전력 전자의 기술 동향 - GaN-on-Diamond (질화 갈륨 다이아몬드)-

 

전력전자 및 에너지 변환 기술들 중 차후의 중요한 역할을 할 것으로 기대하는 기술 중에 하나인 GaN-on-Diamond 기술에 대하여 포스팅해 보겠습니다.

 

GaN-on-Diamond 기술을 접목한 반도체 제조 공정

 

- GaN-on-Diamond 소개 -

 

GaN-on-Diamond란 용어는 많은 대중들에게는 아직 생소합니다만 앞으로 굉장히 유망한 기술입니다. GaN-on-Diamonds는 다이아몬드 기판 위에 질화 갈륨(GaN) 소재를 성장시키는 반도체 기술의 일종입니다. 다이아몬드 기판은 실리콘이나 사파이어와 같이 전통적으로 GaN 성장에 사용되는 다른 재료에 비해 여러 가지 이점을 제공합니다. 다이아몬드를 기판으로 사용하는 주요 장점 중 하나는 열 전도성이 뛰어나 소자 작동 중에 발생하는 열을 효율적으로 방출할 수 있다는 것입니다. 이는 열 손상 및 성능 저하를 방지하기 위해 효과적인 열 관리가 필요한 고전력 전자 및 광전자 장치에 특히 중요합니다. 다이아몬드 사용의 또 다른 장점은 기계적 강도와 경도가 높아 결과 장치의 내구성과 신뢰성을 향상할 수 있다는 것입니다. 또한 다이아몬드는 유전 상수가 낮고 손실 탄젠트가 낮아 고주파 및 고속 애플리케이션에서 기생 커패시턴스와 손실을 줄일 수 있습니다. 그러나 다이아몬드 기판을 다루기 위한 특수 장비 및 기술의 필요성, GaN-다이아몬드 인터페이스의 결함 및 불일치 가능성 등 다이아몬드 위에 GaN을 성장시키는 것과 관련된 몇 가지 문제도 있습니다. 그럼에도 불구하고 GaN-on-Diamond는 전력 전자, RF/마이크로파 전자, 고체 조명과 같은 분야에서 새로운 애플리케이션을 구현할 수 있는 잠재력을 가진 유망한 기술입니다.

- GaN-on-Diamond 기술의 역사 와 동향-

 

GaN-on-Diamond 기술의 개발은 2000년대 초 영국 브리스톨 대학교와 미국 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스(UCSB)의 연구진이 다이아몬드 기판에서 고품질 GaN 필름을 성장시킬 수 있다는 가능성을 독자적으로 입증한 시점으로 거슬러 올라갑니다. 2001년 브리스톨의 연구진은 분자 빔 에피택시(MBE) 기법을 사용하여 단결정 다이아몬드 기판에서 고품질 GaN 필름을 성장시키는 데 성공했습니다. 그 결과 생성된 GaN 필름은 더 높은 전자 이동도와 낮은 결함 밀도 등 다른 기판에서 성장한 필름에 비해 우수한 특성을 보였습니다. 비슷한 시기에 UCSB의 연구원들은 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 기법을 사용하여 다이아몬드 기판에서 GaN 필름이 성장하는 것을 시연하기도 했습니다. 연구진은 다이아몬드 기판이 GaN 기반 디바이스의 열 관리를 향상시켜 디바이스의 성능과 신뢰성을 개선할 수 있음을 보여주었습니다. 그 이후로 GaN-on-Diamond 기술은 전 세계의 다양한 학계 및 산업 그룹에서 광범위한 연구 개발 노력을 기울여 왔습니다. 
오늘날 GaN-on-Diamond는 고성능의 안정적인 반도체 소자, 특히 고전력 또는 고주파에서 작동하는 소자를 필요로 하는 광범위한 애플리케이션에 유망한 기술로 간주됩니다. 현재 GaN-on-Diamond 기술은 고성능 반도체 솔루션으로 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 다음은 몇 가지 예입니다:

1.RF 전력 증폭기

5G 네트워크와 같은 무선 통신 애플리케이션을 위한 고효율, 고출력 RF 전력 증폭기를 개발하는 데 GaN-on-Diamond 기술이 사용되고 있습니다. 다이아몬드 기판의 높은 열전도율은 더 나은 열 방출을 가능하게 하여 더 높은 전력 밀도와 향상된 신뢰성을 가능하게 합니다.

2.고체 조명

고휘도 LED 및 레이저 다이오드에 사용하기 위해 GaN-on-Diamond 기술이 연구되고 있습니다. 다이아몬드 기판의 높은 열전도율은 장치의 작동 온도를 낮춰 효율과 수명을 개선하는 데 도움이 됩니다.

3.전력 전자

GaN-on-Diamond 기술은 고전압 쇼트키 다이오드, MOSFET 및 HEMT와 같은 고성능 전력 전자 장치를 개발하는 데 사용되고 있습니다. 높은 항복 전압, 낮은 온저항, 빠른 스위칭 속도의 조합으로 이러한 장치는 전력 컨버터 및 모터 드라이브와 같은 애플리케이션에 이상적입니다.

4.감지 및 감지

GaN-on-Diamond 기술은 가스 감지, 바이오 감지, 방사선 감지 등 다양한 애플리케이션을 위한 고성능 센서 및 검출기를 개발하는 데 사용되고 있습니다. 다이아몬드 기판의 높은 기계적 강도와 화학적 안정성은 더 나은 감지 성능과 내구성을 가능하게 합니다.

전반적으로 GaN-on-Diamond 기술은 더 높은 전력 밀도, 향상된 열 관리, 향상된 신뢰성 등 기존 반도체 설루션에 비해 광범위한 이점을 제공하므로 다양한 고성능 애플리케이션에 유망한 기술입니다. GaN-on-DiamondGaN-on-Diamond 기술은 전기 자동차 및 데이터 센터와 같은 애플리케이션을 위한 더 높은 전력 밀도 디바이스를 개발할 수 있습니다. 다이아몬드 기판의 방열 기능을 개선함으로써 고성능을 유지하면서 디바이스의 크기를 줄일 수 있습니다. 이는 현재의 시장에서 엄청난 파급력을 줄수도 있습니다. 고휘도 LED와 레이저 다이오드의 효율과 수명을 더욱 향상할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 장치의 작동 온도를 낮춤으로써 열로 손실되는 에너지의 양을 줄이고 전반적인 효율을 개선할 수 있습니다.

- GaN-on-Diamond 기술의 한계점들-

많은 장점에도 불구하고 GaN-on-Diamond 기술에는 해결해야 할 몇 가지 한계도 있습니다. 다음은 몇 가지 주요 한계입니다:

1.비용

다이아몬드 기판은 실리콘이나 사파이어와 같이 반도체 제조에 일반적으로 사용되는 다른 기판에 비해 가격이 비쌉니다. 이로 인해 GaN-on-Diamond 디바이스의 비용이 높아져 일부 애플리케이션에서 채택이 제한될 수 있습니다.

2. 다이아몬드 표면 준비

다이아몬드 기판의 표면 처리는 그 위에 성장한 GaN 필름의 품질에 결정적인 역할을 합니다. 다이아몬드 기판에는 GaN 필름의 품질에 영향을 줄 수 있는 결함이나 불순물이 없어야 합니다. 이러한 수준의 표면 처리를 달성하는 것은 어렵고 시간이 많이 소요될 수 있습니다.

3. 웨이퍼 크기 

GaN-on-Diamond 성장에 사용되는 다이아몬드 기판의 크기는 현재 몇 인치로 제한되어 있습니다. 이는 제조 공정의 확장성을 제한하고 대면적 소자를 생산하기 어렵게 만듭니다.

4. 다른 재료와의 통합

GaN-on-Diamond 소자를 실리콘과 같은 다른 재료와 통합하는 것은 두 재료 간의 열팽창 계수가 일치하지 않기 때문에 어려울 수 있습니다. 이로 인해 소자에 응력과 변형이 발생하여 성능과 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다.

5. 결정 품질 

GaN-on-Diamond 필름의 결정 품질은 수년에 걸쳐 크게 개선되었지만 여전히 다른 기판에서 성장한 GaN 필름만큼 좋지는 않습니다. 이로 인해 일부 소자, 특히 매우 낮은 결함 밀도가 필요한 소자의 성능이 제한될 수 있습니다.

이러한 한계에도 불구하고 GaN-on-Diamond 기술은 다양한 고성능 애플리케이션을 위한 유망한 설루션으로 남아 있습니다. 이러한 한계를 해결하는 것은 향후 이 기술의 채택을 확대하는 데 매우 중요합니다.

 

이상, GaN-on-Diamond 기술에 대하여 포스팅하였습니다..