Special AX 시대 선도하는 전력반도체 기술 개발 동향(1)

전력반도체 내방사선 개발 기술 동향

윤영준_국립경국대학교 교수

1. 서론

전력반도체(power semiconductor)는 전력 변환, 제어, 에너지 효율 향상에 핵심적인 역할을 수행하며, 전기차, 신재생에너지, 산업용 전력변환 시스템 등 다양한 응용 분야에서 활용되고 있다.[1] 최근에는 우주항공, 원자력, 국방 등 방사선 환경에 대한 고신뢰성을 요구하는 분야로 적용 범위가 확장되면서 안정적으로 동작할 수 있는 내방사선 전력반도체의 요구가 증가하고 있다. 고에너지 입자, 감마선, X-ray 등 다양한 형태의 방사선은 우주, 지상 환경에 존재하며[2], 장기간 노출되면 반도체 소자의 동작 특성을 심각하게 악화시킨다. 우주 환경 방사선에서는 은하 우주방사선, 태양 우주방사선, Van Allen Belts 이렇게 3가지로 분류하고 있으며, 고에너지 양성자, 전자, 중이온으로 주로 구성되어 있다. 태양 우주방사선은 태양플레어(Solar flare)와 코로나 질량방출(Coronal mass ejection)와 같은 태양활동에 의해 방출되는 방사선 영향이 달라지며, 태양 폭풍은 스타링크 위성에 심각한 영향을 미쳐 2022년에는 40개 이상이 궤도를 이탈했고, 2024년에는 기능 저하를 일으키기도 하였다. 지구 자기장을 뚫고 대기권에 도달한 우주방사선은 대기를 구성하는 산소, 질소, 아르곤 등과 반응해서 수백 MeV 이상의 에너지를 가지는 2차 방사선(중성자, 전자 등)을 생성한다. 그리하여 우주/대기에 방사선이 존재하며, 사용 환경에 따라 영향을 미치는 방사선의 종류와 영향 정도가 달라질 수 있다. 

  내방사선(Radiation-Hardening) 기술은 주로 실리콘(Si) CMOS 기반 논리 소자 중심으로 개발되어 왔으나, 고전압/고출력 특성을 요구하는 전력반도체에서도 방사선 내성이 중요한 설계 요소로 부상하고 있다. 특히 SiC, GaN 기반 차세대 전력반도체가 우주, 군수, 원전 로봇 등에 적용되면서 방사선 영향에 대한 심층 분석과 내방사선 기술 개발이 필수화되고 있다. 소재별, 응용 분야별, 구조적/공정적 관점에서의 최신 내방사선 전력반도체 기술 동향을 분석하고, 국내·외 연구 및 산업 발전 방향을 제시한다. 

그림 1. 전력반도체 응용분야 [1]

그림 2. 우주/지상 방사선 환경 [2]

그림 3. 우주 환경에서의 방사선 분류

2. 방사선이 전력반도체에 미치는 영향

방사선 영향은 반도체 소자의 전기적 특성 및 장기적인 신뢰성을 저하시키는 형태로 구분하며, 크게 총 이온화 선량 효과(Total Ionizing Dose, TID), 변위 손상(Displacement Damage, DD), 단일 이벤트 효과(Single Event Effects, SEE) 이렇게 세 가지 주요 메커니즘으로 분류할 수 있다. 

2-1. 총 이온화 선량 효과(Total Ionizing Dose, TID)

감마선, 양성자 등의 이온화 방사선에 의해 반도체 내부의 절연층(산화막, SiO₂)에 전자-정공 쌍이 생성되고, 이 중 정공(양전하)이 절연층이나 경계면에 갇히면서 전하가 누적된다. 산화막과 계면에 축적된 전하는 반도체 소자의 문턱전압(threshold votlage)의 변화와 누설전류 증가를 유발한다. 전력반도체의 경우에는 누설전류 증가와 함께 항복전압이 감소되는 현상이 발생한다. 총 이온화 선량 효과(Total Ionizing Dose, TID)는 점진적으로 소자 특성이 열화되어 전체적인 성능 저하를 유발하는 누적 효과이다.

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