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金沢大学と産総研、ダイヤモンドの高速エッチング技術

日経クロステック

金沢大学と産業技術総合研究所(産総研)はダイヤモンドを高速にエッチングする技術を開発したと2018年5月1日に発表した。高温水蒸気雰囲気下におけるニッケルへの継続的な炭素固溶反応を用いて高速・異方性エッチングする技術で、従来のプラズマプロセスに比べて高速で、ダイヤモンド自体にダメージを与えない利点がある。これらの特性によりダイヤモンドを使ったパワー半導体の作製に道を開く技術であるとする。

高速エッチング技術を用いて穴を開けた単結晶ダイヤモンド(出所:金沢大学、産総研)

今回の技術を開発したのは、金沢大学理工研究域電子情報通信学系の徳田規夫准教授、大学院自然科学研究科電子情報科学専攻博士後期課程の長井雅嗣氏らの研究グループと産総研 先進パワーエレクトロニクス研究センターダイヤモンドデバイスチーム。

開発に当たり、研究チームはニッケル(Ni)への炭素(C)の固溶反応に着目した。高温水蒸気雰囲気を用いることでニッケル表面が酸化し、その酸化ニッケルとの酸化還元反応によってニッケル中の固溶炭素が二酸化炭素および一酸化炭素として排出される。これにより、ニッケル中の炭素の不飽和状態が維持され、高速かつ継続的なダイヤモンドのエッチングが可能となる。さらに、高温水蒸気はダイヤモンドを直接エッチングする作用がないため、ダイヤモンドがニッケルと接触する部分のみを選択的にエッチングできる。加工にプラズマを用いないため、デバイス性能の劣化につながるダメージもない。

研究チームは、今回の技術を用いて、ダイヤモンドのトレンチ(基板表面に形成する溝)構造を形成すると低損失かつ高耐圧の縦型トレンチ・ゲート・ダイヤモンド・パワーデバイスが実現できると考え、今後の研究につなげるという。また、デバイス構造の作製だけでなく、ダイヤモンドの平坦化や切断などの加工プロセスへの応用も期待できるとしている。

「究極のパワーデバイス材料」とされるダイヤモンド

今回の研究成果は、2018年4月27日、国際学術誌である「Scientific Reports」のオンライン版に掲載されるとともに、「ダイヤモンドの加工方法」として特許を出願した。

電力変換を担うインバーターやコンバーターなどを構成するパワー半導体では、現在主流であるシリコン(Si)の性能が限界に近づきつつあり、さらなる高性能化のために、より優れた物性を持つシリコンカーバイド(SiC)や窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(Ga2O3)などを利用するパワー半導体の開発が進んでいる。

中でも「究極のパワーデバイス材料」とされるダイヤモンドは、候補材料の中で最も高い絶縁破壊電解(絶縁体に電圧をかけた際に絶縁状態が保てなくなる電界)と、キャリア移動度(固体中で電流に寄与する電子・正孔の動きやすさ)、熱伝導率を持つ。これらの物性は、パワーデバイスに求められる高耐圧化や低損失化、高速化、小型化を実現する上で有利に働くため、将来が期待されている。

一方、ダイヤモンドのパワー半導体への利用には、ダイヤモンドが持つ硬度と化学的安定性から、エッチングしてデバイス構造を作製するのが容易でないという課題がある。ダイヤモンドデバイス構造の作製には現在、プラズマプロセスが用いられているが、エッチングが低速な上、ダイヤモンドのエッチング面近傍にプラズマ起因のダメージが生じてしまい、デバイス性能を劣化させてしまう課題がある。さらにプラズマ方式は半導体シリコンのプロセスに用いられる結晶の異方性エッチングがないため、非プラズマプロセスによるダイヤモンドの高速・異方性エッチング技術の開発に期待が寄せられていた。

(ライター 森元美稀)

[日経 xTECH 2018年5月10日掲載]

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