富士通と富士通研究所は、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ことを発表した。

単結晶ダイヤモンドは、はSiC基板に比べ5倍近く高い熱伝導率を高い熱伝導率を有していることから、デバイスの放熱技術への活用が期待されている。しかし、単結晶ダイヤモンドをデバイスの冷却材料として接合するためには、これまでの製造プロセスでは不純物除去に利用されるArビームによりダイヤモンド表面に低密度なダメージ層が形成されてしまうため接合強度が弱く、また、SiNなどの絶縁膜を用いて接合する場合はSiNの熱抵抗が熱伝導の妨げになるという課題があった。

今回、研究グループは、GaN-HEMTパワーアンプの効率的な冷却を目指して、単結晶ダイヤモンドとSiC基板という熱膨張係数の異なる硬い材料同士を常温で接合する技術の開発に挑んだ。

  • GaN-HEMTパワーアンプの従来構造

    GaN-HEMTパワーアンプの従来構造

具体的には、Arビームによるダイヤモンド表面のダメージ層の形成を防止するために、Arビーム照射前にダイヤモンド表面を10nm以下の薄い金属膜で保護する技術を開発。これにより、Arビーム照射後もダイヤモンド表面にダメージ層が形成されないことを確認したほか、接合強度が改善し、単結晶ダイヤモンドとGaN-HEMTのSiC基板を常温で接合することができることを確認したとする。

  • GaN-HEMTパワーアンプのダイヤモンド接合構造

    GaN-HEMTパワーアンプのダイヤモンド接合構造

実際に、今回常温接合したサンプルを用いて、熱の伝わりにくさを表す熱抵抗値の評価を行った結果、6.7×10-8m2K/WのSiC-ダイヤモンド界面熱抵抗が得られることを確認。さらに、実測した熱パラメータを用いたシミュレーションにより、同技術を用いた200W級のデバイスの熱抵抗が従来の61%へと低減できることを確認したとする。富士通研などでは、同技術を適用した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従来の約1.5倍に拡大できる見込みだとしている。

  • 今回開発された技術により接合したGaN-HEMTのSiC基板とダイヤモンド

    今回開発された技術により接合したGaN-HEMTのSiC基板とダイヤモンド

なお、富士通では今後、GaN-HEMTパワーアンプの熱抵抗や出力性能の評価を行い、2020年度に、気象レーダーなどのシステムや5G無線通信システムなどへの適用に向けた、高出力な高周波GaN-HEMTパワーアンプの実用化を目指すとしている。