三菱電機、GaN基板で高周波トランジスタの性能安定化 - 世界初の実証

三菱電機は11月9日、GaN(窒化ガリウム)基板上にGaNエピタキシャル層を形成した高周波トランジスタにおいて、結晶欠陥に起因する「周波数分散」の影響を解明し、大幅に抑制できることを実証したと発表した。同社によると世界初の成果で、GaN本来の性能を安定して引き出し、高周波機器の小型・高性能化や省電力化につなげる。

GaNトランジスタは高出力・高効率という特徴から、5G/6G基地局やレーダーに加え、廃プラスチックを化学原料へ戻すケミカルリサイクルなどで使われる産業用マイクロ波加熱システムへの活用が期待されている。

現在は、熱伝導率が高いSiC(炭化ケイ素)基板上にGaNエピ層を成膜する構造が主流となっている。一方、SiCとGaNは異なる材料であるため、成膜時に結晶欠陥が発生する。こうした欠陥が高周波動作時の電子の動きを妨げ、動作周波数によって電流値や特性が変化する「周波数分散」を引き起こすことが課題だった。

GaN基板で結晶欠陥を低減、周波数分散を大幅に抑制

今回、三菱電機はSiCではなく、GaNそのものを基板として使用する「GaN on GaN」構造を採用した。基板とエピ層を同じGaNとすることで結晶性を改善し、高周波デバイスとしての性能向上を図った。

あわせて、材料中の欠陥が外部からの刺激に対して示す電気的な応答「欠陥応答」を取り入れた新たな回路解析手法を開発。SiC基板上で発生する結晶欠陥と、高周波動作時の周波数分散との関係をデバイス特性評価の中で解明した。

GaN基板上のトランジスタでは結晶欠陥を低減し、周波数が変化しても電流が安定するフラットな周波数特性が得られることを確認した。同社は、日本企業が強みを持つGaN基板について、高周波デバイスとしての有用性を明確に示したとしている。

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  SiC基板とGaN基板上のGaNエピ層の結晶性、および周波数分散の比較

補正回路を簡素化、5G/6Gやレーダーへの展開目指す

従来のGaNトランジスタでは周波数分散による動作の不安定化を補うため、デジタル回路を使った複雑な補正が必要だった。今回の技術で周波数分散を大幅に抑えられれば、補正回路を簡素化でき、システムの小型化と消費電力低減につながる。

同社は今後、GaNトランジスタのさらなる高出力・高効率化を進め、産業用マイクロ波加熱システム、高周波通信機器、レーダーシステムへの展開を検討し、2030年頃の社会実装を目指す。

なお、研究成果の一部は、環境省の「革新的な省CO2実現のための部材や素材の社会実装・普及展開加速化事業」により得られたものとなる。