大阪市立大学ら、GaNとダイヤモンドを直接接合：1000℃の熱処理にも耐える

大阪市立大学と東北大学、佐賀大学および、アダマンド並木精密宝石らの研究グループは、窒化ガリウム（GaN）とダイヤモンドの直接接合に初めて成功した。GaNトランジスタで発生する温度上昇を、従来の約4分の1に抑えることができ、システムの小型化や軽量化につながるという。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

GaNトランジスタの温度上昇を、従来の約4分の1に抑制

　大阪市立大学と東北大学、佐賀大学および、アダマンド並木精密宝石らの研究グループは2021年9月、窒化ガリウム（GaN）とダイヤモンドの直接接合に初めて成功したと発表した。GaNトランジスタで発生する温度上昇を、従来の約4分の1に抑えることができ、システムの小型化や軽量化につながるという。

高放熱性GaNトランジスタの断面イメージ 出典：大阪市立大学他

　GaNトランジスタは、LED照明器器具や携帯電話の基地局用装置などに活用されている。ただ、動作時の発熱や温度上昇による性能劣化が課題となっており、放熱対策が必須となっていた。その解決法の1つとして、放熱材料にダイヤモンドを用いた「GaN-on-diamond」構造が研究されている。しかし、従来の製造プロセスだと、GaNとダイヤモンドの間にできる中間層によって放熱性が低下するなど、十分な効果が得られなかったという。

　研究グループは今回、シリコン（Si）基板上に堆積した厚み1μmのGaN層とダイヤモンド基板を、表面活性化接合法により常温で直接接合することに成功した。Si基板を除去した後に、GaN薄層／ダイヤモンドを窒素雰囲気中で熱処理し、1000℃までの熱処理でも接合が維持されていることを確認した。

　GaN／ダイヤモンド接合界面のナノ構造と、熱処理温度の関係性について、TEM（透過型電子顕微鏡）を用い観察を行った。この結果、ダイヤモンド中に形成された非晶質層の厚みが熱処理前には5.3nmあった。1000℃で熱処理を行うと1.5nmに薄くなることが分かった。これは、直接結合で壊れたダイヤモンドの結晶構造が、熱処理したことによって再結晶化したためだという。

GaN／ダイヤモンド接合界面の断面TEM像。左が熱処理前、右は1000℃熱処理後 出典：大阪市立大学他

　研究グループは今後、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試作および、放熱性実証など、早期実用化に向けた研究開発に取り組む。

　今回の研究成果は、大阪市立大学大学院工学研究科の梁剣波准教授と重川直輝教授、東北大学金属材料研究所の大野裕准教授、永井康介教授、清水康雄博士（現在は物質・材料研究機構）、佐賀大学理工学部の嘉数誠教授および、アダマンド並木精密宝石の金聖祐博士らによるものである。