오종민 광운대 교수팀, 차세대 전력반도체용 필름 제작공정 기술 개발

오종민 광운대 전자재료공학과 교수(왼쪽 사진)와 이준우 석사과정./사진제공=광운대

광운대학교는 최근 오종민 전자재료공학과 교수 연구팀이 나노복합재료합성과 상온 코팅 등 융복합 연구를 통해 세계 최고 수준의 전력반도체용 초고내압 산화갈륨 필름을 개발했다고 19일 밝혔다.

전기차, 신재생 에너지 등과 같은 고전력을 사용하는 분야가 부상하면서 전력 반도체 산업은 매년 급격한 성장세를 보이고 있다. SiC, GaN에 이어 높은 항복 전계를 갖는 산화갈륨(Ga2O3)이 고전압 신뢰성 특성 확보를 위한 차세대 전력반도체 소재로 주목받고 있다.


산화갈륨은 높은 이론 항복 전계값(~8 MV/cm)을 갖는다. 이를 필름 형태로 제작하기 위해 사용되는 '화학 기상 증착법'은 고품질의 필름을 제작할 수 있지만 증착 시간이 길고 높은 온도가 필요하다. 즉, 비용이 많이 든다.

뿐만 아니라 항복 전계 집중 현상을 해소하기 위해 복잡한 공정 단계를 거쳐야 한다. 하지만 이런 노력에도 불구하고 기존 연구들은 이론 항복 전계 값의 50% 미만 수준인 2~4 MV/cm라는 이론값 대비 낮은 항복 전계 값을 보고했다.

오 교수팀이 개발한 차세대 전력반도체용 초고내압 산화갈륨 필름은 상온 분말 충격 코팅 방식인 에어로졸 데포지션을 주공정으로 사용했다. 최적의 노즐 틸팅 기술을 적용해 항복 전계 집중 현상을 해결했으며, 후열처리 과정에서 산소 공공 감소 및 결정화를 이뤄냈다. 또 높은 항복 전계를 위한 핵심 변수 중 하나인 밴드갭을 증가시켰다.


그 결과 보다 단순한 구조의 산화갈륨 필름을 제작하는데 성공했다. 매우 낮은 누설 전류, 세계 최고 수준의 항복 전계 수치 5.5 MV/cm를 달성했다.

오 교수는 "이번 연구를 통해 산화 갈륨에 대한 새로운 증착 메커니즘을 제시할 수 있었다. 세계 최고 수준의 항복 전계를 확보했다"며 "이는 고전압에서도 신뢰성 있는 동작을 수행하는 차세대 전력반도체 소자 제작 기술로 응용될 수 있을 것"이라고 설명했다.

한편 오 교수팀은 구상모 전자재료공학과 교수, 원종호 단국대 교수, 원강희 경희대 교수 등과 함께 연구를 수행했다. 과기정통부가 추진하는 '한국연구재단 기초연구사업'의 지원을 받았으며, 연구결과는 'Ultrahigh Breakdown Field in Gallium (III) Oxide Dielectric Structure Fabricated by Novel Aerosol Deposition Method'라는 제목으로 국제학술지 'Small Structures'(IF=13.9) 온라인판에 게재됐다.