오종민 교수(전자재료공학과) 연구팀, 차세대 전력반도체용 초고내압 산화갈륨 필름 제작 공정 기술 개발

 

- 국제 저명 학술지 Small Structures (IF: 13.9, JCR 상위 7%) 게재 -

융·복합 공정 기술을 통한 초고내압용 산화갈륨 필름 제작 -

- 차세대 전력 반도체 소자 핵심 공정 기술로의 응용 기대 -

 

전자재료공학과 나노재료 및 전자소자 연구실 오종민 교수, 이준우 학생

  본교 전자재료공학과 오종민 교수 연구팀은 나노복합재료합성, 상온 코팅 공정, 소자 설계 및 신규 측정 기술 개발 등의 융·복합 연구를 기반으로, 세계 최고 수준의 전력반도체용 초고내압 산화갈륨 필름을 개발하는 데 성공하였다. 최근 전기차, 신재생 에너지 시스템과 같은 고전력을 사용하는 분야가 중요시해지면서 전력 반도체 산업은 매년 급격한 연평균 성장률을 보이고 있다. SiC, GaN에 이어서 높은 항복 전계를 갖는 산화갈륨(Ga2O3)이 고전압 신뢰성 특성 확보를 위한 차세대 전력반도체 소재로 주목받고 있다. 산화갈륨은 높은 이론 항복 전계값(~8 MV/cm)를 가지고 있어 최근 관련 연구들이 활발히 진행되고 있다. 이러한 산화갈륨 소재를 필름 형태로 제작하기 위해 많이 사용되는 화학 기상 증착법은 고품질의 필름이 제작되지만, 증착 시간이 오래 걸리며 매우 높은 온도가 필요하며 고가라는 한계점이 있다. 또한, 항복 전계 집중 현상을 해소하기 위해 많은 공정 단계를 거쳐 복잡한 구조로 산화갈륨 필름을 제작하기도 한다. 하지만 이러한 노력에도 불구하고, 기존 연구들은 이론 항복 전계 값의 50%미만 수준인 2~4 MV/cm으로 이론값 대비 낮은 항복 전계 값이 보고되고 있다. 본 연구팀이 개발한 차세대 전력반도체용 초고내압 산화갈륨 필름은 상온 분말 충격 코팅 방식인 에어로졸 데포지션을 주 공정으로 사용하였으며, 노즐 틸팅 최적 기술을 적용하여 항복 전계 집중 현상을 해결하였다. 또한 산소 공공 감소 및 결정화를 후열처리 과정을 통해서 이루어 냈으며, 이는 높은 항복 전계를 위한 핵심 변수 중 하나인 밴드갭을 증가시켰다. 이를 통해서 단순한 구조의 산화갈륨 필름이 제작되었고, 매우 낮은 누설 전류, 특히 5.5 MV/cm의 항복 전계를 달성하였으며, 이는 현재 세계 최고 수준이다.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202400321 본 연구에는 본교 전자재료공학과 구상모 교수, 단국대학교 원종호 교수, 경희대학교 원강희 교수와의 집중적인 공동 연구를 통해 상기의 성과를 거두었다. 또한, 본 논문의 제1 저자인 전자재료공학과 석사과정 2학기 이준우 학생은 현재 SCI(E) 논문 주저자 2편을 게재하며 활발한 연구 활동을 이어 가고 있다. 오종민 교수는 “향후 본 연구를 통해 산화 갈륨의 연구에 대한 새로운 증착 메커니즘을 깊이 있게 제시했으며, 세계 최고 수준의 항복 전계를 통해서 매우 높은 고전압에서도 신뢰성 있는 동작을 하는 차세대 전력반도체 소자 제작 기술로의 응용에 대한 기대가 매우 크다”라고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구사업 지원으로 수행되었으며, 그 성과를 인정받아 권위 있는 국제학술지인 Small Structures (IF: 13.9) 2024년 08월 21일자 온라인 판에 “Ultrahigh Breakdown Field in Gallium (III) Oxide Dielectric Structure Fabricated by Novel Aerosol Deposition Method”의 제목으로 게재되었다. Web link : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202400321     출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)