반도체를 생산하기 위해서는 여러 과정을 거쳐야 하는데, 그 중 순수한 반도체에 불순물을 첨가하여 전자와 양공(electron/hole)의 농도를 조절하거나, 반도체의 물리적인 성질을 제어하여 반도체에 전기적인 특성을 부여하는 도핑(doping)공정이 필수적이다. 이 도핑 과정을 이해하기 쉽게 간단히 나타내면 다음과 같다. 

[이미지 제작=대한민국청소년기자단 한건호 대학생기자]

이런 도핑 공정은 여러 전자 제품에 중요한 부품으로 사용되는 반도체에 전기적인 특성을 부여한다는 점에서, 반도체 생산에 있어 매우 중요한 공정이라고 할 수 있다. 이 때문에 반도체 자체에 관한 연구와 더불어 도핑 기술 등 생산 기술에 관한 연구도 중요한데, 차세대 전력반도체로 꼽히는 탄화규소(SiC) 전력반도체에 관하여 한국원자력연구원은 지난 10일 ‘탄화규소 전력반도체 웨이퍼의 대량 도핑 기술’을 개발했다고 밝혔다. 

전력반도체는 전기차의 핵심 부품으로, 탄화규소와 질화갈륨(GaN), 산화갈륨(Ga2O3)이 3대 핵심소재로 꼽힌다. 이 중 탄화규소는 단단하고 고온에 강하며 전력손실이 적고, 전력 제어 능력이 기존의 실리콘 대비 약 600배가량 뛰어난 것으로 알려졌다. 그러나 지금까지는 탄화규소 소재의 웨이퍼를 작게 자른 칩(chip) 단위에서 실험하는 수준에 불과했었다.

하지만 이번 연구를 통해 박병건 원자력연구원 선임연구원팀은 상용화된 탄화규소 웨이퍼 여러 장을 한꺼번에 도핑하는 데 성공했다. 연구용 원자로 하나로를 이용한 ‘중성자 핵변환 도핑(NTD)’ 기술을 응용한 것이다. 중성자 핵변환 도핑 기술은 부도체인 탄화규소 단결정에 중성자를 쬐어주어 탄화규소 원자핵 중 극소량을 인(P)으로 바꾸어 반도체를 만드는 기술이다.  

이 기술은 탄화규소 도핑 장치를 통해 하나로 수직 조사공에 약 4인치(10.16㎝) 웨이퍼 1,000장을 한 번에 도핑하는 대량 공정을 가능하게 했다. 

이에 선광민 원자력연구원 하나로이용부장은 “이번 기술을 발판 삼아, 2023년까지 탄화규소 전력반도체 도핑을 본격적으로 상업화하는 것이 목표”라고 말했다. 또한 박원석 원자력연구원 원장은 “세계 최초라는 이름에 걸맞게 다가오는 차세대 전력 반도체 시장에서 우위를 점하는 데에 기여하겠다”고 밝혔다.

[대한민국청소년기자단 IT·과학부=5기 대학생기자 한건호]