고전력 GaN RF 장치는 전기 설계만으로는 해결할 수 없는 근본적인 한계인 열에 직면해 있습니다.
질화갈륨 고전자 이동도 트랜지스터(GaN HEMT)는 고전압, 고주파수 및 높은 전력 밀도에서 작동할 수 있습니다. 이러한 장점으로 인해 레이더, 위성 통신, 전자전, 5G/6G 인프라 및 고출력 마이크로파 시스템과 같은 애플리케이션에 중요합니다.
그러나 RF 전력 밀도가 증가함에 따라 트랜지스터 채널 근처에서 발생하는 열을 제거하기가 점점 더 어려워지고 있습니다.
GaN 소재 자체가 강력한 전기적 성능을 유지하더라도 과도한 접합 온도로 인해 출력 전력이 감소하고 효율이 저하되며 장치 수명이 단축될 수 있습니다.
이것이 GaN의 열 플랫폼으로 다이아몬드가 점점 더 주목받는 이유입니다.
고품질 다이아몬드 소재의 경우 열전도율이 2,000W/m·K를 초과하는 다이아몬드는 기존 반도체 기판보다 훨씬 더 강력한 열 확산 능력을 제공합니다. 최근 연구에서는 다이아몬드 통합이 고전력 GaN HEMT의 접합부 근처 냉각에 대한 가장 유망한 접근 방식 중 하나로 계속해서 확인되고 있습니다.
그러나 단순히 GaN을 다이아몬드 위에 배치한다고 해서 이상적인 열 솔루션이 자동으로 생성되는 것은 아닙니다.
실제 성능은 다음에 크게 좌우됩니다.
엔지니어 선택GaN-on-Diamond 웨이퍼,인터페이스는 때로는 다이아몬드 자체만큼 중요할 수 있습니다.
GaN HEMT는 드레인 측 게이트에 가까운 매우 작은 영역에서 많은 열을 발생시킵니다.
이는 매우 높은 국지적 열유속을 생성합니다.
따라서 문제는 단순히 전체 회로 기판을 냉각하는 것과는 다릅니다.
열은 먼저 활성 GaN 채널에서 멀어지고 반도체 구조와 인터페이스 층을 통과한 다음 기판과 패키지로 확산되어야 합니다.
단순화된 열 경로는 다음과 같이 표현될 수 있습니다.
GaN HEMT 채널
↓
GaN 에피택셜 층
↓
GaN/다이아몬드 인터페이스
↓
다이아몬드 열확산층
↓
패키지
↓
방열판
모든 레이어는 열 저항을 추가합니다.
어느 한 층의 열전도율이 낮거나 계면 저항이 높으면 다이아몬드 기판의 이점이 크게 줄어들 수 있습니다.
이것이 바로 연구자들이 점점 더 관심을 기울이는 이유이다.근접접합 열 관리외부 방열판만 개선하는 것이 아니라.
DARPA의 초기 Near Junction Thermal Transport 프로그램은 특히 다이아몬드 기판 사용 및 낮은 열전도율 전이층 제거를 포함하여 약 100μm의 고전력 전자 접합 내 영역을 목표로 했습니다. 현재 THREADS 프로그램은 RF 전력 출력을 제한하는 열 장벽을 계속해서 해결하고 있습니다.
GaN-on-Diamond 웨이퍼는 GaN 장치 또는 에피택셜 층이 다이아몬드와 열적으로 통합된 이종 반도체 구조입니다.
구조는 여러 가지 형태를 취할 수 있습니다.
단순화된 결합 구조는 다음과 같습니다.
GaN 장치 계층
↓
초박형 접착/중간층
↓
다이아몬드 기판
또 다른 접근 방식은 다음을 사용할 수 있습니다.
AlGaN/GaN HEMT 구조
↓
GaN 버퍼
↓
핵생성/계면층
↓
CVD 다이아몬드
완성되거나 부분적으로 제작된 GaN 장치의 상단에 다이아몬드를 추가하여 채널 근처 열 분산기를 만들 수도 있습니다.
이러한 서로 다른 구조를 동일한 것으로 취급해서는 안 됩니다.
열 성능은 열 발생 채널을 기준으로 다이아몬드의 위치에 따라 크게 달라집니다.
고품질 다이아몬드는 열 관리에 있어 몇 가지 매력적인 특성을 제공합니다.
고전력 RF 장치의 경우 열전도율이 주요 매력입니다.
이에 비해 일반적으로 사용되는 기판은 벌크 열전도율이 상당히 낮습니다.
그러나 벌크 재료의 열전도도는 전체 이야기의 일부일 뿐입니다.
GaN HEMT는 다이아몬드의 이론적 벌크 열전도도를 직접 경험하지 않습니다.
열은 먼저 GaN-다이아몬드 인터페이스를 통과해야 합니다.
따라서 열 경계 저항은 GaN-on-Diamond 기술의 핵심 사양 중 하나입니다.
일반적으로 TBR로 약칭되는 열 경계 저항은 서로 다른 두 재료 사이의 경계면을 가로지르는 열 흐름에 대한 저항을 나타냅니다.
GaN-on-Diamond의 경우 개념적으로 다음과 같이 작성할 수 있습니다.
GaN
→ 인터페이스
→ 다이아몬드
두 재료가 모두 효과적으로 열을 전도하더라도 열 에너지를 전달하는 포논은 인터페이스를 통해 효율적으로 전달되지 않을 수 있습니다.
이는 GaN과 다이아몬드가 매우 다르기 때문에 발생합니다.
추가 접착 레이어는 복잡성을 더욱 증가시킬 수 있습니다.
TBR은 일반적으로 다음과 같이 표현됩니다.
m²·K/GW
값이 낮을수록 일반적으로 인터페이스를 통한 열 전달이 더 효율적이라는 것을 나타냅니다.
정확히 동일한 다이아몬드 기판을 사용하는 두 개의 GaN-on-Diamond 구조를 고려하십시오.
구조 A는 얇고 잘 제어되는 인터페이스를 가지고 있습니다.
구조 B는 열 전도성이 좋지 않은 더 두꺼운 비정질 결합층을 포함합니다.
다이아몬드가 동일하더라도 구조 A는 GaN 채널에서 열을 훨씬 더 효율적으로 제거할 수 있습니다.
이것이 바로 다음 사항만 지정하는 것이 오해를 불러일으킬 수 있는 이유입니다.
“다이아몬드 열전도도 >2000 W/m·K.”
장치 수준 열 설계의 경우 구매자는 다음 사항도 고려해야 합니다.
이는 여전히 활발한 연구 분야로 남아있습니다.
2026년 연구에서는 표면 활성화 결합과 결합된 현장 표면 재구성 공정을 사용하여 생성된 GaN-on-Diamond 구조를 보고했습니다.
연구진은 다이아몬드 RMS 표면 거칠기를 0.5nm 미만으로 줄이고 약 8nm 실리콘 중간층을 사용했습니다.
결과 구조는 약 7.7 ± 0.6m²·K/GW의 보고된 TBR을 달성했습니다.
이는 인터페이스 엔지니어링이 GaN-on-Diamond 구조의 열 성능에 큰 영향을 미칠 수 있음을 보여주기 때문에 중요합니다.
또한 다음과 같은 중요한 원칙을 보여줍니다.
고성능 GaN-on-Diamond 웨이퍼에는 우수한 다이아몬드 기판과 우수한 GaN-다이아몬드 인터페이스가 모두 필요합니다.
GaN을 다이아몬드와 통합하는 방법에는 여러 가지가 있습니다.
각각에는 장점과 기술적 과제가 있습니다.
표면 활성화 결합(SAB)은 표면 활성화 후 실온 또는 실온 근처에서 두 재료를 결합할 수 있습니다.
얇은 중간층이 사용될 수 있다.
장점은 다음과 같습니다.
GaN과 다이아몬드는 열팽창 동작이 다르기 때문에 실온 접합이 특히 매력적입니다.
고온 접합은 냉각 중에 추가적인 응력을 유발할 수 있습니다.
수정된 SAB를 사용한 최근 연구에서는 N극 GaN/다이아몬드 구조에 대한 AlN 및 실리콘 중간층도 조사했습니다.
2026년 연구에서는 대략적으로 보고했습니다.31m²·K/GW TBRAlN 함유 인터페이스를 사용하여 측정된 RF 손실은 약40GHz에서 0.32dB/mm이는 본딩 인터페이스가 열 및 RF 특성 모두에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다.
직접 접착은 기존 접착층을 최소화하거나 제거하려는 시도입니다.
주요 목표는 GaN과 다이아몬드 사이의 열 경로를 줄이는 것입니다.
잠재적인 이점은 다음과 같습니다.
그러나 직접 결합에는 일반적으로 매우 우수한 표면 준비가 필요합니다.
중요한 매개변수는 다음과 같습니다:
작은 공극이라도 결합 강도와 열 성능을 모두 저하시킬 수 있습니다.
GaN/다이아몬드 통합을 위해 직접 반 데르 발스 결합도 연구되었습니다.
한 가지 장점은 두꺼운 열전도도가 낮은 중간층을 사용하지 않는다는 것입니다.
그러나 웨이퍼 표면은 매우 부드럽고 깨끗해야 하기 때문에 넓은 영역에 걸쳐 안정적인 접촉을 달성하는 것은 여전히 어렵습니다.
직접 및 층간 지원 GaN/다이아몬드 통합을 비교하는 연구는 단순히 결합층의 존재가 아닌 전체 인터페이스 저항을 평가해야 하는 이유를 보여줍니다.
또 다른 전략은 원래 기판을 제거하고 GaN 장치 층에 상대적으로 가깝게 다이아몬드를 성장시키는 것입니다.
단순화된 흐름에는 다음이 포함될 수 있습니다.
GaN 에피택시 성장
↓
임시 캐리어 결합
↓
원본 인쇄물 제거
↓
GaN 뒷면 준비
↓
핵 생성/층간 형성
↓
CVD 다이아몬드 성장
이렇게 하면 다이아몬드를 활성 장치에 매우 가깝게 배치할 수 있습니다.
그러나 다이아몬드 CVD 조건은 공격적일 수 있습니다.
GaN 표면은 다음으로부터 보호되어야 합니다.
따라서 적절한 핵형성 또는 유전층이 필요할 수 있습니다.
문제는 이 보호층 자체가 열 경계 저항을 증가시킬 수 있다는 것입니다.
이상적인 접착층은 다음을 제공해야 합니다.
불행하게도 이러한 요구 사항은 충돌할 수 있습니다.
결합층이 두꺼울수록 기계적 신뢰성은 향상되지만 열 저항은 높아질 수 있습니다.
더 얇은 층은 열 흐름을 향상시킬 수 있지만 훨씬 더 나은 표면 준비가 필요합니다.
잠재적인 중간층 재료는 다음과 같습니다.
따라서 중간층은 전체 장치 아키텍처의 일부로 최적화되어야 합니다.
반드시 그런 것은 아닙니다.
다이아몬드 두께를 늘리면 측면 열 확산이 향상될 수 있으며, 특히 열원이 매우 국한된 경우 더욱 그렇습니다.
그러나 열적 개선은 두께에 따라 무한정 증가하지 않습니다.
다이아몬드 층이 열을 효과적으로 확산시킬 만큼 충분히 두꺼워지면 다른 열 저항이 지배적일 수 있습니다.
여기에는 다음이 포함될 수 있습니다.
이는 다이아몬드 두께를 두 배로 늘려도 장치 접합 온도가 반드시 절반으로 감소하지는 않는다는 것을 의미합니다.
얇은 다이아몬드는 다음을 제공할 수 있습니다.
그러나 필름이 너무 얇으면 측면 열 확산이 제한될 수 있습니다.
두꺼운 다이아몬드는 다음을 제공할 수 있습니다.
그러나 단점은 다음과 같습니다.
따라서 최적의 두께는 장치 열유속 밀도와 전체 패키지 열 아키텍처를 기반으로 계산되어야 합니다.
모든 GaN RF 장치에 대해 보편적인 "최고의 다이아몬드 두께"는 없습니다.
모든 다이아몬드 필름이 동일한 열 성능을 제공하는 것은 아닙니다.
열전도율은 다음과 같은 요인에 따라 달라집니다.
단결정 다이아몬드는 일반적으로 매우 높은 열 전도성을 제공합니다.
다결정질 CVD 다이아몬드도 우수한 열 확산 기능을 제공할 수 있지만 유효 열 전도성은 미세 구조에 따라 크게 달라집니다.
핵생성 인터페이스 근처의 나노결정질 영역은 인터페이스에서 멀리 떨어진 큰 입자 재료보다 낮은 열전도도를 나타낼 수 있습니다.
따라서 고성능 RF 설계에는 단순히 "CVD 다이아몬드"를 지정하는 것만으로는 충분하지 않습니다.
GaN-on-SiC는 고전력 RF 장치를 위한 가장 중요한 플랫폼 중 하나로 남아 있습니다.
SiC는 다음을 제공합니다.
GaN-on-Diamond는 열 성능을 더욱 향상시키는 것을 목표로 합니다.
주요 잠재적 이점은 GaN 채널 근처에서 열 확산이 더 강력하다는 것입니다.
그러나 GaN-on-Diamond는 추가적인 통합 복잡성을 초래합니다.
장점:
과제:
장점:
과제:
따라서 GaN-on-Diamond는 단순히 모든 GaN-on-SiC 장치를 직접 대체하는 것으로 간주되어서는 안 됩니다.
열 제한으로 인해 추가적인 통합 복잡성이 정당화되는 경우 가장 강력한 값이 나타날 가능성이 높습니다.
접합 온도를 낮추면 여러 장치 특성에 영향을 미칠 수 있습니다.
잠재적인 이점은 다음과 같습니다.
자체 가열은 GaN HEMT 내부의 전자 전달 및 전기적 동작을 변경할 수 있습니다.
채널 온도가 상승하면 치명적인 오류가 발생하기 전에도 장치 성능이 저하될 수 있습니다.
다이아몬드 캡 GaN HEMT에 대한 2026년 검토에서는 자체 발열이 고전력 RF 작동의 주요 제한 사항임을 강조하고 다이아몬드 통합이 유망한 근접 접합 열 솔루션으로 확인되었습니다.
GaN-on-Diamond는 항상 원래 기판을 교체할 필요는 없습니다.
또 다른 새로운 전략은 GaN HEMT 위에 다이아몬드를 증착하는 것입니다.
구조는 다음과 유사할 수 있습니다.
다이아몬드 열 확산기
↓
유전체/계면층
↓
AlGaN 장벽
↓
GaN 채널
↓
원본 기판
이렇게 하면 장치의 양쪽 측면에서 열이 빠져나갈 수 있습니다.
상부 다이아몬드 통합에 대한 연구에 따르면 유전체 중간층 자체가 전체 열 경계 저항에 크게 기여하는 것으로 나타났습니다.
따라서 AlGaN/GaN-on-SiC에 다결정 다이아몬드 방열판을 사용한 2025년 연구에서는 다이아몬드 전도성만 고려하기보다는 인터페이스와 AlGaN 장벽의 결합된 영향을 평가했습니다.
미래의 고전력 GaN RF 장치는 잠재적으로 다음 두 가지를 모두 사용할 수 있습니다.
이는 보다 3차원적인 열 관리 아키텍처를 생성합니다.
GaN-on-Diamond를 소규모 연구용 샘플에서 상업용 웨이퍼로 옮기는 데에는 추가적인 어려움이 따릅니다.
본딩에는 매우 우수한 웨이퍼 평탄도가 필요합니다.
국부적인 표면 높이 차이로 인해 다음이 발생할 수 있습니다.
일부 고급 결합 방식에는 나노미터 이하의 거칠기가 필요할 수 있습니다.
2026년 표면 재구성 연구에서는 실온 결합 전에 다이아몬드 RMS 거칠기를 0.5nm 미만으로 줄였습니다.
단일 입자는 국부적 접촉을 방지하고 결합 공극을 생성할 수 있습니다.
따라서 웨이퍼 직경이 증가함에 따라 입자 제어가 점점 더 어려워집니다.
GaN, 결합 재료 및 다이아몬드는 기계적 및 열적 특성이 다릅니다.
잔류 응력은 다음과 같은 결과를 초래할 수 있습니다.
좋은 실험실 샘플이 자동으로 웨이퍼 규모 생산으로 변환되지는 않습니다.
상업용 제조에서는 사용 가능한 거의 전체 웨이퍼 영역에 걸쳐 일관된 접착이 필요합니다.
GaN-on-Diamond는 RF 전력 밀도가 극도로 높은 애플리케이션에 특히 매력적입니다.
예는 다음과 같습니다:
고전력 레이더 송신기에는 심각한 열 부하에서도 성능을 유지할 수 있는 RF 증폭기가 필요합니다.
전자전 시스템에는 소형 시스템 크기와 결합된 고출력 RF 전력이 필요한 경우가 많습니다.
열 관리는 기존 냉각 방식이 제한적인 우주 시스템에서 특히 중요합니다.
다이아몬드 열 확산을 통해 GaN 장치는 접합 온도를 제어하면서 더 높은 전력 밀도에서 작동할 수 있습니다.
고주파수 RF 시스템은 장치 크기가 감소하고 국지적 열 유속이 증가함에 따라 고급 열 관리의 이점을 누릴 수 있습니다.
유용한 RFQ에는 웨이퍼 직경 이상의 내용이 포함되어야 합니다.
지정:
가용성은 통합 방법에 따라 크게 달라질 수 있습니다.
필요한 자재가 다음과 같은지 지정하십시오.
제공하다:
지정:
필요한 두께 또는 목표 열 성능을 지정합니다.
두꺼운 다이아몬드가 항상 더 좋다는 가정만으로 두께를 선택하지 마십시오.
구조가 다음을 사용하는지 토론하십시오.
지정:
고전력 RF 애플리케이션의 경우 나노미터 규모의 인터페이스 레이어도 전체 열 경로에 영향을 미칠 수 있습니다.
열 성능이 중요한 경우 구매자는 목표 TBR 정의를 고려해야 합니다.
테스트 방법도 지정되어야 합니다.
일반적인 열 특성화 방법은 다음과 같습니다.
지정:
중요한 매개변수는 다음과 같습니다:
프로젝트에 따라 요구 사항에는 다음이 포함될 수도 있습니다.
GaN-on-Diamond 개발 요청에는 다음과 같은 정보가 포함될 수 있습니다.
웨이퍼 직경: 100mm
GaN 구조: AlGaN/GaN HEMT
GaN 두께: 맞춤
다이아몬드: CVD 다이아몬드
다이아몬드 두께: 열 설계에 따름
결합 방법: 실온 직접 결합 또는 표면 활성화 결합
접합 중간층: 초박형 Si 또는 AlN 기반 구조
인터페이스: 낮은 TBR 요구 사항
표면: 장치 등급
형상: 제어형 TTV, 보우 및 워프
신청: 고전력 RF 증폭기
주파수 범위: 고객 지정
대상 장치 애플리케이션을 제공하는 것이 특히 유용합니다.
고전력 X-밴드 증폭기를 위한 GaN-on-Diamond 구조는 밀리미터파 장치용으로 설계된 것과 동일한 최적 구조를 사용하지 않을 수 있습니다.
GaN-on-Diamond 성능은 상호 연결된 많은 매개변수에 따라 달라지므로 재료 구조를 동결하기 전에 열 시뮬레이션이 매우 중요합니다.
현실적인 시뮬레이션에서는 다음을 고려해야 합니다.
일반적인 실수는 완벽한 인터페이스를 가정하면서 벌크 열전도율만 사용하여 다이아몬드를 시뮬레이션하는 것입니다.
이는 냉각 성능을 상당히 과대평가할 수 있습니다.
GaN/Diamond 인터페이스는 명시적으로 포함되어야 합니다.
업계에서는 열 관리를 패키지 수준의 문제로만 보는 것에서 점점 더 멀어지고 있습니다.
2026년 6월, DARPA는 THREADS 프로그램을 RF 전자 장치에서 더 효율적으로 열을 제거하고 시스템 크기와 복잡성을 비례적으로 증가시키지 않고 더 높은 전력 출력을 가능하게 할 수 있는 재료, 장치 아키텍처 및 열 관리 접근 방식을 목표로 한다고 설명했습니다.
재료 수준에서 최근 GaN/다이아몬드 연구는 다음에 중점을 두고 있습니다.
초박형 Si 결합층을 사용한 약 7.7m²·K/GW TBR에 대한 2026년 보고서는 표면 엔지니어링 및 결합 기술이 열 전달을 직접적으로 향상시킬 수 있는 방법을 보여주기 때문에 특히 관련이 있습니다.
이러한 개발은 GaN RF 성능의 다음 주요 개선이 트랜지스터 스케일링 또는 고품질 GaN 에피택시뿐만 아니라 활성 채널 바로 아래와 바로 위의 열 경로 엔지니어링에서도 나올 수 있음을 시사합니다.
GaN-on-Diamond 웨이퍼는 고전력 RF GaN 장치의 열적 한계를 극복하기 위한 가장 유망한 재료 플랫폼 중 하나를 제공합니다.
다이아몬드는 뛰어난 열전도율을 제공하지만 다이아몬드 열전도율만으로는 장치 냉각 성능을 결정하지 않습니다.
실용적인 GaN-on-Diamond 구조를 위해 엔지니어는 전체 열 경로를 고려해야 합니다.
GaN 채널
→ GaN층
→ 본딩 인터페이스
→ 다이아몬드
→ 패키지
→ 방열판
이러한 요소 중에서 GaN-다이아몬드 열 경계 저항이 특히 중요합니다.
잘못 설계된 인터페이스는 장치가 다이아몬드의 열 전도성을 최대한 활용하지 못하게 할 수 있습니다.
단순히 최대화하기보다는 다이아몬드 두께도 최적화해야 합니다. 다이아몬드가 충분한 열 확산을 제공하면 인터페이스 저항과 패키징이 주요 열 제한 사항이 될 수 있습니다.
따라서 고전력 RF 프로젝트의 경우 가장 중요한 GaN-on-Diamond 사양은 다음과 같습니다.
RF GaN 장치가 계속해서 더 높은 주파수와 전력 밀도를 지향함에 따라 기존 기판 및 패키지 냉각 접근 방식이 더 이상 허용 가능한 접합 온도를 유지할 수 없는 경우 이종 GaN-다이아몬드 통합이 점점 더 중요해질 가능성이 높습니다.
고전력 GaN RF 장치는 전기 설계만으로는 해결할 수 없는 근본적인 한계인 열에 직면해 있습니다.
질화갈륨 고전자 이동도 트랜지스터(GaN HEMT)는 고전압, 고주파수 및 높은 전력 밀도에서 작동할 수 있습니다. 이러한 장점으로 인해 레이더, 위성 통신, 전자전, 5G/6G 인프라 및 고출력 마이크로파 시스템과 같은 애플리케이션에 중요합니다.
그러나 RF 전력 밀도가 증가함에 따라 트랜지스터 채널 근처에서 발생하는 열을 제거하기가 점점 더 어려워지고 있습니다.
GaN 소재 자체가 강력한 전기적 성능을 유지하더라도 과도한 접합 온도로 인해 출력 전력이 감소하고 효율이 저하되며 장치 수명이 단축될 수 있습니다.
이것이 GaN의 열 플랫폼으로 다이아몬드가 점점 더 주목받는 이유입니다.
고품질 다이아몬드 소재의 경우 열전도율이 2,000W/m·K를 초과하는 다이아몬드는 기존 반도체 기판보다 훨씬 더 강력한 열 확산 능력을 제공합니다. 최근 연구에서는 다이아몬드 통합이 고전력 GaN HEMT의 접합부 근처 냉각에 대한 가장 유망한 접근 방식 중 하나로 계속해서 확인되고 있습니다.
그러나 단순히 GaN을 다이아몬드 위에 배치한다고 해서 이상적인 열 솔루션이 자동으로 생성되는 것은 아닙니다.
실제 성능은 다음에 크게 좌우됩니다.
엔지니어 선택GaN-on-Diamond 웨이퍼,인터페이스는 때로는 다이아몬드 자체만큼 중요할 수 있습니다.
GaN HEMT는 드레인 측 게이트에 가까운 매우 작은 영역에서 많은 열을 발생시킵니다.
이는 매우 높은 국지적 열유속을 생성합니다.
따라서 문제는 단순히 전체 회로 기판을 냉각하는 것과는 다릅니다.
열은 먼저 활성 GaN 채널에서 멀어지고 반도체 구조와 인터페이스 층을 통과한 다음 기판과 패키지로 확산되어야 합니다.
단순화된 열 경로는 다음과 같이 표현될 수 있습니다.
GaN HEMT 채널
↓
GaN 에피택셜 층
↓
GaN/다이아몬드 인터페이스
↓
다이아몬드 열확산층
↓
패키지
↓
방열판
모든 레이어는 열 저항을 추가합니다.
어느 한 층의 열전도율이 낮거나 계면 저항이 높으면 다이아몬드 기판의 이점이 크게 줄어들 수 있습니다.
이것이 바로 연구자들이 점점 더 관심을 기울이는 이유이다.근접접합 열 관리외부 방열판만 개선하는 것이 아니라.
DARPA의 초기 Near Junction Thermal Transport 프로그램은 특히 다이아몬드 기판 사용 및 낮은 열전도율 전이층 제거를 포함하여 약 100μm의 고전력 전자 접합 내 영역을 목표로 했습니다. 현재 THREADS 프로그램은 RF 전력 출력을 제한하는 열 장벽을 계속해서 해결하고 있습니다.
GaN-on-Diamond 웨이퍼는 GaN 장치 또는 에피택셜 층이 다이아몬드와 열적으로 통합된 이종 반도체 구조입니다.
구조는 여러 가지 형태를 취할 수 있습니다.
단순화된 결합 구조는 다음과 같습니다.
GaN 장치 계층
↓
초박형 접착/중간층
↓
다이아몬드 기판
또 다른 접근 방식은 다음을 사용할 수 있습니다.
AlGaN/GaN HEMT 구조
↓
GaN 버퍼
↓
핵생성/계면층
↓
CVD 다이아몬드
완성되거나 부분적으로 제작된 GaN 장치의 상단에 다이아몬드를 추가하여 채널 근처 열 분산기를 만들 수도 있습니다.
이러한 서로 다른 구조를 동일한 것으로 취급해서는 안 됩니다.
열 성능은 열 발생 채널을 기준으로 다이아몬드의 위치에 따라 크게 달라집니다.
고품질 다이아몬드는 열 관리에 있어 몇 가지 매력적인 특성을 제공합니다.
고전력 RF 장치의 경우 열전도율이 주요 매력입니다.
이에 비해 일반적으로 사용되는 기판은 벌크 열전도율이 상당히 낮습니다.
그러나 벌크 재료의 열전도도는 전체 이야기의 일부일 뿐입니다.
GaN HEMT는 다이아몬드의 이론적 벌크 열전도도를 직접 경험하지 않습니다.
열은 먼저 GaN-다이아몬드 인터페이스를 통과해야 합니다.
따라서 열 경계 저항은 GaN-on-Diamond 기술의 핵심 사양 중 하나입니다.
일반적으로 TBR로 약칭되는 열 경계 저항은 서로 다른 두 재료 사이의 경계면을 가로지르는 열 흐름에 대한 저항을 나타냅니다.
GaN-on-Diamond의 경우 개념적으로 다음과 같이 작성할 수 있습니다.
GaN
→ 인터페이스
→ 다이아몬드
두 재료가 모두 효과적으로 열을 전도하더라도 열 에너지를 전달하는 포논은 인터페이스를 통해 효율적으로 전달되지 않을 수 있습니다.
이는 GaN과 다이아몬드가 매우 다르기 때문에 발생합니다.
추가 접착 레이어는 복잡성을 더욱 증가시킬 수 있습니다.
TBR은 일반적으로 다음과 같이 표현됩니다.
m²·K/GW
값이 낮을수록 일반적으로 인터페이스를 통한 열 전달이 더 효율적이라는 것을 나타냅니다.
정확히 동일한 다이아몬드 기판을 사용하는 두 개의 GaN-on-Diamond 구조를 고려하십시오.
구조 A는 얇고 잘 제어되는 인터페이스를 가지고 있습니다.
구조 B는 열 전도성이 좋지 않은 더 두꺼운 비정질 결합층을 포함합니다.
다이아몬드가 동일하더라도 구조 A는 GaN 채널에서 열을 훨씬 더 효율적으로 제거할 수 있습니다.
이것이 바로 다음 사항만 지정하는 것이 오해를 불러일으킬 수 있는 이유입니다.
“다이아몬드 열전도도 >2000 W/m·K.”
장치 수준 열 설계의 경우 구매자는 다음 사항도 고려해야 합니다.
이는 여전히 활발한 연구 분야로 남아있습니다.
2026년 연구에서는 표면 활성화 결합과 결합된 현장 표면 재구성 공정을 사용하여 생성된 GaN-on-Diamond 구조를 보고했습니다.
연구진은 다이아몬드 RMS 표면 거칠기를 0.5nm 미만으로 줄이고 약 8nm 실리콘 중간층을 사용했습니다.
결과 구조는 약 7.7 ± 0.6m²·K/GW의 보고된 TBR을 달성했습니다.
이는 인터페이스 엔지니어링이 GaN-on-Diamond 구조의 열 성능에 큰 영향을 미칠 수 있음을 보여주기 때문에 중요합니다.
또한 다음과 같은 중요한 원칙을 보여줍니다.
고성능 GaN-on-Diamond 웨이퍼에는 우수한 다이아몬드 기판과 우수한 GaN-다이아몬드 인터페이스가 모두 필요합니다.
GaN을 다이아몬드와 통합하는 방법에는 여러 가지가 있습니다.
각각에는 장점과 기술적 과제가 있습니다.
표면 활성화 결합(SAB)은 표면 활성화 후 실온 또는 실온 근처에서 두 재료를 결합할 수 있습니다.
얇은 중간층이 사용될 수 있다.
장점은 다음과 같습니다.
GaN과 다이아몬드는 열팽창 동작이 다르기 때문에 실온 접합이 특히 매력적입니다.
고온 접합은 냉각 중에 추가적인 응력을 유발할 수 있습니다.
수정된 SAB를 사용한 최근 연구에서는 N극 GaN/다이아몬드 구조에 대한 AlN 및 실리콘 중간층도 조사했습니다.
2026년 연구에서는 대략적으로 보고했습니다.31m²·K/GW TBRAlN 함유 인터페이스를 사용하여 측정된 RF 손실은 약40GHz에서 0.32dB/mm이는 본딩 인터페이스가 열 및 RF 특성 모두에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다.
직접 접착은 기존 접착층을 최소화하거나 제거하려는 시도입니다.
주요 목표는 GaN과 다이아몬드 사이의 열 경로를 줄이는 것입니다.
잠재적인 이점은 다음과 같습니다.
그러나 직접 결합에는 일반적으로 매우 우수한 표면 준비가 필요합니다.
중요한 매개변수는 다음과 같습니다:
작은 공극이라도 결합 강도와 열 성능을 모두 저하시킬 수 있습니다.
GaN/다이아몬드 통합을 위해 직접 반 데르 발스 결합도 연구되었습니다.
한 가지 장점은 두꺼운 열전도도가 낮은 중간층을 사용하지 않는다는 것입니다.
그러나 웨이퍼 표면은 매우 부드럽고 깨끗해야 하기 때문에 넓은 영역에 걸쳐 안정적인 접촉을 달성하는 것은 여전히 어렵습니다.
직접 및 층간 지원 GaN/다이아몬드 통합을 비교하는 연구는 단순히 결합층의 존재가 아닌 전체 인터페이스 저항을 평가해야 하는 이유를 보여줍니다.
또 다른 전략은 원래 기판을 제거하고 GaN 장치 층에 상대적으로 가깝게 다이아몬드를 성장시키는 것입니다.
단순화된 흐름에는 다음이 포함될 수 있습니다.
GaN 에피택시 성장
↓
임시 캐리어 결합
↓
원본 인쇄물 제거
↓
GaN 뒷면 준비
↓
핵 생성/층간 형성
↓
CVD 다이아몬드 성장
이렇게 하면 다이아몬드를 활성 장치에 매우 가깝게 배치할 수 있습니다.
그러나 다이아몬드 CVD 조건은 공격적일 수 있습니다.
GaN 표면은 다음으로부터 보호되어야 합니다.
따라서 적절한 핵형성 또는 유전층이 필요할 수 있습니다.
문제는 이 보호층 자체가 열 경계 저항을 증가시킬 수 있다는 것입니다.
이상적인 접착층은 다음을 제공해야 합니다.
불행하게도 이러한 요구 사항은 충돌할 수 있습니다.
결합층이 두꺼울수록 기계적 신뢰성은 향상되지만 열 저항은 높아질 수 있습니다.
더 얇은 층은 열 흐름을 향상시킬 수 있지만 훨씬 더 나은 표면 준비가 필요합니다.
잠재적인 중간층 재료는 다음과 같습니다.
따라서 중간층은 전체 장치 아키텍처의 일부로 최적화되어야 합니다.
반드시 그런 것은 아닙니다.
다이아몬드 두께를 늘리면 측면 열 확산이 향상될 수 있으며, 특히 열원이 매우 국한된 경우 더욱 그렇습니다.
그러나 열적 개선은 두께에 따라 무한정 증가하지 않습니다.
다이아몬드 층이 열을 효과적으로 확산시킬 만큼 충분히 두꺼워지면 다른 열 저항이 지배적일 수 있습니다.
여기에는 다음이 포함될 수 있습니다.
이는 다이아몬드 두께를 두 배로 늘려도 장치 접합 온도가 반드시 절반으로 감소하지는 않는다는 것을 의미합니다.
얇은 다이아몬드는 다음을 제공할 수 있습니다.
그러나 필름이 너무 얇으면 측면 열 확산이 제한될 수 있습니다.
두꺼운 다이아몬드는 다음을 제공할 수 있습니다.
그러나 단점은 다음과 같습니다.
따라서 최적의 두께는 장치 열유속 밀도와 전체 패키지 열 아키텍처를 기반으로 계산되어야 합니다.
모든 GaN RF 장치에 대해 보편적인 "최고의 다이아몬드 두께"는 없습니다.
모든 다이아몬드 필름이 동일한 열 성능을 제공하는 것은 아닙니다.
열전도율은 다음과 같은 요인에 따라 달라집니다.
단결정 다이아몬드는 일반적으로 매우 높은 열 전도성을 제공합니다.
다결정질 CVD 다이아몬드도 우수한 열 확산 기능을 제공할 수 있지만 유효 열 전도성은 미세 구조에 따라 크게 달라집니다.
핵생성 인터페이스 근처의 나노결정질 영역은 인터페이스에서 멀리 떨어진 큰 입자 재료보다 낮은 열전도도를 나타낼 수 있습니다.
따라서 고성능 RF 설계에는 단순히 "CVD 다이아몬드"를 지정하는 것만으로는 충분하지 않습니다.
GaN-on-SiC는 고전력 RF 장치를 위한 가장 중요한 플랫폼 중 하나로 남아 있습니다.
SiC는 다음을 제공합니다.
GaN-on-Diamond는 열 성능을 더욱 향상시키는 것을 목표로 합니다.
주요 잠재적 이점은 GaN 채널 근처에서 열 확산이 더 강력하다는 것입니다.
그러나 GaN-on-Diamond는 추가적인 통합 복잡성을 초래합니다.
장점:
과제:
장점:
과제:
따라서 GaN-on-Diamond는 단순히 모든 GaN-on-SiC 장치를 직접 대체하는 것으로 간주되어서는 안 됩니다.
열 제한으로 인해 추가적인 통합 복잡성이 정당화되는 경우 가장 강력한 값이 나타날 가능성이 높습니다.
접합 온도를 낮추면 여러 장치 특성에 영향을 미칠 수 있습니다.
잠재적인 이점은 다음과 같습니다.
자체 가열은 GaN HEMT 내부의 전자 전달 및 전기적 동작을 변경할 수 있습니다.
채널 온도가 상승하면 치명적인 오류가 발생하기 전에도 장치 성능이 저하될 수 있습니다.
다이아몬드 캡 GaN HEMT에 대한 2026년 검토에서는 자체 발열이 고전력 RF 작동의 주요 제한 사항임을 강조하고 다이아몬드 통합이 유망한 근접 접합 열 솔루션으로 확인되었습니다.
GaN-on-Diamond는 항상 원래 기판을 교체할 필요는 없습니다.
또 다른 새로운 전략은 GaN HEMT 위에 다이아몬드를 증착하는 것입니다.
구조는 다음과 유사할 수 있습니다.
다이아몬드 열 확산기
↓
유전체/계면층
↓
AlGaN 장벽
↓
GaN 채널
↓
원본 기판
이렇게 하면 장치의 양쪽 측면에서 열이 빠져나갈 수 있습니다.
상부 다이아몬드 통합에 대한 연구에 따르면 유전체 중간층 자체가 전체 열 경계 저항에 크게 기여하는 것으로 나타났습니다.
따라서 AlGaN/GaN-on-SiC에 다결정 다이아몬드 방열판을 사용한 2025년 연구에서는 다이아몬드 전도성만 고려하기보다는 인터페이스와 AlGaN 장벽의 결합된 영향을 평가했습니다.
미래의 고전력 GaN RF 장치는 잠재적으로 다음 두 가지를 모두 사용할 수 있습니다.
이는 보다 3차원적인 열 관리 아키텍처를 생성합니다.
GaN-on-Diamond를 소규모 연구용 샘플에서 상업용 웨이퍼로 옮기는 데에는 추가적인 어려움이 따릅니다.
본딩에는 매우 우수한 웨이퍼 평탄도가 필요합니다.
국부적인 표면 높이 차이로 인해 다음이 발생할 수 있습니다.
일부 고급 결합 방식에는 나노미터 이하의 거칠기가 필요할 수 있습니다.
2026년 표면 재구성 연구에서는 실온 결합 전에 다이아몬드 RMS 거칠기를 0.5nm 미만으로 줄였습니다.
단일 입자는 국부적 접촉을 방지하고 결합 공극을 생성할 수 있습니다.
따라서 웨이퍼 직경이 증가함에 따라 입자 제어가 점점 더 어려워집니다.
GaN, 결합 재료 및 다이아몬드는 기계적 및 열적 특성이 다릅니다.
잔류 응력은 다음과 같은 결과를 초래할 수 있습니다.
좋은 실험실 샘플이 자동으로 웨이퍼 규모 생산으로 변환되지는 않습니다.
상업용 제조에서는 사용 가능한 거의 전체 웨이퍼 영역에 걸쳐 일관된 접착이 필요합니다.
GaN-on-Diamond는 RF 전력 밀도가 극도로 높은 애플리케이션에 특히 매력적입니다.
예는 다음과 같습니다:
고전력 레이더 송신기에는 심각한 열 부하에서도 성능을 유지할 수 있는 RF 증폭기가 필요합니다.
전자전 시스템에는 소형 시스템 크기와 결합된 고출력 RF 전력이 필요한 경우가 많습니다.
열 관리는 기존 냉각 방식이 제한적인 우주 시스템에서 특히 중요합니다.
다이아몬드 열 확산을 통해 GaN 장치는 접합 온도를 제어하면서 더 높은 전력 밀도에서 작동할 수 있습니다.
고주파수 RF 시스템은 장치 크기가 감소하고 국지적 열 유속이 증가함에 따라 고급 열 관리의 이점을 누릴 수 있습니다.
유용한 RFQ에는 웨이퍼 직경 이상의 내용이 포함되어야 합니다.
지정:
가용성은 통합 방법에 따라 크게 달라질 수 있습니다.
필요한 자재가 다음과 같은지 지정하십시오.
제공하다:
지정:
필요한 두께 또는 목표 열 성능을 지정합니다.
두꺼운 다이아몬드가 항상 더 좋다는 가정만으로 두께를 선택하지 마십시오.
구조가 다음을 사용하는지 토론하십시오.
지정:
고전력 RF 애플리케이션의 경우 나노미터 규모의 인터페이스 레이어도 전체 열 경로에 영향을 미칠 수 있습니다.
열 성능이 중요한 경우 구매자는 목표 TBR 정의를 고려해야 합니다.
테스트 방법도 지정되어야 합니다.
일반적인 열 특성화 방법은 다음과 같습니다.
지정:
중요한 매개변수는 다음과 같습니다:
프로젝트에 따라 요구 사항에는 다음이 포함될 수도 있습니다.
GaN-on-Diamond 개발 요청에는 다음과 같은 정보가 포함될 수 있습니다.
웨이퍼 직경: 100mm
GaN 구조: AlGaN/GaN HEMT
GaN 두께: 맞춤
다이아몬드: CVD 다이아몬드
다이아몬드 두께: 열 설계에 따름
결합 방법: 실온 직접 결합 또는 표면 활성화 결합
접합 중간층: 초박형 Si 또는 AlN 기반 구조
인터페이스: 낮은 TBR 요구 사항
표면: 장치 등급
형상: 제어형 TTV, 보우 및 워프
신청: 고전력 RF 증폭기
주파수 범위: 고객 지정
대상 장치 애플리케이션을 제공하는 것이 특히 유용합니다.
고전력 X-밴드 증폭기를 위한 GaN-on-Diamond 구조는 밀리미터파 장치용으로 설계된 것과 동일한 최적 구조를 사용하지 않을 수 있습니다.
GaN-on-Diamond 성능은 상호 연결된 많은 매개변수에 따라 달라지므로 재료 구조를 동결하기 전에 열 시뮬레이션이 매우 중요합니다.
현실적인 시뮬레이션에서는 다음을 고려해야 합니다.
일반적인 실수는 완벽한 인터페이스를 가정하면서 벌크 열전도율만 사용하여 다이아몬드를 시뮬레이션하는 것입니다.
이는 냉각 성능을 상당히 과대평가할 수 있습니다.
GaN/Diamond 인터페이스는 명시적으로 포함되어야 합니다.
업계에서는 열 관리를 패키지 수준의 문제로만 보는 것에서 점점 더 멀어지고 있습니다.
2026년 6월, DARPA는 THREADS 프로그램을 RF 전자 장치에서 더 효율적으로 열을 제거하고 시스템 크기와 복잡성을 비례적으로 증가시키지 않고 더 높은 전력 출력을 가능하게 할 수 있는 재료, 장치 아키텍처 및 열 관리 접근 방식을 목표로 한다고 설명했습니다.
재료 수준에서 최근 GaN/다이아몬드 연구는 다음에 중점을 두고 있습니다.
초박형 Si 결합층을 사용한 약 7.7m²·K/GW TBR에 대한 2026년 보고서는 표면 엔지니어링 및 결합 기술이 열 전달을 직접적으로 향상시킬 수 있는 방법을 보여주기 때문에 특히 관련이 있습니다.
이러한 개발은 GaN RF 성능의 다음 주요 개선이 트랜지스터 스케일링 또는 고품질 GaN 에피택시뿐만 아니라 활성 채널 바로 아래와 바로 위의 열 경로 엔지니어링에서도 나올 수 있음을 시사합니다.
GaN-on-Diamond 웨이퍼는 고전력 RF GaN 장치의 열적 한계를 극복하기 위한 가장 유망한 재료 플랫폼 중 하나를 제공합니다.
다이아몬드는 뛰어난 열전도율을 제공하지만 다이아몬드 열전도율만으로는 장치 냉각 성능을 결정하지 않습니다.
실용적인 GaN-on-Diamond 구조를 위해 엔지니어는 전체 열 경로를 고려해야 합니다.
GaN 채널
→ GaN층
→ 본딩 인터페이스
→ 다이아몬드
→ 패키지
→ 방열판
이러한 요소 중에서 GaN-다이아몬드 열 경계 저항이 특히 중요합니다.
잘못 설계된 인터페이스는 장치가 다이아몬드의 열 전도성을 최대한 활용하지 못하게 할 수 있습니다.
단순히 최대화하기보다는 다이아몬드 두께도 최적화해야 합니다. 다이아몬드가 충분한 열 확산을 제공하면 인터페이스 저항과 패키징이 주요 열 제한 사항이 될 수 있습니다.
따라서 고전력 RF 프로젝트의 경우 가장 중요한 GaN-on-Diamond 사양은 다음과 같습니다.
RF GaN 장치가 계속해서 더 높은 주파수와 전력 밀도를 지향함에 따라 기존 기판 및 패키지 냉각 접근 방식이 더 이상 허용 가능한 접합 온도를 유지할 수 없는 경우 이종 GaN-다이아몬드 통합이 점점 더 중요해질 가능성이 높습니다.
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