반도체 기술패권을 둘러싼 보이지 않는 전쟁의 열기가 뜨겁다. 반도체 기술과 공급망을 장악하는 국가가 세계 패권을 잡을 수 있기 때문이다. 그래서 반도체는 국가기반기술 중에서도 가장 중요한 영역이다.
글로벌 반도체 기술 강국으로 떠오른 대한민국이 현재의 시장 지배력을 유지하고, 경쟁국이 따라잡을 수 없는 초격차 기술 확보를 위해 전력투구하고 있는 것도 이 때문이다.
이런 가운데 차세대 반도체로 불리우는 산화갈륨(Ga2O3)계 반도체 양산에 필요한 핵심 소재 및 소자 공정 기술이 국내 연구진에 의해 국산화돼 비상한 관심을 끌고 있다.
◆MOCVD 활용 고품질 산화갈륨 에피 성장 기술 확보
한국전자통신연구원(ETRI) 문재경 박사팀과 한국세라믹기술원(KICET) 전대우 박사팀은 국내 최초로 3kV급 산화 갈륨계 전력반도체의 핵심소재인 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(모스펫·MOSFET) 소자 기술을 공동개발하는데 성공했다고 1일 밝혔다.
전력반도체란 현재의 실리콘(Si)계열 반도체에 비해 전력 효율과 내구성이 뛰어난 미래의 반도체이며, 전력반도체 소자는 소재·부품·장비(소부장) 관련 12대 국가전략 기술 중 하나로 지정돼있다.
전력반도체는 특히 이동 및 양자 통신, 전기차, 태양광 및 풍력발전, 전력 전송, 국방, 항공우주, 양자컴퓨터 등 미래 국가 기간산업 전반에 쓰이는 핵심 부품이다. 일본이 강점을 갖고 있으며, 현재 95% 이상 해외 수입에 의존하고 있다.
특히 전력반도체의 핵심 소재는 실리콘카바이드(SiC), 질화갈륨(GaN) 등에 이어 산화갈륨(GA2O3)이 대체 소자로서 국내는 물론 일본, 중국, 미국 등 전세계의 주목을 받고 있다.
연구진이 이번에 개발한 소자는 산화갈륨 에피 소재 기술로, 단결정 기판 위에 고품질의 전도성을 갖는 여러 층의 박막을 성장시키는 고난도 공정기술로 알려져있다.
연구진은 세계적으로 대구경 에피 소재 양산 기술로 기대되는 금속유기화학기상증착법(MOCVD)을 활용해 고품질 베타 산화 갈륨 에피 소재 성장 기술 개발에 성공했다.
이 기술은 에피 소재 두께를 십억분의 1ｍ인 나노미터(㎚) 크기에서 100만분의 1ｍ인 마이크로미터(㎛) 단위까지 자유롭게 만들 수 있으며, 전자 농도도 광범위하게 조절할 수 있는게 강점이다.
◆종전보다 5분의 1 수준 초소형화...원가절감 효과 커
연구진은 "이번 개발로 다양한 크기의 전압과 전류 성능을 갖는 전력반도체 소자 개발이 쉬워져 한층 더 양산 기술에 가까워졌다고 볼 수 있다"면서 "국가 전략기술 자립화 측면에서 매우 큰 의미가 있다"고 강조했다.
연구진은 또 산화 갈륨 소자 공정 기술도 이번에 개발하는데 성공했다. 이는 에피 소재 기판 위에 미세 패턴 형성, 저손상 식각, 증착 및 열처리 공정 등을 통해 전력반도체 소자를 제작하는 웨이퍼 스케일 집적화 공정 기술로 국내 개발은 이번이 처음이다.
연구진은 이번 산화 갈륨 에피 소재와 전력반도체 모스펫(MOSFET) 소자 기술이 기존 전력반도체보다 3분의 1∼5분의 1 수준으로 제조 비용을 줄일 수 있어 우리나라가 차세대 전력반도체 고부가가치 산업에서 주도권을 확보가 가능할 것으로 기대했다.
ETRI 문재경박사는 "앞으로 전력 송배전망, 고속철도, 데이터센터, 양자컴퓨터, 전기자동차 등 전력 사용이 많은 산업 분야에 적용하면 에너지 절감 효과가 커질 것으로 기대된다"고 강조했다.
연구진은 이번 개발로 산화 갈륨 전력반도체를 시스템에 적용하는 시기를 한층 더 앞당기게된 만큼 세계 최초로 수 kV급 산화 갈륨 전력반도체 MOSFET 소자를 상용화하는데 박차를 가할 계획이다.
전통적인 반도체 소자 강국 일본, '반도체굴기'를 내세우며 글로벌 반도체강국을 꿈꾸는 중국 , 반도체 설계 중심으로 제조기술까지 장악하려는 미국 등 경쟁국과의 차세대 반도체 경쟁에서 이번 연구성과가 향후 어떤 영향을 미칠 지 귀추가 주목된다.
댓글
0