한국전자통신연구원(ETRI)은 국내 최초로 질화갈륨 단결정 기판을 이용한 800V급 수직형 전력반도체 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

에너지 효율 개선 및 소재·부품·장비 국산화에 큰 도움이 될 전망이다. 전력반도체는 전기에너지를 시스템이 필요로 하는 형태로 변환, 제어, 처리 및 공급하는 반도체다. 전기자동차 등과 태양광 발등 전기로 작동하는 제품의 효율적 전력 운용을 가능케 하는 핵심부품이다.

연구진이 개발한 수직형 전력반도체는 기존의 수평형에 비해 높은 항복 전압 특성을 가지고 있다. 질화갈륨 단결정 기판을 적용했기 때문이다.

기존에는 이종 반도체 기판을 사용함으로써 결함이 발생해 전력 손실이 불가피했다. 따라서 소형 충전기와 같은 저전압 영역에서 주로 활용될 수 밖에 없었다.

연구팀은 질화갈륨 단결정 기판 위에 동종(同種)의 질화갈륨 에피층을 수직으로 쌓아 올려 최적화함으로써 결함을 극복해냈다. 다년 간의 질화갈륨 반도체 노하우를 바탕으로 에피층의 두께를 늘리는 공정을 통해 전압을 높이면서도 저항을 억제할 수 있었다.

결과는 기존의 수평형에 비해 높은 항복 전압 특성을 구현해내는 데 성공해 800V급 수직형 질화갈륨 다이오드 전력반도체를 개발했다.

수직 구조 전력반도체는 단결정 기판에 전력 소자 에피를 성장시킨 후 설계 및 공정, 패키징 과정을 통해 생산된다. 국내에서는 주로 에피가 형성된 기판을 90% 이상 수입해 추가공정을 진행했다.

연구진이 국내 기술력으로 핵심 소재인 질화갈륨 에피를 성장시키는 기술 개발을 이루어냄으로써 소재의 해외의존도 및 원천기술 격차를 낮출 수 있을 것으로 보인다.

전력반도체 소재로는 실리콘, 탄화규소, 질화갈륨 등이 고려되는데 기존 실리콘은 스위칭 속도 및 항복 전압 등에 있어 소재상 한계가 존재했다. 질화갈륨은 소재 특성상 열에 강하고, 스위칭 속도가 수십 MHz에 이를 정도로 빨라서 별도의 에너지 저장 공간이 요구되지 않아 실리콘 대비 1/3 수준의 시스템 소형화가 가능하다.

에너지 차이(밴드 갭) 또한 실리콘 대비 3배 이상 뛰어난 3.4Eg 수준으로 고전압에 유리해 차세대 전력 반도체 소재로 주목받고 있다.

특히 이번 기술은 고전압·소형화가 핵심인 전기차 배터리 개발에 필수적인 요소다. 전력 손실 감소 및 전력 변환효율 향상으로 전비를 높일 수 있고 소형화를 통해 전기차 부피를 줄일 수 있기 때문이다.

[전국매일신문] 대전/ 정은모기자
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