광운대는 오종민 전자재료공학과 교수 연구팀이 세계 최고 수준 전력반도체용 초고내압 산화갈륨 필름을 개발하는 데 성공했다고 19일 밝혔다.
최근 전기차, 신재생 에너지 시스템과 같은 고전력을 사용하는 분야가 중요시해지면서 전력 반도체 산업은 매년 급격한 연평균 성장률을 보인다. SiC, GaN에 이어서 높은 항복 전계를 갖는 산화갈륨(Ga2O3)이 고전압 신뢰성 특성 확보를 위한 차세대 전력반도체 소재로 주목받는다.
산화갈륨은 높은 이론 항복 전계값(~8 MV/cm)을 가지고 있어 관련 연구가 활발히 진행 중이다. 산화갈륨 소재를 필름 형태로 제작하기 위해 많이 사용되는 화학 기상 증착법은 고품질의 필름이 제작된다. 증착 시간이 오래 걸리며 매우 높은 온도가 필요하며, 고가라는 한계점이 있다. 항복 전계 집중 현상을 해소하기 위해 많은 공정 단계를 거쳐 복잡한 구조로 산화갈륨 필름을 제작하기도 한다. 하지만 이러한 노력에도 불구하고, 기존 연구들은 이론 항복 전계 값의 50% 미만 수준인 2~4 MV/cm으로 이론값 대비 낮은 항복 전계 값이 보고된다.
연구팀이 개발한 차세대 전력반도체용 초고내압 산화갈륨 필름은 상온 분말 충격 코팅 방식인 에어로졸 데포지션을 주 공정으로 사용했다. 노즐 틸팅 최적 기술을 적용해 항복 전계 집중 현상을 해결하였다. 산소 공공 감소 및 결정화를 후열처리 과정을 통해서 이뤄냈으며, 이는 높은 항복 전계를 위한 핵심 변수 중 하나인 밴드갭을 증가시켰다. 이를 통해서 단순한 구조의 산화갈륨 필름이 제작됐다. 매우 낮은 누설 전류, 특히 5.5 MV/cm의 항복 전계를 달성했다.
이번 연구에는 구상모 광운대 전자재료공학과 교수, 원종호 단국대 교수, 원강희 경희대 교수가 공동 연구를 통해 성과를 거뒀다. 이번 논문의 제1 저자인 전자재료공학과 석사과정 2학기 이준우 학생은 현재 SCI(E) 논문 주저자 2편을 게재하며 활발한 연구 활동을 이어 가고 있다.
오종민 교수는 “향후 본 연구를 통해 산화 갈륨의 연구에 대한 새로운 증착 메커니즘을 깊이 있게 제시했다”면서 “세계 최고 수준의 항복 전계를 통해서 매우 높은 고전압에서도 신뢰성 있는 동작을 하는 차세대 전력반도체 소자 제작 기술로의 응용에 대한 기대가 매우 크다”고 말했다.
이지희 기자 easy@etnews.com
