연구개발 목표 및 내용 최종 목표 ◦ SiC 반도체 산업의 난제인 도핑 문제를 해결하여 연구로 이용 SiC 중성자 도핑기술을 세계 최초로 상용화 ◦ 차세대 첨단 재료 분석을 위한 중성자 포획반응 기반 비파괴 분석기술, 양전자 빔 이용 양전자 소멸 분광 등의 분광 계측 신기술 개발 전체 내용 ◦ SiC 반도체 중성자 도핑기술 개발 - 12인치 대용량 실리콘 단결정의 중성자 균일 조사기술과 중성자 도핑 방법론 개발 - 연구로를 이용한 SiC 단결정 잉곳의 중성자 핵반응 전산모사 및 중성자 도핑장치설계 - 중성자 조사에 따른 SiC 반도체의 잔류방사능 평가 및 중성자 조사결함 평가 - SiC 반도체 대상 중성자 도핑 장치설계, 제작 및 시험 조사를 통한 상용화 가능성 타진 ◦ 연구로 중성자 포획반응 기반 반도체 비파괴분석 기술개발 - 고순도 반도체 분석용 극미량 불순물 검출 기술 및 정량 평가기술 개발 - 중성자 플럭스 공간분포 및 중성자 에너지별 공간분포 측정기술 개발 - 연구로 조사공 특성 평가 연구 ◦ 소재 격자 결함 분석을 위한 양전자 소멸 분광 기초기술 개발 - 양전자 소멸 수명 분광법을 이용한 반도체 소재 격자 결함 농도 분석기술 개발 - 동시 계수 도플러 확장 분광법을 이용한 반도체 소재 격자 결함 종류 분석기술 개발 연구개발성과 ○ (대용량 실리콘 중성자도핑 방법론 개발) 12인치 대용량 실리콘 단결정의 중성자 균일 조사기술과 중성자도핑 방법론 개발 - 입사 중성자의 에너지에 따른 비정질 실리콘과 단결정 실리콘의 산란 단면적을 조사·확보하고, 단결정 실리콘의 온도 증가에 따른 조사 균일도가 저하 현상 평가함. 12인치 대형 조사공의 조사특성 평가를 위한 전노심(full core) 모델을 생성하고, 가상의 대형 조사공 계산 모델 구현하여 12인치 실리콘 반도체의 축방향, 반경방향 중성자속 평가 완료함. 실리콘의 축방향 및 반경방향에 대한 균일 중성자 도핑 기술 제안하였으며, 대용량 실리콘 중성자 도핑 장치 스크린 및 반사체 설계하여 대용량 실리콘의 중성자 도핑 적용가능성 평가함 ○ (SiC 반도체 중성자 균일 조사 기술 개발) 연구로를 이용한 SiC 단결정 잉곳의 중성자 핵반응 전산모사 및 중성자도핑 장치 설계 - SiC와 중성자의 핵반응 선행연구 조사하고, 핵자료에 따른 계산결과와 실험결과의 차이 확인하였으며, 최신의 ENDF/B-VIII.0 핵자료에서 배포된 3C-SiC 단결정에 대한 핵자료 라이브러리를 확보함. ENDF/B-VIII.0 핵자료의 SiC-열중성자 산란 단면적 라이브러리를 SiC 온도별에 따른 ACE 형식으로 생산하였으며, 연구로 전노심 모델을 구축하여 SiC 단결정의 중성자 도핑 전산모사를 수행하여 조사 균일도를 평가함. 개념설계안을 바탕으로 최적의 도핑 균일도를 가지는 중성자 도핑 장치를 설계 완료함. ○ (중성자도핑 SiC 반도체 물성 평가 기술 개발) 중성자 조사에 따른 SiC 반도체의 잔류 방사능 평가 및 중성자 조사 결함 평가 - 상용 SiC 단결정 잉곳 정량/중성자 조사 특성 자료 확보하였으며, 단결정의 방사화 문제에 대한 해석 연구를 수행함. SiC 단결정의 핵발열량을 평가하고, NTD-SiC 조사결함 생성기작에 대한 연구를 수행함. 중성자 조사에 의한 SiC 반도체 DPA 단면적을 생산하고 중성자 조사량에 따른 결함 농도를 평가함. 중성자 조사결함 해소 방법론 개발하였으며, 해소 조건을 최적화함. SiC wafer를 이용하여 조사결함 해소 특성 시험을 수행함. ○ (SiC 반도체 중성자도핑 장치 개발) SiC 반도체 대상 중성자도핑 장치 설계, 제작 및 시험 조사를 통한 상용화 가능성 타진 - 개념설계안을 바탕으로 SiC 단결정 중성자도핑 조사장치의 제작도면 및 3D 도면 작성하고, 조사통 제작을 위한 기술시방서, 구매요구서를 기반으로 업체 선정 및 계약완료함. 중성자도핑 조사장치를 제작하였으며, 제작된 조사장치의 노외 및 노내 성능 시험을 완료함. 4인치 HPSI SiC 단결정을 대상으로 중성자 도핑시험을 수행하였으며, SiC 단결정의 도핑 균일도를 평가 완료함. 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 ○ (SiC 반도체 중성자 균일 조사기술 개발) SiC 중성자 도핑 전산모사 결과 및 장치 설계안은 중성자 도핑 장치 제작에 직접 활용되며, SiC 잉곳의 위치에 따른 중성자 조사량 최적화를 통해 불순물 농도가 균일한 고품질의 반도체 생산을 위한 기초 자료로써 활용. NTD-SiC 반도체를 MOSFET, IGBT 등 반도체 소자 개발 연구에 활용 ○ (SiC 반도체 중성자 도핑 장치 개발) 본 연구를 통해 개발된 SiC 중성자 도핑기술 및 이를 기반으로 제작된 중성자 도핑 장치는 실제 중성자 도핑 공정을 수행하는 연구용 원자로 하나로에 설치하여 중성자 조사시험을 수행 가능. 조사시험 결과는 향후 NTD-SiC 제품의 실용화 및 제품화를 위한 기초 자료로써 활용 ○ (중성자 도핑 SiC 반도체 조사결함 평가 및 해소기술 개발) 본 연구를 통해 확보된 SiC 반도체의 핵자료 및 중성자 조사에 의한 격자 결함 평가 결과는 중성자 도핑기술뿐만 아니라 핵연료 제조, 원자로 구조물 및 방사선 이용 장치 제작 등의 분야에서 SiC 재료 연구에 활용 ○ (연구로 기반 중성자방사화분석 기술 개발) 본 연구를 통해 확보하는 k0-INAA 표준화 중성자방사화분석 및 검출기 관련 보정 알고리즘은 Si/SiC의 미량 불순물을 정확하게 정량 분석할 수 있는 기술로 실리콘 반도체의 품질 관리 및 향상을 위해 활용될 수 있음 ○ (연구로 반도체 분석 및 도핑 조사공 특성 평가) 연구로 조사공 제어 인자 결정 및 균질도 평가 연구는 SiC 반도체 개발을 위한 최적의 도핑 및 조사 방법론 개발에 활용될 것이며, 다양한 연구 및 산업 분야의 재료 분석 연구에 기초 자료로써 활용할 것임 ○ (첨단 소재의 근표면 관심 원소에 대한 깊이별 농도 분포 분석) Si 및 SiC를 활용한 전력 소자의 에피 박막에 대한 반경 방향, 두께 방향 관심 원소(도펀트 물질, 불순물 등)에 대한 정교한 분석을 통해 성능/안전성 향상 및 시장 경쟁력 확보함 ○ (양전자빔 기초기술) 연구용 원자로를 이용하는 고강도 양전자빔 생성 및 인출의 기초 기술 확보하고 소재 격자 결함 분석을 위한 양전자빔 소멸 분광 기초 기술 확보 ○ (양전자 분광계 구축 및 결함 분석) 양전자 수율 측정 및 에너지스펙트럼을 측정하기 위해 양전자 동시계수 분광계 설계 및 제작 완료하고 Si, SiC 소재에 대한 결함 분석 기술을 확보함 과학적 측면 ◦ 연구로를 활용한 대구경 실리콘 단결정과 SiC 반도체의 중성자 도핑 기술 개발을 통하여 방사선 연구기반을 반도체/전자/첨단 소재 분야로 확대 ◦ 기존에 축적된 비교법 기반의 중성자방사화분석기술을 개선하여 동시에 보다 다양한 미량 원소 분석이 가능할 것으로 기대함 ◦ 대용량 시료 검출 효율 보정 알고리듬 개발 및 표준 시료 개발을 통해 체적 시료에 대한 높은 정확도의 중성자방사화분석을 가능하게 함 경제적 측면 ◦ 전력반도체 핵심기술인 양질의 중성자도핑 기술 확보로 포스트 실리콘 반도체의 기술확산 시기를 가시화함과 동시에 국내외 관련 산업 시장을 선점 ◦ 하나로 연구로 기반 동시 다원소 정량분석 기술은 Si/SiC 불순물 정량분석분야 뿐만 아니라 다양한 산업 분야에서 물질의 순도를 결정할 수 있는 주요 미량원소 분석기술로 활용되어 산업체의 품질관리기술 발전에 이바지할 것으로 기대 산업적 측면 ◦ 방사선융합기술 이용한 신소재의 가치창출을 통해 실리콘 기반 반도체 산업의 돌파구를 마련하고, 4차 산업혁명의 핵심 부품인 차세대 반도체 소자의 원천기술 확보로 방사선 산업의 국가경쟁력 향상 (출처 : 요약문 2p)
- 연구책임자 : 선광민
- 주관연구기관 : 한국원자력연구원
- 발행년도 : 20221100
- Keyword : 1. 중성자(핵변환) 도핑;탄화규소;전력 반도체;대용량 실리콘 단결정;중성자 조사 결함; 2. Neutron Transmutation Doping;Silicon Carbide;Power Semiconductor;Large Silicon Crystal;Neutron Irradiation Defect;
