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2018 年度 実施状況報告書

高効率素子に向けたワイドギャップ半導体/ダイヤモンド直接接合及び界面相構造の解明

研究課題

研究課題/領域番号 18K19034
研究機関大阪市立大学

研究代表者

重川 直輝  大阪市立大学, 大学院工学研究科, 教授 (60583698)

研究分担者 嘉数 誠  佐賀大学, 理工学部, 教授 (50393731)
梁 剣波  大阪市立大学, 大学院工学研究科, 講師 (80757013)
研究期間 (年度) 2018-06-29 – 2020-03-31
キーワードダイヤモンド / 直接接合 / 界面中間層 / 熱処理 / Si / Al / Cu
研究実績の概要

以下の3つの側面で研究を実施した。
(1)異種材料の低温直接接合は、接合された材料間の熱膨張係数差により耐熱性不足が懸念される。事前検討により、ダイヤモンドとSiの熱膨張係数差にもかかわらず、ダイヤ/Si直接接合界面は1000℃という優れた耐熱性を持つことを明らかにしている。本研究では、ワイドギャップ材料との接合実現、素子化検討の準備段階として、ダイヤ/Si接合の耐熱性を活かして、Si基板に接合されたダイヤ上にFET用のダイヤ層をエピタキシャル成長した。更にFET作製、動作実証を行った。ダイヤ層製膜やその後のプロセスでは最高温度800℃まで試料が加熱される。FET動作実現に至ったことにより界面が実用レベルの耐熱性を持つことを実証した。
(2)更に、界面のダイヤ/Si直接接合の熱処理による応力変化、界面の組成変化をラマン散乱、Si基板除去後のXPS測定により行った。その結果、熱処理によって界面に発生する応力が小さくなることを明らかにするとともに、原因として熱処理時に生ずるSiとダイヤの中間層(SiC)が歪の効果を緩和している可能性を示した。
(3)応用面では、多結晶ダイヤ/Al接合、多結晶ダイヤ/Cu接合を実現した。ダイヤ/Al接合の昇温下での断面TEM観察を行い、金属の融点付近までに耐熱性を実証した(ダイヤ/Al:600℃、ダイヤ/Cu:1000℃)。更に、ダイヤモンド/GaAs直接接合を実現し、GaAs素子に通電してサーモグラフィーによる温度上昇を評価した。サファイア上のGaAs素子と比較して温度上昇が小さいことを確認した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

ダイヤモンドと様々な半導体との接合界面形成、評価は順調に進んでいる。それに加えて、
当初計画では予定していなかった、多結晶ダイヤモンドの接合に着手した。ヒートシンク用材料であるAlやCuと多結晶ダイヤが接合可能であること、断面TEM観察により接合界面が金属材料の融点付近の温度に対しても安定しており優れた耐熱性を示すこと、を明らかにした。すなわち、ダイヤモンドを実装基板とするパワーモジュールにおいて、ダイヤとヒートシンク間にも直接接合を導入可能であることが示されており、実用上の価値は極めて高い。また、今回の結果はダイヤモンド/金属接合界面の混晶形成という材料科学上新たな展開を提供しており、学術に関する貢献も大きいと認識される。

今後の研究の推進方策

以下の方向性で研究を進める。
(1)ダイヤ/Si接合で行った熱処理後のラマン散乱やXPSによる界面評価を他の接合へと展開し、直接接合界面に共通する優れた耐熱性の起源を明らかにする。
(2)従来の異種材料の接合では、様々な中間層が用いられており、中間層の熱抵抗が界面の熱抵抗を制限していた。我々の強みである中間層無という特徴を生かしてナノスケールでの界面物性の実験検討を行う。具体的には、接合界面における界面熱抵抗の決定メカニズムの解明を目指し、ダイヤと異種材料の直接接合界面の熱抵抗を測定する。これらの研究により、ヒートスプレッダ、低熱抵抗・高耐熱性実装材料としてダイヤモンドの究極のポテンシャルを明らかにする。
(3)実用面では、様々な材料との接合実現によって達成したノウハウを生かして、ダイヤモンドとGaN等のワイドギャップ半導体との直接接合を実現する。他機関ではいまだ実現されていない、中間層を導入しないGaN/ダイヤモンド接合を実現することにより、GaN-on-diamond研究開発において世界をリードする成果をあげる。

次年度使用額が生じた理由

ダイヤモンドと金属材料の直接接合に関する研究成果の学会(国際会議)発表を、特許の出願・公開のタイミングを考慮して2019年度に行う事としたため次年度使用額が発生した。該当金額は2019年度に旅費及び学会参加費(その他)として使用の予定である。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 2件、 査読あり 3件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 2件) 産業財産権 (1件)

  • [国際共同研究] University of Bristol(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      University of Bristol
  • [雑誌論文] Annealing effect of surface-activated bonded diamond/Si interface2019

    • 著者名/発表者名
      Liang Jianbo、Zhou Yan、Masuya Satoshi、Gucmann Filip、Singh Manikant、Pomeroy James、Kim Seongwoo、Kuball Martin、Kasu Makoto、Shigekawa Naoteru
    • 雑誌名

      Diamond and Related Materials

      巻: 93 ページ: 187~192

    • DOI

      10.1016/j.diamond.2019.02.015

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Room-temperature direct bonding of diamond and Al2019

    • 著者名/発表者名
      Liang Jianbo、Yamajo Shoji、Kuball Martin、Shigekawa Naoteru
    • 雑誌名

      Scripta Materialia

      巻: 159 ページ: 58~61

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2018.09.016

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Stability of diamond/Si bonding interface during device fabrication process2018

    • 著者名/発表者名
      Liang Jianbo、Masuya Satoshi、Kim Seongwoo、Oishi Toshiyuki、Kasu Makoto、Shigekawa Naoteru
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 12 ページ: 016501~016501

    • DOI

      10.7567/1882-0786/aaeedd

    • 査読あり
  • [学会発表] パワーデバイス応用に向けたダイヤモンド/Cu直接接合の形成2019

    • 著者名/発表者名
      梁 剣波、神田 進司、桝谷 聡士、嘉数 誠、重川 直輝
    • 学会等名
      2019年 第66回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 高出力デバイス応用に向けたGaAs/Diamond直接接合の作製2019

    • 著者名/発表者名
      中村 祐志、桝谷 聡士、嘉数 誠、重川 直輝、梁 剣波
    • 学会等名
      2019年 第66回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Siと接合したダイヤモンド基板上のFETの作製2018

    • 著者名/発表者名
      神田 進司、山條 翔二、Martin Kuball、重川 直輝、梁 剣波
    • 学会等名
      2018年第79回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Room-Temperature Direct Bonding of Diamond to Aluminum2018

    • 著者名/発表者名
      Jianbo Liang, Shoji Yamajo, Martin Kuball and Naoteru Shigekawa
    • 学会等名
      New Diamond and Nano Carbons Conference (NDNC 2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] The combination of Diamond devices with Si LSI by surface activated bonding2018

    • 著者名/発表者名
      Jianbo Liang, Satoshi Masuya, Seongwoo Kim, Toshiyuki Oishi, Makoto Kasu, and Naoteru Shigekawa
    • 学会等名
      29th International Conference on Diamond and Carbon Materials
    • 国際学会
  • [産業財産権] 知的財産権2018

    • 発明者名
      梁剣波、重川直輝、嘉数誠
    • 権利者名
      梁剣波、重川直輝、嘉数誠
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2018-094186

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公開日: 2019-12-27  

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