市大ら,ダイヤと接合したGaNでトランジスタ作製

大阪市立大学,東北大学,物質・材料研究機構,エア・ウォーターは,ダイヤモンドに接合された窒化ガリウムを熱加工し,トランジスタの作製に成功するとともに放熱性の向上を実証した(ニュースリリース)。

トランジスタ動作時の発熱・温度上昇による性能の劣化と素子寿命の短縮は,実用上大きな問題となる。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不可欠となる。

解決法の一つとして,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取り組みが既にさまざまな機関で行なわれており,接合技術を用いた研究開発も進んでいる。しかしながら,これらの取り組みではトランジスタ作製後にダイヤモンドと接合する(デバイスファースト)ため,大面積化は困難とされている。

大阪市立大学ではかねてから異種材料接合による革新的な半導体実現の研究を進めており,2021年9月には,窒化ガリウムとダイヤモンドの直接接合に成功するとともに,1000℃までの熱処理で接合が維持されることを確認した。しかしながら,ダイヤモンドに接合された窒化ガリウム層からのトランジスタの作製,放熱性の改善効果の実証には至っていなかった。

研究グループは,Si基板上に堆積した窒化ガリウム層(厚さ8μm)/炭化ケイ素(3C-SiC)バッファ層(厚さ1μm)をSi基板から分離し,表面活性化接合法によりダイヤモンドと接合した。

接合後に800℃での熱処理を含む工程を経て,窒化ガリウムトランジスタを作製した(ボンディングファースト)。高品質な炭化ケイ素層を用いることで,トランジスタ作製を経ても膜剥れの起こらない良好な接合を実現した。

ダイヤモンドとの接合によって窒化ガリウム層の電気的な性質(二次元電子移動度,二次元電子濃度)が劣化しないことを確かめるため,Si基板上に作製された同一形状の窒化ガリウムトランジスタとの特性を比べた。

結果,同じ電力を投入した時の温度上昇がダイヤモンドとの接合により約1/3まで小さくなること(放熱特性が向上すること),それによりトランジスタ特性が改善することを実証した。

接合後にトランジスタを作製することでダイヤモンド上窒化ガリウムの大面積化が可能となる。研究グループは,窒化ガリウムトランジスタ,集積回路の放熱特性の改善が進み,レーダーやインバータなどの高出力,大電力用途にも使用範囲が拡大することが期待されるとしている。

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