SiCと単結晶ダイヤモンドの常温接合に成功：高出力GaN-HEMTアンプに向けて

富士通と富士通研究所は2017年12月7日、SiC（炭化ケイ素）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。GaN（窒化ガリウム）を用いたHEMT（高電子移動度トランジスタ）パワーアンプの放熱性を高めることのできる技術で、GaN-HEMTの高出力化への貢献が期待される。

[竹本達哉，EE Times Japan]

富士通と富士通研究所

　富士通と富士通研究所は2017年12月7日、SiC（炭化ケイ素）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。開発した接合技術をGaN（窒化ガリウム）を用いた高出力HEMT（高電子移動度トランジスタ）アンプの放熱に活用することで、高出力での安定動作に寄与するという。

　高周波GaN-HEMTパワーアンプは、レーダーや無線通信の長距離電波用途に使用されている。レーダーや無線通信の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により、長距離化、大容量化が可能になる。

　GaN-HEMTパワーアンプで発生した熱の放熱は、SiC基板を介して拡散させてヒートシンクから放熱する手法が採られている。ただ、さらなるGaN-HEMTパワーアンプの高出力化を行う場合に、SiC基板を上回る熱伝導率の高い材料で熱を拡散させる必要が生じていた。

GaN-HEMTパワーアンプの従来構造 出典：富士通

　単結晶ダイヤモンドはSiC基板に比べ、熱伝導率が5倍近く高く、熱を効率良く広げる材料とされる。しかし、この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従来の加工法では、不純物除去を行うAr（アルゴン）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るため接合強度が弱くなる課題を抱えた。また、SiN（窒化ケイ素）などの絶縁膜をSiC基板と単結晶ダイヤモンドの間に用いて接合するケースもあるが、この場合にはSiNの熱抵抗が熱伝導の妨げになってしまっていた。

薄い金属膜で保護

　今回、富士通と富士通研は、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ぐために、Arビーム照射前にダイヤモンド表面を非常に薄い金属膜で保護する技術を開発。常温で接合可能とする表面の平たんさを保持するために、金属膜の厚さは10nm以下に抑えている。

GaN-HEMTパワーアンプのダイヤモンド接合構造 （クリックで拡大） 出典：富士通

　この技術により、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。接合強度が改善し、単結晶ダイヤモンドとGaN-HEMTが形成されたSiC基板を常温で接合することに成功した。富士通では、GaN-HEMTパワーアンプを高効率に冷却する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は「世界で初めて」と主張している。

Arビーム照射後のダイヤモンド断面 出典：富士通

開発技術により接合したGaN-HEMTのSiC基板とダイヤモンド 出典：富士通

　開発した技術を用いて接合したサンプルの熱抵抗値を測定したところ、6.7×10^-8m²･K/Wと、非常に低いSiC-ダイヤモンド界面熱抵抗を得たという。この実測した熱パラメーターを用いたシミュレーションも行い、開発技術を200W級のデバイスに適用した場合の熱抵抗が従来の61％と大幅に低減できることを確認したとしている。富士通では、今回の開発成果により「さらに高出力なGaN-HEMT送信用パワーアンプの実現が可能になる。この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」という。今後、開発技術を適用した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。