h-BNを用いたエピタキシャルリフトオフおよび転写による
AlGaN/GaN HEMTの自己発熱効果の抑制

廣木正伸 熊倉一英 小林康之* 赤坂哲也 牧本俊樹** 山本秀樹 
機能物質科学研究部

窒化物半導体材料は、その高い絶縁破壊電界から高出力デバイスとしての応用が期待されている。しかし、大電流動作時には発熱によって出力が低下する、いわゆる自己発熱効果が生じる。そのため、高い動作出力を得るためには放熱特性を向上させる必要がある。例えば、熱伝導率の高い基板上にデバイス構造を作製することでこの問題を避けることができる。しかし、一般に、熱伝導率の高い基板は、GaNとの格子不整合あるいは熱膨張係数差が大きく、結晶の高品質化や厚膜化が困難である。放熱性向上のための新たな手法として、我々は、高熱伝導材料への窒化物半導体デバイスの転写を試みた。h-BNを基板と窒化物半導体成長層の間に挿入し、基板をエピタキシャルリフトオフするという手法である[1]。この手法により、InGaN/GaN多重量子井戸構造を有する発光ダイオードをInシートへ転写し、強い発光特性が得られることを確認した[2]。今回、AlGaN/GaN高電子移動度トランジスタ(HEMT)をh-BN/サファイア基板上に作製し、エピタキシャルリフトオフおよび銅板への転写を行い、自己発熱効果を抑制できることを確認した[3]。

図1に、基板から剥離前および銅板へ転写後のAlGaN/GaN HEMTのI-V特性を示す。いずれにおいても、良好なピンチオフ特性および飽和特性が得られた。剥離前のデバイスでは、顕著な負性抵抗、すなわちドレイン電圧の増加に伴うドレイン電流の減少がみられた。一方、転写後は、このよう電流減少が抑えられることが分かった。負性抵抗は自己発熱効果に起因している。サファイア基板(熱伝導率, κ = 40 W/m K)から銅板(κ = 390 W/m K)への転写により、放熱性が向上したと考えられる。図2に、1 W出力動作中の試料の熱分布を示す。転写前では、およそ温度50°Cのホットスポットが現れたのに対し、転写後では動作領域の温度は30°Cとほぼ室温と同等の温度であった。この結果は、h-BNを用いたエピタキシャルリフトオフ・転写技術が、窒化物半導体デバイスの放熱性改善および出力特性の向上に有効であることを示している。

現所属: *弘前大学, **早稲田大学

[1]
Y. Kobayashi et al., Nature 483, 223 (2012).
[2]
T. Makimoto et al., Appl. Phys. Express 5, 07102 (2012).
[3]
M. Hiroki et al., Appl. Phys. Lett. 105, 193509 (2014).
図1 剥離前および転写後のAlGaN/GaN HEMTのI-V特性。 図2 剥離前および転写後のAlGaN/GaN HEMTの1 W動作時の熱分布。