無線アクセス用ミリ波帯無線伝送システムの実現のための基盤技術の研究開発 パナソニック株式会社富士通株式会社独立行政法人情報通信研究機構

無線アクセス用ミリ波帯無線伝送システムの

実現のための基盤技術の研究開発

パナソニック株式会社

富士通株式会社

電波資源拡大のための研究開発

「無線アクセス用ミリ波帯無線伝送システムの実現のための基盤技術の研究開発」

研究開発概要 30 GHz以下の周波数帯を利用している無線アクセス用伝送システムを未利用周波数帯へ移行するため、 ミリ波帯において高耐圧特性を有する窒化ガリウム(GaN)系HEMT(HFET)構造技術、GaN系HEMTを用いた 高出力ミリ波増幅器等のMMIC技術等の研究開発を行う。 距離：数十km以上 (a) 離島間通信 (b) ビル間通信 距離：数～数十km以上 30 GHz以上のミリ波帯で動作する 高出力増幅器(PA)の開発が必須 GaN系HFETを用いたミリ波無線通信用 送受信装置の実現 成果目標

「無線アクセス用ミリ波帯無線伝送システムの実現のための基盤技術の研究開発 」

実施体制

電波資源拡大のための研究開発

① 成果目標 GaN系HFETを用いたミリ波無線通信用送受信装置の実現 ② 研究開発体系と研究開発手法

研究開発内容

研究責任者：田中毅 ア）低ｺｽﾄ基板技術を用いたGaN系HFETの高周波化・高出力化に関する研究開発 イ）高出力GaN系HEMTの超高周波化(70-90GHz)に関する研究開発 ・担当（パナソニック）： 研究リーダー（上田、酒井、按田）、研究者（西嶋他5名） ・担当（富士通）： 研究リーダー（吉川）、研究者（常信、今西、牧山、他11名） ウ）GaN系HFETの超高周波化技術に関する先行研究開発 ・担当（NICT)： 研究リーダー（広瀬）、研究者（松井、渡邊、遠藤、山下） 研究開発体系 研究開発手法 ア） 低ｺｽﾄ基板技術を用いたGaN系HFETの高周波化・高出_{力化に関する研究開発} 低コストサファイア・Si基板を用いたGaN結晶成長・デ_{バイス・集積化技術開発} イ） 高出力GaN系HEMTの超高周波化(70-90GHz)に関する 研究開発 高放熱SiC基板を用いた結晶成長・絶縁ゲートデバイ ス開発・SiC上集積化技術開発 ウ） GaN系HFETの超高周波化技術に関する先行研究開発 超高周波化のための結晶成長における組成制御、極_{微細ゲートデバイスプロセス開発} 野島俊雄(北大） 江川孝志（名工大） 葛原正明（福井大） 運営委員会 動作周波数 出力電力 1W 10W 30GHz 100GHz ｱ)低コスト ｲ)高出力高周波 ｳ)超高周波化 田中毅（松下） 吉川俊英（富士通） 松井敏明（NICT)

ア）低コスト基板技術を用いたGaN系HFET

の高周波化・高出力化に関する研究開発

パナソニック株式会社 セミコンダクター社

半導体デバイス研究センター

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 20 40 60 80 中心からの距離(mm) μ (c m 2 / V se c ) 1.00E+12 3.00E+12 5.00E+12 7.00E+12 9.00E+12 1.10E+13 1.30E+13 N s( c m -2 ) 結晶成長技術

GaN系HFET構造の結晶成長に関する研究開発

カテゴリー 成果 結晶成長 技術 ・6インチ低コスト基板上で全面鏡面・クラックフリー成長及び良好な面内均一性を確認 (シート抵抗面内分布：Si上6.4%サファイア上8.4%)。 ・Si基板上で業界トップレベルの移動度1653cm2_/Vs実現。 ・6インチ基板を多数枚同時成長可能な独自仕様MOCVD装置を導入し、良好な均一性・再現性を確認。 6インチGaN結晶ウエハの外観写真 低コストGaNデバイスを用いた ミリ波送受信システム 変調器 復調器 発振器 PA LNA IF/BB Si基板上で検討 サファイア基板上で検討 変調器 復調器 発振器 PA LNA IF/BB Si基板上で検討 サファイア基板上で検討 Si基板上 サファイア基板上 Si上６インチ結晶の電気的特性 ６インチ多数枚 MOCVD成長時 面内均一性 Si上GaN結晶構造 1653cm2_/Vsec シート抵抗 ±6.4% シート抵抗 ±8.4% 0 0.5 1.0 1.5 -50 6インチウェハ内位置(mm) エ シ ー ト 抵抗 (規 格化 ) ウエハＡ ウエハＢ ウエハＣ -100 -150 0 50 100 150 0 0.5 1.0 1.5 -50 6インチウェハ内位置(mm) エ シ ー ト 抵抗 (規 格化 ) ウエハＡ ウエハＢ ウエハＣ -100 -150 0 50 100 150

20 25 30 35 40 45 25 30 35 40 Pin (dBm) P o u t (d B m ) 0 2 4 6 8 10 G a in (d B ) Pout Gain Psat=10.7W Vd=55V Vg pulse Id=166mA/mm f=26.5GHz 20 25 30 35 40 45 25 30 35 40 Pin (dBm) P o u t (d B m ) 0 2 4 6 8 10 G a in (d B ) Pout Gain Psat=10.7W Vd=55V Vg pulse Id=166mA/mm f=26.5GHz デバイス技術

GaN系HFETの高周波化・高出力化に関する研究開発

カテゴリー 成果 デバイス 技術

・ MOCVD成長装置にて結晶成長後に単結晶SiN膜を成長するIn situ SiN膜を用いたMIS型HFETを提 案、短ゲート長デバイスにおいて業界最高レベルのfmax 203GHzと高耐圧動作を実現。 ・ 多結晶AlN膜による表面熱放散パッシベーションを提案、熱抵抗の低減・高周波出力の増加を確認。 ・ Si基板上の送信用GaNデバイスにおいて26.5GHzで最大出力10.7Wを確認。 Si基板上GaN HFET及びパワー特性 AlNパッシベーション による放熱改善 GaN ドレイン ゲート スパッタ法による AlN (熱伝導率 SiNの約200倍) ソース AlGaN GaN ドレイン ゲート スパッタ法による AlN (熱伝導率 SiNの約200倍) ソース AlGaN GaN ドレイン ゲート スパッタ法による AlN (熱伝導率 SiNの約200倍) ソース AlGaN GaN ドレイン ゲート スパッタ法による AlN (熱伝導率 SiNの約200倍) ソース AlGaN AlN 膜厚 (µm) 0 熱 抵抗 R th ( ℃ /W ） 1 2 3 4 0 4 8 12 16 20 AlN SiN AlN 膜厚 (µm) 0 熱 抵抗 R th ( ℃ /W ） 1 2 3 4 0 4 8 12 16 20 AlN SiN SiNの 約1/2 GaN AlGaN In situ SiN ゲート ソース ドレイン GaN AlGaN GaN AlGaN In situ SiN ゲート ソース ドレイン In-situ SiN膜を用いた MIS-HFET構造と高周波特性 |h21|2 MSG/MAG VG=-3.9V, VD=20V Id=190mA/mm 利得 (d B) 周波数 (GHz) fT=71GHz fmax=203GHz 1 10 100 1000 |h21|2 MSG/MAG VG=-3.9V, VD=20V Id=190mA/mm 利得 (d B) 周波数 (GHz) fT=71GHz fmax=203GHz 1 10 100 1000 入力整合 出力整合 GaN-HFET 入力整合 出力整合 GaN-HFET

カテゴリー 成果 集積化 技術 ・低損失伝送線路を集積化するために、高出力短パルスレーザを用いたサファイア基板へ のビアホール形成技術を提案、サファイア基板上にマイクロストリップ線路を集積化し たGaN MMICの高利得動作を確認(2008年6月新聞発表)。 ・サファイア基板をパッケージの一部として使用し寄生インダクタンス低減・接地面安定 化が可能なチップサイズパッケージ技術を新たに提案、その高利得動作を確認。 集積化技術

GaN系HFETの集積化に関する研究開発

3段増幅器MMCのチップ写真 増幅器利得の周波数特性 50μm サファイア基板上のビアホールを有するGaN-MMIC MIM キャパシタ ﾏｲｸﾛｽﾄﾘｯﾌﾟ 線路 短ゲートMIS-HFET ビアホール サファイア基板 MIM キャパシタ ﾏｲｸﾛｽﾄﾘｯﾌﾟ 線路 短ゲートMIS-HFET ビアホール サファイア基板 2008年6月 新聞発表：26GHz帯で業界最高利得22dB実現 27 29 31 33 25 35 2 4 6 8 0 10 Frequency (GHz) Ga in (dB) Siキャップなし Siキャップあり 27 29 31 33 25 35 2 4 6 8 0 10 Frequency (GHz) Ga in (dB) Siキャップなし Siキャップあり 信号線ビアを用いた新しいGaNチップサイズパッケージ（CSP) 提案するGaN CSPの構造図 10 15 20 25 24 26 28 30 Frequency (GHz) G ai n ( dB ) 24 26 28 30 10 25 20 15 Frequency (GHz) G a in (dB) GaN 1段増幅器 CSPのチップ写真 GaN CSPの実装写真 増幅器利得の周波数特性

カテゴリー 成果 実用化 技術 ・ 25GHz帯小電力データ通信装置（パナソニック既存商品）をベースにしGaN電力増幅回路を含む ブースタモジュールを付加した実証実験機を作製。 ・情報通信研究機構と共同で東京都庁-田無タワー間16.1kmで無線伝送実験を実施。GaNデバイス による準ミリ波長距離伝送を実証。通信方式の制限なく晴天時には10W出力デバイスにより最大 で84kmの長距離通信が可能。 実用化技術

GaN系HFETを用いた長距離送受信実証実験

実証実験機の基本構成 V-ATT Drv. Amp Driver LNA 送受信機 本体 PA WR42 CPL スペアナ WR42 Coax/ WG CIRC WG 50Ω（WG） WR28 ビス位置 変換用治具 DC電源 DC電源 VG VD VG VD VG1 VD1 VG2 VD2(VG3) (VD3) FunDC電源 or 水冷ポンプ Iso V-ATT Drv. Amp Driver LNA 送受信機 本体 PA WR42 CPL CPL スペアナ WR42 Coax/ WG CIRC WG 50Ω（WG） WR28 ビス位置 変換用治具 DC電源 DC電源 VG VD VG VD VG1 VD1 VG2 VD2(VG3) (VD3) FunDC電源 or 水冷ポンプ Iso GaN増幅器搭載のブースターモジュール GaN PAモジュール 項目 小電力データ通信システム_{(メガビットエアー)} 今回の実証実験装置 送信電力 1mW (±0 dBm) 0.5W (+27dBm) 伝送方式 _{(1次変調: BPSK / QPSK / 16-QAM)}直交周波数分割多重(OFDM)方式 周波数 _{(20MHz間隔の12チャンネル)}24.85 ~ 25.25 GHz 25.07 GHz 伝送速度 36, 24, 18, 12, 9, 6 Mbps 36, 24, 18, 12, 9, 6 _Mbps 最大伝送距離 約3 km 約20 km (*) 受信感度 -66 dBm -75 dBm

アンテナ利得 32 dBi 送信_受信32 dBi_{36 dBi}

アンテナ半値幅 約4度 送信 約4度_{受信 約3度}

実証実験機の主要諸元

ブースター

イ）高出力GaN系HEMTの超高周波化

(70-90GHz)に関する研究開発

富士通株式会社

ネットワークプロダクト事業本部

【１】高fmax化に関する研究開発

(1) Ｙ型ゲート構造を開発し（図2-1)、さらに改良を加えて

ゲート長

60 nmにおいてMSG=12 dB@70 GHz

（図2-2） 。同時に

f

_MAX

=205-300 GHz

と世界最高性能を

得た（図2-2）。

70-90 GHzで動作可能な性能を実証

。

(2) ショットキーリセスゲート構造のミリ波への適用技術を開発し、

オン抵抗を20%低減し、gm25%増加

（図2-3）。

(3) MMICの高歩留まり化に向けて面内分布を検討し、

MMIC試作可能なVth分布

を得た(図2-4)。

・GaN 系HEMTで、 Fmax >200 GHz以上で70-90 GHzで動作可能なFmaxを得る。

・MMIC化に向けて高歩留まり化技術の開発を行う。

fT>100 GHz 10 20 30 40 50 60 10 20 30 40 50 60 0 1 10 100 0 1 10 100 Frequency (GHz) Ga in ( dB ) Gu V_ds = 10 V V_gs = -1 , -1.2V |H21|2 (Gamax) MSG, MAG (Gamax) MSG, MAG 改良Y型ゲート 従来Y型ゲート （L_g=0.06µm) （Lg=0.08µm) f_max=205-300 GHz 12 dB@70 GHz 0 50 100 150 200 250 300 -2 -1 0 1 2 3 4 Vgs (V) g m (mS /mm) 従来 3層Cap ﾘｾｽ ｹﾞｰﾄ gm 25%増加 図2-1 Y型ゲートの構造 _{図2-2 Ｙ型ゲート構造の} 高周波性能 図2-3 リセスゲート構造の特性

開発成果

最終目標

n-GaN n-AlGaN i-GaN S.I. SiC Sub.

n-GaN n-AlGaN

i-GaN S.I. SiC Sub.

-1.52 -1.51 -1.72 -1.65 -1.76 -1.72 -1.67 -1.74 発振 -1.52 -1.51 -1.72 -1.65 -1.76 -1.72 -1.67 -1.74 発振 図2-4 MMICプロセスのVth面内分布特性

・MIS 型ゲート電極構造で短ゲート化を行い、耐圧100 V以上を実証。

・MMIC化に向けて高信頼度化を実証する。

図2-5 ALDを用いた high-k絶縁膜の 短ゲートデバイスの 耐圧性能 図2-6 ALDを用いた短ゲート デバイスの高周波性能 図2-7 NiOバリア構造 図2-8 通電試験結果

【２】高耐圧化に関する研究開発

(1) MIS型短ゲートデバイスを開発し目標の

耐圧100 Vを達成

(図2-5)。

(2) high-k絶縁膜をミリ波で使用可能であることを実証（図2-6）。

(3) NiOをゲートエッジに用いた新規ゲート側面構造（図2-7）を開発。

(4)

簡易信頼度試験

を行い、劣化のないことを実証（図2-8）。

n型窒化アルミニウムガリウム 窒化ガリウム 半絶縁性炭化珪素基板 ゲート ドレイン 窒化珪素 酸化物 n型窒化ガリウム ソース ２次元電子ガス

NiOバリア

開発成果

最終目標

0 100 200 300 400 -6 -4 -2 0 2 V_gs(V) gm (m S /mm) 通電前 通電後 L_g=0.12µm V_ds=20V 0 100 200 300 400 -6 -4 -2 0 2 V_gs(V) gm (m S /mm) 通電前 通電後 L_g=0.12µm V_ds=20V Frequency (GHz) 1 10 100 G ai n ( dB ) 0 10 20 30 40 50 U Gamax |H₂₁|2 f_T=70GHz f_max=160GHz Lg=0.1µm Frequency (GHz) 1 10 100 G ai n ( dB ) 0 10 20 30 40 50 U Gamax |H₂₁|2 U Gamax |H₂₁|2 f_T=70GHz f_max=160GHz f_max=160GHz Lg=0.1µm

Lg = 0.1 µm

・70GHz 帯で出力電力１W 程度の高出力増幅器MMIC及び

出力電力20mW 程度の電圧制御発振器MMICを設計し、高帯域化する。

図2-9 設計した高出力増幅器のレイアウト例 図2-12 VCO出力予測@20 V 図2-13低雑音高利得増幅器の 周波数特性予測

【３】ミリ波設計技術に関する研究開発

(1) 接地コプレーナ型

1 W級MMIC

（図2-9,2-10）と

20 mW電圧制御発振器(VCO)

（図2-11,2-12）の設計完了。

(2) 受信側に適用可能な

低雑音高利得増幅器

（図2-13）を設計。

-15 -10 -5 0 5 10 15 -20 20 周波数(ＧＨｚ） S パ ラ メ ータ (d B ) m6 m6 freq= dB(S(2,1))=11.83276.50GHz

S21

S11

S22

50 60 70 80 90 100 図2-10 高出力増幅器の出力予測＠30 V 図2-11 設計したVCOのレイアウト例

開発成果

最終目標

Vg1 Vd1 Vg2 Vd2 Vg3 Vd3 OUT VCO予想出力電力（理想時） 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 freq[GHz] P o u t[ dB m ] 17.8 dBm 74.5 GHz VCO予想出力電力（理想時） 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 freq[GHz] P o u t[ dB m ] 17.8 dBm 74.5 GHz IN _OUT Vd1 Vd2 Vg1 Vd3 Vg2 Vd4 Vg3 Vd5 Vg4 Vd6 -10 -5 0 5 10 15 20 25 -15 30 5 10 15 20 25 30 0 35 1 2 3 4 5 6 0 7 RFpower O ut put P ow er (dB m ) & G ai n( dB ) m13 pow er -added ef fic ienc y ( % ) m14 m15 m13 indep(m13)= plot_vs(dBm(vout[::,1],Zload), RFpower)=31.57230.000 m14 indep(m14)= plot_vs(PAE1, RFpower)=0.82230.000 m15 indep(m15)= plot_vs(Gain, RFpower)=1.57230.000 O u t p u t P o w e r G a i n P . A . E .

開発成果

最終目標

・70GHz 帯で出力電力１W 程度の高出力増幅器MMICを試作する。

_{・送受信可能なMMICを試作する。}

図2-14 基板厚100 µmの Viaプロセス後のウェハ写真 図2-17 接地コプレーナ型 高出力３段MMIC写真 _{図2-19 試作したMMICのベンチマーク}

【４】MMIC作製と評価に関する研究開発

(1) 基板厚100

µmの3インチViaプロセスを確立し、Ls=20 pHの性能を得た（図2-14） 。

(2) ４段MMICを試作し、Viaによる安定化（図2-15）と

利得25.5 dB@76.5 GHzの世界最高

性能

を確認。

N

_F

=3.8 dB@80 GHz

（図2-16）をGaN-HEMTで初めて実証。

目標の受信側MMICの性能を実証した。

(3) 高出力３段MMICを試作し（図2-17） 、

1.3W@76.5GHzの出力の世界最高性能

を確認した

（図2-18、2-19） 。

目標の1Wを上回る成果であり、送信側MMICの性能を実証した。

図2-15 ViaによるＷ帯動作安定化 図2-16 試作した受信側MMICの雑音性能 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 60 70 80 90 100 K -fa c to r 周波数(GHz) With via Without via 不安定領域 図2-18 試作した高出力MMICの出力特性 Viaで安定化 This work 1 Ps at (W ) 110 90 Frequency (GHz) 50 80 120 2 60 0 1.5 0.5 70 100 InP (m)HEMT GaN HEMT GaAs HEMT InP (m)HEMT GaN HEMT GaAs HEMT NF=3.8 dB@80 GHz 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Input Power(dBm) 出力 (dB m )， 利得 (dB ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 効率 (% ) 実線・・・シミュレーション 破線・・・測定値 P_out=1.3 W @76.5 GHz 周波数(GHz) 周波数(GHz) 入力電力(dBm)

開発成果

最終目標

・70GHz 帯で20mW 程度の電圧制御発振器(VCO)MMIC を試作する。

_{・MMICを高帯域化する。}

図2-23 帯域10 GHz以上の確認

【４】MMIC作製と評価に関する研究開発

(4) VCOは、

出力65 mW@71.1 GHz

を得た（図2-20,2-21,2-22） 。

最終目標の20 mWを上

回る性能であり、送信側MMICの性能を実証した。

(5) 送信側MMICの帯域として10GHzを確認した（図2-23） 。

図2-21 試作したViaの性能 図2-20 設計したVCOの写真 図2-22 試作したVCOのベンチマーク -20 -10 0 10 20 30 40 0 20 40 60 80 100 Frequency (GHz) O ut put po w e r ( d B m ) _{今回の成果} InP (m)HEMT/HBT GaN HEMT GaAs HEMT/HBT CMOS/SiGe バッファ付 拡大 周波数(GHz) 周波数(GHz) 発振周波数=71.1 GHz 出力=18.13 dBm(65 mW) 消費電力=1.23 W 大信号周波数特性 10 15 20 25 30 35 65 70 75 80 85 Pin(dBm) P o u t( dB m ) 0 3 6 9 12 15 G ai n (d B )，P .A .E .( % ) 　◆　：Psat 　◆　：Gain 　◆　：P.A.E. 　■　：offset Linear Gain

10 GHz以上 周波数(GHz)

ウ）GaN系HFETの超高周波化技術

に関する先行研究開発

独立行政法人

情報通信研究機構

GaN系HFETの超高周波化技術に関する先行研究開発 (1)

【1】分子線エピタキシー法(MBE)による新規HFET構造の実現

【2】超高周波化に向けたデバイスプロセスの開発

世界最高水準の遮断周波数 f

_T

= 190 GHz、最大発振周波数 f

_max

= 227 GHzを実現

D、EモードAlN(2.5 nm)/GaN系HFET構造およびデバイス特性 1 10 100 U_g MSG/ MAG H_{21 f} max(MSG/MAG) = 149 GHz f_max(U_g) = 123 GHz f_T = 87 GHz Frequency (GHz) 1 10 100 0 10 20 30 40 50 U_g MSG H_{21 f} max(MSG) = 160 GHz f_max(U_g) = 133 GHz f_T = 107 GHz G ai n ( dB ) Frequency (GHz) 4H-SiC基板上60 nmゲートAlGaN/GaN系 MIS-HFET構造およびデバイス特性 1 10 100 0 10 20 30 40 50 60 V_D = 4 V V_G= -3.8 V f_T = 190 GHz |h₂₁|2 G ai n ( dB ) Frequency (GHz) 1 10 100 V_D = 10 V V_G= -3.8 V MSG fmax(MSG) = 227 GHz Frequency (GHz) Dモード Eモード  RFプラズマMBEにより、高Al組成障壁層を有するAlGaN/GaN系HFET構造の作製に成功  触媒化学気相堆積法(Cat-CVD)による窒化シリコンSiN表面保護膜・絶縁膜形成技術の開発  電子ビームリソグラフィ技術およびデバイスプロセスを改良、ゲート長Lgを25 nmまで微細化

GaN系HFETの超高周波化技術に関する先行研究開発 (2)

【3】ミリ波帯域における高出力特性の実現

V、W帯入出力特性評価システム 0 20 40 60 80 100 120 0.1 1 10 100 SiC GaN Si Sapphire poly SiC O ut put pow er dens ity ( W /m m ) Frequency (GHz) H20 H21 GaNデバイス  ソースドレイン間距離LSDを0.5 μmまで短縮、低抵抗化、高出力化を実現  Lg = 45 nm、Wg = 100 μm、 LSD= 1.0 μmのMIS-HEMTにおいてfT= 188 GHzを達成。  GaN系MIS-HEMTにおいて1.07 W/mm (周波数60 GHz)、0.22 W/mm (同85 GHz)、 0.16 W/mm(同90 GHz)を達成。論文等で報告されている値を超える出力特性を実現。

周波数60 GHz以上のミリ波帯において高出力電力密度を達成

GaN系トランジスタの出力電力密度の周波数依存性

本プロジェクト研究開発成果のインパクト

■ ミリ波で初めてGaNを用いた長距離通信を実証

・10W出力デバイスで最大84kmの通信が可能(25GHz) 従来パナソニック製品 3km GaNデバイスでの 最大可能距離 84km 開発した実証実験機 GaN モジュール 従来の進行波管システム 進行波管 9cm3 1960 cm3 ・送信モジュールの体積を1/200以下に

■ 送信システムをMMIC化し

小型化・低消費電力化

従来のW帯増幅器 開発したW帯GaN-MMIC • 従来技術品と同等性能をGaN MMIC 1個で実現 • サイズは約100分の1、重量は 10,000分の1以下 • 消費電力は70%以上減