'원자력 활용 차세대 전력반도체 양산' 웨이퍼 도핑기술 개발

원자력연구원 박병건 박사팀, 연구용 원자로 '하나로' 이용
초고품질 반도체 시장 선점 기대

'차세대 전력반도체'를 대량 생산할 수 있는 원천기술이 한국원자력연구원 연구진에 의해 개발됐다.

10일 원자력연구원에 따르면 전력을 제어하는 반도체인 전력반도체는 전기차·신재생 에너지 설비의 핵심 부품으로, 주로 실리콘(Si) 소재로 만들어졌는데, 최근에는 전력 효율·내구성을 극대화한 탄화규소(SiC·실리콘카바이드)·질화갈륨(GaN)·산화갈륨(Ga2O3) 등 3대 핵심소재를 기반으로 한 차세대 전력반도체 시장이 부상하고 있다.

단단하고 고온에 강한 탄화규소는 전력변환 시 손실이 적고, 높은 전력에 대한 제어능력이 실리콘보다 600배 우수한 것으로 알려졌다.

해외에서는 탄화규소 소재 웨이퍼를 작게 자른 '소형 반도체 칩' 단위에서 실험하는 수준인데, 원자력연 하나로이용부 박병건 박사팀이 이번에 현재 사용되는 탄화규소 웨이퍼 그대로 여러 장을 한꺼번에 도핑하는 데 성공했다.

연구진이 세계 최초로 개발한 '탄화규소(SiC) 반도체 웨이퍼 대량 도핑 기술'의 주요 토대는 국내 유일 연구용 원자로인 '하나로'를 이용한 '중성자 핵변환 도핑'(NTD) 기술이다.

도핑(Doping)은 결정의 물성을 변화시키기 위해 소량의 불순물을 첨가하는 공정으로, 주로 반도체를 제조할 때 전기적 특성을 높이려고 사용된다.

부도체인 탄화규소 단결정(잉곳·ingot)에 중성자를 쪼여 원자핵 중 극미량을 인(P)으로 변환시켜 반도체로 만드는 원리다.

인을 직접 투입하는 일반적인 화학 공정보다 인이 균일하게 분포되는 장점으로 인해 NTD는 고전압·고전류를 제어하는 초고품질 전력반도체 소자 생산에 주로 사용된다.

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

RRG는 웨이퍼 도핑 농도를 판별하는 지표로, 0에 수렴할수록 균일하다.

기존 탄화규소 웨이퍼의 상용 RRG가 6% 수준이었던 반면, 원자력연구원은 0.35% 수준으로 정확도를 높였다.

하나로이용부 선광민 부장은 "이번에 확보한 원천기술을 발판 삼아 2023년까지 탄화규소 전력반도체 도핑을 본격적으로 상업화하는 것이 목표"라며 "세계 최초라는 이름에 걸맞게 다가오는 차세대 전력 반도체 시장을 선점하는 데 기여하겠다"고 말했다.

/연합뉴스