15년간 잘못 알려진 반도체 결함 신호…국내 연구진이 바로잡았다[과학을읽다]

전기연구원, SiC 전력반도체 결함 발광 파장 424→459㎚ 규명
웨이퍼 207장·결함 10만여개 분석…국제표준 개정 근거 제시

전기차와 전력변환 장치에 쓰이는 탄화규소(SiC) 전력반도체의 불량을 판별하는 국제 기준에 오류가 있다는 사실을 국내 연구진이 밝혀냈다. 약 15년간 특정 결함의 특징으로 알려진 빛의 파장이 실제 원자구조와 일치하지 않는다는 것이다. 연구진은 결함에서 나오는 빛과 원자 배열을 직접 대조해 기존 424㎚(나노미터·10억분의 1m)가 아닌 459㎚가 정확한 파장임을 확인했다.

한국전기연구원(KERI)은 나문경 차세대반도체연구센터 책임연구원팀이 충남대, 호리바에스텍코리아, SK실트론 등과 공동연구를 통해 SiC 전력반도체의 적층결함을 구분하는 새로운 근거를 마련했다고 23일 밝혔다.

한국전기연구원 연구팀이 탄화규소(SiC) 전력반도체의 원자구조 관찰과 광발광(PL) 측정, 이론 계산을 통해 적층결함의 특성을 분석한 결과. 약 15년간 424㎚로 알려졌던 '(4,1) 프랭크형 적층결함'의 실제 발광 파장이 459㎚임을 확인했다. 연구팀 제공

SiC 전력반도체는 높은 전압과 온도를 견딜 수 있어 전기차와 신재생에너지 설비 등에 활용된다. 그러나 반도체 결정 내부의 원자층이 어긋나는 적층결함이 발생하면 소자 성능과 신뢰성에 영향을 줄 수 있다.

산업계는 웨이퍼를 파괴하지 않고 결함을 확인하기 위해 빛을 비춘 뒤 방출되는 파장을 분석하는 광발광(PL) 검사를 활용한다. 결함마다 서로 다른 파장의 빛을 낸다는 점을 이용하는 방식이다. 다만 서로 다른 결함이 비슷한 파장의 빛을 낼 수 있어 발광 신호만으로 원자구조를 확정하기는 어렵다.

연구팀은 9개 공급사의 상용 SiC 웨이퍼 207장에서 확보한 적층결함 10만4439개의 데이터를 분석했다. 특히 '프랭크형 적층결함' 가운데 특정 원자 배열을 가진 '(4,1) 결함'에 주목했다. 이 결함은 2010년 무렵부터 424㎚의 빛을 내는 것으로 알려졌으며, 해당 파장은 국제전기기술위원회(IEC)의 표준인 'IEC 63068-3:2020'에도 반영돼 있었다.

결함 9개 발광 분석·6개 원자구조 확인…국제표준 재검토 근거 확보

연구팀은 광발광 검사로 결함 위치를 확인한 뒤 바로 그 부위를 절단해 원자분해능 전자현미경으로 관찰했다. 전체 연구에서 176개의 초박막 시편을 분석했으며, 이번 파장 규명에는 459㎚의 빛을 내는 결함 9개를 조사하고 그중 6개에서 실제 '(4,1) 결함'의 원자구조를 확인한 결과를 활용했다.

한국전기연구원 연구팀이 탄화규소(SiC) 전력반도체에서 나타나는 다양한 적층결함의 원자구조와 전자·광학적 특성을 비교 분석한 결과. 결함 종류에 따라 원자 배열과 발광 파장이 어떻게 달라지는지 보여준다. 연구팀 제공

슈퍼컴퓨터를 이용한 세 가지 이론 계산도 기존 424㎚보다 450㎚ 부근의 발광을 뒷받침했다. 계산으로 예측한 파장은 약 444~450㎚였으며, 실온에서 측정한 실제 발광 파장은 459㎚였다. 연구팀은 이를 바탕으로 기존 파장 배정의 오류를 밝히고 국제표준을 재검토할 과학적 근거를 제시했다.

이번 성과는 SiC 웨이퍼 검사에서 결함을 잘못 분류할 가능성을 줄이고, 제조 과정에서 불량 원인을 보다 정확하게 추적하는 데 활용될 것으로 기대된다. 다만 실제 제조 현장의 검사 기준 변경이나 소자 신뢰성 향상 효과는 추가 검증이 필요하다.

연구 결과는 국제학술지 '악타 머티리얼리아(Acta Materialia)' 2026년 321권에 게재됐다. 나 책임연구원은 SiC 결함 분석 연구 성과를 인정받아 일본 계측기업 호리바가 주관하는 '2026 호리바 마사오상'에서 특별언급상(Honorable Mention)도 받았다.

나 책임연구원은 "빛의 신호와 실제 원자구조를 직접 연결해 오랫동안 굳어져 있던 글로벌 판별 기준의 오류를 바로잡았다는 데 의미가 크다"며 "앞으로 어떤 결함인지 식별하는 데 그치지 않고 왜 발생하며 어떻게 제어할 수 있는지까지 밝혀 국내 전력반도체 산업의 품질 경쟁력을 높이겠다"고 말했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr