[뉴프런티어] 홍익대학교 차세대반도체연구실, 'GaN·Si 이종집적화' 기술개발 차세대 전력반도체 핵심 주목

전 세계적으로 전기 소비량은 급증하고 있다. 생산되는 전력의 10% 이상이 송배전과 전력 변환 과정에서 사라진다. 손실되는 에너지를 최소화하려는 노력이 고효율 전력반도체를 중심으로 활발히 나타나고 있다.

그간 제작이 쉽고 경제성도 좋은 Si(실리콘) 기반의 전력반도체가 시장을 점유해 왔다. 최근 들어 광대역 특성을 가진 GaN(질화갈륨)과 SiC(탄화수소) 물질 기반의 전력반도체가 주목받고 있다. GaN 전력소자가 지닌 고속· 고효율 특성을 최대한 달성하려면 전력모듈에서 Si 기반의 구동회로와의 연결부를 최소화하는 집적화 기술이 중요하다. 즉, 패키징 과정에서 발생하는 기생성분에 의한 효율 감소를 최소화해야한다. 이러한 문제점을 해결할 수 있는 궁극적인 방법이 바로 모노리식 집적화 기술이다.

홍익대학교 차세대 반도체 연구실(책임교수 차호영·사진)은 서울대, 한양대와 컨소시엄으로 2012년 미래창조과학부의 나노소재기술개발사업단으로 선정됐다. GaN과 Si의 이종 집적화 기술 개발을 목표로 연구에 착수했다. Si 구동회로 특성과 GaN 전력소자의 구현 용이성을 만족시킬 수 있는 Si(110)기판을 활용한 모노리식 집적화 연구를 수행하고 있다. 현재까지 △모노리식 회로가 집적된 형태의 ‘Clamped GaN 전력소자’ 개발 및 특허등록 △세계 최초 Si(110) 기판 위 상시불통형 GaN 전력소자 제작 △GaN 기반 인버터 구동회로가 내장된 모노리식 GaN 전력소자 개발 등 주요 결과물들을 통해 SCI(과학기술논문인용색인) 국제학술지 논문 25편, 국제학술대회 발표 53건, 2014년 한국반도체학술대회 최우수 논문상 수상 등의 성과를 올렸다.

향후 GaN과 Si의 이종집적화 기술과 제반 회로 전체를 GaN으로 구현, 집적화하는 ‘All-GaN 전력모듈’ 제작기술 개발에 힘써 단일칩 차세대 고효율 전력모듈 개발의 핵심 기술을 확보할 방침이다.

차호영 교수는 “전력반도체는 우리나라 메모리반도체 중심의 생태계를 비메모리 분야로 넓혀 신성장동력을 창출할 것”이라며 “과제가 성공적으로 마무리된다면, 고효율 전력반도체 분야에서 경제적·산업적으로 매우 큰 의미를 갖게 될 것”이라고 전망했다. 이를 위해 건강한 산업 생태계가 조성되어야하고 정부와 기업들도 지속적인 관심과 투자가 필요하다고 차 교수는 당부했다.