2019 Fiscal Year Annual Research Report
Study on high-voltage and high-power nitrided-based transistor amplifiers operated at quasi-millimeter wave frequencies
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19H00761
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| Research Institution | University of Fukui |
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Principal Investigator |
葛原 正明 福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (20377469)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
ASUBAR JOEL 福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (10574220)
只友 一行 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (10379927)
分島 彰男 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80588575)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 準ミリ波 / HEMT / AlGaN/GaN / 電力増幅器 / 無線電力伝送 / 破壊電界 / 電力利得 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、準ミリ波帯（24GHz）にて高利得で動作し、電力合成回路を用いることなくワンチップで出力10W以上の高出力増幅機能をもつGaN-HEMT増幅器を開発することである。本研究では、まず破壊電界強度に優れた半絶縁性の自立GaN基板を開発するとともに、半絶縁性GaN基板の上に厚いバッファ層を介することなく、電子輸送特性と電流漏洩特性に優れたAlGaN/GaNヘテロ接合エピタキシャル層を構成できる結晶成長技術を開発し、さらには電子線露光によるサブミクロンゲート電極プロセスを開発してGaN-HEMTを試作し、70GHz以上の最大発振周波数と50V以上の高破壊耐圧を同時に達成する。
当該年度は、まず山口大学の研究分担者と共同でサファイア基板上にハイドライド気相成長（HVPE）法を用いて高抵抗率なGaN基板を成長するために必要な実験部材を準備し、残留不純物である酸素とシリコンの濃度を低減し、高抵抗化に必要なFe添加量の最適化に取り組んだ。結果として、ほぼ計画通りの3E+9 Ωcm以上の高い抵抗率を達成した。同時に、GaN基板単体の破壊電界特性として1.5 MV/cmの良好な特性を確認した。エピタキシャル結晶成長技術については、福井大学が所有する有機金属気相成長(MOCVD)装置を用いて、半絶縁性GaN基板上にnm級の薄膜バッファ層をもつ（またはGaNバッファ層をもたない）AlGaN/GaNヘテロ接合を成長し、チャネル移動度1300～1500cm2/Vsの良好な電子輸送特性を確認するとともに、試作したHEMTにおいて良好なピンチオフ特性を確認した。また、名工大の研究分担者と共同で、24GHz帯でのロードプル評価系の基本設計を実施し、測定に必要なプローブ架台、顕微鏡、真空チャック、インピーダンス整合用チューナなどの電子部品と部材を発注調達した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当該年度は、山口大学の研究分担者と共同で、サファイア基板上に気相成長（HVPE）法を用いて高抵抗率なGaN基板を成長し、残留不純物である酸素とシリコンの濃度を1E+17 cm-3以下に低減し、高抵抗化に必要なFe添加量の最適化に取り組んだ。結果として、GaN基板の抵抗率がFe濃度とともに増加し、1E+9～3E+9 Ωcmの範囲で制御可能であることを確認した。
エピタキシャル結晶成長技術については、福井大学が所有する有機金属気相成長(MOCVD)装置を用いて、半絶縁性GaN基板上に直接AlGaN薄膜を成長したAlGaN/GaN HEMTを試作した。HEMT上のオーミック電極間の破壊電圧から実効破壊電界を見積もり、半絶縁性基板と同じ破壊電界1.5 MV/cmを確認した。この値はGaN-HEMT上で測定された破壊電界として世界最高値に相当する。
名工大の研究分担者と共同で、24GHz帯でのロードプル評価系の基本設計を実施し、測定に必要な直流電源、パワーメータ、24GHz発振器、インピーダンス整合用チューナなどの電子部品とプローブ支持台などの部材を発注調達した。また、ショットキーゲート(SG)構造をもつGaN-HEMTとALD-Al2O3を用いたMOS-HEMTを試作し、同一プロセスで同一ゲート寸法をもつ1～1.5μmゲート長をもつデバイスのSパラメータ評価を実施した。この結果、電流利得遮断数と最大発振周波数の両特性ともに、MOS-HEMT構造が優れた小信号高周波特性を示すことが分かった。等価回路解析の結果、MOS-HEMT構造の方が、高周波でのゲート容量がSG-HEMT構造より小さくなることが示された。本研究で試作する準ミリ波デバイスの基本設計に重要な知見が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、研究代表者がR2年度に福井大学から関西学院大学に異動した。しかし、エピ結晶の成長とデバイスプロセスを受け持つ福井大学には研究分担者が残っており、研究体制と研究計画に変更はない。ただ、エピ結晶を成長するMOCVD装置の老朽化による部品交換と高価な原料ガスなどの調達には予算の増額が必要であり、福井大学の研究分担者への予算配分をR2年度から増額することにした。
R2年度は、いよいよ準ミリ波で動作するGaN高出力HEMTを設計・試作する。ワンチップで高出力化を行うためには、本研究の挑戦課題として提案する「高電圧かつ低電流」で動作するトランジスタの試作が最重要である。このため、昨年度からの検討を継続し、高破壊電界をもつ半絶縁性GaN基板の成長（山口大学が担当）と、この基板上に高破壊電界をもつAlGaN/GaNヘテロ接合のエピ成長（福井大学が担当）を強力に推進し、昨年達成した1.5MV/cmの更新とその高歩留りを目指す。
HEMTについては、電子線露光を用いた短ゲート化を進め、0.6μm以下のゲート長でドレイン耐圧50V以上の達成を目指す。また、小信号特性の評価を実施し、最大発振周波数70 GHz以上の達成を目標とする。また、ロードプル評価装置の構築を進め、周波数24GHzにて単体トランジスタレベルで出力電力3W以上と電力利得5dB以上の達成を目指す。
新型コロナウィルスの影響により、福井大学が所有するMOCVD成長装置と各種の半導体プロセス装置の稼働が停止中（5月20日現在）である。特に、結晶成長や結晶エッチング装置などの真空装置が稼働できないことは問題である。デバイスプロセスの再開については目途が立たないが、時間的遅れを最小化できるように、研究計画と検討課題の絞り込みを行う予定である。ロードプル測定装置の構築についても同様に進める。
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