GaN HEMTの放熱効率を高めるダイヤモンド膜の形成に成功

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発熱量を40 %低減し、レーダーシステムの小型化が可能に

2019-12-05 富士通株式会社,株式会社富士通研究所

富士通株式会社(以下、富士通)と株式会社富士通研究所(注1)(以下、富士通研究所)は、気象レーダーなどのパワーアンプ(増幅器)に使用されている窒化ガリウム(GaN)(注2)高電子移動度トランジスタ(HEMT)(注3)(以下、GaN HEMT)の表面に、世界で初めて放熱性の高いダイヤモンド膜を形成する技術を開発しました。

レーダーシステムに用いるトランジスタは、長距離対応にともなう高出力化のため発熱量が増大します。その発熱により性能が劣化するため、冷却装置が必要となりますが、高価かつ空調設備も含めた全体システムが大型になり設置場所が制限されるため、冷却装置の簡素化・小型化が課題となっています。富士通は、GaN HEMTの基板と単結晶ダイヤモンドを常温で接合する技術(注4)を用いてGaN HEMTの裏面側から効率的に放熱させることに成功していますが、より高い放熱効果を得るためには、表面側にも放熱に優れたダイヤモンド膜を形成する技術が必要となります。しかし、一般的なダイヤモンド膜の形成温度は900℃程度と非常に高温であるため、GaN HEMTを破壊してしまうという問題がありました。

今回、GaN HEMTが破壊されない低温(約650℃)において、GaN HEMTの表面に放熱性の高いダイヤモンド膜を形成する技術を開発し、動作時の発熱量を40%低減することに成功しました。これにより冷却装置の簡素化を実現し、GaN HEMTを利用したレーダーシステムの小型化が可能となります。

なお、本研究の一部は、防衛装備庁が実施する安全保障技術研究推進制度の支援を受けて実施されました。

本技術の詳細は、12月1日(日曜日)から12月6日(金曜日)まで米国のボストンで開催されている材料科学に関する国際会議「2019 MRS FALL MEETING & EXHIBIT」にて発表します。

開発の背景

近年、GaN HEMTは、高周波増幅器のトランジスタとして、気象レーダーや無線通信などに広く利用されています。今後、局所的な集中豪雨の高精度な観測や、安定したミリ波大容量通信環境を実現するためには、レーダーおよび基地局の設置数を増やす必要があります。一方、GaN HEMTの高出力動作時は、内部温度の上昇により性能が劣化するため、冷却装置の設置によるシステムの大型化が設置数の増加を阻む要因の一つとなっていました。

課題

冷却装置を小型化・簡素化するためには、GaN HEMTの裏面だけでなく、表面も放熱性に優れたダイヤモンド膜で覆うことで放熱効率を向上させ、GaN HEMTの内部温度を下げることが考えられます。この時、ダイヤモンドの内部に熱がこもらないよう、効率よく熱を通すためには大きな粒径のダイヤモンド結晶が必要となります。このようなダイヤモンド膜を形成するには、通常900℃程度の高温が必要なため、ダイヤモンド形成時に下部のGaN HEMTを破壊してしまうという問題がありました。また、GaN HEMTが破壊されない低温(~650℃)でダイヤモンド膜を形成すると、ダイヤモンドの原料となるメタンガスへ与える熱のエネルギーが小さくなり、ダイヤモンドが形成されなかったり、数百ナノメートル以下の小さいダイヤモンド粒子(ナノダイヤモンド)だけが形成され、さらには各粒子がバラバラの方向を向いた結晶の集合体となり、粒子間での効率的な熱の伝達が阻害されたりする問題がありました(図1)。

開発した技術

今回、トランジスタが破壊されない低温(約650℃)において、放熱性の高いダイヤモンド膜を形成する技術を開発し、表面に高放熱ダイヤモンド膜を適用したGaN HEMTの動作実証に世界で初めて成功しました。

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