이상적인 항복전압 달성 가능한 소자 구조 제안

[올해의 우수 산학 프로젝트]
산업부 장관상 AGTL팀 - 홍익대, ㈜칩스케이

㈜칩스케이 및 홍익대 AGTL팀의 산학 프로젝트 챌린지 수행팀. 왼쪽부터 김현지 칩스케이 전임, 김정진 칩스케이 수석, 임진홍 칩스케이 책임, 최강인 칩스케이 주임, 이성훈 홍익대 AGTL 팀장. 산업통상자원부 제공

올해 산업통상자원부장관상의 영예를 안은 AGTL팀은 산학협력을 통해 기업의 애로 기술을 해결한 대표적인 사례다.

최근 질화갈륨(GaN) 전력 반도체 소자는 우수한 성능과 높은 효율을 가진 친환경 소자로 세계 시장에서 주목받고 있다. 그러나 기존의 GaN 수평형 소자는 높은 항복전압을 구현하는 데 어려움이 따른다. 이러한 GaN 수평형 소자의 약점을 보완한 새로운 소자 설계 방법론이 필요한 상황에서 GaN 수평형 소자에 비해 수 kV의 고전압 전력 소자이며 소형화 경량화 고효율의 장점을 가지고 있는 ‘GaN 수직형 소자’에 대한 시장의 요구가 높아지고 있다. GaN 수직형 소자는 전기자동차를 비롯한 차세대 반도체 응용 분야에서 높은 활용 가치와 기대 효과를 가지고 있지만 아직 국내외에서의 기술 개발은 높은 수준을 이루지 못한 실정이다. 이에 GaN 전자소자 개발 전문 팹리스 기업인 ㈜칩스케이와 홍익대 GaN 전력반도체 특화 연구실은 GaN 수직형 소자 기술 개발에 대한 산학 프로젝트를 진행했다.

GaN 수직형 소자를 평가할 때 가장 중요한 척도 두 가지는 소자의 온저항과 항복전압이다.

이번 프로젝트에서는 소자의 온저항을 저하시키지 않는 선에서 높은 항복전압 특성을 얻기 위한 ‘에지-터미네이션(Edge-termination)’ 구조가 연구개발됐다. 기존 실리콘 기반 소자에서 쓰이는 이온 주입 공정을 GaN 전력 소자에서는 활용하기 어려워 식각 구조와 필드 플레이트 구조를 혼합한 ‘트렌치 MIS 필드 플레이트’ 구조를 차용해 소자 구조 개발을 진행했다.

이를 통해 이상적인 항복전압을 달성할 수 있는 소자 구조를 제안했으며 이 연구를 통해 1건의 SCI급 저널 논문을 포함한 7건의 논문 및 특허출원, 학회 우수 발표상 등 여러 성과를 창출했다. 그뿐만 아니라 수직형 소자 구조 개발 프로그램을 제작해 소자 설계에 적극적으로 활용할 수 있는 환경을 구축했다. 이 설계 프로그램의 활용과 해당 구조는 향후 제품 사업화 단계에서 매우 유용한 지적 자산이 될 것으로 예상되며 전기자동차, 고속 충전기를 비롯한 여러 전력 응용 분야에 혁신적인 발전을 불러일으킬 것으로 기대된다.

이번 프로젝트에 참여한 홍익대 AGTL팀 이성훈 팀장은 “칩스케이와의 협업을 통해 기업의 수요를 파악해 연구개발에 반영하는 법과 연구 성과가 실제 어떻게 활용될 수 있을지 등에 대한 여러 노하우를 얻을 수 있었다”고 말했다. 이어 “이번 산학 프로젝트를 통해 쌓아 올린 다양한 경험을 바탕으로 앞으로도 전력 반도체 관련 연구개발에 더욱 정진해 차세대 전력 반도체 기술 발전에 많은 보탬이 되고 싶다”는 포부를 전했다.

임진홍 칩스케이 책임은 “그간 수직형 GaN 전력 반도체 설계 기술 선점을 위한 연구를 진행해 왔지만 인력 부족에 따른 애로사항이 있었다”며 “이번 산학 프로젝트를 통해 기술 개발에 소요되는 시간 및 비용을 절감함으로써 기업의 어려움을 해결하고 해당 분야에서의 전문 인력 양성 및 인재 채용의 기회를 기대하고 있다”고 밝혔다. 이어 “앞으로 칩스케이는 국내 GaN 전력 반도체의 기술 경쟁력을 향상하는 데 중추적인 역할을 해나가며 글로벌 경쟁에서의 선도적인 입지를 확보하기 위해 최선을 다하겠다”고 말했다.