JEMEA Bulletin Vol.2 No.1 (2016.6)

研究トピックス
高周波高出力半導体の現状動向
および応用例
Current status trends and applications of high-frequency
and high-power semiconductor devices
三菱電機株式会社 情報技術総合研究所
Masatake Hangai /Kazuhiro Iyomasa/Shintaro Shinjo
半谷 政毅
弥政 和宏
新庄 真太郎〒247-8501 神奈川県鎌倉市大船 5-1-1,
e-mail: hangai.masatake@cw.mitsubishielectric.co.jp

Hannya …. Sinjo

1. はじめに高周波技術は、携帯電話等の無線通信や種々のレークライストロンや TWTA（Traveling Wave Tube

ダ、マイクロ波加熱など様々なシステムに応用されてAmplifier）に代表される真空電子管は、およそ 1920いる。これらのシステムでは、直流電力を大電力の高年代から 1970 年代における高出力増幅器の主流であ周波信号に変換する高出力増幅器が広く用いられる。

った。後述する半導体に比べて短寿命であることに加高出力増幅器は、出力電力・消費電力・線形性など、え、装置が大型であるといった問題があるが、その高システム性能を決定づける最重要コンポーネントの一出力・高効率特性ゆえ、数 10kW を超える出力電力範つである。高出力増幅器を構成するデバイスは、真空囲においては、未だ真空電子管の独壇場である。

電子管と半導体とに大別できる。図 1-1 に、高周波高一方の半導体であるが、トランジスタの実用化が出力増幅器用デバイスの棲み分けを示す。同図におい1960 年頃に始まるや否や、長寿命・小型であるというて、半導体の出力電力は SSPA（Solid State Power

特長と、真空電子管のような高電圧を必要としない取Amplifier）としての値である。

り扱い易さ等から、急速にその適用範囲を拡げていっ

出⼒電⼒

10kW

1kW

た。特に、近年盛んに研究・開発がなされている窒化L S C X Ku Ka V W
VHF / UHF / マイクロ波 / ミリ波

ガリウム（GaN）は、その広いバンドギャップと高い真空電⼦管電子移動度により、従来の半導体であるシリコン（Si）SiCやガリウム砒素（GaAs）では実現できなかった高出力特性が得られるようになった。これにより、一部のシGaNステムにおいては、kW 級の真空電子管を半導体に置100Wき換える動きが始まっている。
Si, Si-LDMOS

10W

本稿では、現在の高周波高出力半導体の主役である

GaAs

GaN を中心に、その高周波数化・高出力化についての0.1GHz

1GHz

10GHz

100GHz

現状動向を示す。また、システムへの応用例として、

適⽤可能周波数

携帯電話基地局向け高出力増幅器、気象レーダ向け高図 1-1 高周波高出力増幅器用デバイスの棲み分け

出力増幅器およびマイクロ波加熱向け SSPA の概要を

（半導体の出力電力は SSPA としての値）述べる。

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関係を示す。現状、S 帯において 10kW 超[2]、Ku 帯
において 2.5kW 級[3]、Ka 帯において 500W 級[4]の報

2. 高周波高出力半導体の現状動向
GaN を用いた高周波高出力増幅器の、性能上の主た告例、製品化例がある。

る課題は高周波数化と高出力化であり、図 1-1 において右上の方向へとその適用範囲を拡げることである。
ここでは、これらの課題に対する現状動向を示す。
2-1. 高周波数化
高周波数特性を表す指標として、遷移周波数 fT（Transition Frequency）が広く用いられる。fT はトランジスタが増幅動作可能な上限周波数の一つの目安であり、概ねそのゲート長に反比例することが知られている。図 2-1 に、GaN トランジスタの発表年に対するゲート長および fT の関係を示す。最近 20 年の間に

図 2-2 GaN SSPA の動作中心周波数とゲートの微細化が進み、fT は飛躍的な向上を遂げてい出力電力の関係ることが読み取れる。現状、HRL Laboratories により、ゲート長 0.02m の GaN トランジスタで fT=454GHz

3. 高周波高出力半導体の応用例
GaN を用いた高周波高出力半導体の応用例を述べという研究室レベルでの報告例がある[1]。
5000.25Si から GaN への置き換えによって、高周波数化・広4000.2

帯域化を実現した例について述べる。次に、真空電子

300

0.15

2000.11000.0501994

20002006

2012

ゲート⻑ (μm)

遷移周波数fT (GHz)る。まず、携帯電話基地局向け高出力増幅器において、管から半導体への置き換えとして、気象レーダ向け高出力増幅器の例を述べる。最後に、マイクロ波加熱向けに、低コスト化のために GaNonSi を用いた SSPAの応用例について述べる。

02018

3-1. 携帯電話基地局向け高出力増幅器

発表年

携 帯電話基地 局向け高出 力増幅器に は、従来

図 2-1 GaN トランジスタの発表年に対する

Si-LDMOS（Lateral Double diffused Metal Oxide

ゲート長および fT の関係

Semiconductor）が用いられてきたが、携帯電話システムで扱う高周波信号の高周波化および広帯域化の流2-2. 高出力化れをうけ、GaN が台頭している。

出力電力を増加させる手段として一般的なのは、

図 3-1 に、第 4 世代携帯電話基地局向け 3.5GHz 帯

SSPA 化である。本項において SSPA とは、半導体高GaN 高出力増幅器[5]を示す。ディジタル変調された高出力増幅器を複数組み合わせて、さらなる高出力化や周波信号の平均出力電力時に高効率な特性を実現する高機能化を実現する増幅器システムのことを指す。例

ためにドハティ増幅構成を採用し、平均出力電力 4W

えば、半導体高出力増幅器を N 個並列合成することで、時 に効 率 51.2% を 達 成し てい る。本 増幅 器は、理想的には N 倍の出力電力が得られる。これは、位相Si-LDMOS では困難な 3.5GHz 周波数帯での高出力増

コヒーレント性を有する半導体ならではの特長である。

幅器の高効率特性を、GaN を活用することにより実現

図 2-2 に、GaN SSPA の動作中心周波数と出力電力のした一例である。

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実現している。増幅器単体としての出力電力レベルは真空電子管のそれに比べて見劣りするものであるが、SSPA 化によって、レーダシステムとして 10kW 級の出力電力を得ることが可能である。

図 3-1 第 4 世代携帯電話基地局向け 3.5GHz 帯GaN 高出力増幅器[5]さらに近年では、GaN の有する特徴を生かした高出力増幅器のさらなる広帯域化の開発が進められている
図 3-3 C 帯気象レーダ向け GaN 高出力増幅器[10][6]-[9]。図 3-2 に、2 セル分散型広帯域 GaN 高出力増幅器[6]を示す。2 つの GaN 高出力増幅器を並列配置し、3-3. マイクロ波加熱向け SSPA

各周波数帯で基本波および 2 倍波インピーダンスの最適化をはかることにより、0.85GHz から 2.7GHz の広マイクロ波を用いた産業用加熱（マイクロ波加熱）

帯域にわたり出力電力 20 W 以上、効率 46%以上を達

は、食品や印刷物のインク等を乾燥する手段として、成している。このように、従来 Si-LDMOS が独占してすでに実用化されている。また、化学反応装置においいた携帯電話基地局向け高出力増幅器において、今後ては、マイクロ波加熱を用いることで試料を内部からGaN の適用領域がますます拡大していくものと考え加熱でき、従来の外部加熱方式に比べ収率が劇的に改る。

善されることが知られており、そのような分野での製品出荷も始まっている。
図 3-4 に、マイクロ波加熱炉のイメージを示す。従来、マイクロ波加熱源には、その高出力電力特性ゆえ、真空電子管であるマグネトロンが主に用いられていた。
一方、半導体である GaN SSPA は、増幅器単体の出力

図 3-2 2 セル分散型広帯域 GaN 高出力増幅器[6]電力はマグネトロンに劣るものの、その位相コヒーレンス性を活用することで、位相制御による空間電力合3-2. 気象レーダ向け高出力増幅器成が可能である。これにより、合成した出力電力はマ

C 帯気象レーダ向け高出力増幅器には、従来クライグネトロンに遜色ないレベルまで引き上げることがでストロンが用いられていたが、電波資源有効利用の観きる。上述の特長に加え、この位相制御技術を応用す点から、低雑音化が必要となっている。ここでいう低ることにより、加熱炉内におけるマイクロ波の分布を雑音化とは、レーダ帯域外への不要放射を低減し他シ制御し、加熱効率を高めることも可能となる。

ステムへの干渉を抑えることであり、高周波信号を高精度に波形整形することが可能な半導体でしか実現し得ない要求である。
図 3-3 に、C 帯気象レーダ向け GaN 高出力増幅器[10]を示す。本増幅器は、4 つの GaN チップからの出力電力を低損失に合成するための非対称トーナメント

図 3-4 マイクロ波加熱炉のイメージ（左：マグネトロ型回路を採用しており、出力電力 250W、効率 56%をンを用いた場合、右：GaN SSPA を用いた場合）

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このように、GaN SSPA は多くのメリットがあるが、Mobility Transistors With fT/fmax of 454/444 GHz,”

真空電子管に比べて出力電力当たりのコストが高いとIEEE Electron Device Letters, Vol. 36, No. 6, June

いうデメリットもある。これを解決する一つの手段と2015.

して、通常 GaN SSPA に用いられる SiC 基板を、安[2] G. Solomon, D. Riffelmacher, R. Snyder, M. Tracy

価な Si 基板に置き換える方法（GaNonSi）がある。

and T. Treado, “The VSS3605, a 13-kW S-band Gan

Si 基板は SiC 基板に比べて高周波信号の損失が大きい

power

ことが知られているが、S 帯などの比較的低い周波数

Technology Symposium 2013.

帯においては、実用上問題のないレベルである。図 3-5[3] PB-SAPPH-Ku-2500-13155 Data Sheet,に、GaNonSi を用いたマイクロ波加熱向け 2.45GHz

Advantech Wireless.

帯 GaN SSPA[11]を示す。本 SSPA は 190W 級高出力

[4] PB-MENTOR-Ka-500-13325 Data Sheet,

増幅器を 4 合成することで出力電力 500W を得ており、Advantech Wireless.

高周波高出力半導体増幅器として、低コストと高出力[5] 藤原、小坂、岡村、長明、堀口、佐々木、井上、片を同時に実現している。

山、”3.5GHz 帯小型基地局用 GaN HEMT ドハティ増Phasedamplifier,”

Array

Systems&幅器”、2016 年電子情報通信学会総合大会、C-2-11[6] C. M. Andersson, E. Kuwata, Y. Kawamura, S.
Shinjo and K. Yamanaka, “A 0.85-2.7 GHz two-cell
distributed GaN power amplifier designed for highefficiency at 1-dB compression”, Proceeding of theEuropean Microwave Week 2015.
[7] J. Shao, R. Ma, K.H. Teo, S. Shinjo and K. Koji,
図 3-5 マイクロ波加熱向け 2.45GHz 帯“A Fully Analog Two-Way Sequential GaN PowerAmplifier

GaN SSPA[11]with40%FractionalBandwidth”,

Proceeding of the IEEE International WirelessSymposium 2016.

本節への謝辞本研究は、国立研究開発法人新エネルギー・産業技[8] J.J. Yan, Y-P Hong, S. Shinjo, K. Mukai and P..M.

術総合開発機構（NEDO）の「クリーンデバイス社会

Asbeck,”Broadband High PAE GaN Push-Pull

実装推進事業／省エネルギー社会を実現する高効率高Power Amplifiers for 500MHz to 2.5 GHz Operation”,

出力マイクロ波 GaN 増幅器」の成果である。

Proceeding of the IEEE International MicrowaveSymposium 2013.
[9] R. Ma, S. Goswami, K. Yamanaka, Y.

4. むすび
本稿では、近年盛んに研究されている GaN を中心に、

Komatsuzaki and A. Ohta, “A 40-dBm High Voltage

高周波高出力半導体の現状動向を示すとともに、そのBroadband GaN Class-J Power Amplifier for PoE

応用例として携帯電話基地局向け高出力増幅器、気象Micro-Basestations”,レーダ向け高出力増幅器およびマイクロ波加熱向けInternational Microwave Symposium 2013.

SSPA の概要について述べた。

[10] 三菱電機広報発表「5GHz 帯高効率高出力 GaN

ProceedingoftheIEEEデバイスを開発」, 2014 年 2 月.
参考文献[11] 三菱電機広報発表「GaN 増幅器モジュールを加熱[1] Y. Tang, K. Shinohara, D. Regan, A. Corrion, D.

源とする産業用マイクロ波加熱装置を開発」, 2016 年

Brown, J. Wong, A. Schmitz, H. Fung, S. Kim and M.

1 月.

Micovic, “Ultrahigh-Speed GaN High Electron10