日本の解析技術と結晶成長技術の結晶！半導体材料3C-SiCが高い熱伝導率を示すことを初めて実証

2022年12月15日

プレスリリース
工学研究科

ポイント

◇半導体材料3C-SiC^※¹が理論値に相当する高い熱伝導率を示すこと初めて実証。
◇これらの高い熱伝導率は、結晶の純度・品質が高いことに起因することを解明。
◇マイクロサイズデバイスへの応用や、簡便な大量生産・大面積化が期待。

概要

大阪公立大学大学院工学研究科の梁剣波准教授、重川直輝教授とイリノイ大学のZhe Cheng博士、David G. Cahill教授、エア・ウォーター株式会社の川村啓介博士、東北大学金属材料研究所の大野裕特任研究員、永井康介教授、ジョージア工科大学Samuel Graham教授らの研究グループは、半導体材料3C-SiCが理論値に相当する高い熱伝導率を示すことを、熱伝導率の評価と原子レベルの解析から初めて実証しました。

炭化ケイ素（SiC）は、次世代パワーデバイスの半導体材料として大きな注目を集めており、温度上昇によるデバイスの故障や性能低下を防ぐために、熱伝導率が高い材料の開発が求められています。結晶では、構造が単純なほど熱伝導率が高くなりますが、図1の青色網掛け部分において、ダイヤモンドに次いで結晶構造が単純な3C-SiCではこれまで理論値レベルの高い熱伝導率の実証はできていませんでした。

本研究では、エア・ウォーター株式会社が開発した3C-SiC結晶について、熱伝導率の評価および原子レベルの解析を行いました。まず、熱伝導率の評価を行ったところ、3C-SiC結晶は大口径材料の中では熱伝導率が最も高いダイヤモンドに次いで2番目の熱伝導率を示すこと（図１）、髪の毛の50分の1の厚さの薄膜状にした場合、ダイヤモンドよりも高い熱伝導率を示すことを実証しました。また、図1の評価で示された熱伝導率は、理論値に相当しました。

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図１　3C-SiCの熱伝導率と他の半導体材料との比較

次に、高い熱伝導率を示す理由を調べるために原子レベルの解析を行ったところ、この3C-SiC結晶は不純物をほとんど含まず純度が高いこと、また、結晶内の原子が規則的に配列しており、単結晶としての品質が非常に高いことが分かりました。
さらに、3C-SiC結晶をシリコン基板上に形成し、界面の熱伝導率について原子レベルの解析を行ったところ、界面の原子配列に大きな乱れはなく、シリコン基板との界面も高い熱コンダクタンス^※²を示すことが明らかになりました。

本研究成果により、3C-SiCが薄膜状でも高い熱伝導率を示すことが実証されたため、集積回路への応用が期待されます。また、3C-SiCは現在普及している4H-SiC^※³とは違いシリコン基板上での形成が可能なため、簡便に大量生産や大面積化できると考えられます。

本研究成果は、Nature Publishing Groupが刊行する国際学術雑誌「Nature Communications」に、2022年11月24日（木）にオンライン速報版として掲載されました。

デバイス動作時の発熱・温度上昇による性能の劣化と寿命の短縮を抑制するため、高熱伝導率を有し、かつ実用化が可能な材料が求められています。
3C-SiC自立基板と薄膜は高い熱伝導率を有し、低コストかつ大口径ウェハーの作製ができるため、実用レベルのデバイスの放熱性の向上につながると期待されます。

梁剣波准教授

掲載誌情報

【発表雑誌】Nature Communications（IF＝17.694）
【論文名】High Thermal Conductivity in Wafer-Scale Cubic Silicon Carbide Crystals
【著者】Zhe Cheng, Jianbo Liang, Keisuke Kawamura, Hidetoshi Asamura, Hiroki Uratani, Samuel Graham, Yutaka Ohno, Yasuyoshi Nagai, Naoteru Shigekawa, David G. Cahill
【掲載URL】https://www.nature.com/articles/s41467-022-34943-w
プレスリリース全文 (744.6KB)

資金情報

本研究の一部は、JSPS科研費（20K04581）による助成を受けて行われました。
TEM試料作製と観察は、東北大学金属材料研究所附属量子エネルギー材料科学国際研究センター共同利用研究（202012-IRKMA-0046）と文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム（A-20-KT-0031）の支援を受けて実施されました。

用語解説

※1　3C-SiC…SiCの多数のポリタイプの一つ（立方晶）立方体の形の結晶系。
※2　熱コンダクタンス…熱伝導率で熱の移動のしやすさを規定する物理量。
※3 4H-SiC…SiCの多数のポリタイプの一つ（六方晶）六角柱の形の結晶系で6H-SiCのSiとC原子の配置が異なる。

研究内容に関する問い合わせ先

大阪公立大学大学院　工学研究科
准教授　梁剣波（りょうけんぼ）
TEL：06-6605-2973
E-mail：liang[at]omu.ac.jp

エア・ウォーター株式会社
デジタル＆インダストリーグループ
川村啓介（かわむらけいすけ）
TEL：0263-71-2510
E-mail：kawamura-kei[at]awi.co.jp

東北大学金属材料研究所
教授　永井康介（ながいやすよし）
TEL：029-267-4156
E-mail：yasuyoshi.nagai.e2[at]tohoku.ac.jp
※[at]を@に変更してください。

報道に関する問い合わせ先

大阪公立大学広報課
担当：竹内
TEL：06-6605-3411
E-mail：koho-list[at]ml.omu.ac.jp

エア・ウォーター株式会社
広報・IR部
担当：石井
TEL：06-6252-3966
E-mail：info-h[at]awi.co.jp

東北大学金属材料研究所
情報企画室広報班
TEL：022-215-2144
E-mail：press.imr[at]grp.tohoku.ac.jp
※[at]を@に変更してください。

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