[논문 리뷰] Thermal Conductance across beta-Ga2O3-diamond Van der Waals Heterogeneous Interfaces

Zhe Cheng, Luke Yates외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 09.

Ga2O3 and related materials참고 문헌 36인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 기계적으로 분리된 β-Ga₂O₃ 나노막대와 단일 결정 다이아몬드 기반 간의 반데르발스 인터페이스에서 열경계 열화도(TBC)를 측정하며, 17 MW/m²K의 TBC를 발견하였다. 이는 금속-다이아몬드 인터페이스 수준과 유사하다. 라운더 기반의 진동자 운반 모델을 사용하여, 인터페이스 진동자 산산이 산란과 막대 경계 효과의 역할을 규명하였으며, Ga₂O₃ 기반 파wer 장치의 열 관리 최적화에 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Because of its ultrawide bandgap, high breakdown electric field, and large area affordable substrates grown from the melt, beta Ga2O3 has attracted great attention recently for potential applications of power electronics. However, its thermal conductivity is significantly lower than those of other wide bandgap semiconductors, such as AlN, SiC, GaN, and diamond. To ensure reliable operation with minimal selfheating at high power, proper thermal management is even more essential for Ga2O3 devices. Similarly to the past approaches aiming to alleviate selfheating in GaN HEMTs, a possible solution has been to integrate thin Ga2O3 membranes with diamond to fabricate Ga2O3 on diamond lateral MESFET or MOSFET devices by taking advantage of the ultra high thermal conductivity of diamond. Even though the TBC between wide bandgap semiconductor devices such as GaN HEMTs and a diamond substrate is of primary importance for heat dissipation in these devices, fundamental understanding of the Ga2O3 diamond thermal interface is still missing. In this work, we study the thermal transport across the interfaces of Ga2O3 exfoliated onto a single crystal diamond. The Van der Waals bonded Ga2O3 diamond TBC is measured to be 17 MWm2K1, which is comparable to the TBC of several physical vapor deposited metals on diamond. A Landauer approach is used to help understand phonon transport across perfect Ga2O3 diamond interface, which in turn sheds light on the possible TBC one could achieve with an optimized interface. A reduced thermal conductivity of the Ga2O3 nanomembrane is also observed due to additional phonon membrane boundary scattering. The impact of the Ga2O3substrate TBC and substrate thermal conductivity on the thermal performance of a power device are modeled and discussed.

연구 동기 및 목표

• 파워 전자 응용을 위한 β-Ga₂O₃-다이아몬드 반데르발스 이종구조에서의 열 운반 특성을 조사하기 위해.
• 열경계 열화도(TBC)를 정량화하여 열 관리에 핵심적인 매개변수인 Ga₂O₃-다이아몬드 인터페이스의 특성을 규명하기 위해.
• Ga₂O₃ 나노막대에서의 인터페이스 진동자 산산이 산란과 막대 경계 효과가 열전도도에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• 기판의 열전도도와 TBC가 Ga₂O₃ 기반 파워 장치의 열 성능에 미치는 영향을 모델링하기 위해.
• 향상된 열 방출을 위한 최적의 인터페이스 공학을 예측하기 위한 라운더 접근법을 기반으로 한 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 기계적 분리로 확보한 단일 결정 β-Ga₂O₃ 나노막대를 고품질 단일 결정 다이아몬드 기반에 전사하여 반데르발스 이종구조를 형성하였다.
• 시간 영역 열반사법(TDTR)을 사용하여 Ga₂O₃-다이아몬드 인터페이스를 통한 열경계 열화도를 실험적으로 측정하였다.
• 완벽하고 이상화된 Ga₂O₃-다이아몬드 인터페이스를 통한 진동자 전달을 시뮬레이션하기 위해 라운더 기반의 진동자 운반 모델을 적용하였다.
• 진동자 모드와 인터페이스 결합을 고려하여 내재된 TBC 한계를 추정하고 주요 산산이 메커니즘을 규명하였다.
• 유한요소 모델링을 활용하여 기판의 열전도도와 TBC가 다양한 조건에서 Ga₂O₃ 장치의 열 성능에 미치는 영향을 평가하였다.
• 실험 데이터는 막두께와 경계 산산이 효과를 보정하여 인터페이스 열저항을 고립시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 β-Ga₂O₃-다이아몬드 반데르발스 인터페이스에서의 열경계 열화도는 얼마인가?
• RQ2 Ga₂O₃-다이아몬드 인터페이스를 통한 진동자 운반은 금속-다이아몬드 시스템과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 인터페이스 및 경계 산산이 메커니즘은 Ga₂O₃ 나노막대에서 열전도도를 얼마나 감소시키는가?
• RQ4 최적화된 Ga₂O₃-다이아몬드 인터페이스에서 달성 가능한 열화도의 이론적 상한선은 얼마인가?
• RQ5 기판의 열전도도와 인터페이스 열화도는 Ga₂O₃ 기반 파워 장치의 열 성능에 어떻게 종합적으로 영향을 미치는가?

주요 결과

• 측정된 β-Ga₂O₃-다이아몬드 반데르발스 인터페이스의 열경계 열화도(TBC)는 17 MW/m²K이다.
• 이 TBC 값은 물리적 증착된 금속이 다이아몬드에 도포된 경우와 유사하여, 반데르발스 결합임에도 불구하고 강한 인터페이스 진동자 결합이 이루어지고 있음을 시사한다.
• 막대 표면에서의 진동자 산산이 산란 증가로 인해 Ga₂O₃ 나노막대에서 열전도도가 감소한 것이 관측되었다.
• 라운더 모델은 측정된 값보다 높은 내재 TBC를 예측하며, 실제 시스템에서의 인터페이스 불완전성 또는 거칠기가 성능을 제한하고 있음을 시사한다.
• 열저항 모델링 결과, 기판의 열전도도와 인터페이스 TBC 모두 장치의 자기가열에 크게 영향을 미치며, 고출력 작동 조건에서는 TBC가 주요한 역할을 한다.
• 인터페이스 품질을 최적화하면 Ga₂O₃-다이아몬드 이종구조가 차세대 파워 전자 장치에 적합한 열 성능을 달성할 수 있을 것이다.