한국전기연구원은 탄화규소(SiC, silicon carbide) 전력반도체의 가격 경쟁력을 높이고 양산화에 기여할 수 있는 이온 주입 평가기술을 개발해 헝가리 반도체 측정 장비 전문업체 세미랩(Semilab)에 이전했다고 11일 밝혔다.
전력반도체는 전기·전자기기의 핵심 부품으로 전류 방향을 조절하고 전력 변환을 제어하는 역할을 한다. 소재는 여러 가지가 있는데, 그 중 SiC가 높은 내구성과 뛰어난 전력 효율로 가장 주목받고 있다. SiC 전력반도체가 전기차에 탑재될 경우 배터리의 전력 소모를 덜고 차체의 무게와 부피를 줄여 최대 10%의 에너지 효율 개선을 기대할 수 있다.
하지만 SiC 전력반도체는 제조 공정이 매우 까다롭다. 기존에는 전도성이 강한 웨이퍼(기판) 위에 에피층(단일 결정의 반도체 박막을 형성한 층)을 형성하고 그 영역에 전류를 흘려보내 소자를 형성하는 방법을 활용했다. 그러나 이 과정에 에피층의 표면이 거칠어지고 전자의 이동 속도가 낮아지는 문제가 발생했다. 에피 웨이퍼 자체 가격도 비싸 양산화에 큰 걸림돌이 됐다.
이를 해결하기 위해 전기연구원은 에피층이 없는 반절연 SiC 웨이퍼에 이온을 주입하는 방식을 활용했다. SiC 소재가 딱딱해 높은 에너지로 이온을 주입한 뒤 고온에서 열처리해 활성화해야 하는 등 실제 구현이 어려운 기술이었지만 10여년에 걸쳐 쌓아온 SiC 전용 이온 주입 장치의 운용 경험을 통해 관련 기술을 확보에 성공했다고 전기연구원은 설명했다.
김형우 전기연구원 차세대반도체연구센터장은 “이온 주입 기술은 반도체 소자의 전류 흐름을 높이고 고가의 에피 웨이퍼를 대체해 공정 비용도 크게 줄일 수 있다”며 “고성능 SiC 전력반도체의 가격 경쟁력을 높이고 양산화에 기여하는 큰 기술”이라고 말했다.
기술을 이전받은 30년 업력의 세미랩은 헝가리와 미국에 제조공장을 보유한 중견 정밀계측 장비 및 소재특성 평가 장비 특허기업이다. 반도체 특성 평가 장비기술로는 세계 최고의 기술력을 보유하고 있다.
전기연구원은 이번 기술 이전으로 고품질의 SiC를 규격화할 수 있을 것으로 보고 있다. 세미랩은 전기연구원 기술을 활용해 SiC 전력반도체의 이온 주입 공정을 평가할 수 있는 전문 장비 개발에 나선다.
박수용 세미랩 코리아 지사장은 “전문 장비 개발을 통해 이온 주입 공정에서 발생할 수 있는 불량률을 낮추고 소자의 수율을 높일 수 있을 것”이라며 “우수한 균일도와 재현성이 있는 고품질의 이온 주입 양산 공정을 안정적으로 확보하는데 큰 기반이 될 것”이라고 전했다.
