한국전기연구원(KERI)이 탄화규소(SiC) 전력반도체 제조과정에서 발생하는 치명적 결함인 '킬러 결함'의 구조와 발생 원리를 규명했다. KERI 차세대반도체연구센터 나문경 박사팀, 충남대 홍순구 교수팀, 분석 전문기업 호리바에스텍코리아가 공동으로 진행한 이번 연구는 금속·무기재료 분야 최상위 국제학술지 「악타 머티리얼리아」에 게재됐다.
SiC 전력반도체는 기존 실리콘 반도체 대비 10배의 전압과 3배의 고온 환경을 견디는 차세대 전력반도체다. 최근 AI 데이터센터와 전기차 수요 급증에 따라 고품질 제품의 대량생산을 놓고 각국 기업 간 경쟁이 치열해지고 있다. 다만 제조 과정에서 탄소와 실리콘 원자 배열이 조금이라도 어긋나면 킬러 결함이 발생해 수율을 크게 떨어뜨린다.
연구팀은 약 1㎜ 길이의 막대 모양 '사다리꼴 결함'(TZD) 내부의 특이한 줄에 주목했다. 광 발광 매핑, 스펙트럼 분석, 원자 레벨 해석, 밀도범함수이론 계산 등 8가지 다각적 해석 기법을 1년여에 걸쳐 활용했다. 고분해능 주사투과전자현미경(HR-STEM), 누리온 슈퍼컴퓨터, 싱크로트론 장비 등 국가 최첨단 인프라가 동원됐다.
연구 결과, 사다리꼴 결함 내부에 최대 32층으로 구성된 다수 결함이 복잡하게 얽혀있으며, 제조 과정 중 결함이 에피층으로 전파되면서 스스로 형태를 바꾸고 확장된다는 사실이 밝혀졌다. 연구팀은 이번 성과가 고품질 SiC 전력반도체의 대량생산 기술 개발에 중요한 토대가 될 것으로 기대하고 있다.
