情報通信

マイクロ波無線通信用 G a N H E M T の開発
水野西原慎也・山＊田文生・山本信・山本高史・佐野洋
征吾

Development of GaN HEMT for Microwave Wireless Communication ─ by Shinya Mizuno, Fumio Yamada, Hiroshi
Yamamoto, Makoto Nishihara, Takashi Yamamoto and Seigo Sano ─ High-power broadband devices areincreasingly required for microwave wireless communication systems such as terrestrial and satellite communication
over 6 GHz (e.g., C-band). Formerly, GaAs devices have been used in these systems, however, the properties ofGaAs are not sufficient to meet the high-power broadband requirements. To address this challenge, we havefocused on the superior physical properties of GaN. Based on our established GaN high electron mobility transistor(HEMT) technology for cellular base stations (e.g., L/S-band), we have developed a GaN HEMT applicable for the Cband such as microwave wireless communications. This paper summarizes the characteristics of the GaN HEMT anda 20W-class internally-matched broadband device equipped with the GaN HEMT.
Keywords: GaN HEMT, microwave, wireless, amplifier, broadband

1.

緒言窒化ガリウム（GaN）は、シリコン（Si）や砒化ガリウム品で 500MHz から 1GHz 程度の帯域である。それゆえ、（GaAs）と比較して、バンドギャップが大きく、飽和電子速

6GHz 帯から 16GHz 帯の間で帯域が細分化され、製品 8 種度も大きいことから、高出力かつ高速の電子デバイスへの応類でサポートしている。GaN を使った高出力デバイスは用が期待されている。当社は、放熱性に優れた炭化ケイ素

10GHz 帯で 60W を達成し（1）、GaAs では実現できない特（SiC）基板上の窒化ガリウム高電子移動度トランジスタ性を達成している。一方使用される周波数は、各国、各通: Gallium Nitride High Electron Mobility

信キャリアによって異なり、その通信システムを製造するTransistor）を、携帯電話基地局用途を中心に開発・製品化

システムメーカーは受注システムごとに増幅器を設計・製してきた。動作周波数は、3.5GHz までであった。

造している。システムの納入手番の短縮、在庫の縮小によ（GaN HEMT

※1図 1 は現在の通信インフラ網を示す。マイクロ波無線通り、増幅器の共通化すなわち広帯域増幅器への期待が高信は、携帯電話基地局間の通信や衛星通信のことを差し、まっている。そこで GaN HEMT には広帯域性能について主に動作周波数は、6GHz 帯から 16GHz 帯までである。

も期待されている。

従来マイクロ波無線通信用途に使われてきた電子デバイス

本稿は、マイクロ波通信用途向けに、新たに開発したは、GaAs を使ったデバイスであり、20W 級では一つの製GaN HEMT の特性と、この GaN HEMT を用いて試作した 20W 級の広帯域デバイスの特性を示す。

衛星通信
無線通信幹線網

光通信幹線網（DWDM）

基地局間無線通信網

2.

GaN トランジスタ
2−1

材料物性

表 1 に無線通信用に使われる主要な半導体の物性値を示す。GaN は GaAs に対して 2 倍の飽和車載レーダ電子速度と、約 8 倍の破壊電界強度を持っている。高周波・高出力素子の性能比較には Johnson 性能指標が用いら

光通信網（メトロ）
光通信加入者系 企業内光通信網（アクセス） （データセンタ）

れ、この指標は飽和電子速度（Vsat）と破壊電界強度（Ec）に対し、Vsat∙Ec/2 πで与えられる。Johnson 性能指標でみ無線LAN

携帯電話
基地局

ると、GaAs に比べて GaN は約 15 倍と圧倒的な優位性を持つ。また GaN HEMT は、熱伝導率の高い SiC 基板の上に形成しているため、良好な放熱性を実現でき、高出力増

図1

現在の通信インフラ網幅器にとって望ましい構造となっている。

2 0 1 2 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 0 号 −（ 65 ）−80

40SiGaAsSiC

GaN

バンドギャップ： Eg（eV）

1.1

1.4

3.2

3.4

破壊電界強度： Ec（MV/cm）

0.3

0.4

3.03.0電子移動度： µe（cm2/V･s）

1300 6000

6001500

熱伝導率：κ（W/cm･K）

1.50.54.91.5

飽和電子速度： Vsat（107cm/s）

1.01.32.02.7

Johnson 性能指標 Vsat∙Ec/2π対 GaAs

0.57

111.515.53W/mm

35706030255053%

4020

周波数8GHz
動作電圧 24V

153020102− 25GaN は AlGaN とのAlGaN/GaN HEMT 構造

10121416でき、ヘテロ接合界面には高濃度の 2 次元電子層が発生す

図3る。さらに GaN の結晶の性質から窒化物半導体の自発分現でき、非常に大きい電流密度を駆動できる。また、表 1にあるように破壊電界が GaAs の約 8 倍と非常に大きいた

182022242610

入力パワー (dBm)

ヘテロ接合によって大きなバンド不連続を形成することが極とピエゾ分極によって 1 × 1013cm-2 以上の電子濃度を実PAE（%）

各種半導体の物性定数

出力パワー（dBm）

表1

入出力特性（パワー整合）

作において RF 出力 3W/mm、電力付加効率 PAE ※4 は 53 ％と良好な特性を得た。

め、高電圧動作も可能であり、GaAs を用いたデバイスよりも 10 倍以上の高出力化も十分可能である。
現在当社で製品化している携帯電話基地局用途の GaN
HEMT と異なり、マイクロ波通信用途では、より高周波で動作させる必要がある。そのため、ゲート長の微細化を中心に、ウエハプロセス、電極構造などを最適化した。その結果、ゲート長 0.35µm において、電流利得遮断周波数 ft ※ 2 は27GHz という高周波性能を達成した。

3.

20W 級 C 帯広帯域 GaN デバイス
3−1

帯域制限

広帯域整合する場合、Q 値と出力インピーダンス（ZOUT）が帯域を制限している。図 4 に示す

トランジスタの出力側の等価回路に対し、Q 値は無損失の整合回路を無制限に構成し、理論的に帯域を予測する場合の指標（2）であり、出力インピーダンスは、無損失の整合回

ゲート長 0.35µm の GaN路を有限の回路要素で構成し、インピーダンス変換比に対HEMT の 3 端子電流－電圧特性を図 2 に示す。ゲート電圧し帯域を制限するものである（3）。Rds は出力コンダクタンは-2.5V である。3 端子のオフ耐圧は 170V を有しており、RF 出 力 20W 級 を 構 成 す る 場 合 の GaAs FET、 GaN

2−3トランジスタ特性

Vg が +2V の最大電流 Imax は 680mA/mm、しきい値電圧ス、Cds は出力キャパシタンスである。表 2 には、C 帯で動作電圧 24V を想定した時に、十分な値を確保している。
また、図 3 にはゲート幅 1mm における大信号ロードプル※3の入出力特性を示す。周波数 8GHz、パワー整合、24V 動Zout

FET
800

Rds

ドレイン電流（mA/mm）

700

Cds

60050Ω

無損失整合回路

Vg=-4V to +2V
0.5V step

500
400300

図4FET の出力側等価回路と整合回路

表220W 級のデバイスパラメータ比較

2001000020406080

ドレイン電圧（V）

図2GaN HEMT の 3 端子電流−電圧特性−（ 66 ）− マイクロ波無線通信用 GaN HEMT の開発

Cds（pF）

Rds（Ω）

Cds*Rds（psec）

GaN HEMT

0.95751

5.59.1

GaAs FET

8.4

4.9

410.7

71100

ZOUT
変換比
（Ω） （50/ZOUT）

HEMT のデバイスパラメータを示す。帯域制限 Q 値とは、
この表では Cds ＊ Rds の絶対値に置き換えられ、値が小さいほど広帯域性能があることを表す。GaAs FET と GaN
HEMT では 10 ％程度の差で、GaAs FET の方がより広帯域性能を有しているが、実際は有限の回路要素で構成し、内部整合型デバイスにおいては、2 ～ 3 段のフィルターで構成しなければならない。GaN HEMT の ZOUT が大きく、変換比が 9.1 で実現できるのに対し、GaAs FET の場合の変換比は 71 である。2 段のフィルター構成で実現できる帯域（比帯域）とインピーダンス変換比との関係を計算したも の が 図 5 で あ る 。 GaN HEMT は 比 帯 域 0.7 に 対 し 、

写真 1

GaAs FET は 0.4 であり、GaN HEMT は GaAs FET より

広帯域内部整合型 20W GaN HEMT の内部も広帯域性能があることが分かる。その主な要因は、GaN
HEMT は GaAs FET よりも RF 出力密度が大きくデバイス18サイズ（ゲート幅）を小さくできるためである。
小信号利得：S21（dB）

161.41.2比帯域

1GaN HEMTGaAs FET

変換比

変換比

9.17114121086

動作電圧 24V電流
1A40.820.600.434567891011周波数（GHz）

0.20

図602040608020W GaN HEMT の小信号特性

100

インピーダンス変換比
46

変換比と比帯域（2 段フィルター構成）

4470

出力パワー

GaN デバイス特性

写真 1 に、GaN HEMT を用いて内部整合型のデバイスの内部写真を示す。ゲート幅は 12mm のチップ 1 つで構成されている。出力側は前項記載の通り 2 段のフィルターで構成され、入力側も同様に設計し、3 段のフィルターで出力側と同等の帯域となるようにしている。帯域は 5.9 ～ 8.5GHz が含まれるように設計している。小信号特性は、図 6 のように得られ、5.9 ～8.5GHz を十分包括している。線形利得は 14dB 程度が得られた。帯域の中心周波数 7.2GHz における大信号入出力特性を図 7 に示す。20W（43dB）以上の飽和出力と約出力パワー（dBm）

423−280

周波数：7.2GHz

60405038403630PAE34203210302022242628303234PAE（％）

図5036入力パワー（dBm）

図720W GaN HEMT の入出力特性

40 ％の電力付加効率 PAE が得られた。大信号特性の帯域特性を示したものが図 8 である。5.9 ～ 8.5GHz の帯域において、飽和出力 20W（43dBm）以上、線形利得 13.5dB、7785-18F）で構成されるが（4）、GaN HEMT の場合 1 つで電力付加効率 PAE は 38 ％を達成した。GaAs FET の場合（6）。さらに、GaN HEMT の広帯域 20W デバ実現できた（5）、は 5.9GHz から 8.5GHz までを、破線で示す 4 つの製品群

イスは、GaAs 製品に比べ周波数 8.5GHz において PAE で（ELM5964-18F、ELM6472-18F、ELM7179-18F、ELM

3 ポイント、線形利得で 5.5dB も優れた特性を実現できた。

2 0 1 2 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 0 号 −（ 67 ）−出力パワー4424

DC 電力が、電力増幅器により付加された電力（出力電力22PAE4020381836163414

線形利得32から入力電力を差し引いた電力）に変換される効率を表す指数。

121030288GaN 20W デバイス
GaAs FET 製品群

265.666.4

6.8

7.2

7.688.468.8

周波数（GHz）

図8PAE

Power Added Efficiency ：電源から増幅器に供給された線形利得（dB）

42

出力パワー（dBm）、PAE（％）※4264620W GaN HEMT の対域特性

参考文

献（1） T. Yamamoto et al.,“ A 9.5-10.5GHz 60W AlGaN/GaN HEMT for Xband High Power Application,”EuMIC 2007, pp. 173–175（Oct.
2007）（2） R.M. Fano,“Theoretical Limitations on the Broadband Matching ofArbitrary Impedance,”J. of Franklin Inst., vol. 249, pp. 57–84 andpp. 139-154（Jan.-Feb. 1950）（3） G. L. Matthaei,“ Tables of Chebyshev Impedance Transforming
Networks of Low-Pass Filter Form,”Proceedings of IEEE, pp.
939–963（Dec. 1964）（4） http://www.sedi.co.jp/e/（5） S. Mizuno et al.,“ A 5.9-8.5GHz 20 Watts GaN HEMT,”2010 AsiaPacific Microwave Conference, pp.123-126（Dec. 2010）4.

結言（6） 山田文生 他、「C 帯広帯域アンプ用 GaN HEMT の開発」、2011 電子
情報通信学会総合大会、C-10-7（Mar. 2011）

携帯電話基地局用途で製品化してきた GaN HEMT を、微細化技術を中心に改良し、より高周波であるマイクロ波無線通信用途向けの GaN HEMT の開発を行ってきた。
GaN HEMT の高出力という特長だけでなく広帯域という執筆者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------水野慎 也＊：伝送デバイス研究所
GaN HEMT の研究開発に従事

山田

文 生 ：伝送デバイス研究所

山本洋 ：伝送デバイス研究所

西原

信 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱電子デバイス事業部

山本

用 語 集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

高 史 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱電子デバイス事業部 課長

佐野

征 吾 ：伝送デバイス研究所※1-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

特長を生かし、C 帯 20W 級においては GaAs FET の製品 4つ分を GaN HEMT は 1 つで実現することができた。今後もマイクロ波無線通信に適した GaN HEMT の技術開発とともに、GaN の高出力・広帯域といった特長を生かした製品化を進めていく。

HEMTHigh Electron Mobility Transistor ：半導体接合界面に誘起される 2 次元電子を利用したトランジスタ。不純物散乱の影響の少ない高電子濃度のチャネルが形成できる。
※2fttransition frequency ：電流利得遮断周波数またはカットオフ周波数ともいう。トランジスタの高周波性能を表す指標の 1 つ。
※3

ロードプル

大信号特性の評価方法の 1 つ。チューナーと呼ばれる機械式のインピーダンス可変装置を用いて、インピーダンス整合条件を変えながら特性を評価するもの。

−（ 68 ）− マイクロ波無線通信用 GaN HEMT の開発＊主執筆者

博士（工学）

グループ長