국내 연구진이 차세대 전력반도체인 산화갈륨 전력반도체 핵심소재·소자 공정기술을 개발했다.
한국전자통신연구원(ETRI)은 한국세라믹기술원(KICET)과 함께 국내 최초로 3킬로볼트(kV)급 산화갈륨 전력반도체 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET) 소자 기술을 개발했다고 밝혔다.
전력반도체 소자는 12대 국가전략기술 중 하나지만 95% 이상 해외 수입에 의존하고 있어, 이번 기술 국산화는 국가 전략기술 자립화 측면에서 의미가 크다.
개발한 산화갈륨 에피(결정 기판 위에 방향성을 가지고 성장된 결정막) 소재 기술은 단결정 기판 위에 전도성을 가진 여러 층 박막을 성장시키는 공정이다.
전대우 KICET 박사팀은 금속유기화학기상증착법(MOCVD)으로 고품질 베타 산화갈륨 에피소재 성장기술 국산화에 성공했다.
이 기술은 에피소재 두께를 나노미터(㎚) 크기에서 마이크로미터(㎛) 단위까지 자유롭게 만들 수 있다. 전자농도도 광범위하게 조절할 수 있어 양산기술에 한층 가까워졌다.
아울러 개발에 추가 성공한 산화갈륨 소자공정 기술은 에피소재 기판 위에 미세 패턴 형성, 저손상 식각, 증착 및 열처리 공정 등으로 전력반도체 소자를 제작하는 웨이퍼 스케일 집적화 공정기술이다.
문재경 ETRI 박사팀이 한국세라믹기술원 개발 에피소재를 사용해 성능이 더 우수한 3㎸급 모스펫 소자를 개발했다.
연구진은 누설전류를 피코암페어(㎀·1조분의 1A) 수준으로 줄일 수 있는 새로운 에피구조를 개발했다. 또 항복전압을 3㎸ 이상으로 높일 수 있는 소자·공정기술을 새롭게 개발했다.
연구진은 이번 산화갈륨 에피소재와 전력반도체 모스펫소자 기술이 기존 전력반도체보다 5분의 1 수준까지 제조비용을 줄일 수 있다고 밝혔다. 산업 주도권을 확보할 수 있다.
더욱이 산화갈륨 반도체는 전력반도체 소자 크기를 50% 이하로 소형화 가능하고 전력변환 효율도 높다. 성능을 10배 이상 향상시킬 수 있고, 소자 가격 경쟁력은 20배 이상 높일 수 있다.
전력변환 효율은 높이면서, 인버터·컨버터 시스템 크기도 10% 이하로 줄일 수 있다.
ETRI는 4㎛ 두께의 도금공정을 이용한 세계 최초 4인치 산화갈륨 전력반도체 MOSFET 소자 공정 및 상용화 기술 개발에 집중하고 있다.
문재경 박사는 “산화갈륨 전력반도체를 시스템에 적용하는 시기를 한층 더 앞당길 것”이라며 “세계 최초로 수㎸급 산화갈륨 전력반도체 MOSFET 소자를 상용화할 계획”이라고 밝혔다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
