大阪市大など、ダイヤモンド接合GaNトランジスタの作製に成功

大阪市立大学(大阪市大)、東北大学、エア・ウォーターの3者は3月18日、ダイヤモンドに接合された窒化ガリウム(GaN)を熱加工することでトランジスタの作製に成功したこと、ならびに放熱性の向上を実証したと発表した。

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、東北大金属材料研究所の大野裕特任准教授、同・永井康介教授、物質・材料研究機構の清水康雄博士(研究当時)、エア・ウォーターの川村啓介博士らの共同研究チームによるもの。詳細は、応用物理学を扱う学術誌「Applied Physics Express」に掲載された。

GaNトランジスタは、従来のSiトランジスタ以上の高出力・高周波での動作が可能であるため、より効率的な放熱手法の開発が、トランジスタの劣化や素子寿命の短縮を防ぐために求められており、その1つの手法として、ダイヤモンドを放熱材料に用いた「GaN-on-diamond」構造の実現が目指し、研究開発が進められている。しかしその研究開発の大半が、トランジスタを作製した後にダイヤモンドと接合する“デバイスファースト”であるため、大面積化が困難とされている。

そうした中、研究チームは2021年9月、GaNとダイヤモンドの直接接合に成功し、1000℃までの熱処理で接合が維持されることを確認と報告していた。しかし、その際は、ダイヤモンドに接合されたGaN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という。

そこで今回の研究では、Si基板上に堆積させた厚さ8μmのGaN層/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に挑戦。接合後に800℃での熱処理を含む工程を経て、GaNトランジスタを作製するという“ボンディングファースト”の手法を採用し、高品質なSiC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が実現できることを確認したという。

また、特性比較のために、Si基板上に作製された同一形状のGaNトランジスタと比較を行ったところ、同じ電力を投入した時の温度上昇がダイヤモンド接合では、約1/3まで小さくなり、放熱特性が向上し、それによりトランジスタ特性が改善することが示されたという。