질화갈륨(GaN), 탄화규소(SiC)와 같은 3세대-세대 반도체 소자는 신에너지 차량 및 가전제품과 같은 분야에서의 급속한 발전으로 인해 점차 널리 알려지게 되었습니다.- 그러나 인공 지능, 데이터 센터, 드론과 같은 새로운 응용 시나리오의 출현으로 인해 기존 재료 시스템의 특정 병목 현상이 드러났습니다. 이러한 맥락에서 산화갈륨(Ga2O₃)으로 대표되는 4세대{4}}반도체 소재가 등장하기 시작했습니다. 이러한 재료는 더 넓은 밴드갭, 상대적으로 더 작은 유전 상수, 높은 항복 전계 강도 및 재료 안정성의 특정 이점을 가지고 있습니다. 그러나 산화갈륨은 열전도율이 낮기 때문에(10~27W/m·K) 장치 작동 중 고르지 않은 온도 분포에 매우 취약하여 장치 성능과 수명에 영향을 미칩니다. 따라서 산화갈륨 소자 개발에는 열 관리가 매우 중요합니다.
산화 갈륨(Ga2O₃)은 5개의 결정상( , , , ε 및 δ)을 갖는 초광대역 밴드갭 반도체 소재입니다. 이는 일반적으로 -단계에 존재합니다(이 문서에서는 -Ga2O₃단계에 대해 설명합니다). 밴드갭 폭은 약 4.85eV로 탄화규소의 3.2eV, 질화갈륨의 3.39eV보다 높습니다. 밴드갭이 넓다는 것은 전자가 가전자대에서 전도대로 전환하는 데 더 많은 에너지가 필요하다는 것을 의미하므로 산화갈륨이 고온 및 고전압 환경에서 안정적으로 작동할 수 있게 해줍니다. 아래 표에서 볼 수 있듯이 산화갈륨은 매우 높은 항복 전기장(이론값 최대 8MV/cm)을 가지며 이는 실리콘의 20배 이상이며 탄화규소 및 질화갈륨보다 상당히 높습니다. 이는 동일한 전압에서 산화갈륨 장치를 매우 얇게 만들어 신에너지 차량 및 드론과 같은 분야의 시스템 소형화 및 경량화-핵심 요구 사항을 실현할 수 있음을 의미합니다. 또한, 탄화규소 및 질화갈륨과 비교하여 산화갈륨은 대기압 용융 방법을 사용하여 성장할 수 있는 몇 안 되는 결정 물질 중 하나입니다. 현재 전 세계 여러 기관에서 6인치 산화갈륨 웨이퍼 준비를 완료했습니다.
열 관리 솔루션
1. 이기종 통합(현재 가장 효과적인 솔루션)
이종 통합 방법을 사용하여 단결정 산화갈륨 박막을 고-열전도율- 기판에 전사하여 산화갈륨 이종 통합 웨이퍼를 형성하는 것은 산화갈륨의 낮은 열전도율 병목 현상을 해결하는 효과적인 방법입니다.
한 팀이 산화갈륨 웨이퍼용 이온 주입-결합 및 박리 기술을 성공적으로 개발했습니다. 이 기술은 산화갈륨 웨이퍼에 이온을 주입해 내부에 극도로 얇은 손상층을 형성한 뒤 이를 탄화규소 기판에 접착한 후 어닐링을 통해 손상층을 따라 박막을 정밀하게 박리 및 전사함으로써 산화갈륨 박막과 높은-열전도율- 기판을 이종 집적시키는 기술이다. 이 기술을 기반으로 Ga2O₃-on-SiC 장치는 크게 향상된 열 전달 기능을 보여줍니다. 이종 집적 산화 갈륨 박막의 열전도율은 9.0 W/m·K에 달해 어닐링 전보다 2배 증가한 반면, 계면 열 저항은 원래 값의 1/3로 감소합니다-. 고온- 온도 어닐링 후 탄화규소- 기반 산화갈륨 이종 집적 웨이퍼의 열 확산 속도는 벌크 탄화규소 재료의 열확산 속도에 근접하여 벌크 산화갈륨 재료의 열확산 속도를 훨씬 초과합니다.
2. 장치 및 패키징 수준의 공동 열 설계
1. 기판이 얇아지는 현상
열저항은 재료의 열전도 난이도를 측정하는 핵심 매개변수이며 재료의 두께에 정비례합니다. 기판 박화 기술은 열전도 경로를 단축시켜 활성 영역에서 발생하는 열을 방출시켜 -Ga2O₃ 소자의 작동 시 온도 안정성을 유지하고 과도한 온도로 인한 성능 저하를 방지합니다.
Sekiet al. 기판 두께를 250μm에서 100μm로 줄여 -Ga2O₃ 쇼트키 배리어 다이오드의 열 저항을 1/3{2}} 줄였습니다.
2. 접합-측면 냉각
하단 냉각: 하단 냉각은 가장 일반적인 방법으로, -Ga2O₃ 재료 스택을 고-열전도율- 이종 기판과 통합하고 기판 하단에 일정한-온도 방열판 또는 대류 경계 조건을 적용합니다. 생성된 열은 낮은-열-전도율 -Ga2O₃ 층, -Ga2O₃/기판 열 인터페이스 및 기판을 통해 방열판으로 방출됩니다. 하단 냉각은 열 저항이 높은-반도체-반도체(예: 탄화 규소 및 다이아몬드)에는 적합하지만 열 저항이 낮은 반도체(예: 질화 갈륨)에는 효율적인 열 관리를 달성하지 못할 수 있습니다.
상부 냉각: 상부 냉각은 소스, 드레인 및 게이트 접점 패드가 마이크로-범프를 통해 높은 열 전도성- 기판에 연결되고 폴리머- 기반 언더필 재료로 캡슐화되는 상호 연결 구조를 사용합니다. 열은 -Ga2O₃ 장치에서 고-열전도성 물질(금속 패드 및 범프 연결부)로 전도된 다음 고정 또는 대류 경계 조건을 갖는 기판 및 방열판으로 전도됩니다. 이 접근 방식에서는 열이 장치 본체를 통하지 않고 장치 접합부에서 패키지로 직접 전도됩니다. 상단 냉각은 접합부--케이스 열 저항을 크게 줄여 전력 밀도를 향상시킵니다. 이 냉각 방식은 -내열성이-낮은 반도체에 적합합니다.
양면-냉각: 양면-냉각은 칩 양쪽에서 열을 발산하여 하단 및 상단 냉각의 장점을 결합하여 더 나은 열 관리를 제공합니다. 열 저항이 낮은 초-와이드 밴드갭 소재에 매우 적합합니다.
3. 미세유체 냉각
미세유체 냉각 방법에는 마이크로채널 냉각과 제트 충돌 냉각이 포함됩니다. -Ga2O₃ 장치 근처에 마이크로 채널 구조를 구축함으로써 마이크로 채널의 작은 크기로 인해 냉각수와 채널 벽 사이의 열교환 면적이 증가하여 장치에서 냉각수로 열이 빠르게 전달되어 냉각될 수 있습니다. 제트 충돌 냉각은 냉각수를 고속으로 -Ga2O₃ 장치의 표면으로 직접 유도하여 국부적인 영역에 강렬한 대류 열 전달을 생성하여 열을 빠르게 제거하는 것을 포함합니다.