. 특히 길이 약 1mm의 막대 모양 사다리꼴 결함은 전류 흐름을 막고 칩 전체를 망가뜨리는 주범으로 꼽혀왔습니다. 공동 연구팀은 광 발광 매핑, 스펙트럼 분석, 원자 레벨 해석 등 8가지 해석 기법을 융합하고 국가 최첨단 인프라를 총동원하여 1년여간 연구를 진행했습니다. 그 결과, 사다리꼴 결함 내부에 최대 32층으로 구성된 다수의 결함이 복잡하게 얽혀 있다는 사실과 반도체 제조 과정 중 결함이 에피층으로 전파되며 스스로 형태를 바꿔 확장된다는 점을 새롭게 확인했습니다. 나문경 박사는 이번 연구 성과가 전력반도체 성능을 저하시켰던 거대 사다리꼴 결함의 복잡한 내부 구조와 진화 과정을 원자 단위에서 세계 최초로 밝혀낸 뜻깊은 결과라고 강조했습니다. 이 성과는 실제 산업 현장에서 무결점 웨이퍼 양산 수율 확보에 직접적인 기반이 되고, 우리나라가 고품질 SiC 전력반도체를 양산하는 데 든든한 기술적 뼈대가 될 것으로 기대됩니다. 연구 결과는 그 혁신성을 인정받아 금속 및 무기재료 분야 세계 최고 권위지인 악타 머티리얼리아(Acta Materialia)에 투고 후 단 2개월 만에 초고속으로 게재되었습니다. 공동 연구팀은 앞으로 SiC를 넘어 와이드밴드갭 등 차세대 전력반도체의 결함 생성 메커니즘을 심층 연구하여 대한민국 전력반도체 기술을 초격차 수준으로 끌어올릴 계획입니다.