- 원자력연, 세계 최초 ‘SiC 반도체 웨이퍼의 대량 도핑 기술’ 개발 -

- 연구용 원자로 ‘하나로’ 이용, 초고품질 전력 반도체 도핑 시장 선점 기대 -

□ 전력반도체는 전력을 제어하는 반도체로, 전기차 및 신재생 에너지 설비의 핵심 부품이다. 주로 실리콘(Si) 소재를 사용했으나, 최근에는 전력 효율과 내구성을 극대화한 ‘차세대 전력반도체’ 시장이 부상하고 있다. 이런 가운데 우리나라가 차세대 반도체 대량생산에 필요한 원천기술을 확보해 화제다.

    ※ 차세대 전력반도체 : 실리콘카바이드(SiC, 이하 탄화규소), 질화갈륨(GaN), 산화갈륨(Ga2O3)이 3대 핵심소재

□ 한국원자력연구원(원장 박원석)은 세계 최초로 ‘탄화규소(SiC) 반도체 웨이퍼의 대량 도핑 기술’을 개발했다고 10일 밝혔다.

ㅇ 탄화규소는 단단하고 고온에 강하며, 전력변환 시 손실이 적다. 또한, 높은 전력에 대한 제어능력이 실리콘 대비 600배 우수한 것으로 알려져 있다.

ㅇ 지금까지 해외 연구는 탄화규소 소재의 웨이퍼를 작게 자른 ‘소형 반도체 칩’ 단위에서 실험하는 수준이었다. 그러나 원자력연구원은 상용되고 있는 탄화규소 웨이퍼 그대로, 여러 장을 한꺼번에 도핑하는 데 성공했다.

ㅇ 하나로이용부 박병건 박사팀은 2018년부터 과학기술정보통신부 방사선기술개발사업의 지원을 받아 본 성과를 이뤄냈다.

□ 이번 원천기술에는 국내 유일의 연구용 원자로 ‘하나로’를 이용한 ‘중성자 핵변환 도핑(NTD, Neutron Transmutation Doping)’ 기술이 주요 토대가 됐다.

ㅇ 부도체인 탄화규소 단결정(잉곳, ingot)에 중성자를 조사해, 원자핵 중 극미량을 인(P)으로 변환시켜 반도체로 만드는 원리다. 인을 직접 투입하는 일반적인 화학 공정보다 인이 균일하게 분포된다. 이런 장점으로 NTD는 고전압, 고전류를 제어하는 초고품질 전력반도체 소자 생산에 주로 사용된다.

ㅇ ‘하나로’는 2002년 연구원이 ‘실리콘 잉곳 도핑 기술’을 확보했던 당시에도 NTD로 기여한 바 있다. 지난해 6월 재가동 기간에 이번 실험을 진행했다. 

사진1. 탄화규소 잉곳을 담은 도핑 장치(우측 아래 원통형)가 연구용 원자로 '하나로'에 들어가고 있다

사진2. 탄화규소(SiC) 소재에 대한 중성자 핵변환 도핑 원리

□ 연구진은 이번에 중성자 도핑 균일도(RRG)를 1% 이내로 유지하는 기술과 탄화규소 웨이퍼 1,000장을 동시에 도핑할 수 있는 장치를 개발했다.

    ※ RRG(Radial Resistivity Gradient) : 웨이퍼 도핑 농도를 판별하는 지표로, 0에 수렴할수록 균일

ㅇ 기존 탄화규소 웨이퍼의 상용도핑 균일도가 6% 수준이었던 반면, 원자력연구원은 0.35% 수준으로 그 정확도를 높였다.

ㅇ 또한, 탄화규소 잉곳을 담는 도핑 장치를 이용해 하나로 수직 조사공에 직경 4인치 웨이퍼 1,000장을 넣는 방식으로 대량 공정이 가능하다.

사진3. 하나로에서 생산한 탄화규소 반도체 웨이퍼 (아래) 중성자 도핑 후

□ 하나로이용부 선광민 부장은 “이번 원천기술 확보를 발판 삼아, 2023년까지 탄화규소 전력반도체 도핑을 본격적으로 상업화하는 것이 목표이다”고 말했다.

ㅇ 한국원자력연구원 박원석 원장은 “중성자 핵변환 도핑은 연구로를 이용해 원소를 바꾸는 21세기 연금술”이라며, “세계 최초라는 이름에 걸맞게, 다가오는 차세대 전력 반도체 시장에서 우위를 점하는 데에 기여하겠다”고 밝혔다.