광운대 오종민 교수팀, 차세대 전력반도체용 초고내압 산화갈륨 필름 제작기술 개발

광운대학교는 전자재료공학과 오종민 교수 연구팀이 세계 최고 수준의 전력반도체용 초고내압 산화갈륨 필름을 개발하는 데 성공했다고 19일 밝혔다.

최근 전기자동차, 신재생에너지 시스템처럼 고전력을 사용하는 분야가 중요해지면서 전력 반도체 산업은 매년 급격한 성장률을 보이고 있다. 실리콘 카바이드(SiC), 질화갈륨(GaN)에 이어 높은 항복 전계를 갖는 산화갈륨(Ga₂O₃)이 고전압 신뢰성 확보를 위한 차세대 전력반도체 소재로 주목받고 있다.

산화갈륨은 높은 이론 항복 전계값(~8㎹/㎝)을 가지고 있어 최근 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 산화갈륨 소재를 필름 형태로 제작하기 위해 많이 사용되는 화학 기상 증착법은 고품질의 필름을 제작할 수 있지만, 증착 시간이 오래 걸리고 매우 높은 온도가 필요하며 고가라는 한계가 있다. 또한, 항복 전계 집중 현상을 해소하기 위해 많은 공정 단계를 거쳐 복잡한 구조로 산화갈륨 필름을 제작하기도 한다. 하지만 이런 노력에도 기존 연구들은 이론 항복 전계 값의 50% 미만 수준(2~4㎹/㎝)인 낮은 항복 전계 값을 보고하고 있다.

연구팀이 개발한 차세대 전력반도체용 초고내압 산화갈륨 필름은 상온 분말 충격 코팅 방식인 에어로졸 데포지션을 주 공정으로 사용했으며, 노즐 틸팅 최적 기술을 적용해 항복 전계 집중 현상을 해결했다. 또한 산소 공공 감소와 결정화를 후열처리 과정을 통해 이뤄냈다. 이는 높은 항복 전계를 위한 핵심 변수 중 하나인 밴드갭을 증가시켰다. 이를 통해 단순한 구조의 산화갈륨 필름이 제작됐다. 매우 낮은 누설 전류, 특히 세계 최고 수준인 5.5㎹/㎝의 항복 전계를 달성했다.

오 교수는 "이번 연구를 통해 산화갈륨 연구에 대한 새로운 증착 메커니즘을 제시했다"며 "세계 최고 수준의 항복 전계를 통해서 매우 높은 고전압에서도 신뢰성 있게 동작하는 차세대 전력반도체 소자 제작 기술로의 응용에 기대가 크다"고 말했다.

이번 연구 논문(Ultrahigh Breakdown Field in Gallium (III) Oxide Dielectric Structure Fabricated by Novel Aerosol Deposition Method)은 권위 있는 국제학술지 Small Structures 온라인판에 지난달 21일자로 게재됐다. 이번 연구에는 광운대 전자재료공학과 구상모 교수, 단국대 원종호 교수, 경희대 원강희 교수가 함께했다. 광운대 전자재료공학과 석사과정 2학기 이준우 학생이 제1 저자로 참여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구사업 지원으로 수행됐다.