삼위일체
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : Density Functional Theory 계산을 통한 화합물 전력 반도체 물질 GaN의 Band gap 개선
영문 : Improving Bandgap of GaN, a compound power semiconductor material, using Density Functional Theory.
과제 팀명
삼위일체
지도교수
유종석 교수님
개발기간
2021년 3월 ~ 2021년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 2017XXX0** 이**(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 2015XXX0** 정**
서울시립대학교 화학공학과 2016XXX0** 이**
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
내용
개발 과제의 배경
전력반도체는 전기자동차, 태양광 발전 등 다양한 분야에 활용되며, 스마트폰과 태블릿 PC 등 모바일 디바이스의 급성장으로 수요가 증가하고 있다. 특히, 4차 산업혁명 시대의 도래로 인해 스마트카, 자율주행차, 로봇, 태양전지, 사물인터넷(IoT), 스마트 그리드, 항공우주, 5G 이동통신 등 관련 산업이 성장함에 따라 수요가 급격히 늘어날 것으로 예상된다.
-그림1-
전력 반도체 소자는 1960년대부터 실리콘이 주로 사용되어 왔으나, 현대에는 보다 효율이 높으면서 소형화된 전력변환 장치가 요구된다. 따라서 기존의 실리콘 반도체를 뛰어넘는 새로운 소자의 필요성이 대두되고 있는 가운데 SiC(탄화규소, Silicon Cabide)와 GaN(질화갈륨, Gallium Nitride) 등 화합물 반도체가 부상하고 있다. 차세대 반도체 소자는 실리콘에 비해 3배 넓은 밴드갭을 가지고 있다.
이론적인 관점에서 보면, GaN이 기존의 Si MOSFET보다 뛰어난 기술적 이점을 가진 것이 밝혀졌다. 이에 다양한 연구들이 진행중이며, 게다가 가격 경쟁력 또한 GaN 장치를 현재 사용되는 Si 기반 전력 스위칭 트랜지스터의 좋은 경쟁자로 사용되는 이유이다.
개발 과제의 목표 및 내용
- DFT 이론을 통해 GaN의 Band Gap과 Density of State(DOS)를 계산
- n-doping, p-doping 후 Band Gap과 Density of State의 변화 계산
- 반도체 Band Gap 개선에 유리한 도핑 물질 분석
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
1. Park, Jeong-Min, et al. “Zinc Blende 구조를 가지는 ZnSe 결정의 밴드 특성에 관한 연구.” 전기화학회지, vol. 14, no. 3, 한국전기화학회, Aug. 2011, pp. 145–151, doi:10.5229/JKES.2011.14.3.145.
ZnSe는 가시광선 영역에서 넓은 밴드갭을 가지고 있는 II-VI족 화합물 반도체 소자로서, UV 분광기를 활용하여 밴드갭을 측정한 결과 2.76 eV이었다. 또한, 분자동역학에서 활용되는 밀도범함수 이론 (DFT, Density Functional Theory)을 도입하여 ZnSe 결정에 대한 밴드 구조의 해석을 수행하였다. Zinc blende구조를 갖는 ZnSe 결정에 대하여 LDA (Local Density Approximation), PBE (Perdew Burke Ernzerhof), 그리고 B3LYP (Becke, 3-parameter, Lee-Yang-Parr) 범함수를 이용하여 밴드구조와 상태밀도 (Density of State)를 모사하였다. 각각의 경우에 대해 에너지 밴드갭을 구한 결과, B3LYP 범함수로 해석한 경우에 실험치와 근사치인 2.65 eV의 밴드갭을 보여주었다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
1. 반도체 소자의 특성 시뮬레이션 방법 - 대한민국 특허 - 특허권자 : 한국과학기술원 - 출원번호 : 10-2017-0046768 - 출원일자 : 2017년 04월 11일 - 내용 : 반도체 소자의 특성 시뮬레이션 방법은 밀도 함수 이론(density functional theory; DFT)을 이용하여 대상 반도체 소자의 원자간 상호 작용 에너지 정보를 나타내는 해밀토니언 및 중첩 매트릭스를 추출하고, 유효 에너지 영역 내에서의 해밀토니언 및 중첩 매트릭스와 에너지-k 관계식에 기초하여 해당 에너지 각각에 대한 블로흐 스테이트(Bloch state)들을 각각 산출하며, 블로흐 스테이트들을 표현하는 매트릭스를 직교화(orthonormalization)한 변환 매트릭스에 해밀토니언 및 중첩 매트릭스를 적용하여 매트릭스 사이즈가 줄어든 제1 축소 해밀토니언 및 제1 축소 중첩 매트릭스를 얻는다. 또한, 해밀토니언 및 중첩 매트릭스에 기초하여 산출된 제1 에너지 밴드 구조와 제1 축소 해밀토니언 및 제1 축소 중첩 매트릭스에 기초하여 산출된 제2 에너지 밴드 구조를 비교하여 유효 에너지 영역 내에서 제2 에너지 밴드 구조에서 제1 에너지 밴드 구조와 대응하지 않는 에너지 밴드인 비물리적 가지들(unphysical branch)이 모두 제거된 최종 변환 매트릭스 및 최종 에너지 밴드 구조를 산출한다.
2. 질화물계 반도체 소자의 제조 방법 - 국제특허 - 특허권자 : 전자부품연구원 - 출원번호 : 10-2011-0143874 - 출원일자 : 2011년 12월 27일 - 내용 : 본 발명은 특성이 향상된 질화물계 반도체 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 기판 상부에 질화물계 에피층을 형성하고, 상기 에피층의 상부에 n 타입 도펀트를 포함하는 n 타입 질화물층을 형성하고, 상기 n 타입 질화물층의 상부 일정 간격을 두고 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하고, 상기 에피층 상부의 n 타입 질화물층을 선택적으로제거한 후, 열처리를 통해 상기 소스 전극 및 드레인 전극에 오믹 접합을 형성함으로써, 오믹 접합의 접촉저항을개선할 수 있으며, 비교적 저온의 열처리 공정을 통해 오믹접합을 형성할 수 있다.
3.
전기차, 신재생에너지 확대로 전력반도체 수요가 증가하고 있는 가운데 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN) 기반의 차세대 전력반도체 특허출원이 급증하고 있는 것으로 나타났다.
특허청(청장 박원주)에 따르면 SiC, GaN 기반의 차세대 전력반도체 관련 특허출원은 2015년 10건, 2016년 13건, 2017년 18건으로 꾸준히 증가해 오다가 2018년에는 33건으로 2017년 대비 83.3% 급증했다.
- 기술 로드맵
-그림2-
현재 GaN 전력시장은 328억 달러 규모의 실리콘 전력시장에 비해 미미한 수준임에도 불구하고 GaN 기기는 다양한 분야에 두드러지게 침투하고 있다.
전력 GaN 시장에서 가장 큰 부문은 여전히 전력 공급 애플리케이션(예: 휴대폰 급속 충전)이다. 올해 Navitas와 Exagan은 통합 GaN 솔루션을 탑재한 45W 급속 충전 전력 어댑터를 선보였다.
GaN의 잠재력 상승에 대비해 이미 EPC, 트랜스폼 등 다양한 업체들이 대비에 나서고 있다. 또한 BMW iVentures의 GaN Systems에 대한 투자는 EV/HEV 기술용 GaN 솔루션에 대한 자동차 업계의 관심을 나타낸다. 그림에 나타난 Yole’s second scenario-"Bull Case Scenario"는 주요 소비자 제조사들이 GaN 무선 충전 솔루션을 채택하면서 달성된다고 예측했다. 시장조사에 따르면 이런 맥락에서 2017~2023년 GAN 전력사업은 4억2천3백만 달러 정도에 이를 수 있는 전망이다.
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
내용
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
내용
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
내용
구성원 및 추진체계
내용
설계
설계사양
제품의 요구사항
내용
설계 사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
