박성균 교수(뒷줄 오른쪽 첫 번째) 연구팀.(사진=부산대 제공)

부산대학교는 물리학과 박성균 교수 연구팀이 차세대 전력반도체 소재로 주목받는 산화갈륨(β-Ga2O3) 분야에서 고품질 단결정 성장과 소자 적용 원천기술을 확보해 국내 특허 4건을 출원했다고 27일 밝혔다.

이 가운데 1건은 기술적 완성도와 글로벌 경쟁력을 인정받아 동일한 내용으로 미국·유럽·일본·중국 등 해외 4개국에도 추가로 특허를 확대 출원하며 연구 성과의 국제적 가치를 입증했다.

‘산화갈륨’은 실리콘(Si), 실리콘카바이드(SiC), 갈륨나이트라이드(GaN)을 잇는 차세대 초광대역갭(UWBG) 전력반도체 소재로, 고전압·고온·고전계(高電界) 환경에서 안정적으로 동작할 수 있다. 특히 용융성장 기반으로 대구경 웨이퍼 생산이 가능해 산업화 잠재력이 높다는 점에서 기존 소재 대비 강점을 가진다.

반면 최근 반도체 신소재로 거론되고 있는 다이아몬드는 이론적 소재 특성이 우수하지만, 대면적 성장과 제조 공정이 극도로 어려워 상용화까지 상당한 장벽이 존재한다. 또 기존 주력 소재인 Si는 이미 물리적 성능 한계에 다다랐고, SiC와 GaN은 성장 비용과 기판 확보 문제로 산업 규모를 확장하는 데 제약을 받는다.

부산대 연구팀은 이러한 산업적 요구에 대응해 △고품질 산화갈륨 단결정 성장법 개발 △기판 표면 구조 제어를 통한 초고속 박막 성장 기술 확보 △산화갈륨 기반 이종접합 수직 구조 p-n 다이오드 제작 기술 △극저온에서 전도 메커니즘 제어 및 자기장 반응 스위칭 소자 개발 등 성장-기판-소자에 이르는 전 주기 기술 체계를 구축했다.

특히 이러한 기술은 고전압·고온·방사선·극저온 등 극한 환경에서도 동작 가능한 전력반도체 구현을 목표로 하고 있으며, 다양한 환경에서 안정성을 확보할 수 있는 소재, 소자 기반기술로 확장될 전망이다.

연구팀은 이와 관련된 산화갈륨 기술을 국내외에 특허 출원했으며, 향후 대면적 웨이퍼 적용을 위한 후처리 및 공정 기술 개발도 병행 중이다.

특히 이번 성과는 산업통상부가 지원하는 알키미스트 프로젝트 1-2단계 사업기간(2024.4.~2025.12.) 내 도출된 결과로, 기초연구에서 출발해 높은 기술 집중도와 빠른 개발 속도를 보여준 점에서 매우 우수한 성과로 평가된다. 단기간에 결함 제어·소재 품질 고도화까지 달성한 연구는 매우 이례적이며, 산업적 파급력 측면에서도 의미가 크다.

연구팀은 특히 산화갈륨 성장 과정에서 문제로 지적돼 온 산소결함 및 의도되지 않은 도핑(UID) 현상을 최소화하기 위한 성장법을 개발하고 최적화 연구를 진행하고 있다. 이를 통해 결정 내 결함 농도를 극한환경용 등급으로 낮춰, 우주·고온·방사선 등 가혹 조건에서도 안정적으로 동작할 수 있는 고신뢰성 소재 수준으로 끌어올렸다.

이번 연구 과제 책임자인 박성균 부산대 물리학과 교수는 “산화갈륨은 고성능과 환경 전력시스템에서 핵심적인 역할을 수행할 소재”라며 “극한 환경에서도 안정적으로 작동하는 차세대 전력반도체 플랫폼을 구축하는 동시에, 향후 산업 적용을 위한 소재 표준화까지 고려한 연구개발을 추진하고 있다. 이 분야에서 국내 소재 기술 주권을 확보하는 것이 목표”라고 설명했다.

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 강조했다.