원자로로 차세대 반도체 만든다… 대량생산 기술 확보
입력 2022.02.10 11:39
도핑 장치가 연구용 원자로 하나로에 들어가는 모습./원자력연구원
연구용 원자로를 이용해서 차세대 반도체를 대량 생산할 수 있는 기술이 국내에서 개발됐다.
한국원자력연구원은 “세계 최초로 탄화규소(SiC) 반도체 웨이퍼의 대량 도핑 기술을 개발했다”고 10일 밝혔다.
◇기존보다 정확도 높이고, 웨이퍼 1000장 동시에 도핑
전력반도체는 전력을 제어하는 반도체로, 전기차와 신재생 에너지 설비의 핵심 부품이다. 주로 실리콘(Si) 소재를 사용했으나, 최근에는 전력 효율과 내구성을 극대화한 차세대 전력반도체 시장이 부상하고 있다. 차세대 전력반도체는 실리콘카바이드(SiC, 탄화규소), 질화갈륨(GaN), 산화갈륨(Ga2O3)이 3대 핵심소재다. 특히 탄화규소는 단단하고 고온에 강하며 전력변환 시 손실이 적다. 또 높은 전력에 대한 제어능력이 실리콘 대비 600배 우수한 것으로 알려져 있다.
지금까지 해외 연구는 탄화규소 소재의 웨이퍼를 작게 자른 소형 반도체 칩 단위에서 실험하는 수준이었다. 원자력연구원은 이번에 상용되고 있는 탄화규소 웨이퍼 그대로 여러 장을 한꺼번에 도핑하는 데 성공한 것이다.
하나로에서 생산한 차세대 반도체./원자력연구원
이번 기술 개발에는 국내 유일의 연구용 원자로 ‘하나로’를 이용됐다. 전기가 통하지 않는 부도체 탄화규소 단결정에 중성자를 쏴 원자핵 중 극미량을 인(P)으로 변환시켜 반도체로 만드는 원리다. 인을 직접 투입하는 일반적인 화학 공정보다 인이 균일하게 분포된다.
연구진은 이번에 중성자 도핑 균일도(RRG)를 1% 이내로 유지하는 기술과 탄화규소 웨이퍼 1000장을 동시에 도핑할 수 있는 장치를 개발했다. 하나로이용부 선광민 부장은 “2023년까지 탄화규소 전력반도체 도핑을 본격적으로 상업화하는 것이 목표이다”고 말했다.
◇영구용 원자로로 의료·산업용 방사성 동위원소 생산
연구용 원자로 하나로는 한국원자력연구원에서 1995년부터 운영을 시작했다. 연구용 원자로는 원자로에서 중성자를 만들어, 이 중성자를 가지고 다양한 연구개발을 하고 있다.
하나로에서는 고속철도, 하이브리드 자동차 등에 쓰이는 고품질의 반도체와 암 치료, 질병진단, 구조물 검사에 활용되는 의료·산업용 방사성 동위원소를 생산하고 있다.
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