市大ら,窒化ガリウムとダイヤの直接接合に成功

大阪市立大学,東北大学,佐賀大学,アダマンド並木精密宝石は,窒化ガリウムとダイヤモンドの直接接合に成功した(ニュースリリース)。

トランジスタの動作時の発熱・温度上昇による性能の劣化と信頼性の低下は,種類や材料によらず大きな課題となる。中でも窒化ガリウム(GaN)トランジスタは,現在主流であるシリコン(Si)トランジスタ以上の高出力・高周波で動作するため,効率的な放熱手法の開発が欠かせない。

既にダイヤモンドを放熱材料に用いた「GaN-on-diamond」構造の実現を目指す様々な取り組みが行なわれているが,これらはGaNとダイヤモンドの間に中間層を挿入しているため,放熱性が阻害されること,また,ダイヤモンドの結晶性が不十分である等により,ダイヤモンドの潜在的な性能が十分に発揮されないという課題があった。

研究グループは,Si基板上に堆積した厚さ約1μmのGaN薄層表面をダイヤモンド基板と表面活性化接合法を用いて,常温で直接接合した。Si基板を除去した後のGaN薄層/ダイヤモンドを窒素雰囲気中で熱処理し,1000℃までの熱処理で接合が維持されていることを確認したとする。

また,熱処理前後のGaN/ダイヤモンド接合界面のTEM観察を行ない,熱処理温度と接合界面のナノ構造の相関を解明した。熱処理前と1,000℃熱処理後の界面の断面TEM像から,熱処理前に5.3nmだった結晶が壊れている部分(非晶質層)が,1,000℃の熱処理後には1.5nmになることが分かった。

界面における炭素原子,ガリウム原子,窒素原子の分布や炭素原子間の結合状態を調べた結果と組み合わせて解析することにより,熱処理前のダイヤモンド中に形成されている非晶質層が1,000℃の熱処理で薄くなること(ダイヤモンドが再結晶化すること)が分かったという。

接合界面が1,000℃の熱処理に耐えることから,ダイヤモンドに接合されたGaN層を加工することで,ダイヤモンドの熱伝導性を最大限に発揮するGaN素子の実現が期待される。素子性能の向上とともに放熱機構を簡単にすることでシステムの小型・軽量化につながる。

研究グループは,現在,実用化に向けて大面積の接合や界面熱伝導特性の評価,ダイヤモンドに直接接合されたGaN層上のトランジスタの試作及び放熱性実証などの研究開発を進めているという。

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