世界最高クラスの高出力密度のGaN HEMTを開発：材料技術

住友電工は、NEDOが委託する「ポスト5G情報通信システム基盤強化研究開発事業」の一環で、新規結晶技術を用いて従来比で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を開発したと発表した【訂正あり】。

[遠藤和宏，MONOist]

　住友電気工業（住友電工）は2023年11月17日、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）が委託する「ポスト5G情報通信システム基盤強化研究開発事業」の一環で、新規結晶技術を用いて従来比で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）を開発したと発表した。

【訂正】初出時に、記事のタイトルに誤った素材名を掲載していました。お詫びして訂正致します。

出力密度は従来技術と比べ2倍

　これまでGaN HEMTにはGa極性が広く用いられてきた。一方、素子設計の自由度が高まり、二次元電子濃度の上昇を容易とするN極性の採用が、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る。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い他、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った。

　そこで、ポスト5G情報通信システム基盤強化研究開発事業では、ヒロックがない高品質な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た。

　また、GaN HEMTの接触抵抗を低減する高濃度n型ドープGaN（n+GaN）を形成するためのn+GaN形成技術を開発し、オーミック電極の接触抵抗を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。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達成している。

N極性GaN HEMTの電流電圧特性（左）と高周波特性（右）［クリックで拡大］ 出所：住友電工

　加えて、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た。さらに、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の最大出力密度を実現した。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達成している。

従来の結晶（Ga極性）を用いたGaN HEMT（左）と開発した新規結晶（N極性）を用いたGaN HEMT（右）［クリックで拡大］ 出所：住友電工

　同技術の開発成果は、ポスト5G情報通信システムの中核を成す基地局向け増幅器への実装で、小型化／高性能化に貢献する。NEDOと住友電工は同技術を実用化するために、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する。

　NEDOは同技術をはじめ今後もポスト5Gに対応した情報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情報通信システムの開発と製造基盤の強化を目指す。なお、住友電工は今回の成果を窒化ガリウムに関する最大の国際学会「ICNS 14」で報告する見込みだ。

開発の背景

　ポスト5Gで必須となる高速／広帯域無線通信網で、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る。4G以降、増幅器には、低消費電力性に優れるGaN HEMTの利用が急速に進んでいる。しかし、既存技術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術が期待されている。

　このような背景の下、NEDOは、2020年度からポスト5G情報通信システム基盤強化研究開発事業で高出力増幅器の開発に取り組んでいる。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の技術開発を推進している。

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