[일간전북 = 이혜숙 기자]

산화갈륨(Ga2O3)은 실리콘카바이드(탄화규소 SiC), 질화갈륨(GaN)과 더불어 제3세대 반도체라 불리는 WBG(Wide Bandgap) 반도체 계열의 하나인 차세대 전력반도체 소재다. 기존 실리콘(Si) 반도체에 비해 고전압과 고온 조건에서도 안정적으로 동작하고, 방사선 등 외부 충격으로부터도 강하다. 이 3종의 WBG 반도체 소재 중 산화갈륨(Ga2O3)은 전력변화 효율과 제조비용 등 여러 면에서 우수해서 고전압/대전류 제어를 위한 세계 반도체 시장의 새로운 대세로 자리매김하고 있다.

최근엔 직경이 4인치인 산화갈륨 벌크(bulk) 기판의 성장기술이 보고되어 빠른 속도로 발전하고 있으며, 밴드갭(Bandgap)이 4.6~4.9eV로 매우 커서 100KW 이상의 대전력 시스템 응용에 매우 유망하다고 평가되고 있다. 이미 미국, 일본 등에서 관련 R&D 활동이 경쟁적으로 진행되는 등 기존 실리콘을 대체하는 차세대 소재로서 전력반도체의 패러다임이 완전히 뒤바뀌고 있다.

* 밴드갭 : 전도대(conduction band)의 가장 아래 부분의 에너지준위와 가전자대(valence band)의 가장 윗부분의 에너지준위 간의 에너지 차. 밴드갭이 크면 전하가 활성화되기 어려워 전력 손실이 덜하다는 장점이 있다.

이러한 우수한 특성으로 인해 산화갈륨 전력반도체는 전세계적으로 많은 연구가 진행되고 있지만, 아직 국내는 기술 개발 초기 단계에 머무르고 있어, 성장 잠재력이 우수한 산화갈륨 전력반도체의 세계적인 기술 경쟁력을 확보하기 위해서는 국내 기술 개발이 시급히 요구되고 있다.

전북대학교 최철종 교수와 ㈜시지트로닉스(대표 심규환)는 공동 연구를 통해 1.2 kV ~ 2.6 kV의 고전압 환경에서 안정적인 동작이 가능한 산화갈륨 전력반도체 신소자 기술을 개발하는 쾌거를 이루었다.

공동연구팀이 개발한 신소자는 저손상 식각기술(표면을 부식시켜 원하는 모양을 만드는 기술)을 이용하여 형성된 도랑(trench) 구조에 P형 반도체 박막을 접합한 구조적 특징을 가지고 있어 기존 평판형 소자와 비교하여 항복전압을 2배 이상 높일 수 있었다. 특히 이번에 개발된 신소자의 누설전류(~5x10-6A/cm2)와 온저항(~5 mΩcm2) 특성은 충분히 사업화 수준에 근접했다는 평가를 받고 있다.

최철종 교수는 “후속 기술개발로 더욱 높은 전압까지 견딜 수 있는 소자의 구조와 핵심 제조공정을 개발하여 기존의 전력반도체 성능을 능가하는 제품으로 사업화가 가능할 것으로 기대하고 있다”고 설명했다.

이번 기술이 획기적인 또 하나의 이유는 산화갈륨 벌크 기판의 대구경화를 통해 1kW급을 넘어 100kW급으로 대전력 스위칭을 제어하는 성능을 갖추면 질화갈륨(GaN)이나 탄화규소(SiC)와 차별화된 응용분야로의 확장성도 기대되기 때문이다.

차세대 반도체 개발 분야에서 게임 체인저가 될 수 있는 이번 기술은 전북대 반도체물성연구소장으로 10여 년 간 국가 R&D 및 인력양성을 주도해 온 최철종 교수가 갖고 있는 연구 경험과 경쟁력이 기반이 됐다. 반도체 물질의 분석과 평가에 전문성을 갖고 있는 최 교수는 산화갈륨 반도체의 결정성이 여타 반도체와 다르게 특이한 결정구조이지만 고품질 대구경으로 성장되기 때문에 파워반도체 제작에 매우 유용하다는 점에 주목했다고 말한다.

최 교수는 “현재 전북대가 보유하고 있는 반도체 시설과 장비가 6인치 중심이므로 질화갈륨(GaN)을 비롯한 WBG 반도체 R&D에 최적이다”라며 “이번의 성과를 기반으로 산화갈륨 파워반도체 기술수준을 더욱 높여 동작전압 1kV~10kV 대역에서 대전력 반도체를 최초로 상용화하겠다”고 밝혔다.

최 교수와 함께 후속 연구에 나서고 있는 전북대 실험실창업기업 시지트로닉스의 장태훈 본부장은 “우리나라가 세계속에서 반도체 강국으로 입지를 확고히 하기 위해 첨단 선진국형 산업구조로 개편해야 하는 국가적 입지를 고려하면 부가가치가 높은 E-모빌리티, K-방산, K-우주항공 분야에 고주파, 고전압, 고효율의 WBG 반도체 국산화는 시급하고 필수 불가결한 당면 과제라 할 수 있다”라며 “향후 15년 정도면 질화갈륨(GaN)을 위주로 하여 탄화규소(SiC) 및 산화갈륨(Ga2O3)의 WBG 전력반도체가 전체 시장의 절반 이상을 점유하면서 주축이 될 것이기 때문에 지금이라도 국가차원에서 전략적으로 접근해야 한다”고 조언했다.

한편, 이번 연구 성과는 과학기술정통부(대학나노인프라구축 사업)와 중소벤처기업부(산학연협력 신사업 R&D 바우처 사업) 지원을 받아 수행됐다.

또한, 이번 신소자 기술 개발에 있어, 전북대 반도체물성연구소가 구축한 6인치 반도체 시설장비를 활용하였다.

전북대 반도체물성연구소는 우수한 반도체 인프라를 바탕으로 WBG 반도체를 비롯한 특화 반도체를 연구개발하고 실무능력이 높은 전문가를 양성하는데 중추적 역할을 담당해 오고 있다. 또한, 최근 정부의 지원정책에 따라 2024년부터 전북대는 반도체과학기술학과 학부생이 80명으로 증원됐고, 지역산업체와 R&D 및 사업화, 산학 공동 프로젝트 협력 등을 통해 국가 반도체 산업 발전에 다방면으로 기여하며, 핵심인재도 더욱 많이 배출할 수 있을 것으로 기대된다. 여기에 전라북도 역시 세계적 헤게모니 전쟁의 중심축이 반도체임을 인식해 확고한 지원의사를 밝히고 있어 대학과 지자체의 협력을 통한 반도체 분야 발전에 큰 기폭제가 될 것으로 기대를 모으고 있다.