窒化ホウ素砒素：高出力エレクトロニクス向け画期的な熱基板

新興基板材料が、高電力密度デバイスにおいて、現在の主要材料を上回る熱管理性能を約束しています。

熱管理は電気エンジニアにとって最も重要な課題の一つになりつつあります。電子機器の電力密度が高まるにつれ、発熱量も増大。信頼性の高い動作には、この熱エネルギーを効率的に抽出・放散し、センシティブなコンポーネントを保護し、ピーク性能を維持できる材料が必要です。

高出力デバイスメーカーは通常、ダイヤモンドや炭化ケイ素（SiC）基板を用いて、トランジスタなどの高電力密度半導体から熱を逃がしてきました。最近の研究で、ホットスポットから熱を引き出す効率が著しく高い新材料が特定され、デバイス性能と省エネの実質的な向上が期待されています。

優れた熱管理がパワーエレクトロニクス業界にもたらすもの

トランジスタ寸法がナノメートルスケールまで縮小するにつれ、メーカーはチップにより多くのトランジスタを集積でき、性能向上をもたらしますが、同時に大量の熱も発生します。堅牢な熱管理なしでは、これらのチップは過熱、スロットリング、信頼性低下を招きます。長期的には熱ストレスが早期故障を誘発する可能性もあります。

業界アナリストは、ムーアの法則――トランジスタ数が2年ごとに倍増する歴史的傾向――の限界が、エスカレートする熱管理要求によって大きく制約されていると警告しています。

現在の最先端材料を上回る熱基板があれば、業界はムーアの法則の勢いを維持し、処理能力の成長を軌道に乗せられるかもしれません。

窒化ホウ素砒素（Boron Arsenide：BAs）、半導体向け有望な熱基板として浮上

2018年、カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）とアーバイン材料研究所の研究者たちが、准教授Yongjie Hu氏の主導で、欠陥のない窒化ホウ素砒素（BAs）を実験室で作製することに成功。BAsが従来の半導体材料と比較して、熱を引き出し放散する能力に優れていることを実証しました。

初めて、BAsを直接ガリウム窒化物（GaN）高電子移動度トランジスタ（HEMT）に統合し、その成果が2021年6月にNature Electronicsで発表されました。研究では、BAs基板が高電力密度設定において、最先端の熱材料さえも上回る性能を発揮することを示しました。

ダイヤモンドや炭化ケイ素より効果的

性能をベンチマークするため、研究者たちはBAs、ダイヤモンド、炭化ケイ素（SiC）基板上に構築したGaN HEMTを比較。電力密度15 W/mmの条件下で、BAsベースHEMTの温度上昇は室温から188°F（約87℃）に留まったのに対し、ダイヤモンドベースは278°F（約137℃）、SiCベースは332°F（約167℃）に達しました。

これらの結果は、BAs基板がデバイスをより高い電力レベルで動作させられることを示唆しています。優れた性能の源泉は、BAsの高い熱伝導率と極めて低い熱境界抵抗の組み合わせで、これらが協調して急速な熱抽出を可能にしています。

BAsは最大1,300 W/m·Kの熱伝導率を達成可能――ダイヤモンドの2,300 W/m·Kには及ばないものの、ほぼゼロの境界抵抗が冷却用途で決定的な優位性を与えます。

BAsには砒素が含まれますが、窒化ホウ素砒素のような化合物に組み込まれると安定かつ無毒になると、テキサス大学ダラス校のBing Lv博士が指摘。同氏も高純度BAsの合成を先導し、基板利用への道を開きました。

したがって、BAsはSiCやダイヤモンドと同等の安全性プロファイルを持ち、ハイパフォーマンスエレクトロニクスでの使用に適しています。さらに、BAsはより低コストで合成・加工可能であり、産業採用の障壁を下げます。

それでも、BAsの電子的特性を完全に特性評価し、長期信頼性を確認するには更なる研究が必要です。後続研究がこれらの知見を裏付ければ、窒化ホウ素砒素は次世代エレクトロニクスの基盤材料になる可能性があります。