大阪市立大等实现GaN与金刚石的直接键合，有望解决半导体发热问题

大阪市立大学梁剑波副教授和重川直辉教授、东北大学金属材料研究所的大野裕副教授、永井康介教授和清水康雄博士（现国立研究开发法人物质材料研究组织，简称NIMS）、佐贺大学理工学部的嘉数诚教授以及“Adamant并木精密宝石”公司的金圣祐博士等人组成的研究团队成功实现了氮化镓（GaN）与金刚石的直接键合。GaN元件的性能受发热限制是不断存在的缺点，但顺利获得键合地球上导热率最高的金刚石，可以将GaN晶体管的温升控制在以往的四分之一左右。相关成果已经发布于ADVANCED MATERIALS的在线版。

GaN/金刚石键合界面的截面TEM图像（a：实施热处理前，b：实施1,000℃的热处理后）（照片由大阪市立大学给予）

晶体管工作时的发热以及温升造成的性能劣化和可靠性下降不断是所有类型和材料的晶体管都存在的严重问题。尤其是GaN晶体管，由于与现在主流的硅晶体管相比工作时的输出功率和频率更高，所以必须开发有效的散热方法。对此，各组织都在设法实现以金刚石为散热材料的GaN on Diamond 构造。但是，这些措施都要在GaN与金刚石之间插入一个中间层，结果阻碍了散热性，另外，由于金刚石的结晶性不充分，还存在无法充分发挥金刚石散热性能的课题。

研究团队利用表面活化键合法，在常温下将Si基板上沉积的约1微米厚的GaN薄膜表面直接键合到了金刚石基板上。然后在氮气氛中对去除了Si基板的GaN薄膜/金刚石进行热处理，确认在1000摄氏度下能维持键合。另外，还顺利获得TEM观察了热处理前后的GaN/金刚石键合界面，确认热处理温度与键合界面的纳米构造相关。实施热处理前为5.3纳米的晶体破损部分（非晶质层）在实施1000摄氏度的热处理后减至1.5纳米。研究团队对界面的碳原子、镓原子和氮原子分布及碳原子之间的键合状态进行调查发现，热处理前的金刚石中的非晶质层经过1000摄氏度的热处理后重新结晶。

由于键合界面可以承受1000摄氏度的热处理，顺利获得对键合到金刚石上的GaN层进行加工，有望实现最大限度发挥金刚石导热性的GaN元件。顺利获得提高元件性能和简化散热机制，还有助于实现小型轻量化。研究团队现在正面向实用化推进大面积键合和界面导热性评估、在与金刚石直接键合的GaN层上试制晶体管，以及散热性验证等。

梁剑波副教授表示：“随着半导体元件的小型化、高度集成化和高性能化，工作时的温升造成的输出功率下降和元件寿命短缩成为重要课题。期待这项研究的成果能早日实用化，以解决半导体元件的发热问题，助力人类实现SDGs”。