大阪大学通过通过热处理成功研发了金刚石基氮化镓晶体管

行家说消息  3月18日，大阪大学公布了新的氮化镓技术成果。

本研究的要点

・通过对金刚石键合的氮化镓（GaN）进行热处理，成功制作了晶体管

・提高了制造晶体管的散热性，并通过键合验证了 GaN 层的质量保证。

・使用优质碳化硅（3C-SiC）缓冲层。

・可以增加金刚石上氮化镓的尺寸，加速社会实施。

220318-1.jpg

图1：在金刚石上制作提高散热效果（因为散热比Si上好，所以同样功率下温升也很小）。

概要　

　大阪市立大学工学研究科研究生院梁健霸副教授、重川直树教授；东北大学材料研究所特聘大野裕副教授、永井康介教授；清水康夫博士、清水康夫博士领导的课题组。

Air Water Co., Ltd. 的 Keisuke Kawamura 对与金刚石结合的氮化镓进行热处理，成功制造了晶体管，并展示了改善的散热性。　

氮化镓晶体管被广泛用于手机基站，作为下一代半导体替代硅，它已经完成了。　

2021年9月，梁副教授课题组在全球首次成功实现GaN与金刚石的直接键合，证明其可承受1000℃的热处理。在这项研究中，我们通过在大约 800°C 的温度下对直接与金刚石结合的氮化镓进行热处理，成功地制造出具有出色散热性的晶体管。使用具有地球上最高导热率和最有效散热的金刚石，与硅上的晶体管相比改善了散热（图 1），并且还发现氮化镓层的质量确实不恶化。　

根据这项研究的结果，通过在键合后制造晶体管，氮化镓在金刚石上的面积将增加，其使用范围将扩展到雷达和逆变器等大功率应用是可以期待的。这项研究的结果于 2022 年 3 月 8 日发表在国际学术期刊《应用物理快报》上。

220318-2.png

梁剣波准教授：随着半导体器件的小型化、高集成化和高性能化，由于运行过程中的温度升高而导致的输出降低和器件寿命缩短已成为主要问题。希望这项研究成果能早日投入实际应用，为氮化镓器件和集成电路的散热改善和SDGs的实现带来助力。

研究背景

　晶体管工作时因发热和温度上升导致的性能下降和元件寿命缩短是主要的实际问题。特别是氮化镓（GaN）晶体管比目前主流的硅（Si）晶体管工作在更高的功率和更高的频率，因此开发高效的散热方法是必不可少的。作为解决方案之一，各机构已经在努力实现使用金刚石作为散热材料的“金刚石上氮化镓”结构，使用键合技术的研究和开发也在进行中。

然而，在这些努力中，在晶体管制造与金刚石键合使得难以增加面积。大阪市立大学一直在研究通过键合异种材料实现创新半导体，并于2021年9月成功直接键合氮化镓和金刚石，并通过高达1000℃的热处理保持键合。然而，还不能用与金刚石键合的氮化镓层来制造晶体管并证明改善散热的效果。

研究内容

　将沉积在Si衬底上的氮化镓层（厚度8μm）/碳化硅（3C-SiC）缓冲层（厚度1μm）与Si衬底分离，并通过表面活化键合方法，氮化镓晶体管是通过包括在键合后在 800°C 下进行热处理的工艺制造的（首先键合）（图 2（c））。通过使用高质量的碳化硅层，如图 2(d) 的截面 SEM图像所示，我们实现了即使在晶体管制造后也不会导致薄膜剥离的良好接合。

220318-3.png

图 2：a、b：氮化镓层/金刚石键合样品。c、d：由金刚石上的氮化镓层制成的晶体管（c：光学显微镜图像，d：栅电极的横截面 SEM 图像）

　为了确认氮化镓层的电特性（二维电子迁移率、二维电子浓度）不会因与金刚石键合而劣化，将其特性与制造的相同形状的氮化镓晶体管进行了比较。一个硅衬底。我比较了。结果表明，通过与金刚石结合，在相同功率输入下的温升降低到约1/3（提高了散热特性），从而提高了晶体管特性。

预期效果/未来发展

　通过在键合后制造晶体管，可以增加金刚石上氮化镓的面积。随着氮化镓晶体管和集成电路的散热特性不断提高，预计其使用范围将扩大到包括雷达和逆变器等高输出、大功率应用。

資金情報

　这项研究得到了日本科学技术厅 (JST) 研究优化部署支持计划 (A-STEP) 试用类型的支持。通过与东北大学材料研究所共同使用研究（202012-IRKMA-0046）进行SEM观察样品的制备和观察。