ダイヤモンドを放熱材とする窒化ガリウム・トランジスターの製作に成功、温度上昇を約3分の1に抑え特性を改善

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大阪市立大学は3月18日、ダイヤモンドと窒化ガリウム（GaN）の直接接合技術を活かして、ダイヤモンドをベースとした窒化ガリウム・トランジスターの製作に成功したと発表した。次世代トランジスターの素材として期待される窒化ガリウムに高い放熱性を持たせることで、レーダーやインバーターなどの高出力、大電力用途に使用範囲が広がると期待される。

次世代トランジスターとされる窒化ガリウムを材料としたトランジスターは、従来のシリコン（Si）ベースのトランジスターに比べて高周波で駆動し、高出力に対応できる利点があるため携帯電話の基地局などで使われているが、大量の熱を発生することにより性能が制限されてしまう欠点がある。現在、放熱性に優れたダイヤモンドに窒化ガリウムを接合し熱問題に対処する技術が方々で研究されているが、トランジスター製作後にダイヤモンドと接合する方式のため、大面積化が困難という弱点がある。

大阪市立大学大学院工学研究科の梁剣波准教授、重川直輝教授は、東北大学金属材料研究所 大野裕特任准教授、永井 康介教授、物質・材料研究機構（NIMS） 清水康雄博士、エア・ウォーター 川村啓介博士らからなる共同研究グループで、窒化ガリウムとダイヤモンドを接合してからトランジスターを作る技術を開発した。同研究グループは、2021年9月に窒化ガリウムとダイヤモンドの直接接合に成功し、摂氏1000度の熱処理に耐えることを実証していたが、今回はその技術を使って、ダイヤモンドに接合した窒化ガリウムを摂氏800度で熱処理し、放熱性に優れたトランジスターを製作した。

（a）（b）窒化ガリウムとダイヤモンドを接合させた試料。（c）ダイヤモンド上に作られた窒化ガリウム・トランジスターの光学顕微鏡写真。（d）ゲート電極断面の走査型電子顕微鏡像

まずはシリコン基板上に堆積させた窒化ガリウム層と炭化ケイ素バッファ層をシリコンから分離し、表面活性化接合法（真空中でアルゴン原子ビームを照射し試料同士を密着させて荷重をかける方法）でダイヤモンドに接合させた。摂氏800度の熱処理などの工程を経た後に、それを使ってトランジスターを製作。高品質な炭化ケイ素バッファ層により、トランジスターに加工した後も膜剥がれは起こらず、良好な接合が実現した。

確認のため、シリコン基板上に作られたまったく同じ窒化ガリウム・トランジスターと特性を比較したところ、同じ電力を投入したときの温度上昇は、ダイヤモンドはシリコンの約1/3であり、それによりトランジスター特性が改善することが実証された。

窒化ガリウムとダイヤモンドを接合した後にトランジスターを作る方式なので大面積化が可能になり、集積化した際の放熱特性が改善される。そのため、レーダーやインバーターなどの高出力、大電力の用途に利用範囲が拡大するとのことだ。「本研究の成果が早期に実用化され、窒化ガリウム素子、集積回路の放熱性向上、SDGs達成につながることを期待します」と梁准教授は話している。