원자구조 관찰과 광발광(PL) 측정, 이론 계산을 통해 ‘(4,1) 적층결함’의 발광 파장이 459nm임을 규명한 분석 결과.
한국전기연구원(KERI) 연구팀이 탄화규소(SiC) 전력반도체 내부 결함을 판별하는 데 쓰이는 발광 파장 기준을 15년 만에 새롭게 규명했다.
한국전기연구원 차세대반도체연구센터 나문경 박사팀이 충남대학교 홍순구 교수팀, 호리바에스텍코리아, SK실트론 등과 공동연구를 통해 SiC 반도체의 ‘(4,1) 프랭크형 적층결함’이 내는 특성 발광 파장이 기존에 알려진 424nm(나노미터)가 아니라 459nm라는 사실을 확인했다.
SiC 전력반도체는 전기차 구동 시스템과 신재생에너지 설비 등 고전압·고온 환경에서 전력을 제어하는 데 쓰인다. 제조 과정에서 원자층의 배열이 어긋나는 ‘적층결함’이 발생하면 반도체 성능과 신뢰성이 떨어질 수 있어 정확한 결함 판별이 중요하다.
산업계에서는 웨이퍼를 손상하지 않고 결함을 찾기 위해 광발광(PL) 검사를 활용한다. 결함마다 서로 다른 파장의 빛을 내는 특성을 이용해 결함의 종류를 구분하는 방식이다.
연구팀은 상용 웨이퍼 207장에서 확보한 10만여 개의 결함 데이터를 분석했다. 이 가운데 (4,1) 프랭크형 적층결함은 약 15년간 424nm의 빛을 내는 것으로 알려져 국제전기기술위원회(IEC) 관련 기준에도 반영돼 있었다.
연구팀은 광발광 검사로 결함 위치를 찾은 뒤 해당 부위를 나노 단위로 잘라 원자분해능 주사투과전자현미경으로 실제 원자 배열을 확인했다. 이를 위해 나노 시편 176개를 제작해 관찰하고, 슈퍼컴퓨터를 활용한 밀도범함수이론(DFT) 계산으로 결과를 교차 검증했다.
그 결과 (4,1) 프랭크형 적층결함의 특성 발광 파장은 기존 424nm가 아닌 459nm라는 결론을 얻었다. 연구팀은 이번 결과가 SiC 웨이퍼의 결함 판별 정확도를 높이고 제조 공정에서 불량 원인을 추적하는 데 활용될 수 있을 것으로 보고 있다.
이번 연구 결과는 재료 분야 학술지 ‘Acta Materialia’에 게재됐다. 보도자료에 따르면 심사 과정에서 수정 요구 없이 게재가 승인됐다. 나문경 박사는 최근 일본 분석·계측 기업 호리바가 주관하는 ‘2026 호리바 마사오상(Masao Horiba Awards)’에서 Honorable Mention도 받았다.
나문경 박사는 “빛의 신호와 실제 원자구조를 직접 연결해 오랫동안 사용돼 온 판별 기준의 오류를 바로잡았다는 데 의미가 있다”며 “앞으로도 국내 전력반도체 산업의 품질 경쟁력을 높이는 데 기여하겠다”고 말했다.
한편 이번 연구는 산업통상부 ‘화합물전력반도체고도화기술개발사업’의 지원을 받아 수행됐다.