Room temperature GaN-diamond integration by surface activated bonding methods for high power GaN device

Research Project

Project/Area Number	19K15298
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 26030:Composite materials and interfaces-related
Research Institution	Waseda University
Principal Investigator	母鳳文早稲田大学, 理工学術院, 次席研究員(研究院講師) (60814572)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2020-03-31
Project Status	Discontinued (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help	¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000) Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000) Fiscal Year 2019: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Keywords	GaN / 常温接合 / ダイヤモンド / 界面熱抵抗 / 界面 / 表面活化 / 集積 / Bonding interface / GaN-Diamond / Integration / TBR
Outline of Research at the Start	The performance of high power GaN devices is limited by self-heating. For an efficient heat dissipation without serious thermal mismatch, GaN-diamond integration with a low thermal-barrier-resistance will be developed by bonding at room temperature. And the internal mechanism will be investigated.
Outline of Annual Research Achievements	GaN-HEMTは、5Gや衛星通信を含む高度なRFおよびマイクロ波アプリケーションで重要な役割を果たしている。GaN-HEMTの出力電力密度が増加するにつれて、ホットスポットの熱流束の散逸がますます重要になっている。GaN-ダイヤモンドの集積は、Al2O3、Si、またはSiCなどの元の基板を熱伝導率の高いダイヤモンド基板に置き換えることで実現できる、放熱能力を向上させる有望なソリューションの1つです。本研究では、GaNとダイヤモンドと常温接合を2つの異なるSAB法（スパッタSiナノ密着層による拡張SABとSi含有ArビームによるSAB）によって実現した。時間領域サーモリフレクタンス法によって、室温の界面熱特性を測定した。Si含有ArビームによるSABで接合したGaN/ダイヤモンド界面は、比較的低い界面熱抵抗（TBR）（~10.9m2K/GW）を示し、10nm厚のスパッタ Siナノ密着層による拡張SABで接合した界面のTBRは~18.9m2K/GWであった。また、界面構造とTBRの相関を検証するために、界面の構造・特性の評価を行なった。両種類の界面には、表面活化のため、2-3nmのアモルファスダイヤモンド層があったが、Si含有ArビームによるSABで接合したGaN/ダイヤモンド界面のアモルファス層は、Siナノ密着層による拡張SABで接合した界面のアモルファス層よりも薄くなりました。界面アモルファス層が薄いと、TBRが低くなることが推察された。さらに、Si層を介したGaN/ダイヤモンド低温親水性接合の実現の可能性を検討しました。連続プラズマ活性化によって、125°Cで強くGaN-Si接合が達成されました。したがって、アモルファスダイヤモンドの形成を回避のためにダイヤモンド上に薄いSi層を堆積させることにより、親水性の方法でGaN/ダイヤモンド接合を実現できる可能性を示した。