モバイルWiMAX基地局向け 高効率GaN-HEMT増幅器

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1 High Efficiency GaN-HEMT Amplifier for Mobile WiMAX Base Station あらまし 富士通は, モバイルWiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access) 基地局向け送信用小型電力増幅器を実現するための高効率窒化ガリウム (GaN) 高電子移動度トランジスタ (HEMT:High Electron Mobility Transistor) の開発を行っている 高い利得と高電力効率の電力増幅器を開発し, 基地局の消費電力低減と小型化の実現を目指している GaN-HEMTは, その高い破壊耐圧特性により, 高効率電力増幅器を実現できるトランジスタとして注目を集めている 今回, モバイルWiMAX 基地局向けGaN-HEMTの開発を行った まず利得性能を向上させるゲート長と単位ゲート幅を設計した また, 効率向上の点で必要となる重要な点は, 電子トラップ特性であるということを見出し, その改善手法を確立した モバイルWiMAX 信号に対し,-5 dbc 未満の隣接チャネル漏えい電力比で5% のドレイン効率を達成し, 小型の基地局を実現することが可能となった Abstract Fujitsu has been developing gallium nitride high electron mobility transistors (GaN- HEMT) for small transmitter power amplifiers for Mobile Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) base stations. High efficiency amplifier with high gain is required to decrease power consumption and size of the base stations. GaN-HEMT has been attracted much attention for the high-power highly-efficient amplifier, because of it s high breakdown voltage characteristics. This paper describes the development of highly efficient GaN-HEMT for WiMAX base station. First, gate length and unit gate width were designed to improve gain performance. We have found that electrical trap characterization was key features for improving efficiency. Drain efficiency of 5 % with adjacent channel leakage ratio (ACLR) less than -5 dbc was obtained with mobile WiMAX signals, which will lead to small base station. 吉川俊英 ( きっかわとしひで ) 基盤技術研究所所属現在,GaN-HEMTデバイス技術の研究開発に従事 岩井大介 ( いわいたいすけ ) 基盤技術研究所先端デバイス研究部所属現在,GaN-HEMT 回路技術およびカーボンナノチューブの研究開発に従事 多木俊裕 ( おおきとしひろ ) 基盤技術研究所先端デバイス研究部所属現在,GaN-HEMTプロセス技術の研究開発に従事 FUJITSU. 6, 1, p (1, 29) 45

2 まえがきモバイルWiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access) およびLTE(Long Term Evolution) ネットワークを含む, 次世代ワイヤレスモバイルネットワークの伝送速度は, 数十 Mbps に達する 速度が上がるにつれて基地局の送信用電力増幅器の消費電力は増加する このため, 基地局で必要とされる電力および物理的スペースが大幅に増加する したがって, 送信用電力増幅器の高効率化技術を開発し, 簡単に実装可能で低消費電力かつ運用コストの小さい小型基地局を実現する必要がある 低消費電力の小型基地局を実現するため, 窒化ガリウム (GaN ) 高電子移動度トランジスタ (HEMT:High Electron Mobility Transistor) を用いた高効率増幅器を現在開発中である GaN- HEMTは, シリコン横拡散 MOS(Si-LDMOS, MOS:Metal Oxide Semiconductor) トランジスタやガリウムヒ素 (GaAs) 電界効果トランジスタ (FET) などの別材料のデバイスに比べ, 遮断周波数と破壊耐圧がともに高い 材料性能を比較したベンチマーク図を図 -1に示す 著者らは高い効率を持つ飽和出力 25 WのGaN-HEMTプッシュプル増幅器を W-CDMA ( Wideband Code Division Multiple Access) 無線基地局向けに既に開発している (1) しかし, 次世代の通信規格であるモバイル WiMAXやLTEにおいては, さらに高い利得および効率が求められている 本稿においてはGaN- HEMTの高利得化と高効率化技術について述べる 電力増幅器を小型化するには高い利得が必要であり, 高利得化技術についてまず述べる 利得向上の手法としてゲート寸法を検討した 著者らはゲート長とゲート幅の両方を最適化することによって GaN-HEMTの高利得化に成功した つぎにGaN-HEMTの結晶内トラップに着目した高効率化技術について述べる まず, 著者らは電子トラップによる特性変動を見出した 簡易的な評価手法として,RFパワーオンからRFパワーオフに切り替えた後のドレイン電流 (Idsq) の過度応答をモニタする手法を開発した 本稿ではこの過度応答現象をIdsqドリフトと呼び, その原因と改善方法について詳しく述べる 高効率電力増幅器においては, デジタルプリディストーション (DPD:Digital Pre-Distortion) を用いた出力信号の歪補正技術が使用される しかし, メモリ効果と呼ばれる出力信号の歪み特性が大きい場合, 歪補正が困難となり, 高効率化が難しくなる メモリ効果の原因の一つは電子トラップであるため, 本稿ではIdsqドリフトがメモリ効果に影響するかどうか調べた その結果 Idsqドリフトがメモリ効果を悪化させることを見出した 今回 Idsqドリフトを改善することでメモリ効果も抑制でき, 電力増幅器の高効率化も実証できた このような新しいGaN-HEMT 技術により, 電力増幅器,DPDシステム, 電源を備えた小型高周波処理 (RF) ユニットの実証に成功した (2) GaN-HEMT 構造 破壊耐圧 (V) GaAs-FET Si-LDMOS Si BJT 富士通 富士通 GaN SiGe InP 遮断周波数 (GHz) 図 -1 ジョンソン指数 Fig.1-Johnson s figure of merit. GaN-HEMTの基板には熱伝導率の高い炭化珪素 (SiC) を使用した GaN-HEMT 結晶は有機金属気相エピタキシ (MOVPE) 法による結晶成長を用いた 著者らの結晶構造は,SiC 基板上にGaNバッファ層,n 型アルミニウムガリウム窒素 (AlGaN) 電子供給層,n 型 GaNキャップ層を積層した構造であり, 表面電荷制御構造と呼んでいる その構造を図 -2に示す (1) オーミック接触抵抗を低減するために, オーミック電極部分のみn 型 GaNキャップ層を取り除き, オーミック電極をAlGaN 電子供給層上に形成するリセスオーミック技術を用いた 今回, 利得を高めるために, ゲート長を.8 μmから.5 μmに縮小し, 窒化珪素 (SiN) によるパッシベーションを 46 FUJITSU. 6, 1, (1, 29)

3 施した バッファ層の成長条件の最適化によって, 従来よりもトラップ密度の低いデバイス性能を実現した 詳細は後述する ソース電極 利得の向上 電力増幅器ではドライバ段と最終段の2 種類以上の増幅器が直列に接続される 最終段電力増幅器の利得が向上すると, ドライバ段電力増幅器の小型化も可能となり, 増幅器全体の低消費電力化と小型化が可能となる 最終段に使用される1 W 級 GaN- HEMT 電力増幅器の入力電力と利得の関係を図 -3 に示す 図 -3の横軸で入力電力のバックオフ量とは, 入力電力と飽和入力電力 ( 順方向ゲートリーク電流が流れ始める入力電力 ) との差である ゲート長と単位ゲート幅を変化させた ゲート長は.8 μm ( 従来品 ) または.5 μm( 改良品 ) の2 種類を検討 ゲート電極 窒化珪素 (SiN) n 型窒化ガリウム (GaN) ドレイン電極 n 型アルミニウムガリウム窒素 (AlGaN) 電子供給層 窒化ガリウム (GaN) バッファ層 炭化珪素 (SiC) 基板 二次元電子ガス 図 -2 リセスオーミックを使用した表面電荷制御型 GaN- HEMT 構造 Fig.2-Recessed-ohmic surface-charge-controlled GaN- HEMT structures used in this study. した 全ゲート幅は一定で, 単位ゲート幅の長さのみに着目して検討し, 従来と従来比 75% 幅の単位ゲート幅の2 種類を比較した 1 W 級のパッケージデバイスは, パッケージ内にGaN-HEMTチップと内部整合回路を実装して測定した GaN-HEMT の利得は入力電力を2 db 以上バックオフした領域の線形利得を比較した 従来の線形利得は14~15 db であった それに比べ,(a) 従来のゲート長で, 単位ゲート幅のみを縮小したGaN-HEMTは16 db 前後の線形利得を示した (b) ゲート長のみが短く, 単位ゲート幅は従来どおりのGaN-HEMTも ( a ) と同様に16 db 前後の線形利得であった (c) ゲート長と単位ゲート幅がともに短いGaN- HEMTは更に2~2.5 db 向上し,18 dbの線形利得を実現した このように, ゲート長と単位ゲート幅をともに縮小することで3 db 以上の利得改善に成功した ゲート長を従来に比べて短くした場合, 破壊耐圧の悪化や安全動作範囲の減少などが懸念される しかし, 従来に比べて信頼度の劣化は観察されなかった 効率の向上 Idsqドリフトの測定方法を図 -4に, また代表的なドレイン電流回復現象 (Idsq 回復現象 ), すなわち Idsqドリフト現象を図 -5のグラフ(a) に示す 5 V のドレイン電圧 (Vds) でRFパワーオン時に飽和出力 ( 最大出力 ) 状態とし, つぎにRFパワーをオフしてその後のドレイン電流の過度応答を測定した RFパワーをオフした瞬間にRFパワーオン前の初期待機時 Idsqよりも低い値までドレイン電流は低下する その後, ゆっくりと初期状態の値へと回復する このIdsq 回復率をRFパワー測定後の時間の関数と 利得 (db) (c) ゲート長 =.5 µm, 単位ゲート幅 =75% (b) ゲート長 =.5 µm, 単位ゲート幅 =1% (a) ゲート長 =.8 µm, 単位ゲート幅 =75% 入力電力のバックオフ量 (db) 図 -3 入力電力のバックオフ量と電力利得特性 Fig.3-Gain as a function of power back-off. ドレイン電流 パワーオン時 初期待機時 (Idsq) 待機時 パワーオン時 パワーオフ時 ドリフト回復現象 測定時間 図 -4 Idsq ドリフトの測定方法 Fig.4-Method of Idsq drift measurements. FUJITSU. 6, 1, (1, 29) 47

4 ドレイン電流値回復率 (%) (b) 本研究 (PL の黄色発光 : 弱 ) (a) 従来 (PL の黄色発光 : 強 ) 初期待機時ドレイン電流 (Idsq)= トランジスタの最大ドレイン電流値の 1.4% 時間 ( 秒 ) 図 -5 Idsq ドリフト測定結果 Fig.5-Idsq drift of the developed GaN-HEMT compared with a conventional device. (a) Conventional layer conditions and (b) improved layer conditions. 強度 ( 任意単位 ) 1 GaN 発光 黄色発光 (a) 従来 波長 (nm) (b) 本研究 図 -6 GaN-HEMT 結晶の PL 測定結果 Fig.6-Photoluminescence of GaN-HEMT epitaxial layers. (a) Conventional layer conditions and (b) improved layer conditions. して示してある しかし,Idsqドリフト現象が発生するGaN-HEMTを用いても,5 V 動作において, 1 W 強の出力電力および6% 強の飽和ドレイン効率を達成することができる これらの値は, これまでGaAs-FETで得られていた値よりも大きいが, 著者らはIdsqドリフト現象がGaN-HEMTの高効率化への障害になると考えた つまりトラップによる動作不安定性により,GaN-HEMTで本来期待される高効率整合が困難となり, 性能をまだ完全に引き出せていないと言える Idsqドリフトの原因検討のため, ほかの材料での現象や,GaN-HEMTで過去に検討 改善した課題と比較した Si-LDMOSにおいては, 飽和電流 (Idss) のドリフト現象 (3) が報告されているが, Idsqドリフト現象とは異なる現象であった また, GaN-HEMT 開発当初に検討したオン抵抗値 (Ron) が動作電圧上昇に従って増加する電流コラプス現象は, マイクロ秒オーダの現象であった (1) 上記 Idsqドリフトは秒オーダの現象であり, 電流コラプスとはまったく異なる新しい現象である つぎに温度特性を検討した デバイス温度を室温から7 程度まで上昇させると, 回復時間は1 分強から3 秒未満へと短くなった このことは,Idsq ドリフトが半導体内に存在する深い電子トラップ準位によって発生することを示している また, ドレイン電圧の効果を検証するために, Vdsを変化させた場合のIdsを下記の手法で測定した (1) ドレイン電流 (Ids) をRFパワー測定におけ るIdsqと同じ値, 例えば最大電流 (Imax) の 2% に設定する Idsは非常に小さいため, 熱の効果は無視できる (2) つぎに,Vdsを5 Vから3 Vに変更する この測定中, ゲート電圧 (Vgs) は一定とする (3) Vdsの変更後にIdsの変化をモニタする その結果,Vdsを5 Vから3 Vへ低下させると, Idsは半減した その後,Idsは元の電流値に数分で回復した 高ドレイン電圧下で電子が結晶内の電子トラップに捕獲された後, 低電圧下で電子がゆっくりと放出される現象と考えている この回復現象は RFパワー測定後のIdsqドリフトに似ている このためIdsqドリフトは, 電子トラップへの電子捕獲 放出現象と結論した 著者らは, 電子トラップの存在する結晶層として, GaNバッファ層に着目した GaNバッファ層内の深い電子トラップ準位を調べるために, フォトルミネセンス (PL) 測定を実施した この測定では, GaNバッファ層の深いトラップ準位を検出できる 紫外レーザを用いてGaNのPL 特性を評価した GaNバッファ層から出る54 nm 付近の黄色発光に着目し, ドレイン遅延の効果を調査した 図 -6のグラフ(a) に示すように, 強い黄色発光が観察された これは,Idsqドリフトを発生される電子トラップがGaNバッファ層にあることを示している 黄色発光の原因はGa 空孔および炭素不純物にあると考えられており, (4) これらが深い電子トラップの原因と考えられる 著者らは図 -6のグラフ (b) に示すとおり,MOVPEの成長条件を最適化し 48 FUJITSU. 6, 1, (1, 29)

5 てGaNバッファ層の黄色発光の抑制に成功した バッファ層改良後のGaN-HEMTのIdsqドリフト測定結果を図 -5のグラフ(b) に示す 黄色発光の抑制により,Idsqドリフトを改善できた 以上により黄色発光がIdsqドリフトの原因と結論した 電力増幅器の特性 ドレイン効率 (%) (a) 従来 (b) 本研究 Idsqドリフトが, 振幅変調 (AM-PM) と位相変調 (AM-PM) のメモリ効果に与えかどうかを調べた DPD 方式の電力増幅器では, メモリ効果の抑制は必須である 著者らは2.5 GHzのモバイル WiMAX 信号 (16QAM:16 Quadrature Amplitude Modulation) を使用した 大きなIdsqドリフトを持つGaN-HEMTのAM-PM 特性を測定するとメモリ効果が大きいことが分かった (5) 今回開発した改良型 GaN-HEMTを用いることにより, メモリ効果を抑制できた これは,Idsqドリフトが電力増幅器のメモリ効果に影響を与えていることを示しており, 今回の改良によりメモリ効果改善にも成功した 2.5 GHzのモバイルWiMAX 信号 (16QAM) に対する出力電力とドレイン効率の関係を示したのが図 -7である Idsqドリフトを改善したGaN-HEMT を用いることにより, 従来に比べてドレイン効率を 5ポイント改善できた 従来のIdsqドリフトの大きなGaN-HEMTにおいては, 電子トラップにより高効率整合を困難としていた可能性が高い 著者らが開発したGaN-HEMTを用いたモバイルWiMAX 信号 (2 MHz,16QAM) 向けのDPD 方式電力送信増幅器の特性を図 -8に示す 45 dbm 出力時において,-5 dbc 未満の隣接チャネル漏えい電力比で 5% 超という画期的な平均ドレイン効率と17.2 dbの線形利得が実現した モバイルWiMAXの仕様を満たしつつ高効率性能の実現に成功した むすび基地局向け送信用電力増幅器向けの高利得 高効率 GaN-HEMT 技術を開発した ゲート長と単位ゲート幅の最適化によって3 dbの利得向上に成功した 基地局の送信状態から送信停止状態への変化に相当する,RFパワー測定でのRFパワーオンから RFパワーオフ時に,Idsqドリフト現象が発生することを見出した これは電流コラプスに比べて, ゆっくりとした過渡的現象であった PL 測定の黄 ドレイン効率 (%) 飽和出力からのバックオフ量 (db) 図 -7 ドレイン効率の出力依存 Fig.7-Effect of efficiency of back-off region. (a) Conventional layer conditions and (b) improved layer conditions % 5% 効率 隣接チャネル漏えい電力 出力量 (dbm) 隣接チャネル漏えい電力 (db) 図 -8 モバイルWiMAX 信号で測定したRFパワー特性 Fig.8-Performance of newly developed GaN-HEMT power amplifier for mobile WiMAX 色発光に着目することでGaNバッファ層の品質を向上させることに成功し,Idsqドリフトの回復時間を短縮できた その結果, メモリ効果の小さい高効率のGaN-HEMT 電力増幅器を実現できた モバイルWiMAX 信号に対し,-5 dbc 未満の隣接チャネル漏えい電力比で5% のドレイン効率を得ることに成功した 同時に17.2 dbの線形利得を得た この高効率電力増幅器によって小型のRFユニットが可能になった (2) 今回の開発によって, 消費電力と容積を同時に低減した基地局装置を実現することが可能となった 今後は, このGaN-HEMTを用いた LTE 向けの高効率技術を開発すると同時に, コスト削減技術についても研究する予定である FUJITSU. 6, 1, (1, 29) 49

6 参考文献 (1) 吉川俊英ほか :GaN-HEMTを使用したW-CDMA 基地局用高出力増幅器.FUJITSU,Vol.56,No.4, p (25). (2) 富士通プレスリリース : モバイルWiMAX 用高効率増幅器の開発について. (3) J. Olsson et al.:1 W/mm RF power density at 3.2 GHz for a dual-layer RESURF LDMOS transistor.ieee Electron Device Lett.,2,p.26-28(22). (4) K. Saarinen et al.:observation of Native Ga Vacancies in GaN by Positron Annihilation.Phys. Rev. Lett.79,p (1997). (5) K. Joshin et al.: High-Power and High- Efficiency GaN HEMT Amplifiers. Radio and Wireless Symposium Digest,p.65-68(28). 5 FUJITSU. 6, 1, (1, 29)