초록 ▼

1. 필요성 및 중요성
1.1. 연구개발과제의 필요성
1.1.1 출연처(미래창조과학부) 정책 및 기술수요
○ ETRI 중장기 ETRI 중장기 기술개발계획 중 융합시스템단말부품-(29)“차세대 전력반도체 기술”전략분야에 해당
○ 산업통상자원부와 한국반도체산업협회를 중심으로 차세대 전력반도체 산업육성 기술기획 중
○ SiC, GaN 등 차세대 화합물반도체를 포함하는 전력반도체 연구개발, 인프라구축, 인력양성의 정책과 부합

1.1.2 산업동향 및 시장 기술수요
○ 에너지 사용량의 폭발적인 증가

1. 필요성 및 중요성
1.1. 연구개발과제의 필요성
1.1.1 출연처(미래창조과학부) 정책 및 기술수요
○ ETRI 중장기 ETRI 중장기 기술개발계획 중 융합시스템단말부품-(29)“차세대 전력반도체 기술”전략분야에 해당
○ 산업통상자원부와 한국반도체산업협회를 중심으로 차세대 전력반도체 산업육성 기술기획 중
○ SiC, GaN 등 차세대 화합물반도체를 포함하는 전력반도체 연구개발, 인프라구축, 인력양성의 정책과 부합

1.1.2 산업동향 및 시장 기술수요
○ 에너지 사용량의 폭발적인 증가로 2040년 에너지 소비량은 2010년 대비 50% 이상 증가할 것으로 예측되어 환경규제에 따른 전기에너지 이용이 독려되고 있으며, 2013년 기후변화 총회(COP19)에서 2050년까지 CO2 배출량을 50% 이하로 감소시키기로 결의함
○ 이를 해결하기 위한 방안으로 신재생에너지의 사용과 에너지의 효율적인 이용, 특히 전기에너지의 효율적인 이용이 절실한 실정임.
○ 이에 따라 가전뿐만 아니라, 전기자동차, 철도, 전력 인프라 등 모든 분야에서 전력변환시스템의 전력손실을 줄이기 위한 고효율/저손실의 절전형 차세대 전력소자 개발이 절대적으로 필요함.
○ 현재 전력소자의 대부분을 차지하고 있는 실리콘 전력소자는 낮은 동작온도, 낮은 전류 밀도, 높은 온-저항, 느린 동작속도에 따른 높은 손실로 성능의 한계에 도달함.
○ 넓은 에너지 밴드폭 (Wide Band Gap) 반도체 물질 중 SiC는 전력반도체로서의 물성이 뛰어나 SiC 기반의 차세대 고효율 전력소자의 개발 및 상용화가 절실함.
○ SiC는 실리콘보다 넓은 에너지 밴드폭(×3), 높은 절연파괴전계(×10), 빠른 포화전자속도(×2) 및 우수한 열전도도(×3) 등 전력반도체소자로서의 우수한 재료특성을 가짐.
- SiC 재료를 이용한 전력소자는 기존 실리콘 전력소자에 비해 같은 항복전압소자에 있어서 온-전압을 1/200로 감소시켜 전력손실을 줄일 수 있고, 다수 캐리어 특성으로 속도가 빨라 스위칭 손실을 1/3로 감소시킬 수 있음.
- 특히, 고온에서의 소자 안정성이 우수하고, 수직형 소자의 제작이 가능하기 때문에 전류밀도를 증가시킬 수 있어 칩의 면적을 절반이하로 줄일 수 있음.
○ SiC 전력소자는 전력변환시스템의 효율향상 뿐만 아니라 시스템의 수동소자 부품과 냉각시스템을 소형·경량화 시킬 수 있어 시스템의 가격을 낮추고 신뢰성을 향상시킬 수 있음.
○ 또한, 고온과 극한 환경에서 동작해야 하는 전기자동차용 전력소자 및 우주·군수용 전자소자의 경우 고온 신뢰성이 우수한 SiC 전력소자의 채택이 필수 불가결할 것으로 예상됨.
○ 에너지 절감 이슈와 전력소자로서의 SiC 전력소자의 우수한 성능이 부각되면서 미국, 일본 등의 선진국은 지난 10여년 전부터 막대한 투자를 통하여 차세대 SiC 전력소자 개발정책을 확대하고 있으나, 국내의 경우 연구개발에 대한 투자 및 성과가 미흡하여 본 과제를 통한 기술개발 및 생산기반 확보가 절대적으로 필요함.
- 미국은 2000년부터 국방예산 포함 약 32조원 이상의 연구자금을 투입, SiC 연구 및 개발진행, 일본은 SiC 기술개발을 3단계로 분류하여 2030년까지 차기 국가 프로젝트로 진행중.
○ SiC 기판의 대구경화로 6인치 SiC가 상용화되고 SiC 기반 전력소자의 가격 경쟁력이 높아질 것으로 예상됨에 따라, 6인치 SiC 전력소자에 대한 연구 개발 및 상용화가 선진국을 중심으로 활발하게 진행되고 있음

(출처 : 본문 1. 필요성 및 중요성 9p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연차실적 보고서 ... 2
• 목차 ... 7
• 1. 필요성 및 중요성 ... 9
• 1.1. 연구개발과제의 필요성 ... 9
• 1.2. 연구개발과제의 중요성 ... 11
• 2. 연구개발 목표 및 내용 ... 12
• 2.1. 최종목표 ... 12
• 2.2. 연차별 연구개발 목표 및 내용 ... 13
• 2.3. 단계별 연구개발 목표 및 내용 ... 14
• 3. 연구 결과 ... 16
• 3.1 SiC 전력소자 시뮬레이션 및 설계 ... 16
• 3.1.1 1700V급 SiC 전력소자용 가드링 최적화 ... 16
• 3.1.2 Trench형 SiC 다이오드 시뮬레이션 및 설계 ... 20
• 3.1.3 Planar형 SiC MOSFET 소자 시뮬레이션 및 설계 ... 27
• 3.2 SiC 전력소자 핵심기술 개발 ... 38
• 3.2.1 트렌치 식각 공정 개선 및 트렌치 게이트 형성기술 ... 38
• 3.2.2 열산화막/게이트 산화막 성장 공정기술 ... 42
• 3.2.3 게이트 절연막 전후처리 및 계면 특성 향상 기술 ... 46
• 3.2.4 SiC MOSFET 채널 자기정렬기술 ... 52
• 3.2.5 P+ 오믹 접촉 형성기술 ... 53
• 3.3 SiC 전력소자 제작 및 특성평가 기술개발 ... 56
• 3.3.1 SiC 가드링/다이오드/MOSFET 테스트 패턴 제작 ... 56
• 3.3.2 SiC 가드링 테스트 패턴 특성 평가 ... 62
• 3.3.3 SiC Trench형 다이오드의 특성 평가 ... 65
• 3.3.4 SiC MOSFET 특성 평가 ... 70
• 3.4 SiC 전력소자 ESD 기술 개발 ... 84
• 4. 연구개발 추진체계 및 방법 ... 86
• 4.1 연구개발 추진체계 ... 86
• 4.2 연구개발 방법 ... 86
• 4.3 추진 전략 및 실천계획 ... 87
• 5. 기대성과 ... 88
• 5.1 기술적 측면 ... 88
• 5.2 미래유망 연구분야 선점 가능성 측면 ... 88
• 5.3 연구목표 달성 시 활용분야 파급성 측면 ... 89
• 5.4 연구결과의 질적 우수성 ... 89
• 5.5 연구결과의 활용 가능성 및 파급효과 ... 89
• 6. 중간 평가 지적 사항에 대한 조치 및 개선 실적 ... 91
• 6.1 지적사항 ... 91
• 6.2 조치 및 개선사항 ... 91
• 7. 연구비 집행 실적 ... 92
• 8. 기타 ... 93
• 끝페이지 ... 130