한국전기연구원·충남대 등 공동연구연구진, '반도체 불량 찾는 빛의 지문'…15년 오류 바로잡았다

SiC 결함 발광 파장 재규명 국제표준 개정 근거 마련…전기차·전력반도체 품질 향상 기대

KERI의 이번 연구결과가 재료 분야 국제학술지 '악타 머티리얼리아 Acta Materialia'에 게재됐다.

전기차와 신재생에너지 설비에 쓰이는 차세대 전력반도체의 불량 판별 기준에 오류가 있다는 사실을 국내 연구진이 밝혀냈다. 약 15년간 국제적으로 통용된 결함의 발광 파장을 원자구조 분석으로 바로잡아 반도체 품질검사의 정확도를 높일 길을 열었다.

경남 창원에 본원을 둔 한국전기연구원(KERI)은 차세대반도체연구센터 팀이 충남대 홍순구 교수팀, 호리바에스텍코리아, SK실트론 등과 공동으로 탄화규소(SiC) 전력반도체 내부의 '(4,1) 프랭크형 적층결함'이 내는 빛의 파장을 새롭게 규명했다고 25일 밝혔다.

SiC 전력반도체는 높은 전압과 온도를 견디면서 전력을 변환·제어하는 핵심 부품이다. 전기차와 충전기, 신재생에너지 설비 등에 활용되지만, 제조 과정에서 원자층의 쌓임 순서가 어긋나는 '적층결함'이 발생하면 성능과 신뢰성이 떨어질 수 있다.

산업계는 반도체 원판인 웨이퍼를 파손하지 않고 결함을 찾기 위해 광발광(PL) 검사를 활용한다. 빛을 비췄을 때 결함이 내뿜는 빛의 파장을 측정해 종류를 구분하는 방식이다. 결함마다 나타나는 빛의 신호를 일종의 '지문'으로 삼는 셈이다.

문제는 지문과 실제 결함의 연결이 정확한지였다. 연구팀에 따르면 (4,1) 프랭크형 적층결함의 발광 파장은 약 15년간 424나노미터(㎚)로 알려졌고, 국제전기기술위원회(IEC) 표준에도 반영됐다. 그러나 동일한 결함에서 나온 빛과 실제 원자구조를 직접 대조한 근거는 충분하지 않았다.

연구팀은 빛으로 확인한 결함 위치에서 초미세 시편을 채취한 뒤 원자분해능 전자현미경으로 원자 배열을 관찰했다. 여기에 물질의 전자상태를 예측하는 밀도범함수이론(DFT) 계산을 더해 분석 결과를 교차 검증했다.

전체 연구에서 분석한 위치 지정 전자현미경 시편은 176개다. 이 가운데 해당 결함의 파장 규명을 위해 459㎚의 빛을 내는 독립적인 결함 9개를 분석하고, 6개에서 (4,1) 원자구조를 직접 확인했다. 서로 다른 세 가지 이론 계산도 기존 424㎚보다 긴 파장대의 발광을 뒷받침했다.

이를 통해 연구팀은 해당 결함의 실온 발광 파장이 424㎚가 아닌 459㎚라는 직접적인 구조·광학 대응 근거를 확보했다. 국제표준에 반영된 기존 판별 기준을 재검토하고 개정할 과학적 근거를 마련한 것이다.

산업 현장에서 활용할 가능성도 크다. 연구팀이 9개 공급사의 상용 웨이퍼 207장에 있는 적층결함 10만4천439개를 분석한 결과, 프랭크형 적층결함은 주요 결함군으로 나타났다. 결함을 정확히 구분하면 발생 원인을 추적하고 성장·제조 공정을 개선하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

연구 성과는 재료 분야 국제학술지 '악타 머티리얼리아(Acta Materialia)'에 발표됐다. 연구원에 따르면 심사 과정에서 수정 요구 없이 투고 원고 그대로 게재 승인을 받았다. 앞서 같은 학술지에 SiC 사다리꼴 결함의 내부 구조를 규명한 연구를 발표한 데 이은 성과다.

나 박사는 일련의 SiC 결함 분석 연구를 인정받아 '2026 호리바 마사오상'의 'Honorable Mention'에도 선정됐다. 연구원은 2004년 첫 시상 이후 국내 연구기관 소속 연구자의 수상은 처음이라고 설명했다.

연구팀은 앞으로 복합 결함의 발광 특성과 형성·변화 조건, 소자의 장기 신뢰성에 미치는 영향을 분석해 실제 웨이퍼 검사와 공정 개선에 활용할 계획이다.

나 박사는 "반도체 결함이 내는 빛을 정확히 해석하려면 그 빛을 내는 원자구조를 함께 확인해야 한다"며 "정확한 측정과 물리 해석을 통해 국내 전력반도체 소재의 신뢰성과 품질 경쟁력을 높이는 데 기여하겠다"고 말했다.