전력 반도체 소자는 소재·부품·장비 관련 12대 국가전략기술 중 하나이며, 이동 및 양자 통신, 전기차, 태양광 및 풍력 발전, 전력 전송, 국방, 우주항공, 양자 컴퓨터 등 국가 산업 전반에 쓰이는 핵심 부품이다.

2023년 일본 야노경제연구소 발표에 따르면, 2030년 전 세계 전력 반도체 시장은 약 49조 원 규모, 산화갈륨 시장은 1조 7000억 원 규모로 성장할 것으로 전망된다.

산화갈륨은 최근 전 세계적으로 매우 활발히 연구되고 있는 차세대 전력 반도체의 핵심 소재인데, 현재 95% 이상 해외 수입에 의존하고 있다.

이러한 가운데 국내 연구진이 산화갈륨(Ga2O3) 전력 반도체의 핵심 소재와 소자 공정 기술 개발에 성공하는 쾌거를 이뤘다. 산화갈륨 전력 반도체 기술 국산화는 현재 질화갈륨(GaN), 탄화규소(SiC) 등 와이드밴드갭(WBG) 전력 반도체 기술이 대부분 해외에 의존하고 있는 상황에서 차세대 글로벌 경쟁력 향상과 신시장 선점을 위해 매우 중요한 기술이다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 한국세라믹기술원(KICET)과 함께 국내 최초로 3kV급 산화갈륨 전력 반도체 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(모스펫, MOSFET) 소자 기술을 개발했다.

특히 이번 성과는 세계 최초로 시도된 플랫폼형 단일 연구단 프로젝트에서 상용화 기술까지 체계적으로 연계 개발된 성공적인 연구개발 사례로 주목받고 있다.

연구진이 개발에 성공한 산화갈륨 에피소재 기술은 단결정 기판 위에 고품질의 전도성을 갖는 여러 층의 박막을 성장시키는 공정이다.

한국세라믹기술원의 전대우 박사 연구팀은 세계적으로 대구경 에피소재 양산 기술로 기대되는 금속유기화학기상증착법(MOCVD)을 활용해 고품질 베타 산화갈륨 에피소재 성장 기술 국산화에 성공했다.

이 기술은 에피소재의 두께를 10억분의 1미터인 나노미터(㎚) 크기에서 100만분의 1미터인 마이크로미터(㎛) 단위까지 자유롭게 만들 수 있다. 전자농도 또한 광범위하게 조절할 수 있어 다양한 크기의 전압과 전류 성능을 갖는 전력 반도체 소자 개발이 쉬워졌다.

연구진이 개발에 추가로 성공한 산화갈륨 소자공정 기술은 에피소재 기판 위에 미세 패턴 형성, 저손상 식각, 증착 및 열처리 공정 등을 통해 전력 반도체 소자를 제작하는 웨이퍼 스케일 집적화 공정 기술이다.

ETRI의 문재경 박사 연구팀은 해외 상용 에피소재가 아닌 KICET 연구팀에서 직접 개발한 에피소재를 사용해 성능이 더 우수한 3kV급 모스펫(MOSFET) 소자를 개발했다. 누설전류를 피코암페어(pA·1조분의 1A) 수준으로 줄일 수 있는 새로운 에피구조와 항복전압을 3kV 이상으로 대폭 향상시킬 수 있는 소자 및 공정 기술을 개발했다.

연구진은 이번 산화갈륨 에피소재와 전력 반도체 모스펫 소자 기술이 기존 전력 반도체보다 1/3~1/5 수준으로 제조 비용을 줄일 수 있다고 설명했다.

또한, 산화갈륨 반도체는 물성이 더 우수해 더 높은 전압까지 견딜 수 있어 전력 반도체 소자의 크기를 50% 이하로 줄여 소형화가 가능할 뿐만 아니라 전력변환 효율도 높다. 따라서 전력 반도체 소자의 성능을 10배 이상 향상시킬 수 있어 기존 전력 반도체 대비 소자의 가격 경쟁력을 20배 이상 높일 수 있다.

연구진은 산화갈륨 전력 반도체 소자는 전력변환 효율을 높이는 동시에 인버터 및 컨버터 시스템의 크기도 1/10 이하로 줄일 수 있다고 설명했다.

ETRI는 4미크론 두께의 도금공정을 이용한 세계 최초의 4인치 산화갈륨 전력 반도체 MOSFET 소자 공정 및 상용화 기술 개발에 집중하고 있다. 따라서 향후 국내 기술로 개발된 4인치급 대면적 에피소재 및 소자 공정 기술을 활용한 산화갈륨 전력 반도체 양산 기술도 확보할 수 있을 것으로 기대된다.

한국세라믹기술원 전대우 책임연구원은 “차세대 전력 반도체의 핵심 소재인 산화갈륨 에피 소재의 국산화는 국내 전력 반도체 제조원가의 40% 이상을 차지하는 에피소재의 원가 절감과 소재 자립화를 가능하게 할 것”이라고 말했다.

ETRI 문재경 프로젝트 총괄책임자는 “산화갈륨 전력 반도체를 시스템에 적용하는 시기를 한층 더 앞당기고, 세계 최초로 수 kV급 산화갈륨 전력 반도체 모스펫 소자를 상용화할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 2020년 과학기술정보통신부의 나노 및 소재기술개발사업의 국가핵심소재연구단 플랫폼형 사업의 일환으로 수행된 ‘수 kV급 고효율 초소형 전력반도체 핵심소재 기술 개발’ 프로젝트를 통해 이뤄졌다.