大阪市立大学(大阪市大)などの研究グループは、次世代半導体材料であるGaNと、究極の半導体材料とも言われるダイヤモンドを、常温で直接接合させることに成功したことを発表した。

同成果は、大阪市大大学院 工学研究科の梁剣波 准教授、同 重川直輝 教授、東北大学 金属材料研究所の大野 裕 准教授、同 永井康介 教授、同 清水康雄 博士(現・物質・材料研究機構)、佐賀大学 理工学部の嘉数誠 教授、アダマンド並木精密宝石の金聖祐 博士らの研究グループによるもの。詳細は国際学術誌「ADVANCED MATERIALS」に掲載された。

ワイドバンドギャップ半導体であるGaNトランジスタは、従来のSiトランジスタよりも高出力・高周波での動作が可能であり、その活用に向け、効率的な放熱手法の開発が求められている。その1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研究が進められているが、従来手法では、GaNとダイヤモンドの間に中間層が挿入されているため、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などといった問題から、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という。 今回の研究は、そうした課題の解決を目指し進められたもので、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ることで、常温で直接接合することに成功したという。

また、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ほか、熱処理前後のGaN/ダイヤモンド接合界面の相関関係を調べたところ、熱処理前に結晶が壊れていたとしても、1000℃の熱処理後にその領域が減少していることを確認。界面におけるC原子、Ga原子、N原子の分布やC原子間の結合状態を調べた結果などを踏まえた解析により、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1000℃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)が判明したとしている。

今回の成果を踏まえ研究グループでは、接合界面が1000℃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としており、それにより素子性能の向上とともに放熱機構の簡素化を図ることができるようになるため、システムの小型・軽量化につなげることができるようになるとしている。

また、その実現に向けて現在、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および放熱性実証などの研究開発を進めているとしている。

  • GaN/ダイヤモンド接合界面

    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) (出所:大阪市大Webサイト)