베타‑Ga₂O₃ 수직 쇼트키 다이오드의 전열 공동 설계: 고유전율 BaTiO₃와 고열전도 AlN 필드플레이트 활용

초록

본 연구는 베타‑Ga₂O₃ 수직 쇼트키 다이오드에 고유전율 BaTiO₃와 열전도성이 우수한 AlN을 복합 필드플레이트로 적용하여 전계와 열을 동시에 관리하는 전열 공동 설계 방식을 제시한다. BaTiO₃는 전계 감소에, AlN은 열 방출 및 인터페이스 열전달 개선에 기여한다. 깊은 에칭과 사이드월 패시베이션을 결합한 구조는 핫스팟을 크게 억제하고, Landauer 모델을 통한 열경계전도도(TBC) 분석은 AlN‑β‑Ga₂O₃ 인터페이스가 BaTiO₃‑β‑Ga₂O₃보다 월등히 높은 TBC를 가짐을 보여준다. 실험적으로 AlN의 파괴 전계가 약 11 MV/cm로 β‑Ga₂O₃(≈8 MV/cm)를 초과함을 확인하였다.

상세 분석

베타‑Ga₂O₃는 밴드갭이 4.8 eV에 달해 고전압 전력소자에 유리하지만, 열전도도(11‑24 W/m·K)가 낮아 자체 발열 시 온도 상승이 급격히 일어나 소자 신뢰성을 저하시킨다. 이를 보완하기 위해 본 논문은 두 가지 전열 공동 설계 전략을 제안한다. 첫 번째는 고유전율(κ≈250) BaTiO₃를 얇은 필드플레이트(250 nm)로 사용해 전계 집중을 완화하고, 그 아래에 열전도도 50 W/m·K인 AlN(150 nm)을 적층함으로써 인터페이스에서 발생하는 Joule 열을 효율적으로 전도시킨다. TCAD 시뮬레이션 결과, BaTiO₃ 단독 필드플레이트 대비 BaTiO₃/AlN 복합 구조는 전류 흐름에 따른 국부적인 열핫스팟이 약 92 % 감소했으며, 전계 강도는 BaTiO₃만 사용할 때보다 AlN 내부에서 피크를 보이며 β‑Ga₂O₃ 자체 파괴 전계보다 높은 15.4 MV/cm를 견딘다. 두 번째 전략은 드라이 에칭을 통한 깊은 에칭(0.2‑0.8 µm)과 사이드월 패시베이션을 결합한 구조이다. 에칭 깊이가 증가할수록 전계와 열이 집중되는 영역이 에칭 트렌치 코너로 이동하고, 이곳은 AlN이 차지함으로써 파괴 전계 한계를 크게 높인다. 또한, Landauer 기반의 열전달 모델을 적용해 AlN/β‑Ga₂O₃ 인터페이스의 열경계전도도(TBC)가 BaTiO₃/β‑Ga₂O₃ 대비 약 2‑3배 높음을 정량적으로 입증하였다. 실험적으로는 AlN을 절연층으로 사용한 MIS 다이오드에서 11 MV/cm 수준의 파괴 전계를 측정했으며, 이는 β‑Ga₂O₃ 자체 파괴 전계(≈8 MV/cm)를 초과한다. 이러한 결과는 AlN이 고전압 차단 성능을 강화함과 동시에 열 관리에 기여한다는 것을 의미한다. 전체적으로, 전계 관리와 열 방출을 각각 최적화하는 두 물질의 상보적 특성을 결합함으로써, 기존 β‑Ga₂O₃ 수직 SBD에서 발생하던 열‑전계 연계 고장 메커니즘을 효과적으로 억제할 수 있음을 보여준다.