低温で異種材料接合

2026/01/22

低温で異種材料接合デバイス特性向上に活用

産総研では、将来の産業ニーズを見据えた目的基礎研究を通じて、革新的な技術シーズの創出に挑戦しています。
こうした最先端の成果を、日刊工業新聞で連載しています。産総研マガジンでもご紹介していますので、ぜひご覧ください。
※本記事は、日刊工業新聞社の許諾を得て掲載しています。著作権は日刊工業新聞社に帰属します。

組み合わせ拡大

　電子デバイスの特性向上や新機能獲得のため、産業技術総合研究所（産総研）における異種材料間の接合技術が注目を浴びている。接合とは、異なる2つの材料表面を反応させて結合させる技術を指す。

　異種材料を接合する場合、熱膨張の差に起因する歪みが懸念される。そこで、高温工程をできる限り用いずに、表面の反応性を上げて接合する研究が盛んである。この低温接合は、結晶成長や高温接合といった他手法に比べ、格子定数や熱膨張係数といった物性の差に左右されにくい。そのため、他手法より自由な材料の組み合わせが期待できる。また、熱に弱い材料や微細構造をもつデバイスの複合化にも活用されている。

　低温接合手法として、主に「表面活性化接合」と「親水化接合」がある。産総研は、両手法の研究を進めている。

2手法を研究

　表面活性化接合は、真空中で材料表面を削り取り、露出した表面同士を接合する手法である。新生面の活性の高さにより、常温でも強固な接合が得られるという長所がある。問題は、表面を削り取る工程の間に、結晶が乱れてしまうことである。これは、接合後の高温工程である程度まで回復できる。産総研では接合したシリコンと酸化物半導体を500度Cで再結晶化させ、材料間の電子移動が阻害されにくい界面を実現した。表面活性化接合は、新しい半導体構造への活用が期待される。

　親水化接合は、水酸基で修飾した表面同士を水素結合によって密着させ、その後200度C程度で脱水反応させて接合する手法である。この手法は、結晶性が劣化しにくい上に、真空での処理工程を必要としない。問題は、熱および電気を通しにくい酸化物層が界面にできることである。産総研では適切な工程設計により、次世代パワー半導体材料である酸化ガリウムとダイヤモンドなどの酸化物層を数ナノメートル（ナノは10億分の1）まで薄くすることができた。異種材料間の熱および電気の伝導を用いるデバイスへの応用が期待できる。