三菱電機とAISTがダイヤモンド基板GaN-HEMTの開発に成功、無線機器の高効率化に：研究開発の最前線

[松本貴志，MONOist]

三菱電機の山向幹雄氏

　三菱電機は2019年9月2日、産業技術総合研究所（産総研）と共同で、放熱基板として単結晶ダイヤモンドを用いたマルチセル構造のGaN（窒化ガリウム）-HEMT（高電子移動度トランジスタ）を世界で初めて（同社調べ）開発したと発表した。移動体通信基地局や衛星通信システムの電力効率を向上させ、機器の低消費電力化に貢献する技術だという。

　GaNの特徴である高出力密度、高効率、HEMTの特徴である高周波動作、低ノイズ特性を生かし、GaN-HEMTは無線機器の高周波電力増幅器として採用が増えつつある。一方で、GaN-HEMTは発熱密度が「太陽表面とほぼ同等」（三菱電機 先端技術総合研究所 先進機能デバイス技術部長 山向幹雄氏）なほど高い。この発熱により、ドレインのI-V特性が低下するなど性能劣化が生じることが課題だという。

GaN-HEMTの課題 出典：三菱電機

　三菱電機と産総研は、GaN-HEMTの局所的発熱を速やかに放出することを目的として、基板を従来素材であるシリコンやシリコンカーバイドから熱伝導率がさらに高いダイヤモンドに置き換える研究を進めている。

　今回開発した単結晶ダイヤモンド基板GaN-HEMTはユニークな作製方法を採っている。従来のシリコンウエハー上で作製したGaN-HEMTからシリコン基板を除去し、除去した面の凹凸が原子数個分になるまで平たん化する。単結晶ダイヤモンド基板は別途作製し、同様にその表面の凹凸が原子数個分となるまで平たん化する。このGaN-HEMTと基板を、厚さ原子50個程度と極薄の「ナノ表面改質層」を介して常温で直接接合する。この原子レベルの平たん化加工技術は三菱電機、ナノ表面改質層は産総研が開発を担当した。

左：同研究におけるGaN-HEMTの作製法　右：同研究におけるブレークスルーポイント 出典：三菱電機

　試作ではマルチセル構造GaN-HEMTの作製に成功した。既報の研究でも1セルと小さなセルの試作を報告するものはあったが、マルチセル構造を採る製品レベルに近い試作の報告例はこれまでにないという。試作品の出力は30W級だ。同研究で開発したGaN-HEMTは、従来と比較して温度上昇が約6分の1まで低減できたとともに、熱劣化のない理想的なI-V特性の実現、そして電力効率も約10％向上する結果を得た。同研究の成果について、山向氏は「GaN本来の性能を発揮させたことで、既存のGaNを用いる機器の低消費電力化が可能だ。また、真空電子管を使う機器の半導体化も期待できる」と解説した。

マルチセル構造のGaN-HEMT 出典：三菱電機

同研究の開発成果 出典：三菱電機

　今後、単結晶ダイヤモンドからコスト低減が期待できる多結晶ダイヤモンドを基板材料とすることを目指す。また、量産化開発を進め、2025年を目標として5G（第5世代移動通信）を含めた移動体通信基地局や気象レーダー、衛星通信用の高周波電力増幅器への実用化を見込む。