SiC 반도체 결함 판별 파장, 15년 만에 오류 규명

[에너지신문] 전기차와 신재생에너지 설비에 쓰이는 탄화규소(SiC) 전력반도체의 특정 결함을 식별하는 발광 파장에 오류가 있다는 연구 결과가 나왔다. 약 15년간 통용된 빛의 신호를 실제 원자 구조와 대조해 바로잡은 것으로, 반도체 품질검사의 정확도를 높일 근거가 될 것으로 보인다.

▲ 다양한 프랭크형 결함의 구조와 전자·광학적 특성을 하나의 학술 체계로 통합 정리한 분석 결과.

한국전기연구원 차세대반도체연구센터 나문경 박사팀은 충남대학교 홍순구 교수팀, 호리바에스텍코리아, SK실트론과 공동으로 ‘(4,1) 프랭크형 적층결함’의 발광 파장이 기존에 알려진 424나노미터(nm)가 아닌 459nm라는 사실을 확인했다.

SiC 전력반도체는 높은 전압과 온도에서도 작동하지만, 제조 과정에서 원자층의 쌓임 순서가 어긋나는 적층결함이 발생하면 성능과 신뢰성이 떨어질 수 있다. 산업 현장에서는 웨이퍼에 빛을 비춘 뒤 방출되는 파장으로 결함을 구분하는 광발광(PL) 검사를 활용한다. 빛의 파장이 결함을 식별하는 ‘지문’ 역할을 하는 셈이다.

연구팀은 상용 웨이퍼 207장에서 확보한 10만여 개의 결함 데이터를 분석했다. 전기연에 따르면 해당 결함의 기존 파장인 424nm는 국제전기기술위원회(IEC) 기준에도 반영됐지만, 발광 신호와 실제 원자 구조를 일대일로 대조한 검증에는 한계가 있었다.

이를 확인하기 위해 연구팀은 광발광 검사로 찾은 결함 부위를 나노 단위로 잘라 전자현미경으로 원자 배열을 관찰했다. 시편 176개를 제작·분석하고 밀도범함수이론(DFT)을 활용한 계산으로 교차 검증해 발광 파장이 459nm임을 규명했다.

이번 성과는 검사 신호에 대한 해석을 정밀하게 해 불량 원인을 추적하고 제조 공정을 개선하는 데 활용될 것으로 기대된다. 연구 결과는 재료 분야 학술지 ‘악타 머티리얼리아(Acta Materialia)’에 게재됐다. 연구는 산업통상부 ‘화합물전력반도체고도화기술개발사업’의 지원으로 수행됐다.