히로유키 마츠나미: 탄화규소

히로유키 마츠나미 교수는 일본 교토대학교 명예교수로, 전력반도체의 핵심 소재인 탄화규소(SiC) 연구를 개척한 세계적 석학이다. 그는 1970년대부터 탄화규소 단결정 성장과 소자 응용 연구를 선도하며, 지금의 SiC 반도체 산업의 토대를 마련했다. 그의 연구는 고전압·고온 환경에서도 안정적으로 작동하는 반도체 기술의 기반을 다졌고, 전력효율 혁신과 친환경 전자시대의 초석이 되었다.

학문적 배경과 연구 여정

마츠나미 교수는 1960년대 교토대학교에서 전자공학을 전공하고, 이후 같은 학교에서 박사학위를 받았다. 박사과정 시절부터 그는 실리콘보다 더 높은 절연파괴전압과 열적 안정성을 가진 새로운 반도체 물질을 찾기 위해 연구에 몰두했다. 그 결과 탄화규소(Silicon Carbide, SiC)에 주목하게 되었고, 1970년대 초 일본 내에서 가장 먼저 SiC 성장 기술을 실험적으로 구현했다. 이후 40년 넘게 SiC 성장, 가공, 소자 응용까지 이어지는 연구를 체계적으로 발전시켰다.

주요 연구 성과 1: 탄화규소 단결정 성장 기술 확립

마츠나미 교수의 가장 큰 업적은 고품질 SiC 단결정 성장 기술을 확립한 것이다. 1970년대 당시 SiC는 성장 결함이 많고 결정 불균일성이 심해 상용화가 불가능하다고 여겨졌지만, 그는 ‘기상상승법’과 ‘화학기상증착법’(CVD)을 결합한 새로운 공정을 고안했다. 이를 통해 결정 내 불순물 농도와 격자 결함을 제어할 수 있게 되었으며, 이후 SiC 웨이퍼 산업의 기술적 기반이 되었다. 그의 논문들은 이후 일본과 미국의 여러 반도체 기업이 SiC 소재 양산을 추진하는 데 핵심 자료로 활용되었다.

주요 연구 성과 2: 전력반도체 소자 응용

그는 단결정 성장에 그치지 않고, SiC를 이용한 전력소자 응용까지 확장했다. 실리콘 기반 소자는 고온·고전압 환경에서 한계가 있었으나, SiC는 넓은 밴드갭 특성 덕분에 높은 효율과 내열성을 동시에 갖췄다. 마츠나미 교수는 SiC MOSFET, 다이오드, 쇼트키 접합 소자 등의 구조적 특성과 공정 최적화를 분석해, 전력 변환 장치의 손실을 크게 줄이는 방법을 제시했다. 이러한 연구는 고속철도, 전기차, 산업용 인버터 등 고전력 장비의 효율 개선에 결정적인 역할을 했다.

주요 연구 성과 3: 계면 결함 제어와 소자 신뢰성 연구

초기 SiC MOSFET의 가장 큰 문제는 게이트 절연막과 SiC 기판 사이의 결함이었다. 마츠나미 교수는 산화 공정 조건을 세밀히 조정하고, 질소 분위기 열처리를 통해 계면 결함 밀도를 대폭 줄이는 방법을 개발했다. 그 결과 전자 이동도가 획기적으로 향상되었으며, 소자의 신뢰성과 수명이 크게 늘어났다. 이 연구는 후속 세대의 SiC 전력소자 상용화에 필수적 기반을 제공했다.

주요 연구 성과 4: SiC 웨이퍼 상용화와 산업화 공헌

마츠나미 교수의 연구는 단순한 학문적 성취를 넘어 일본 반도체 산업 전반에 영향을 주었다. 1990년대 일본과 미국에서는 SiC 웨이퍼 제조가 본격화되었는데, 그의 성장 모델과 데이터가 표준으로 활용되었다. 그는 여러 기업과 협력하여 SiC 소재의 결정 결함을 최소화하고, 대면적 웨이퍼 제작의 공정 지침을 수립했다. 이러한 기술은 현재 로옴(ROHM), 크리(Wolfspeed), 도쿄일렉트론 등의 주요 전력반도체 기업에서 여전히 응용되고 있다.

산업적 영향과 사회적 가치

오늘날 SiC 반도체는 전기차 인버터, 충전기, 태양광 발전, 풍력 발전, 스마트 그리드 등에서 핵심 부품으로 사용된다. SiC 소자는 기존 실리콘 소자 대비 전력 손실이 50% 이상 적고, 발열이 적어 냉각 비용을 절감할 수 있다. 이러한 친환경적 효율성 덕분에 SiC 기술은 ‘그린 반도체’로 불린다. 마츠나미 교수는 이러한 산업적 변화를 이끌어낸 최초의 연구자로, 2017년 혼다상을 수상하며 그의 업적이 재조명되었다.

대표 연구 주제와 기술 키워드

• 탄화규소(SiC) 단결정 성장 기술
• 전력반도체 소자: MOSFET, 쇼트키 다이오드, 정류기
• 게이트 절연막 계면 결함 제어 기술
• 고온·고전압 구동 전력 소자 신뢰성 연구
• 친환경 전력변환 및 에너지 효율 향상 기술

최근 동향과 향후 과제

마츠나미 교수는 은퇴 후에도 SiC 기술 발전에 자문으로 참여하며, 후학 양성과 표준화 활동을 지속하고 있다. 최근에는 SiC 기술이 200 mm 웨이퍼로 확대되고, GaN(질화갈륨)과의 복합 구조 연구가 진행되고 있다. 이러한 기술 융합은 차세대 전력소자에서 효율과 내구성을 더욱 향상시킬 것으로 전망된다. 그는 “SiC 는 단순한 소재가 아니라 에너지 혁신의 핵심”이라고 강조하며, 차세대 친환경 전자산업의 방향을 제시하고 있다.

정리

히로유키 마츠나미 교수는 ‘탄화규소 반도체의 아버지’라 불릴 만큼, 전력반도체 연구의 초석을 닦은 인물이다. 그가 구축한 성장 기술과 공정 이론은 오늘날 전 세계 반도체 산업이 에너지 효율과 친환경 목표를 달성하는 데 중요한 역할을 하고 있다. 그의 연구는 단순히 새로운 소재를 발견한 것을 넘어, 과학이 산업을 변화시키고 사회적 가치를 창출할 수 있음을 보여주는 모범적 사례로 남아 있다.