窒化ガリウムとダイヤモンドの直接接合に成功――放熱性改善に向けた新構造の実現 大阪市立大学ら

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大阪市立大学は2021年9月9日、東北大学、佐賀大学、アダマンド並木精密宝石と共同で、従来不可能だと言われてきた、窒化ガリウム(GaN)とダイヤモンドの直接接合に成功したと発表した。大阪市立大学によると世界初となる。

GaNを利用したトランジスタは、次世代半導体としてLED照明や携帯電話の基地局などで幅広く活用されている。しかし高出力、高周波数で動作するために温度上昇が激しく、効率的な放熱手法の開発が必要とされてきた。

また、熱伝導率が最も高く放熱効率も高いダイヤモンドを放熱材料に用いる取り組みが行われているが、従来の方法ではGaNとダイヤモンドの間に中間層が挿入され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ことなどから、その性能が十分には発揮されないという課題があった。

今回の研究では、シリコン(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。表面活性化接合法は、真空中で試料表面にアルゴン原子ビームを照射して表面活性化し、そのまま試料同士を密着。荷重をかけて接合する方法だ。さらに、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。

また、熱処理前後のGaN/ダイヤモンド接合界面をTEM(透過型電子顕微鏡)により観察。1000℃の熱処理後に非晶質層が薄くなることでダイヤモンドが再結晶化することが分かった。

GaN/ダイヤモンド接合界面の断面TEM像
<(a)熱処理前、(b)1000℃熱処理後>

今回の研究によって、ダイヤモンドの熱伝導性を最大限発揮するGaN素子の開発が期待されるという。現在同大学では、実用化に向けた大面積の接合や界面熱伝導特性の評価、トランジスタの試作などを進めている。

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