Special AX 시대 선도하는 전력반도체 기술 개발 동향(1)

반절연 Silicon Carbide(SiC)단결정의 특성 및 응용분야

이원재_동의대학교 신소재공학과 교수 

구갑렬_㈜아인크리스탈 대표이사

정성민_한국세라믹기술원 수석연구원

1.   서론

SiC (Silicon Carbide, 탄화규소) 소재는 기존 반도체로는 해결할 수 없는 분야에 사용될 수 있는 미래 소재중에 가장 대표적인 소재라고 할 수 있다. SiC 단결정 소재의 응용분야는 크게 두가지로 분류할 수 있는데, 전력반도체 관련 응용분야와 본 논문에서 언급하려는 통신소자 응용분야이다. 전도성 SiC 기판이 사용되는 고효율 전력반도체는 전기자동차에서 가장 중요한 부품으로 적용이 확대되고 있으며, 4차 산업혁명 시대의 중요한 분야인 자율주행차, 로봇, 사물인터넷(IoT), 스마트그리드, 데이터센터 등의 산업이 성장함에 따라 수요가 급격히 늘어나고 있다. 현재 생산되고 있는 전력반도체 소자의 90% 이상을 차지하고 있는 실리콘 소자의 경우 실리콘 반도체 소재가 열적 특성 및 물리적 특성의 한계를 갖고 있어 와이드 밴드갭 반도체 재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. SiC 소재를 이용한 전력반도체 모듈은 실리콘 소자 모듈에 비해 전력 스위칭 시 발생하는 불필요한 에너지 손실을 대폭적으로 삭감(~85% 감소)하는 것으로 보고되고 있다. 이에 따라 차세대 반도체 소자 재료로써 SiC, GaN, AlN, Ga2O3, Diamond 등의 광대역 반도체 재료가 많이 연구되고 있지만 전력반도체 소자에의 적용 용이성, 신뢰성 및 큰 사이즈 잉곳 성장의 어려움 등으로 인하여 잉곳 성장 기술이 확보되어 벌크기판으로 생산성이 뛰어난 재료는 탄화규소(Silicon Carbide) 밖에 없으며, 고내열, 고열전도, 고내전압 특성을 고루 갖춘 SiC 반도체가 21세기를 이끌 대안으로 주목받고 있는 실정이다[1-5]. 반절연 SiC 기판이 사용되는 통신분야도 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 특히 이 분야는 국방기술과도 밀접한 관계가 있는데, 현대 국방 기술은 고출력 레이더, 전자전(EW), 고속 통신, 에너지 무기 시스템 등 고전력·고주파 환경에서 동작하는 전자 소자의 개발을 요구하고 있다. 이러한 응용 분야에서는 높은 내열성, 저손실 특성을 가진 SiC 기반 반도체가 필수적이며 특히, 고출력 전력 증폭기 및 전력 변환 시스템에 활용되는 고순도 반절연(High-Purity Semi-Insulating, HPSI) SiC 웨이퍼 등의 수요가 급증하고 있다. 

하지만, SiC 단결정은 성장 시 필요한 우수한 원료소재, 압력 및 온도, 온도구배 등의 공정변수 제어가 쉽지 않아 재현성을 구현하는데 문제가 있다. 또한 SiC 단결정의 주요한 결함으로 알려져 있는 Micropipe, Planar Defect(Stacking Fault), Dislocation, Carbon Inclusion 등의 생성이 저가의 SiC 대구경 웨이퍼를 상용화해서 광범위하게 모든 응용분야에 적용하는데 가장 큰 문제로 간주하고 있다. 이 자료에서는 SiC 단결정의 기본 특성, Physical Vapor Transport(PVT) 공정의 주요한 변수고찰, 반절연 특성을 구현하기 위한 기술 및 응용 분야, 향후 전망 등에 대하여 간단히 소개하고자 한다. 

2.   반절연 SiC 단결정 소재의 특성

SiC는 Si와 C의 화합물로 공유결합과 부분적 이온결합으로 이루어진 화합물이다. 대표적인 결정형으로는 입방형(Cubic), 육방형(Hexagonal), 능면형 (Rhombohedral)이 존재한다. 이러한 SiC 결정다형(Polytype)들은 결정구조가 다를 뿐만 아니라 적층 주기에 따라 다른 특성을 가지고 있으며, 그림 1에 SiC의 주요 결정다형을 도시하였다. 

그림 1. SiC의 주요 Polytype 에서의 적층 모식도

SiC는 또한 α-SiC와 β-SiC로 구분되기도 하는데, β-SiC는 3C-SiC 입방정상을 의미하며 나머지 70여종의 육방정상, 170여종의 능면정상은 α-SiC로 통칭된다. 이 중 가장 많이 나타나는 상은 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC이며, 이들은 산업적으로 널리 이용되고 있으며, 각각의 결정다형은 에너지 밴드갭 및 전하이동도 등의 물성이 달라 소자 뿐만 아니라 여러 분야에서 연구되고 있으나[6-8], 대형의 단결정 잉곳 성장이 가능한 것은 Hexagonal Type의 결정다형인 4H-SiC와 6H-SiC이다. 

SiC는 높은 포화 전자 드리프트 속도(~2.7×107cm/s), 높은 절연 파괴전압(~3MV/cm) 과 높은 열전도율(~5.0W/cm) 특징을 가진다. 그림 2에서 Si와의 물성을 비교한 결과 SiC소자의 경우 실리콘 소자보다 고전압 그리고 고출력과 고온에서의 작동 가능성을 보인다.

-----이하 생략

<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2025년 12월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>