The atomic level of the diamond substrate is possible only by chemical processing and low -temperature heating

If the diamond substrate is heated to 1150 ° C and pressurized with the other substrate, it can be directly joined (thermal pressure), but if there is a difference in the thermal expansion coefficient of the joint material, the stress may be damaged.On the other hand, the surface layer of the diamond substrate and the SI substrate is removed by sputter etching by an argon (AR) beam in the ultra -high vacuum, and when the exposed surface is contacted, it can be directly joined at room temperature (surface activation joining).However, a special ultra -high vacuum joining device was needed, and the surface layer was removed by the surface layer removal, causing the diamond surface to be amorphus due to crystal disturbance, and was concerned about deterioration of machinery, electricity and thermal properties.

水酸基同士の脱水反応による接合（親水化接合）はSiなどの半導体材料の基板の直接接合に広く用いられているが、これまで、ダイヤモンド基板の直接接合に適切な水酸基修飾手法が見つかっていなかった。そこで今回、半導体基板の洗浄に広く用いられる硫酸/過酸化水素（H₂SO₄/H₂O₂）混合液を用いて、ダイヤモンド表面を洗浄と同時に水酸基修飾できる技術を開発した。この技術では、処理条件を制御することで、ダイヤモンド結晶の特定の面[（111）面]を、接合に望ましい平滑な表面を保ちながら水酸基修飾できる。これを、同じく水酸基修飾したSi基板と接触させた後200 ℃にて加熱すると、次の化学式：

Si－OH + C－OH → Si－O－C + H₂O

Dehydration reactions can occur directly (Fig. 1 left).This dehydration reaction is possible even in the atmosphere, so a special vacuum joining device is unnecessary.The joint technique developed this time has the characteristic that diamonds can be directly combined only by heat treatment at a relatively low temperature with general cleaning processing.

図1 右に透過型電子顕微鏡を用いて観察した接合界面のナノ構造を示す。今回開発した技術によりシリコン表面の酸化膜（SiO₂）とダイヤモンドが欠陥なく原子レベルで密着していることが確認できる。この酸化膜は約3 nmの厚さであり十分に薄いため、伝熱に与える影響は少ないと見込まれる。また透過型電子顕微鏡では、結晶部分はその規則性より構成原子が格子状（粒状）に観察できる。SiO₂膜は一般的に結晶とならないため格子構造が観察できないが、ダイヤモンド側は接合界面まで格子構造が観察された。これはダイヤモンド結晶が接合処理してもアモルファス化がほとんど発生せず、結晶構造が維持されているためと考えられる。なお、このダイヤモンド結晶の格子構造は高温加熱もしくは表面スパッタリングを用いた従来手法による接合界面では観察できない。

With the technology developed this time, the diamond substrate can be directly joined directly on a relatively simple and general device, and the production of high -quality diamond semiconductors can be expected.By applying this technology, the conversion efficiency of the power semiconductor, the improvement of input / output power, the cooling function efficiency, and the smaller weight reduction, etc., reducing the power conversion loss and increasing the performance of electric equipment including vehicles.It is expected.