情報通信

高信頼性携帯電話基地局用
G a N H E M T の開発
一・出＊口原要・生松田敦・井上八巻蛯新史博昭・宇井均・西和孝・佐野範

彦眞弘

征吾

Development of High Reliability GaN HEMT for Cellular Base Stations ─ by Fumikazu Yamaki, Hiroaki Deguchi,Norihiko Ui, Kaname Ebihara, Hitoshi Haematsu, Masahiro Nishi, Atsushi Nitta, Kazutaka Inoue and Seigo Sano ─
In the 3rd generation mobile communication systems such as W-CDMA, data traffic by cellular phones and otherwireless tools has been steadily increasing. The data traffic is expected to further increase due to the wide spreaduse of smartphones and the introduction of WiMAX and LTE services that offer high-speed, high-capacity datatransmission. A GaN (gallium nitride) HEMT (high electron mobility transistor) is suitable for the high-speed, highpower application owing to its excellent material properties. Although the actual products have been released for thecellular base station application, there are few reports studying the reliability of the GaN HEMT in detail. In thispaper, we demonstrate the ruggedness and reliability of the GaN HEMT in several tests and describe theperformance of the latest 500W class asymmetric Doherty amplifier with the GaN HEMT.
Keywords: GaN HEMT, base station, reliability, ruggedness, amplifier

1.

緒

2.

言

携帯電話などの無線通信システムは、W-CDMA ※ 1 に代GaN HEMT 技術
2−1

表 1 に無線通信用に使われる主要な材料物性表される第 3 世代システム以降、音声通信だけでなくデー半導体材料の物性値を示す。GaN は Si や GaAs と比較してタ通信量も増加の一途をたどっている。近年は、さらに高2 倍以上の飽和電子速度（Vsat）と、Si の 10 倍、GaAs の 7.5

サービ倍の絶縁破壊電界強度（Ec）を有する。高周波、高出力素スも開始され、加えてスマートフォンの普及もあり、通信子の性能比較には飽和電子速度と絶縁破壊電界強度に対し量は今後爆発的に増加すると予測される。このような状況て、Vsat･Ec/2πを指標とする Johnson 性能指標が用いられにおいて、携帯電話基地局に使われる増幅素子にも、高速、るが、この Johnson 性能指標で比較すると、GaN は Si と高出力かつ高効率特性が要求され、従来おもに使われてき比較して 27 倍、GaAs と比較しても約 15 倍と圧倒的な優速大容量のデータ通信が可能な WiMAX 、LTE＊

た Si-LDMOS※3、GaAs FET※4※2

ではその要求性能を満たす位性を有している。

ことが難しくなってきている。
バンドギャップが大きく、高破壊電圧、高飽和電子速度

表1と言った優れた特性をもつ窒化ガリウム高電子移動度トラ

主要な半導体材料物性一覧

ンジスタ GaN HEMT ※ 5 は高速、高出力増幅素子に適しており、製品化され始めている。一方で、GaN HEMT の信Si

GaAsSiCGaN

バンドギャップ（eV）

1.1

1.4

3.2

3.4飽和電子速度（×107cm/s）

1.0

1.3

2.0

2.7

絶縁破壊電界強度（MV/cm）

0.3

0.4

3.0

3.0

し、製品出荷数はこれまでに 100 万個を越えて電子移動度（cm /V･s）

1300

6000

600

1500いる。今後は携帯電話基地局用途に限らず、携帯電話基地熱伝導率（W/cm･K）

1.5

0.5

4.9

1.5

局間通信や衛星通信、レーダーなどといったアプリケー

Si を 1 としたときのJohnson 性能指標

1.0

1.7

2027

頼性に関する詳細な報告 は少ない。
（1）

当社は、世界で初めて携帯電話基地局用 GaN HEMT を製品化

（2）、
（5）

ションへの応用も検討されており 、ますます需要の伸び（3）2が期待されている。
本論文では、これまでに検証したさまざまな耐久性、信頼性に注目して報告するとともに、GaN HEMT を使ったドハティーアンプ

※6の特性も紹介する。

2−2GaN HEMT 構造

熱伝導性に優れた半絶縁性

SiC 基板に GaN HEMT を形成することで、良好な放熱特性を実現できる。また AlGaN/GaN ヘテロ接合と、GaN の2 0 1 3 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 2 号 −（ 75 ）−結晶構造に由来した自発分極とピエゾ分極により、1 ×10 1 3 cm - 2 以 上 の 高 濃 度 の 二 次 元 電 子 ガ ス を 発 生 で き 、

3.

耐久性と信頼性
3−1

安全動作領域の検証

一般的に信頼性を論ずに代表される長期信頼性がGaAs を用いたデバイスと比較して 10 倍の高出力化も実現る場合、平均故障時間 MTTF可能である。ゲート長は携帯電話基地局用デバイスとして注目されるが、製品化においてはさまざまな動作環境にお十分な利得が得られる最適値に設定した。

ける負荷耐久性が重要である。

※7

さらに GaN HEMT の信頼性確保のための重要なポイン負荷耐久性を検証するにあたり、まず RF 動作時にデバトがゲートリーク電流の制御である。これまでの技術開発

イスに印加される電圧を評価した。実際に動作中の印加電過程において、10-6A/mm オーダーにゲートリーク電流を圧を測定することは難しいため、シミュレーションにより抑制することが必要と判断し、当社の GaN HEMT は素子見積もった。このときの RF 動作は高効率アンプの回路方の最表面を適切にプロセス処理して、これを実現している。

式に用いられる逆 F 級動作※8 を想定した。

次に電流－電圧特性を図 1 に、三端子耐圧特性を図 2 に示す。最大飽和電流 Imax は 600mA/mm、三端子耐圧は周波数 2.1GHz、ドレイン電圧 50V、5dB 利得圧縮時出力電力 P5dB でのドレイン電圧波形を図 3 に示す。最大ドレ250V である。最大飽和電流と三端子耐圧はトレードオフ

イン電圧は 160V と見積もられた。従ってデバイスの三端の関係にあり、これらの特性は Si や GaAs を材料にした他子耐圧は少なくとも 160V 以上必要であるが、図 2 で示したの半導体素子では実現し得ない。GaN HEMT が高出力素

とおり GaN HEMT の三端子耐圧は 250V であり、RF 動作子として非常に優れていることを証明している。

時の最大ドレイン電圧に対して十分な耐圧を有している。

0.7200Vgs = -3 to +2V
0.5V step

0.5
0.4
0.3
0.2

1601401201008060
400.1
0.0180ドレイン電圧（V）

ドレイン電流（A/mm）

0.6200102030

405060708090 100

00.E+00

2.E-10ドレイン電圧（V）

図1

図3電流−電圧特性

6.E-10

時間（秒）8.E-10

1.E-09逆 F 級動作での P5dB 出力時ドレイン電圧波形

次に安全動作領域 ASO（Area of Safe Operation）に1.E-03

ついて述べる。半導体素子はその材料やプロセス技術に依

Vgs = -7V
ドレイン電流（A/mm）

4.E-10存して、印加できる電圧と温度が制限され、破壊せずに動8.E-04

作できる領域を安全動作領域と呼ぶ。言い換えれば、安全6.E-04

動作領域が広い素子ほど、高出力、高温動作に適した増幅

4.E-04図 4 に、一般的に無線通信用の高出力素子に要求される素子と言える。
保証温度である 200 ℃での GaN HEMT の安全動作領域と、逆 F 級動作時のロードラインを示す。ロードラインは、

2.E-04

前述のドレイン電圧波形のシミュレーションと同様、ドレ0.E+00

050

100150200250300

ドレイン電圧（V）

図2三端子耐圧特性

イン電圧 50V、出力電力は P5dB を想定した。なおデバイスの自己発熱によるチャネル温度の上昇を避けるため、
DC バイアスはパルス印加して安全動作領域を評価している。200 ℃という高温においても、逆 F 級動作時のロードラインは安全動作領域内にあり、デバイスは破壊することなく動作可能なことを証明する結果である。

−（ 76 ）− 高信頼性携帯電話基地局用 GaN HEMT の開発

3−30.4

ドレイン電流（A/mm）

0.35

315 ℃の 4 条件に振って高温 DC 通電試験を行った。このASO line

0.3

試験から活性化エネルギー Ea は 1.6eV と見積もられた。

0.25

図 6 にこの Ea を用いて MTTF を計算した結果を示す。デ0.2

バイスのチャネル温度が 200 ℃のときの MTTF は 1.07 ×0.15

106 時間（約 122 年）と見積もられた。

0.1

実際に当社 GaN HEMT の市場故障率は 5Fit 以下と非常

0.050

最後に長期信頼性について述べ

長期信頼性る。デバイスのチャネル温度を 250 ℃、275 ℃、300 ℃、に小さく、市場実績からも十分な負荷変動強度と長期信頼050100150200性を有することが実証されている。

250

ドレイン電圧（V）

図4P5dB 出力時ロードラインと 200 ℃での安全動作領域

1.E+10
1.E+09

ここ平均故障時間（時間）3 − 2 負荷変動および過入力信号に対する耐久性

までは、GaN HEMT の特性を最大限に引き出すために最適なインピーダンスに整合をとった状態で評価を行った。しかし実際に市場に出た場合は、予期しない状態に対する耐久性も考慮しておく必要があるため、最悪負荷条件（高 VSWRを想定して、ロードプル

※10）

※9

測定系で VSWR10:1、RF 連続信号、飽和動作条件で位相を変化させてデバイスを評価したが、1.E+081.E+07
1.E+06
1.E+05
1.E+04

破壊、特性劣化は見られなかった。
さらに、通常は設計時に規定した電力以上の RF 信号が1.E+03
120

デバイスに入力されることはないが、市場においては予期140160180200220240260

デバイスのチャネル温度（℃）

しない信号が過入力される可能性もある。そこで 13dB 利
得圧縮時出力電力 P13dB まで RF 信号を過入力してデバイ

図6

高温 DC 通電試験から予測した平均故障時間ス特性を評価した。図 5 に過入力試験での出力電力の変動を示すが、デバイスの破壊や特性劣化は見らなかった。

これらの結果は、当社の GaN HEMT が市場における予期しない負荷変動や信号の過入力においても十分な負荷変動強度を有し、安定動作が可能なことを示している。

4.

2.6GHz 高出力 GaN HEMT デバイス
300W 級と 200W 級の GaN HEMT デバイスを組み合わせた 500W 級の非対称ドハティーアンプを作製した。写真 1にドハティーアンプの写真を、図 7 と図 8 に入出力特性及び効率特性を示す。2.6GHz 帯において飽和出力 57.3dBm

1

周波数2.1GHz
ドレイン電圧50V

出力電力の変動量（dB）

0.80.6（537W）、13.5dB の線形利得、50 ％以上のドレイン効率を達成した。
一方で、携帯電話などの無線通信システムでは高効率特0.4性を維持しつつ歪み特性を向上させる必要があり、そのた0.2めに DPD（Digital Pre-Distortion）による歪み補償を行0うことが一般的である。図 9 に、市販されている DPD 装置-0.2を用いた W-CDMA 信号入力時の歪み補償時の特性を示す。

-0.4-0.6

飽 和 出 力 電 力 か ら 7dB バ ッ ク オ フ し た 平 均 出 力 電 力-0.850.3dBm（107W）において、歪み特性を示す隣接チャネ-1

initial

P5dB

P7dB

P9dB

P11dB

過入力した出力電力（dBm）

図5RF 過入力試験での出力電力の変動

P13dB

ル漏洩電力比 ACLR（Adjacent Channel Leakage Ratio）
は 5MHz 離調時に-50.6dBc を達成し、そのときのドレイン効率は 48 ％が得られた（4）。これらは今後さらに高周波、高出力、低消費電力化することが予想される携帯電話基地

2 0 1 3 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 2 号 −（ 77 ）−80-25特性である。
隣接チャネル漏洩電力比（dBc）

300W

DPD-oﬀ
ACLR（5MHz離調）-30

70-3560-4050-4540

DPD-onDrain Eﬃ.

-5030

DPD-onACLR（5MHz離調）-55

2010-60200W-65

ドレイン効率（％）

局システムにおいて、当社の GaN HEMT の優位性を示す

44454647484950510

平均出力電力（dBm）

図9
写真 1500W 級非対称ドハティーアンプ24605820結言

18521650144812得（dB）

携帯電話をはじめとする無線通信用のデバイスにはます544610

利出力電力（dBm）

5.

22

周波数2.655GHz
ドレイン電圧50V56

非対称ドハティーアンプの DPD 補償時の特性

448426404ンプを作製し、当社の GaN HEMT が十分なデバイス特性382を有していることを示した。今後も WiMAX、LTE をはじ

36024 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

入力電力（dBm）

図7

ます高周波、高出力、低消費電力化が要求されており、
GaN HEMT はその材料物性からこれらのアプリケーションに適したデバイスである。一方で製品化のためには、従来以上に詳細な信頼性検証が必須になってきている。
本論文は、GaN HEMT の耐久性、信頼性に注目して報告するとともに、2.6GHz 帯 500W 級非対称ドハティーア

めとする次世代携帯電話基地局システムに適した技術開発、製品化を進めていく。

非対称ドハティーアンプの入出力特性＊WiMAX は、米国 WiMAX Forum の米国及びその他の国における商標または登録商標です。

60
2.62GHz

ドレイン効率（％）

552.655GHz
2.69GHz50

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

45※140Wideband Code Division Multiple Access ：第 3 世代携
帯電話の通信方式の 1 つ。第 2 世代に比べて高品質な通話35と高速データ通信が特徴。

30

※225
20W-CDMA-14 -13-12 -11-10-9-8-7-6-5-4

飽和出力電力からのバックオフ量（dB）

図8

非対称ドハティーアンプのドレイン効率特性−（ 78 ）− 高信頼性携帯電話基地局用 GaN HEMT の開発

LTELong Term Evolution ：第 3 世代携帯電話の後継システム
で第 3 世代と同一の周波数帯を利用して、より高速なデータ伝送を特徴とする。

※3Si-LDMOS

Si-Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor ： Si
横方向拡散 MOS 型トランジスタの略で Si を使った半導体

参考

文

献

（1） F. Yamaki, et al.,“Ruggedness and Reliability of GaN HEMT”, IEEE
EuMIC Digest, pp. 328-331, Manchester, UK（October 2011）

デバイス。

（2） 井上和孝 他、｢携帯電話基地局用窒化ガリウム電力増幅器（GaNHEMT）の開発｣、SEI テクニカルレビュー第 177 号、pp.97-102（July 2010）※4（3） 水野慎也 他、｢マイクロ波無線通信用 GaN HEMT の開発｣、SEI テク
ニカルレビュー第 180 号、pp.65-68（January 2012）

GaAs FET

Gallium Arsenide Field Effect Transistor ：素材にガリウム砒素を用いている高周波増幅に適した電界効果型トランジスタ。シリコンに比べ、電子が 5 倍近いスピードで移動できることから、マイクロ波増幅用等に適している。
※5（4） H. Deguchi, et al.,“A 2.6GHz Band 537W Peak Power GaN HEMT
Asymmetric Doherty Amplifier with 48% Drain Efficiency at 7dBBO”, IEEE Int. Microwave Symposium Digest, pp. 1-3, Montreal,
Canada（June 2012）（5） http://www.sedi.co.jp/products/wireless/index.html

HEMTHigh Electron Mobility Transistor ：高電子移動度トランジスタ。半導体ヘテロ接合界面に二次元電子層を形成したことを特徴とする。低雑音、高利得の特性を持っている。
※6執筆者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------八巻

史 一＊：住友電工デバイス・イノベーション㈱電子デバイス事業部 マネージャー

出口博 昭 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱電子デバイス事業部 マネージャー

宇井範 彦 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱電子デバイス事業部 マネージャー

蛯原

要 ：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

生松

均 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱電子デバイス事業部 マネージャー

西眞 弘 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱電子デバイス事業部

新田

敦 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱品質保証部 マネージャー

ドハティーアンプ

増幅器の高効率化技術の 1 つ。2 つのデバイスを用い、出力が小さい領域でも高効率が得られることが特徴。2 つのデバイスの出力が異なる場合は非対称ドハティーアンプと呼ぶ。
※7

MTTF

Mean Time to Failure ：半導体素子が稼働開始してから故障するまでの平均時間。
※8

逆 F 級動作増幅素子の動作方式の 1 つで、電圧振幅波形が半波正弦波、電流振幅波形が方形波で、それぞれの振幅波形が重ならないため増幅器の高効率化が図れる。
※9

VSWR

Voltage Standing Wave Ratio ：電圧定在波比のことで、

井上

和 孝 ：伝送デバイス研究所

佐野征 吾 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱電子デバイス事業部 プロジェクトリーダー

グループ長------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者

電圧定在波の極大、極小の比。負荷整合状態を示すパラメータとして用いられる。
※ 10 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デバイス特性を評価できる。

2 0 1 3 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 2 号 −（ 79 ）−