한국전기연구원(KERI) 연구진이 탄화규소(SiC) 전력반도체의 수율을 저하시키는 결함 구조를 규명했다. 전력반도체 제조 과정에서 발생하는 결함의 원인을 분석해 향후 고품질 생산 기술 개발에 활용될 것으로 보인다.

한국전기연구원은 22일 차세대반도체연구센터 나문경 박사 연구팀이 충남대, 호리바에스텍코리아와 공동으로 SiC 전력반도체 ‘킬러 결함’의 내부 구조와 발생 원리를 규명했다고 밝혔다.

SiC 전력반도체는 고온·고전압 환경에서도 동작하는 전력 제어용 반도체다. 제조 과정의 에피택시(Epitaxy) 공정에서 원자 배열이 어긋나면 적층 결함이 발생해 수율이 낮아지는 문제가 있다.

특히 길이 약 1mm 수준의 ‘사다리꼴 결함(TZD, Trapezoidal Defect)’은 칩 전체 성능을 저하시키는 주요 결함으로 알려져 왔다.

연구팀은 광발광 분석, 스펙트럼 분석, 원자 수준 해석, 밀도범함수이론(DFT) 계산 등 다각적 분석 기법을 활용해 결함 구조를 조사했다.

그 결과 사다리꼴 결함 내부에는 최대 32층으로 구성된 여러 결함이 복합적으로 존재하는 것으로 확인됐다. 또한 결함이 공정 중 에피층으로 확산되며 구조를 변화시키는 과정도 파악됐다.

이번 연구는 기존에 단일 결함으로 인식되던 구조가 복합적 결함 구조임을 밝힌 점에서 의미가 있다고 연구팀은 설명했다.

SiC 전력반도체는 AI 데이터센터와 전기차에서 수요가 증가하고 있는 소재로, 제조 공정 안정성과 수율 확보가 중요한 과제로 꼽힌다.

연구 결과는 금속·무기재료 분야 학술지 ‘Acta Materialia’에 게재됐다.

연구팀은 향후 SiC뿐 아니라 와이드밴드갭(WBG) 반도체 전반으로 결함 연구를 확대할 계획이라고 밝혔다.

나문경 박사는 “전력반도체 성능에 영향을 미치는 결함 구조와 변화 과정을 확인했다”고 설명했다.