27일 구용서 단국대 공과대학 전자전기공학부 교수가 세계 처음으로 개발한 차세대 반도체 소재인 실리콘카바이드(SiC) 구조도를 소개하고 있다. 단국대학교 제공
단국대학교는 공과대학 전자전기공학부 구용서 교수팀이 차세대 반도체 소재로 꼽히는 실리콘카바이드(이하 SiC)를 기반으로 하는 반도체의 정전기 방전을 최소화할 수 있는 기술을 개발했다고 27일 발표했다. 이는 세계 처음으로 4차 산업으로 일컬어지는 SiC 반도체 시장의 석권이 기대되고 있다.
4차 산업으로 일컬어지는 SiC 반도체는 전기자동차, 신재생 에너지 등의 발전에 필요한 핵심 기술로 각광받고 있다. 올해 시장 규모는 약 10억 달러에 이르며 2025년까지 연평균 50% 이상의 성장률을 보일 것으로 전망된다.
SiC 반도체는 기존의 실리콘 반도체에 비해 에너지 밴드 갭이 3배나 넓다. 실리콘 반도체의 경우 밴드 갭이 넓으면 고온에서 반도체 성질을 잃어버리지만 SiC 반도체는 고온과 고전압 등의 극한 환경에서도 안정적인 구동이 가능한 것이 장점이다.
또 열전도도와 발열 제어가 우수하며 칩의 크기를 10분의 1 수준으로 줄일 수 있어, 작은 크기로 고전력 고전압을 효과적으로 제어해야 하는 전력 반도체에 적합하다.
하지만 SiC는 물리적 특성상 정전기에 취약한 단점도 가지고 있다. 반도체의 정전기 방전이 계속되면 과열로 칩이 손상될 수 있다. 이에 따라 SiC 반도체 설계 과정에서 정전기 방전(ESD) 보호 기술이 중요한 화두로 제기돼 왔다.
구용서 교수팀은 SiC 반도체에 들어가는 MOSFET(산화막 반도체 전기장 효과 트랜지스터)와 SCR(실리콘 제어 정류소자)의 구조를 개선하고, 새로운 반도체 설계 기법을 적용해 정전기 방전을 효과적으로 제어할 수 있는 보호 소자를 개발했다.
새로 개발된 소자는 기존의 실리콘 MOSFET과 SCR에 비해 10배 이상의 정전기 내성을 지닌다. 아울러 10배 이상의 고전압과 5배의 고온을 견딜 수 있어 반도체의 신뢰성을 크게 향상시켰다.
단국대는 구 교수팀의 연구 성과가 전기자동차, 신재생 에너지, 우주 항공, 심층 시추 등의 고효율의 전력 반도체가 필요한 분야에 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.
이번 연구는 전자전기 분야의 권위 있는 학술지인 미국전기전자학회(IEEE)의 11월 호의 표지논문으로 선정됐다.
구용서 교수는 “이번 연구를 통해 SiC 기반 반도체 산업 발전의 난제였던 정전기 방전 보호 기술을 크게 개선함으로써 우리나라 4차 산업혁명의 핵심 분야인 반도체 분야의 산업 발전에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
한편 이번 연구에는 도경일(단국대 전자전기공학과 석박사통합과정)이 제1저자로 참여했다. 용인=윤상연 기자 syyoon1111@hankyung.com
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