FUJITSU. 62, 4, p. 407-412 （07, 2011） 407

あ ら ま し

富士通は，LTE（Long Term Evolution）基地局用小型送信増幅器を実現するための高効率窒化ガリウム（GaN）高電子移動度トランジスタ（HEMT：High Electron Mobility Transistor）の開発を行っている。GaN-HEMTは，その高い破壊耐圧特性により，高効率高出力増幅器として注目を集めている。高い利得と高電力効率の増幅器を実現でき，

基地局の消費電力低減と小型化を実現できるためである。

本稿では，高電圧動作可能なGaN-HEMTを用いた基地局向け高出力増幅器の開発状況を述べる。まずGaNの物性的優位点を示し，つぎに増幅器としての利点を述べる。さらにGaN-HEMTの開発当初の課題を列挙し，その解決状況を示す。増幅器としての高効率化データを示し，最後に今後のGaN-HEMTの展開について紹介する。

Abstract

Fujitsu has been developing gallium nitride high electron mobility transistors (GaN-HEMT) for small transmitter amplifiers for Long Term Evolution (LTE) base stations. The use of GaN-HEMT in highly efficient transmitter amplifiers has attracted much attention because of its high breakdown voltage characteristics. High efficiency amplifiers with high gain are needed to decrease the power consumption and size of base stations. This paper describes the development of high-power GaN-HEMT for LTE base stations. First, we introduce the advantages of GaN-HEMT and GaN-based power amplifiers. Then, issues to be solved in the early developing stage of GaN-HEMT are focused on and the current status is described. Efficiency data of power amplifiers are shown. Finally, the future outlook is discussed in detail.

● 吉川俊英　　　● 常信和清　　　● 金村雅仁

高効率電力増幅用GaNデバイス

GaN Device for Highly Efficient Power Amplifiers

FUJITSU. 62, 4 （07, 2011）408

高効率電力増幅用GaNデバイス

電源電圧変換回路が用いられている。この電源電圧の変換が少なくなれば，基地局の小型化と低消費電力化が可能となる。

GaNはバンドギャップが広く，破壊電界が高いため高電圧動作が可能となる。高耐圧のGaNを用いれば50 Vの高電圧動作増幅器を実現し，電源電圧変換でのロスを減らせる利点がある。また，GaNは電子移動度や電子速度が速いために高速動作・高効率動作に向いた物性も有している。高出力動作時には熱の発生が課題となるが，基板として炭化珪

けい

素（SiC）を用いた場合，SiCの熱伝導率は金よりも大きく，熱を放散しやすい特長を持つ。つまり，GaNは高電圧動作高出力性能を達成できる物性条件を満たしている。

GaN-HEMTの構造と開発課題

HEMTは，バンドギャップの異なる半導体材料との接合界面に生じる電子層が通常の半導体内に比べて高速で動作することを利用した電界効果型トランジスタである。1980年に化合物半導体のGaAsを用いて，富士通が世界に先駆けて開発し，現在，衛星放送用受信機や携帯電話機，GPSを利用したナビゲーションシステム，広帯域無線アクセスシステムなど，IT社会を支える基盤技術として広く使用されている。

GaNをHEMT構造｛図-2（a）｝として用いる場合，GaN層と窒化アルミニウムガリウム（AlGaN）の異なる2層を積層し，界面に形成される2次元電子ガスを動作に用いることを特徴とする。HEMT構造はSi系やGaAs系で使用されている電界効果トランジスタ構造に比べて高い電流密度を得ることができる。なぜならGaNは自然分極とピエゾ分極により，圧電効果が発生するため内部に強い電界が生じるためである。このために従来のGaAsなどの化合物半導体材料に比べて10倍の2次元電子ガス（走行電子）を生み出すことができ，電流密度が増加する。したがって従来のトランジスタに比べて高出力・高効率での動作が期待できる。以上により，次世代の高出力増幅器としてはGaNを用いた増幅器に期待が寄せられている。ところが，2000年代初期の開発当初はGaNを図-2（a）のようなHEMT構造にして実際に高電圧動作させてみると，以下の課題が見出された。

GaN-HEMTの構造と開発課題

ま　え　が　き

スマートフォンの本格的な普及に伴い，移動体無線通信システムの通信容量・通信速度向上のニーズは爆発的に増加している。移動体無線通信システムは，LTE（Long Term Evolution）のサービスが始まっており，今後LTEの次世代システムの実用化も視野に入っている。移動体無線通信システムで大容量・高速化を担う基地局には，設置の容易さと維持コストの低減が必須であり，システムの小型化と低消費電力化の技術が求められている。本稿では，低消費電力化（高効率化）を実現するキーテクノロジとして窒化ガリウム（GaN）高電子移動度トランジスタ（HEMT： High Electron Mobility Transistor）を用い，富士通が世界に先駆けて実用化に成功した高出力送信電力増幅器技術の特徴と開発経緯を紹介する。さらに，今後のGaN-HEMTのビジネス展開も示す。

GaNの物性

GaNは低消費電力・長寿命な照明用として青色LEDや白色LEDなどに使用されている。GaNの物性値と従来の半導体との比較を図-1に示す。シリコン（Si）やガリウム砒

ひ

素（GaAs）などの従来の半導体材料に比べてGaNは電界による破壊を起こしにくいため高電圧動作が可能となる。従来の基地局システムでは，シリコンデバイスが用いられており，高出力増幅器の動作電圧が基地局のシステム電源電圧48 Vに比べて低い28 V動作のため，

ま　え　が　き

GaNの物性

材料

Si

GaAs

SiC

GaN

破壊電界（MV/cm）

0.3

0.4

3.0

3.0

熱伝導率（W/cm/K）

移動度（cm2/Vs）

飽和電子速度（cm/s）

1×107

走行電子濃度（/cm2）

13002000-4000（MESFET）

600

1500（HEMT）

1.3×107

2×107

2.7×107

1.5

0.5

4.9

1.5

～1012

～1012

～1012

～1013

高破壊耐圧高電圧動作

高電流密度動作高温動作

高速動作高効率動作

図-1　GaN物性値の他材料との比較Fig.1-Comaprison of material parameter of gallium

nitride (GaN) with other materials.

FUJITSU. 62, 4 （07, 2011） 409

高効率電力増幅用GaNデバイス

GaN-HEMTの開発技術

前章の課題を解決するために今回開発したトランジスタ構造を図-2（b）に示す。まず表面状態の改善とゲートリーク抑制のため，GaN-HEMTとゲート電極との界面を制御することが重要であることに着目し，HEMT構造の表面部分にn型不純物をドーピングした導電性GaN層を用いた表面電荷制御（Surface-charge-controlled）構造を提案した。（1） 図-2（b）の表面写真のとおり，表面の亀裂を防ぐことに成功した。また，通常のGaAs系などで用いられているオーミック特性を改善するための高濃度表面層とは考えが全く異なり，不純物ドーピン

GaN-HEMTの開発技術（1） 本来流れないはずのゲート電極からのリーク電流（ゲートリーク）が大きい。

（2） 高周波高出力動作をさせたとき，走行電子が素子内にトラップされてオン抵抗が上昇してしまう（電流コラプス現象）。

（3） 長期通電をしていると突然破壊やパワー性能の劣化が観測される。これらによって，高電圧動作するトランジスタとしての十分な性能を生かせず，安定した信頼度を得ることができていなかった。その一つの理由は図-2（a）に示す表面状態（原子間力顕微鏡写真）である。表面にはグランドキャニオンを思わせるような亀裂が走っている。

ゲート電極ソース電極 ドレイン電極

n型窒化アルミニウムガリウム（AlGaN）電子供給層

窒化ガリウム（GaN）バッファ層

炭化珪素（SiC）基板

2次元電子ガス

課題1：ゲートリーク

課題2：トラップ

課題3：信頼度

1 µm

HEMTエピ結晶表面

（a）従来のGaN-HEMT構造

（b）リセスオーミックを使用した表面電荷制御型GaN-HEMT構造

1 µm

HEMTエピ結晶表面

ゲート電極ソース電極 ドレイン電極

窒化ガリウム（GaN）バッファ層

炭化珪素（SiC）基板

窒化珪素（SiN）

窒化珪素（SiN）

2次元電子ガス

n型窒化ガリウム（GaN）

n型窒化アルミニウムガリウム（AlGaN）電子供給層

図-2　GaN-HEMT構造と表面状態Fig.2-GaN-HEMT structures and surface topology.

FUJITSU. 62, 4 （07, 2011）410

高効率電力増幅用GaNデバイス

グしていてもそこに高濃度の電子が存在するわけではなく，完全に空乏化している。つぎに，デバイスシミュレーションによりデバイス内の電界分布を計算した。その結果，従来構造の場合，ゲート電極近辺に電界強度の非常に高い部分が存在することが分かった。この電界集中がゲートリークの原因である。今回開発した表面電荷制御構造においてはゲート電極近傍に電界集中が起きていないことから，ゲートリーク低減が期待される。また電流コラプス現象に関しても酸化しやすいアルミニウムを半導体表面に持たないため，半導体表面電子トラップに起因した電流コラプス現象の抑制が期待される。著者らのGaN-HEMTトランジスタは，金属有機気相エピタキシ（MOVPE：Metalorganic Vapor Phase Epitaxy）法によって成長させた。基板には熱伝導率の高いSiCを使用した。SiC基板上にMOVPE法でGaNバッファ層，n型AlGaN電子供給層，n型GaNキャップ層を順次積層した。オーム接触抵抗を低減するために，オーミック電極部分のみn型GaNキャップ層を取り除き，オーミック電極をAlGaN電子供給層上に形成するリセスオーミック技術を用いた。今回，電力利得を高めるために，ゲート長0.5 µmとし，窒化珪素（SiN）による半導体保護膜をGaN表面上に形成した。上記技術により，ゲートリーク抑制，電流コラプス抑制，信頼度改善に成功した。まず，ゲートリークは従来構造に比べ，1/1000以下とすることが可能となり，突然破壊を防ぐことも可能となった。

電流コラプス現象の改善度を図-3に示す。カーブトレーサを用いて100 Hzで測定した電流―電圧測定図である。図-3（a）は従来構造の場合，図-3（b）は著者らが開発した構造の場合である。図-3（b）はドレイン電圧に対する電流の立上がりが早く，オン抵抗の上昇が抑えられていることが分かる。長期通電ではGaNバッファ層の品質を改善することにより，パワー特性の変動を抑えることに世界で初めて成功し，世界に先駆けたGaN-HEMTの実用化が可能となった。（2）

GaN-HEMT増幅器

増幅器としてGaN-HEMTを用いた場合の利点を表-1に示す。動作電圧を高くすることに起因して最適インピーダンスが従来デバイスよりも高くなるため，回路におけるマッチングが容易となる。加えて高調波処理も容易となるために高効率化が可能となる。また発熱量が少ないために小型化も可能となる。

図-4はゲート幅36 mmのGaN-HEMTチップをパッケージに実装し，治具調整した増幅器である。実用上最も重要な動作条件である第3世代携帯電話

GaN-HEMT増幅器

（a）従来構造での動作 （b）今回開発した構造での動作

0 25 500

500+2 V+1 V

0 V

-1 V

ドレイン電圧（V）

ドレイン電流（

mA

/mm）

0 25 500

500+2 V

+1 V0 V

-1 V

ゲート電圧電流コラプス

ゲート電圧

ドレイン電圧（V）

ドレイン電流（

mA

/mm）

図-3　GaN-HEMTの電気的特性Fig.3-Electrical characteristics of GaN-HEMT.

表-1　GaN-HEMT増幅器の利点物　性 HEMTの利点 増幅器の利点

・破壊電圧大

・高電圧動作・ロードインピーダンス大・線形性良好

・高調波処理容易　（高効率化）・マッチングロス低・電圧変換簡素化

・ワイドバンドギャップ ・高温動作 ・小型軽量冷却系

・熱伝導率大・高電流密度

・高電圧動作・小型チップサイズ ・小型軽量増幅器

FUJITSU. 62, 4 （07, 2011） 411

高効率電力増幅用GaNデバイス

GaN-HEMTの今後

GaN-HEMTを用いたデバイス市場の今後の周波数別ロードマップを図-5に示す。2 GHz帯を中心とした基地局用途は著者らの技術を用いて実用化・ビジネス化が進んでいる。今後基地局用途においては更なる高効率化が求められている。高調波処理のできるGaN-HEMTは様々な増幅器回路形式に対応可能であり，広帯域化も容易であり，次世代増幅器のキー技術として期待されている。また，ほかの周波数帯への展開も期待されている。まず，ミリ波まで含めた高周波数帯増幅器への応用が期待されている。（7） これは図-1に示したとおり，GaNの高速性を生かした増幅器応用であり，災害時や山岳部の長距離無線通信適用が期待されている。つぎに，増幅器応用でなく，kHz～MHz領域における高効率電源用のスイッチングトランジスタ応用への期待も高い。（8） これは，図-1に示すように物性的に高耐圧化が容易であり，HEMT構造はスイッチングスピードの速い特長を持つことがメリットの主因である。例えば，PCのACアダプタなどの電源の消費電力を低減し，小型化できる効果が期待されている。将来は高効率電源が必須な電気自動車や太陽光発電の根幹を占めるトランジス

GaN-HEMTの今後基地局用W-CDMA信号での高効率増幅に成功し，63 V動作・174 W出力の特性を得た。（3），（4） このチップを2個並列使用したPush-pull型増幅器では50 V動作で最大出力250 WをW-CDMA信号で得た。（2） Digital pre-distortion（DPD）方式の歪補償回路による歪補償も適用した。（5） GaN-HEMTはロードインピーダンスが高いために歪補償との合性が良く，シングルエンドでの平均出力動作時の効率は40％が可能となった。これらのベース技術を基に現在は平均動作時の効率50％の増幅器が実現可能となっている。（6）

入力 出力

GaN-HEMTパッケージ

2010 2015 20202005

周波数（

Hz）

パワーエレクトロニクス車/鉄道

力率改善/ダイオード

PC/Home

放送衛星・宇宙エレクトロニクス衛星通信・レーダ

固定無線・基地局間通信

ミリ波通信100 G

40 G

10 G

1 G

100 M

100 k

年

無線通信

W-CDMA（IMT-2000）

WiMAX LTE 第4世代

通信・レ

X

通 レ

X

現状

図-4　GaN-HEMT増幅器Fig.4-GaN-HEMT power amplifi er.

図-5　GaN-HEMTの今後の展開Fig.5-Future prospect of GaN-HEMT.

FUJITSU. 62, 4 （07, 2011）412

高効率電力増幅用GaNデバイス

（2） T. Kikkawa et al.：An Over 200-W Output Power GaN HEMT Push-Pull Amplifi er with High Reliability．IEEE Int．Microwave Symp. Dig.，p.1347-1350（June 2004）．

（3） K. Joshin et al.：A 174 W high-effi ciency GaN HEMT power amplifi er for W-CDMA base station applications．IEDM Tech. Dig.，p.983-985（December 2003）．

（4） 富士通プレスリリース：窒化ガリウムHEMT増幅器で世界最高出力と効率を達成．

http://pr.fujitsu.com/jp/news/2003/12/8.html （5） 富士通プレスリリース：世界初！IMT-2000システム用に高効率の送信増幅器を開発，実用化．

http://pr.fujitsu.com/jp/news/2002/09/5.html （6） 富士通プレスリリース：モバイルWiMAX用高効率増幅器の開発について．

http://pr.fujitsu.com/jp/news/2007/03/2-2.html （7） 富士通プレスリリース：世界最高出力のミリ波W帯向け窒化ガリウムHEMT送信用増幅器の開発に成功．

http://pr.fujitsu.com/jp/news/2010/10/4-1.html （8） 富士通プレスリリース：世界初！電源装置向け窒化ガリウムHEMTを開発．

http://pr.fujitsu.com/jp/news/2009/06/24.html

タとしての展開も予想されている。基地局においても電源は多数使用されており，今後基地局内の増幅器以外の部分にもGaN-HEMTが用いられるであろう。

む　　す　　び

今回，表面にn型の導電性GaN層を導入した表面電荷制御（Surface-charge-controlled）構造を開発し，ゲートリークと電流コラプスの抑制を達成した。その結果50 V動作・250 Wの高出力特性を世界に先駆けて得ることに成功した。加えてGaNの物性的観点から性能改良に取り組み，信頼度実証に世界で初めて成功し，GaN-HEMTをいち早く実用化した。以上の結果により，GaN-HEMTはLTE基地局向けに量産できる状況となっている。今後は，基地局用途以外の周波数帯への水平展開も視野に入れ，GaN-HEMTの開発を更に加速していく。

参 考 文 献

（1） T. Kikkawa et al.：Surface-Charge Controlled AlGaN/GaN-Power HFET without Current Collapse and Gm Dispersion．IEDM Tech. Dig.，p.585-588（December 2001）．

む　　す　　び

吉川俊英（きっかわ　としひで）

基盤技術研究所 所属現在，GaN-HEMTデバイス技術の研究開発に従事。

常信和清（じょうしん　かずきよ）

基盤技術研究所 所属現在，GaN-HEMT設計技術の研究開発に従事。

金村雅仁（かなむら　まさひと）

基盤技術研究所先端デバイス研究部所属現在，GaN-HEMTプロセス技術の研究開発に従事。

著 者 紹 介