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구용서 교수팀, 차세대 SiC 반도체 정전기 방전 최소화 기술 세계 최초 개발
분류 학술
작성자 홍보팀 이기태
날짜 2020.11.27
조회수 2,089
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정전기에 취약한 실리콘카바이드(SiC)의 과열로 인한 칩 손상 획기적 개선
전기자동차 등 차세대 4차 산업혁명 분야에 응용 가능성 높아


구용서 교수팀(공과대학 전자전기공학부)이 차세대 반도체 소재로 꼽히는 실리콘카바이드(이하 SiC)를 기반으로 하는 반도체의 정전기 방전을 최소화할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다.

SiC 반도체 시장은 4차 산업으로 일컬어지는 전기자동차, 신재생 에너지 등의 발전에 필요한 핵심 기술로 각광받고 있다. 2020년에 약 10억 달러 규모에 이르며, 2025년까지 연평균 50% 이상의 성장률을 보일 것으로 전망된다.


SiC 반도체 정전기 보호 소자를 개발한 구용서 교수(왼쪽)과 도경일 씨(대학원 전자전기공학과 석박사통합과정)

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 가능하다는 장점이 있다. 또한 열전도도와 발열 제어가 우수하며 칩의 크기를 10분의 1 수준으로 줄일 수 있다. 이러한 특성으로 인해 작은 크기로 고전력 고전압을 효과적으로 제어해야 하는 전력 반도체에 적합하다.


그러나 SiC는 물리적 특성상 정전기에 취약한 단점이 있다. 반도체의 정전기 방전이 계속되면 과열로 칩이 손상될 수 있다. 이에 따라 SiC 반도체 설계 과정에서 정전기 방전(ESD) 보호 기술이 중요한 화두로 제기되어 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. 또한 10배 이상의 고전압과 5배의 고온을 견딜 수 있어 반도체의 신뢰성을 크게 향상시켰다. 특히 ESD 보호 기술은 상용화가 가능한 정도의 안전 동작 영역(SOA)을 보인다.


▲ 구용서 교수팀이 개발한 SiC 반도체 정전기 보호 소자 구조도

구 교수팀의 연구 성과는 전기자동차, 신재생 에너지, 우주 항공, 심층 시추 등의 고효율의 전력 반도체가 필요한 분야에 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.


이번 연구는 전자전기 분야의 권위 있는 학술지인 미국전기전자학회(IEEE)의 IEEE Transactions on Power Electronics(IEEE TPE)와 IEEE Electron Device Letters(IEEE EDL)에 게재되었으며, IEEE EDL의 Editors Pick’s 및 11월 호의 표지논문으로 선정되었다.

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 밝혔다.

한편 이번 연구의 제1저자인 도경일(대학원 전자전기공학과 석∙박사 통합과정)씨는 반도체 신뢰성 및 전력반도체에 대한 연구로 IEEE 저널에 9편을 게재하고, 최근 2년간 제 1저자로 총 13여 편의 SCI급 논문을 게재했다. 2019년에는 범정학술상 최우수상을 수상하기도 했다.

 ▲ IEEE EDL에 실린 11월호 논문 표지