研究紹介

丸文研究奨励賞 受賞者

超高周波
窒化ガリウムトランジスタの研究開発
ミリ波帯無線通信システム構築に向けたボトムアップ

東脇 正高
独立行政法人情報通信研究機構 新世代ネットワーク研究センター
主任研究員

研究の背景

価でコンパクトなミリ波帯における固体素まり、障壁層厚をゲート長短縮に伴い薄く

子高出力送信機を実現するために、窒化していくことでショートチャネル効果を軽減

ここ20年で広く一般に普及した携帯電ガリウム（GaN）を材料としたトランジスタにすることができます。
しかしドーピングではな

話、無線LANなどに代表されるように、10着目し、主にその高周波特性を向上するこく、分極効果などの窒化物半導体特有のGHz程度までの周波数における高速無線とで上記課題を解決することを目指して進物性を利用して窒化アルミニウムガリウム

通信は、現在我々がごく身近に接するテクめてきたものであります。

（AlGaN）障壁層とGaN層のヘテロ界面ノロジーとなりました。今後、更なる高速大GaNトランジスタには、化合物半導体に電子を誘起してチャネルを形成している

容量通信および無線用途の拡大にはよりを材料とした場合に良く用いられる電界GaN HEMTにおいては、AlGaN障壁層高い周波数の活用が必要となります。
この効果型トランジスタ（FET）の一種である、の厚みを薄くすると電子濃度が著しく減少ような事情から、現行より一つ上の周波数高電子移動度トランジスタ（HEMT）と呼し、結果寄生部分を含めたチャネル全体帯に相当するミリ波帯（30〜300 GHz）、ばれる構造が広く用いられています。GaNの電気抵抗が増加するという新たな問題

中でも50 GHz以上における無線通信シHEMTにおいても他の半導体材料を用が生じていました。そのため、本研究を開ステム構築の必要性がかねてから指摘さいたFETと同様に、高速、高周波化は、始した時点では、ミリ波応用に必要なレベれています。
しかしながら、研究開発がこれゲート電極微細化による電子のチャネルルの高周波特性を有するGaN HEMTはまでも継続的に進められてきたにもかかわ走行時間の短縮により達成されます。
しか報告されていませんでした。

らず、実用化が思うように進んでいないのし同時にFETにおいては、ゲート微細化にが現状であります。そのデバイス面での大伴う様々なショートチャネル効果と呼ばれきな理由の一つとして、既存の半導体デバる問題も起こります。この問題を最も効果イス技術で高性能な固体素子受信機は作的に抑制する方法は、ゲート電極長とゲー

本研究では、GaN HEMTの高周波デ製可能にもかかわらず、送信機は出力が低ト電極―チャネル間距離（HEMTの場合バイス特性を改善するために、最短でゲー

く、同時に非常に複雑で高価なものになっ主として障壁層の厚み）の比に相当するト長30 nmの微細T型ゲート作製プロセスてしまうことが挙げられます。本研究は、安アスペクト比を高く保つことであります。つに代表されるいくつかのデバイスプロセス研究の成果を開発すると同時に、高い結晶品質を保った高Al組成AlGaNを分子線エピタキシー

二次元電子ガス濃度（×1013 cm-2）3.5

膜を成長する技術や、窒化シリコン（SiNx）
AlGaN障壁層上に堆積することで電子濃3.0度を増加させる効果があることの発見など2.5のオリジナルな材料研究の成果も活用してきました。

2.0

まず本 研 究においては、1 0 n m 以 下
1.5と非 常 に薄い A l G a N 障 壁 層を有する
図1 Al0.4Ga0.6N/GaN HEMTの二次元電子ガス濃度のAlGaN障壁層厚依存性。
SiNx膜をAlGaN上に堆積することで、大きな電子濃度の増加が得られることが分かる。
また、SiNx膜厚を変えても増加量はほとんど変わっていない。

1.00.50.005101520

AlGaN障壁層厚（nm）

25

AlGaN/GaN HEMT構造においても、SiN x 膜をAlGaN上に堆積することにより2×10 1 3 cm - 2を超える高い二次元電子ガス濃度が得られることを発見しました【1】。
また、
この効果はAlGaN層が（図1）

薄いほどより顕著となること、SiN x 厚にはほとんど依存しないことも分かっておりま図2 ゲート長60 nmのAl0.4Ga0.6N/GaN HEMTの（a）
断面模式図、（b）
表面光学顕微鏡写真

（a）

（b）

す【2】。これらの特性は、極短ゲートを有す

いミリ波無線通信分野での応用が今後期今後の展望

るGaN HEMTにおいても、高いアスペク待されます。またGaNトランジスタは、信頼現在、50 GHz以上の周波数をターゲッ性を含めた研究の一層の進展とともに、こトとしたGaN HEMT単体およびその集積れまでも注目されてきた高出力、高耐圧デ図 2に、これまでに作 製したデバイス回路の研究開発は、非常にホットなトピックバイスや、本研究で提案する高周波無線の中でも代 表 的な、ゲート長 6 0 n mのとして国内外の研究機関で精力的に進め通信分野のみならず、デジタル応用も含めAlGaN/GaN HEMTの（a）断面模式図

られており、超高速無線LAN、次世代高度た様々な分野に広がっていくものと考えてと（b）表面から撮影したデバイス全体像の道路交通システム（ITS）などの様々な新しおります。

ト比を維持し、なおかつデバイス全体の抵抗を低く保つことを可能にします。

光学顕微鏡写真を示します。デバイス構
造における特徴的な点としましては、
（1）
障

60

壁層厚がSiN xも含めたトータルでも7 nmと非常に薄いこと、（2）
AlGaNのAl組成が5040%と高いこと、（ 3）非常に薄いSiN x 膜積していることが挙げられます。これらの特徴は、上述のように短ゲート化による高周波特性改善の効果を出来るだけ効率的に得るためのものであります。結果、
トランジ
スタの高周波特性の性能指数の一つで、40利得（dB）を電子濃度増加の目的でAlGaN上に堆30

図3 電流利得および最大安定電力利得の周波数依存性。利得が0になる周波数まで実測できない場合には、図に示すよ
うに-20 dB/decadeの傾きを持って外挿することによりfT、fmaxを見積もる方法が取られる。

2010電流増幅可能な最高周波数、つまりトランジスタとして動作可能な最高周波数に相0を、本研当する電流利得遮断周波数（f T ）110100周波数（GHz）

究を開始した時点で報告されていたGaNトランジスタの最高記録121 GHz【3】から、2005年の時点で152 GHzに、その後改善を重ね2007年には現在でもGaNトラン

補足説明
ミリ波ジスタとして最高記録となる190 GHzまで

周波数30〜300 GHzの電磁波。名称は、波長が1〜10 mmであることに由来する。周波数が高いことから高速大容量デ【4-6】。
高めることに成功いたしました（図3）ータ通信に適している。
また指向性が非常に高いことも特徴。

また、もう一つの重要な電力利得に関する性能指数である最大発振周波数（f max ）も251 GHzと、GaNトランジスタ最高値を窒化ガリウム（GaN）
Ⅲ族窒化物化合物半導体の一つ。バンドギャップは室温で3.4 eV。窒化アルミニウム（AlN）、窒化インジウム（InN）などとの混晶も含めて、0.6〜6.2 eVの広いバンドギャップ領域をカバーする。他の半導体と比較して、（ 1）熱伝導率が大きく放熱性に優れている、（ 2）高温での動作が可能、（ 3）飽和電子速度が高い、（ 4）絶縁破壊電界が高いなどの優れた特性を有する。
青色発光ダイオード、レーザーダイオードなどの光デバイスの材料としても有名。

記録しています（図3）。通常、十分な利得を得るために、トランジスタにはその動作周

Re f e r e n c e s（参考文献）

波数の2〜3倍程度のf T 、fmaxが必要とさ【1】M. Higashiwaki, N. Hirose, and T. Matsui, IEEE Electron Device Lett. 26, 139（2005）.

れます。そのため本研究で得られたこれら【3】V. Kumar, W. Lu, R. Schwindt, A. Kuliev, G. Simin, J. Yang, M. Asif Khan, and I. Adesida,の値は、少なくとも100 GHz程度までの周波数領域においてGaN HEMTが実用可能であることを示したことになります。

【2】M. Higashiwaki, N. Onojima, T. Matsui, and T. Mimura, J. Appl. Phys. 100, 033714（2006）.
IEEE Electron Device Lett. 23, 455（2002）.
【4】M. Higashiwaki and T. Matsui, Jpn. J. Appl. Phys. 44, L475（2005）.
【5】M. Higashiwaki, T. Matsui, and T. Mimura, IEEE Electron Device Lett. 27, 16（2006）.
【6】M. Higashiwaki, T. Mimura, and T. Matsui, Appl. Phys. Exp. 1, 021103（2008）.