탄화규소 반도체 불량 판별 기준 15년 만에 뒤집혔다

[이데일리 이소현 기자] 전기차와 충전기 등에 쓰이는 탄화규소(SiC) 전력반도체의 불량을 판별하는 데 약 15년간 사용돼 온 발광 기준이 잘못됐다는 사실이 국내 연구진에 의해 확인됐다. 기존에는 특정 적층결함이 424나노미터(nm)의 빛을 내는 것으로 알려졌지만, 실제 특성 발광 파장은 459nm인 것으로 규명됐다. 원자구조 관찰, 광발광(PL) 측정, 이론 계산을 연계해 '(4,1) 적층결함'의 진짜 파장(459nm)을 규명한 데이터(사진=KERI)한국전기연구원(KERI)은 차세대반도체연구센터 나문경 책임연구원 연구팀이 충남대 홍순구 교수팀, 호리바에스텍코리아, SK실트론 등과 공동으로 SiC 반도체의 ‘(4,1) 프랭크형 적층결함’이 내는 특성 발광 파장을 459nm로 규명했다고 25일 밝혔다. 기존에는 해당 결함의 발광 파장이 424nm로 알려져 있었으며 이 값은 국제전기기술위원회(IEC) 기준에도 반영돼 사용돼 왔다. 연구팀은 이번 연구를 통해 기존 기준을 수정할 수 있는 과학적 근거를 마련했다. 결함이 내는 ‘빛의 지문’ 다시 확인 SiC 전력반도체는 높은 전압과 온도에서도 안정적으로 작동해 전기차와 충전기, 신재생에너지 설비 등의 전력변환 장치에 활용된다. SiC 웨이퍼를 만드는 과정에서 원자층의 쌓임 순서가 어긋나는 ‘적층결함’이 생기면 소자 성능과 신뢰성에 영향을 줄 수 있다. 산업계에서는 웨이퍼를 손상시키지 않고 결함을 찾기 위해 ‘광발광(PL)’ 검사를 활용한다. 반도체에 빛을 비춘 뒤 결함에서 나오는 고유한 파장을 측정해 결함의 종류를 판별하는 방식이다. 결함마다 서로 다른 빛을 낸다는 점에서 일종의 ‘빛의 지문’인 셈이다. 연구팀이 9개 공급사의 상용 4H-SiC 에피택셜 웨이퍼 207장과 적층결함 10만4439개를 분석한 결과에서도 프랭크형 적층결함은 주요 결함군으로 나타났다. 다양한 프랭크형 결함의 구조와 전자·광학적 특성을 하나의 학술 체계로 통합 정리한 분석 결과(사진=KERI)424nm 아닌 459nm…원자까지 직접 확인 문제는 약 15년간 사용된 424nm라는 기준이 실제 결함의 원자구조와 발광 신호를 직접 연결해 확인한 값이 아니었다는 점이다. 서로 다른 결함도 비슷한 파장의 빛을 낼 수 있기 때문에 발광 파장만으로 원자구조를 확정하기는 어렵다. 연구팀은 먼저 PL 측정으로 특정 결함의 위치와 발광 파장을 확인한 뒤 같은 위치에서 시편을 떼어내 원자분해능 주사투과전자현미경(H...