붕소 비소: 고전력 전자제품을 위한 획기적인 열 기판

새로운 기판이 고전력 밀도 디바이스에서 오늘날의 선도 소재보다 우수한 열 관리를 약속합니다.

열 관리는 전기 엔지니어에게 가장 중요한 과제 중 하나로 급부상했습니다. 전자제품의 전력 밀도가 올라감에 따라 발생하는 열도 증가합니다. 신뢰성 있는 동작을 위해서는 이 열 에너지를 효율적으로 추출하고 방출해 민감한 구성 요소를 보호하고 최고 성능을 유지하는 소재가 필요합니다.

고전력 디바이스 제조사는 일반적으로 다이아몬드나 실리콘 카바이드 기판을 사용해 트랜지스터 같은 전력 밀도 반도체에서 열을 빼냅니다. 최근 연구는 핫스팟에서 열을 현저히 더 효율적으로 끌어낼 수 있는 새로운 소재를 확인했습니다. 이는 디바이스 성능과 에너지 절감에 실질적 이득을 줄 수 있습니다.

우수한 열 관리가 전력 전자 산업에 의미하는 것

트랜지스터 크기가 나노미터 단위로 줄어들면서 제조사는 칩에 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있어 성능이 향상되지만 상당한 열도 발생합니다. 견고한 열 관리 없이는 이 칩들이 과열, 스로틀링, 신뢰성 저하를 겪을 수 있습니다. 시간이 지나면 열 스트레스가 조기 고장을 유발할 수도 있습니다.

업계 분석가들은 무어의 법칙(트랜지스터 수가 2년마다 두 배로 늘어난다는 역사적 추세)의 한계가 심화되는 열 관리 수요 때문에 크게 조여지고 있다고 경고합니다.

현재 최첨단 소재를 능가하는 열 기판은 무어의 법칙의 모멘텀을 유지해 처리 능력 성장을 궤도에 올리는 데 도움이 될 수 있습니다.

붕소 비소, 반도체를 위한 유망한 열 기판으로 부상

2018년 UCLA와 Irvine Materials Research Institute의 연구자들이 Yongjie Hu 부교수 주도 하에 실험실에서 결함 없는 붕소 비소(BAs)를 생산했습니다. 그들의 연구는 BAs가 기존 반도체 소재보다 열을 끌어내고 방출하는 데 탁월함을 입증했습니다.

처음으로 팀은 BAs를 갈륨 나이트라이드(GaN) 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)에 직접 통합했습니다. 이 연구는 2021년 6월 Nature Electronics에 게재되었습니다. 연구는 BAs 기판이 고전력 밀도 설정에서 가장 진보된 열 소재조차 능가할 수 있음을 보여주었습니다.

다이아몬드나 실리콘 카바이드보다 더 효과적

성능을 벤치마크하기 위해 연구자들은 BAs, 다이아몬드, 실리콘 카바이드(SiC) 기판으로 제작된 GaN HEMT를 비교했습니다. 15W/mm² 전력 밀도에서 BAs 기반 HEMT의 온도는 실온에서 188°F(약 87°C) 상승한 반면, 다이아몬드 기반은 278°F(약 137°C), SiC 기반은 332°F(약 167°C)까지 치솟았습니다.

이 결과는 BAs 기판이 디바이스를 더 높은 전력 레벨에서 동작하게 함을 나타냅니다. 우수한 성능은 BAs의 높은 열전도도와 예외적으로 낮은 열 경계 저항에서 비롯되며, 이들이 함께 빠른 열 추출을 촉진합니다.

BAs는 최대 1,300W/m·K의 열전도도를 달성할 수 있습니다. 다이아몬드의 2,300W/m·K에는 여전히 미치지 못하지만, 근제로에 가까운 경계 저항이 냉각 애플리케이션에서 결정적인 우위를 제공합니다.

BAs는 비소를 포함하지만, 붕소 비소 같은 화합물에 통합되면 안정적이고 무독성이 된다고 텍사스 대학교 댈러스의 Bing Lv 박사는 지적합니다. 그는 고순도 BAs 합성을 개척해 기판으로 사용했습니다.

결과적으로 BAs는 SiC 및 다이아몬드와 동등한 안전 프로파일로 고성능 전자제품에 안전하다고 간주됩니다. 게다가 BAs는 더 낮은 비용으로 합성 및 가공될 수 있어 산업 채택 장벽을 낮춥니다.

그럼에도 불구하고 BAs의 전자적 특성을 완전히 특성화하고 광범위한 구현 전 장기 신뢰성을 확인하기 위한 추가 연구가 필요합니다. 후속 연구가 이러한 결과를 계속 검증한다면 붕소 비소는 차세대 전자제품의 초석 소재가 될 수 있습니다.