[논문 리뷰] A Temperature Analysis of High-power AlGaN/GaN HEMTs

J. Das, Herman Oprins외 7명|ArXiv.org|2007. 09. 12.

GaN-based semiconductor devices and materials참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 고전력 AlGaN/GaN HEMT의 열 성능을 조사하기 위해 플립체이프 마운팅을 통해 알루미늄 nitride (AlN) 기판에 통합함으로써 수행된다. 열 시뮬레이션, 마이크로 라만 분광법 및 DC 전기적 분석을 병행하여, 저자들은 AlN 기판이 열 관리 성능을 크게 향상시켜 고전력 RF 및 mm-wave 응용 분야에서 피크 접합 온도를 낮추고 기기 신뢰성을 향상시킴을 입증한다.

ABSTRACT

Galliumnitride has become a strategic superior material for space, defense and civil applications, primarily for power amplification at RF and mm-wave frequencies. For AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMT), an outstanding performance combined together with low cost and high flexibility can be obtained using a System-in-a-Package (SIP) approach. Since thermal management is extremely important for these high power applications, a hybrid integration of the HEMT onto an AlN carrier substrate is proposed. In this study we investigate the temperature performance for AlGaN/GaN HEMTs integrated onto AlN using flip-chip mounting. Therefore, we use thermal simulations in combination with experimental results using micro-Raman spectroscopy and electrical dc-analysis.

연구 동기 및 목표

• 우주, 방위 및 민간 응용 분야에서 핵심적인 고전력 AlGaN/GaN HEMT의 열 제한 문제를 해결하기 위해.
• 열 전도도가 높은 실리콘 기반 기판으로서 AlN의 열 관리 효과를 평가하기 위해.
• 열 시뮬레이션과 마이크로 라만 분광법 및 DC 전기적 분석을 통한 실험적 검증을 융합하기 위해.
• 시스템 인 어 패키지 (SIP) 기반의 하이브리드 통합을 통해 장치 성능을 최적화하기 위해.
• 고전력 작동 조건에서 AlGaN/GaN HEMT의 신뢰할 수 있는 열 특성 평가 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 고전력 AlGaN/GaN HEMT를 알루미늄 나이트라이드 (AlN) 기반 기판에 플립체이프 마운팅하여 열 방출 성능을 향상시키기 위해.
• 기기 구조 전반의 온도 분포를 예측하기 위해 열 시뮬레이션을 활용하기 위해.
• 고해상도 공간 분辨 온도 분포를 실험적으로 측정하기 위해 마이크로 라만 분광법을 사용하기 위해.
• 열 거동과 장치 성능 간의 상관관계를 분석하기 위해 DC 전기적 특성 분석을 수행하기 위해.
• 시뮬레이션 및 실험 데이터를 융합하여 열 성능과 접합 온도 추정치의 타당성을 검증하기 위해.
• 고전력 성능과 열적 내구성을 동시에 확보하기 위해 시스템 인 어 패키지 (SIP) 기법을 적용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AlN 기판에 통합될 경우 AlGaN/GaN HEMT의 열 성능은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 고전력 HEMT 장치에서 마이크로 라만 측정치와 비교할 때 열 시뮬레이션의 정확도는 어느 정도인가?
• RQ3 열 스트레스 하에서 접합 온도 변화는 전기적 DC 특성과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ4 기존 마운팅 방식 대비 플립체이프 구성이 열 저항을 얼마나 감소시키는가?
• RQ5 시뮬레이션과 마이크로 라만 분광법을 병행 사용할 경우 고전력 GaN HEMT에 대해 신뢰할 수 있는 열 맵핑이 가능한가?

주요 결과

• 높은 열 전도도 덕분에 AlN 기판이 피크 접합 온도를 효과적으로 낮춰 열 안정성을 향상시킴을 확인하였다.
• 마이크로 라만 분광법은 정확한 고해상도 공간 분포 온도 측정을 가능하게 하여 시뮬레이션 결과를 검증하였다.
• 열 시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 양호한 일치를 보였으며, 열 모델의 신뢰성을 확인하였다.
• 플립체이프 마운팅은 열 방출 성능을 크게 향상시켜 장치 인터페이스의 열 저항을 감소시켰다.
• SIP 기법을 통해 고전력 성능과 향상된 열 관리 성능을 동시에 확보할 수 있었으며, RF 및 mm-wave 응용 분야에 적합하였다.
• DC 전기적 분석 결과, 고전력 작동 조건에서 열 효과가 직접적으로 장치의 전류 및 전압 특성에 영향을 미침을 확인하였다.