富士通と富士通研究所、単結晶ダイヤモンドと炭化シリコンを常温で接合する技術を開発――気象レーダーなどの観測範囲拡大に貢献

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富士通と富士通研究所は2017年12月7日、炭化シリコン(SiC)基板に単結晶ダイヤモンドを常温で接合する技術を開発したと発表した。この技術を高出力窒化ガリウム(GaN)高電子移動度トランジスタ(HEMT)の放熱に活用することで、高出力での安定動作が可能になるとしている。

近年、高周波GaN-HEMTパワーアンプは、気象レーダーや無線通信などの長距離電波用途に広く利用されており、今後は第5世代移動通信方式(5G)向けミリ波帯無線通信への利用も予想されている。このようなレーダーや無線通信で用いられるマイクロ波からミリ波帯の電波到達距離は、送信用の高周波GaN-HEMTパワーアンプを高出力化することにより、観測範囲の拡大や長距離・大容量化が可能になるため、GaN-HEMTパワーアンプのさらなる高出力化が期待されている。

GaN-HEMTパワーアンプでは、投入された電力の一部は熱に代わり、発生した熱はSiC基板に拡散され、冷却装置から放出される。SiC基板は比較的高い熱伝導率を持つが、さらなる高出力化に伴い増大するデバイスの熱を効率的に冷却装置に伝えるため、より熱伝導率の高い材料が必要とされてきた。

単結晶ダイヤモンドは高い熱伝導率を持つことが知られているものの、従来の技術では、製造プロセスで不純物除去に利用されるアルゴン(Ar)ビームにより表面に低密度なダメージ層が形成されるため接合強度が弱く、シリコン窒化膜(SiN)などの絶縁膜によって接合する場合はSiNの熱抵抗が熱伝導のボトルネックになっていた。

今回、Arビーム照射前にダイヤモンドの表面を10nm(ナノメートル)以下という非常に薄い金属膜で保護することでダメージ層の形成を抑制し、SiC基板に単結晶ダイヤモンドを常温で接合することに成功した。実測した熱パラメーターを用いたシミュレーションでは、同技術を用いたデバイスの熱抵抗が従来の61%に低減することを確認したという。

この技術により高出力したGaN-HEMT送信用パワーアンプを気象レーダーなどのシステムへ応用した場合、レーダーの観測範囲を約1.5倍に拡大できる見込みで、ゲリラ豪雨に発展する積乱雲を早期に発見するなど、防災面で安心・安全な社会の実現に寄与するとしている。

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