17 November 2023
世界最高の高出力密度を実現した窒化ガリウムトランジスタ（GaN HEMT）を開発 ―ポスト5G基地局向け増幅器の小型化?高性能化に貢献D
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NEDO（国立研究开発法人新エネルギー?産業技術総合開発機構）
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住友电気工业株式会社
NEDOの委託する「ポスト５G情报通信システム基盤強化研究开発事業」（以下、本事業）の一環で住友电気工业株式会社（住友電工）は、新規結晶技術を用い従来比で2倍となる高出力密度を実現した窒化ガリウムトランジスタ（GaN HEMT）を開発しました。
開発したGaN HEMTは、新規結晶技術により、窒素（N）極性でGaN結晶の高品質化を実現し、さらにn+ GaNの採用やハフニウム（Hf）系のゲート絶縁膜の形成技術を組み合わせました。この結果、2A／mm超の最大電流と60V超の高耐圧を両立させ、N極性GaN HEMTとして世界最高値である、周波数28GHzでの最大出力密度12.8W／mmを達成しました。
本技術の開発成果は、ポスト5G情报通信システムの中核をなす、基地局向け増幅器へ実装されることで、小型化?高性能化に貢献します。
1．背景
ポスト5Gで必須となる高速?広帯域無線通信網において、通信基地局の中核となる高周波増幅器は、さらなる小型化?高出力化が求められています。4G以降、増幅器には、低消費電力性に優れるGaN HEMT※1の利用が急速に进んでいます。しかし、既存技术では高出力化への限界が近づいており、抜本的な特性改善につながる新技术が期待されています。
このような背景の下、狈贰顿翱は、2020年度から本事业※2で高出力増幅器の開発に取り組んでいます。その一環として、住友電工は、新規結晶技術を用いた新しいGaN HEMTの技術開発に取り組んでいます。
2．今回の成果
（1）新規結晶（N極性）を用いたGaN HEMTの開発
従来、GaN HEMTにはGa極性が広く用いられてきました。一方でN極性を用いると、素子設計の自由度が高まり、二次元電子濃度の上昇が容易なため、GaN HEMTのさらなる高周波化?高出力化を実現する技術として注目されています。しかし、N極性のGaN結晶は、ヒロックと呼ばれる結晶欠陥が生じやすいため結晶品質を高めることが難しく、また、N極性のGaN HEMTの実現には高品質なゲート絶縁膜の開発が必要という課題もありました。本事業では、ヒロックのない高品質なN極性結晶を実現するとともに、電子を供給するバリア層などの最適化を進めて250オームパースクエア（Ω／□）と極めて低いシート抵抗を持つ結晶成長を実現しました。また、n+ GaN形成技術※3を开発し、オーミック电极※4の接触抵抗を0.13オームミリメートル（Ω?mm）へと低減させることに成功しました。さらにハフニウム（Hf）系のゲート絶縁膜の高品質化技術と組み合わせ、GaN HEMTの電流値増大による出力密度の飛躍的な向上を実現しました。
（2）新開発GaN HEMTの特性、出力密度
今回開発したN極性GaN HEMTの電流電圧特性は、ミリ波帯向けのデバイスにおいて従来技術であるGa極性を大きく上回る2A／mmを超える最大電流を実現しながら、耐圧も60V以上へ向上させ大電流と高耐圧を両立しました（図2）。また、開発したN極性結晶を用いたGaN HEMTの高周波特性は、測定周波数28GHzにおいて最大出力29.8dBmが得られ、トランジスタのゲート幅で換算すると12.8W／mmの最大出力密度を達成しました（図3）。この出力密度は、従来技術と比較して2倍を超えるとともに、N極性として世界最高値を実現※5しました。
3．今后の予定
本技術の開発成果は、ポスト5G情报通信システムの中核をなす基地局向け増幅器への実装で、小型化?高性能化に貢献します。そのため、NEDOと住友電工は実用化のため、新規結晶やゲート絶縁膜の信頼性向上および広帯域増幅器の技術開発を継続事業の中で進めます。
また、NEDOは本技術をはじめ、今後もポスト5Gに対応した情报通信システムの中核となる技術を開発することで、日本のポスト5G情报通信システムの開発および製造基盤の強化を目指します。
なお、住友電工は本成果を窒化ガリウムに関する最大の国際学会であるICNS 14※6で报告します。
【注釈】
※1 GaN HEMT
高周波特性に優れる高電子移動度トランジスタ（High Electtiron MobilityTransistor）に、次世代の半导体材料として適用範囲が拡大している窒化ガリウム（GaN）を適用し、出力や消費電力などの特性を飛躍的に向上させたデバイスです。
＜ご参考＞住友电工グループ未来构筑マガジン痴辞濒.11 2020「颈诲」
高速大容量通信を担う革命的デバイス ～「GaN-HEMT」、開発の軌跡～
※2 本事业
事業名：ポスト5G情报通信システム基盤強化研究开発事業／ポスト5Ｇ情报通信システムの開発／新規結晶成長製造技術と、それを用いた高出力GaNデバイスの研究开発
事业期间：2020年度～2023年度
事业概要：
※3 n+ GaN形成技術
GaN HEMTの接触抵抗を低減するためには、二次元電子とオーミック電極とを接合するのではなく、間に低抵抗となる高濃度n型ドープ層を挿入することが効果的です。この高濃度n型ドープGaN（n+ GaN）を形成するための技術です。
※4 オーミック电极
GaN HEMTで電流経路のソース?ドレイン電極を二次元電子と低抵抗で接合させるための電極です。低抵抗化には限界があり、n+ GaN形成技術による低抵抗化のさらなる研究が進んでいます。
※5 狈极性として世界最高値を実现
2023年9月以前に報告されたN極性GaN HEMTの最大出力との比較です。（住友電工調べ）
※6 ICNS 14
2023年11月12日より福冈県で开催の「」
4．问い合わせ先
（本ニュースリリースの内容についての问い合わせ先）
狈贰顿翱 滨辞罢推进部 担当：石田、釜泽 罢贰尝：044-520-5211
住友电工 広报部 広报グループ 罢贰尝：06-6220-4119（大阪）、03-6406-2701（东京）
（その他狈贰顿翱事业についての一般的な问い合わせ先）
狈贰顿翱 広报部 担当：柿泽、坂本（信）、瀧川、山脇
罢贰尝：044-520-5151 贰-尘补颈濒：苍别诲辞冲辫谤别蝉蝉摆*闭尘濒.苍别诲辞.驳辞.箩辫
贰-尘补颈濒は上记アドレスの摆*闭を蔼に変えて使用してください。
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