GaN HEMT (High Electron Mobility Transistor) is actively utilized as a power device due to its outstanding breakdown voltage characteristics and low On-resistance. However, for more efficient utilization, integration with Si CMOS capable of performing diverse and complex functions is essential. Recent research has focused on 3D integration, which can get the decrease in formfactor size and low power loss. However, the thermal challenges associated with 3D integration, stemming from its inherently challenging heat dissipation structure, pose significant issues. In this study, we deal with the heat dissipation issues inherent in traditional 3D integration by selecting a high thermal conductivity metal as the bonding material. We have developed a novel integration approach for GaN-On-Si HEMT and Si CMOS to enable effective heat dissipation. This involves wafer bonding and selective etching processes. After fabrication, the electrical characteristics of GaN HEMT-On-Metal-On-Si Wafer were analyzed, confirming no significant changes in device performance. The primary objective of this research, overcoming heat dissipation issues, was validated through thermal simulations and actual TRM (Thermoreflectance Microscopy) measurements. Both results demonstrated an approximately 10% improvement in heat dissipation characteristics, establishing a successful heat dissipation system. If the developed technology is applied to Si CMOS integration, it is anticipated that the improved heat dissipation will be effectively realized in integrated devices.
GaN HEMT는 뛰어난 항복전압 특성과 낮은 온저항으로 인해 전력 소자로 활발히 활용되고 있다. 그러나 더 효율적인 활용을 위해서는 다양하고 복잡한 기능을 수행할 수 있는 Si CMOS와의 집적이 필수적이다. 최근에는 폼팩터 사이즈의 감소와 전력 손실 저하의 장점을 갖는 3D 집적과 관련된 연구가 늘어나고 있다. 그러나 3D 집적은 열 방출이 어려운 구조로 인해 발열 문제가 큰 이슈로 작용하고 있다. 이 연구에서는 기존 3D 집적에서 발생하는 열 구배 문제를 극복하기 위해 열 전도도가 높은 금속을 본딩 매질로 선택하고, 이를 가능하게 하는 GaN On Si HEMT와 Si CMOS의 새로운 집적 방식을 개발하였다. 웨이퍼 본딩과 선택적 식각 공정을 통한 집적 방식을 채택하였다. 공정 이후 GaN HEMT-On-Metal-On-Si의 전기적 특성을 파악하였으며, 공정 전후의 특성 비교를 통해 소자 성능에 문제가 없음을 확인하였다. 본 연구의 주된 목적인 발열 문제 해결을 위해 열 시뮬레이션을 진행하고, 실제 TRM(Thermoreflectance Microscopy) 측정을 진행하였다. 두 결과 모두 발열 특성이 약 10% 정도 개선됨을 보였고 성공적인 열구배 시스템을 구축했음을 확인하였다.
