▲ 성장한 탄화규소 단결정을 원통가공 후 모습

국내 연구진이 전기차 확대로 날로 수요가 증가하고 있는 전력반도체의 기판 소재를 고품질화하는데 성공해 수입대체 및 산업 육성에 기여할 전망이다.

한국세라믹기술원(원장 유광수) 에너지효율소재센터 정성민·신윤지 박사 연구팀은 산업통상자원부 전략적핵심소재기술개발사업을 통해 세계 최고 수준의 전력반도체용 탄화규소 단결정 기판 제조기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

전력반도체 기판으로 활용되는 탄화규소(SiC) 단결정 기판소재는 기존 널리 사용되는 실리콘(Si) 기판보다 우수한 열적·전기적 특성을 갖고 있어 항공우주, 전기차, 에너지 등 산업에서 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 그러나 재료 특성상 결함이 많아 반도체 집적회로에 적용될 수 있는 고신뢰성의 기판을 제조하는 것이 매우 어려워 결함을 최소화할 수 있는 단결정 성장기술이 필요하다.

이에 연구팀은 기존의 승화법이 아닌 용액성장법을 통해 직경 2인치급(50mm) 고품질 탄화규소 단결정 기판을 제조했으며, 관련 원천기술과 공정기술을 개발했다.

용액성장법은 상대적으로 안정적인 열적 평형상태에서 결정을 성장시키기 때문에 결함이 적은 단결정을 성장시킬 수 있으나 변수가 많고 공정제어가 매우 까다롭다. 이러한 단점을 극복하기 위해 연구팀은 동의대학교·(주)악셀·일진디스플레이(주) 등과 협력을 통해 핵심 원천기술을 확보하고 공정기술을 최적화했다.

개발된 용액성장 탄화규소 단결정 기판의 결함수준은 제곱센치미터당 결함밀도 270개 이하인 것으로 확인됐다. 기존 프라임급의 상용 탄화규소 기판이 제곱센치미터당 결함밀도 1,000개 이상인 점과 비교해볼 때 품질이 약 4배 향상된 것이다. 이는 고품질 탄화규소 단결정 용액성장기술이 적용된 기판 중 세계 최고수준에 해당한다.

전세계 탄화규소 반도체 소자 시장규모는 2022년에 10억8300만 달러를 넘어서는 등 급증세이나, 탄화규소 반도체의 핵심소재인 기판소재는 아직 품질문제 등으로 국산화되지 못해 100% 수입에 의존하고 있다.

이번에 개발한 고품질 탄화규소 단결정 기판 제조기술은 국내 탄화규소 기판소재의 품질을 단시간에 향상시킬 수 있어 아직 사업화 실적이 미약한 국내 전력반도체 산업의 육성 및 세계 시장 점유율 확대에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

한국세라믹기술원 정성민 박사는 “고품질 탄화규소 단결정 용액성장기술은 후발주자인 우리나라의 기판시장 진입을 가속화할 수 있는 핵심적인 소재원천기술”이라며, “후속 연구를 진행해 국내 기업이 하루 빨리 고품질 탄화규소 기판제품을 양산할 수 있도록 노력하겠다”라고 말했다.