부산대, 차세대 전력반도체 ‘산화갈륨’ 기술 국내외 특허 확보

극한 환경 대응 가능 고품질 단결정 성장·소자 기술 확보, 산업적 파급력 기대

부산대학교(총장 최재원) 물리학과 박성균 교수 연구팀이 차세대 전력반도체 소재로 주목받는 산화갈륨(β-Ga2O3) 분야에서 국내 특허 4건을 출원하고, 이 중 1건은 미국·유럽·일본·중국 등 해외 4개국에도 확대 출원했다.

이번 성과는 연구 성과의 국제적 가치와 기술 경쟁력을 동시에 입증한 사례로 평가된다.

산화갈륨은 실리콘(Si), 실리콘카바이드(SiC), 갈륨나이트라이드(GaN)에 이어 차세대 초광대역갭(UWBG) 전력반도체 소재로 주목받는다. 고전압·고온·고전계 환경에서도 안정적으로 동작하며, 용융성장 기반 대구경 웨이퍼 생산이 가능해 산업화 잠재력이 크다.

반면 다이아몬드는 소재 특성은 우수하지만, 대면적 성장과 제조 공정 난도가 높아 상용화 장벽이 크고, 기존 Si·SiC·GaN 소재는 물리적 성능 한계 및 성장 비용 문제로 산업 확대에 제약받는다.

연구팀은 △고품질 단결정 성장법 개발 △기판 표면 구조 제어를 통한 초고속 박막 성장 기술 △이종접합 수직 구조 p-n 다이오드 제작 기술 △극저온 전도 메커니즘 제어 및 자기장 반응 스위칭 소자 개발 등 전 주기 기술 체계를 구축했다. 이를 통해 고전압·고온·방사선·극저온 등 극한 환경에서도 안정적으로 동작 가능한 전력반도체 구현이 가능하다는 점이 주목된다.

박성균 교수 연구팀은 산화갈륨 성장 과정에서 발생하는 산소결함과 의도되지 않은 도핑(UID) 현상을 최소화하는 성장법을 개발, 결정 내 결함 농도를 극한환경용 등급 수준으로 낮추는 데 성공했다. 이를 통해 우주·고온·방사선 등 가혹 조건에서도 안정적으로 동작할 수 있는 고신뢰성 소재로 도약할 수 있는 기반을 마련했다.

박성균 교수팀. 부산대 제공

이 연구는 산업통상부 지원 알키미스트 프로젝트 1~2단계(2024.4.~2025.12.) 기간 내 수행된 성과로, 기초연구에서 출발해 단기간에 결함 제어·소재 품질 고도화까지 달성한 점이 눈길을 끈다. 연구팀은 향후 대면적 웨이퍼 적용을 위한 후처리 및 공정 기술 개발도 병행할 계획이다.

박성균 교수는 "산화갈륨은 고성능 전력·환경 시스템에서 핵심적인 역할을 수행할 소재"라며, "극한 환경에서도 안정적으로 작동하는 차세대 전력반도체 플랫폼을 구축하고, 국내 소재 기술 주권을 확보하는 것이 목표"라고 강조했다.

그는 이어 "세계 각국이 산화갈륨을 전략 자원으로 분류하며 기술 확보 경쟁을 가속화하고 있다"며 "이번 성과는 한국이 차세대 전력반도체·극한환경 소재 시장을 선점하기 위한 중요한 출발점"이라고 덧붙였다.

이번 성과는 단순한 학술적 연구를 넘어, 차세대 전력반도체 산업화와 글로벌 시장 진출을 위한 발판으로 평가된다. 고품질 단결정 산화갈륨 기반 기술 확보는 한국이 소재 경쟁력과 산업 주도권을 동시에 확보할 기회가 될 전망이다.

영남취재본부 조충현 기자 jchyoung@asiae.co.kr