ミリ波・テラヘルツ波無線通信用
InP HEMT技術
高橋 剛1,2、牧山剛三1,2、遠藤 聡1、佐藤 優1,2、
中舍安宏1,2、川野陽一1,2、芝 祥一1,2、原 直紀1,2
1富士通研究所、2富士通
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アウトライン
 背景
 HEMTの概要
 HEMTの基本
 InP HEMT
 InP HEMT技術




デバイス構造
RF＆雑音特性
低温特性
IC特性
 今後の展望
 まとめ
1
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アウトライン
 背景
 HEMTの概要
 HEMTの基本
 InP HEMT
 InP HEMT技術




デバイス構造
RF＆雑音特性
低温特性
IC特性
 今後の展望
 まとめ
2
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背景
 ミリ波・テラヘルツ波の応用
 イメージセンサ
 スペクトル・アナライザ
 大容量無線通信システム
94 GHz
110-140 GHz
LO
240-260 GHz
LO
IF
RF
LNAs and detectors
for Imaging
M. Sato et.al., APMC2007.
IF
RF
Mixers for spectrum
analyzers
S. Shiba et.al., IMaRC2014.
LNAs and detectors
for receiver MMICs
Y.Kawano et.al., CSICS 2013.
InP HEMT技術
3
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ミリ波・テラヘルツ波受信用IC
 受信用ICの構成
mm-wave
THz-wave
Receiver MMIC
LNA
DV
Vdet
G1
F1
G2
F2
G3
F3
Detector
InP HEMT
 高速
 低雑音
Gn:利得
Fn: 雑音指数
Gtot = G1 · G2 · G3
Ftot = F1 +
4
F2 – 1
G1
+
F3 – 1
G1G2
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周波数について
f=3GHz
30GHz
マイクロ波
λ=10cm
300GHz
ミリ波
電波天文
サブミリ波
1mm
1cm
3THz
0.1mm
無線通信
テラヘルツ波
別の定義も混在
• 100 GHz ～ 10THz
• 1 THz ～ 10 THz
電波天文の「サブミリ波」と無線通信の「テラヘルツ波」は同じ領域
• 電波法では3THzまでが電波として定義
• 275GHzより高い周波数が未分配
5
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アウトライン
 背景
 HEMTの概要
 HEMTの基本
 InP HEMT
 InP HEMT技術




デバイス構造
RF＆雑音特性
低温特性
IC特性
 今後の展望
 まとめ
6
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HEMTの基本
 1979年に富士通研究所（三村 博士）が発明
 GaAs HEMT
 最初の応用は電波天文用途（1985年～）
 22~24GHz, NF~1dB (25K)、 C6Hの発見
 衛星放送が普及（1987年～、1989年ベルリンの壁崩壊の原因）
 GPS受信機、車載レーダ、携帯電話基地局等への応用拡大
 GaAs HEMTからInP HEMT，GaN HEMTへ発展
HEMT
電波天文
衛星放送
車載レーダ
(株)富士通研究所「やさしい技術講座」より
http://www.fujitsu.com/jp/labs/resources/tech/techguide/
7
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HEMTの構造
 High Electron Mobility Transistor (ＨＥＭＴ)
 高電子移動度トランジスタ
Drain
Gate
n+-GaAs
n+-AlGaAs
2DEG
i-GaAs
(i-In0.15Ga0.85As)
結晶成長
Source
Ionized
donors
EC
E2
Gate
metal
半絶縁性GaAs基板
EF
E1
n+-AlGaAs
i-GaAs
2 Dimensional Electron Gas
(2DEG)
GaAs HEMT
(pHEMT)
ヘテロ接合界面に2DEGが発生
電子移動度が高い
pseudomorphic
InxGa1-xAs (x=0.1~0.2)
8
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アウトライン
 背景
 HEMTの概要
 HEMTの基本
 InP HEMT
 InP HEMT技術




デバイス構造
RF＆雑音特性
低温特性
IC特性
 今後の展望
 まとめ
9
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InP HEMTとは？
 結晶層の基板がInP
 トランジスタ動作にInPは不要
 チャネルにIn組成が高いInGaAsを使用
Vacuum level
EC1
EF1
X1 = 4.09 eV
Vacuum level
X2 = 4.50 eV
EC
EF
ΔEC
undoped
In0.53Ga0.47As
EC2
Eg = 1.53 eV
EV1
n type
In0.52Al0.48As
n type
In0.52Al0.48As
EF2
Eg = 0.47 eV
2DEG
EV2
EV
undoped
In0.53Ga0.47As
InAlAs/InGaAsヘテロ接合
界面に2DEGが発生
10
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III-V族化合物半導体の物性
Material
Lattice
Constant
(Å)
Bandgap
(eV)
Dielectric
Constant
Electron
Effective
Mass
Hole
Effective
Mass
Electron
Mobility
(cm2/Vs)
Hole
Mobility
(cm2/Vs)
Si
5.43
1.12
11.9
0.19
0.16
1,450
500
GaAs
5.65
1.42
12.9
0.063
0.07
8,000
400
AlAs
5.66
2.36
10.1
0.11
0.22
180
-
InP
5.87
1.35
12.6
0.077
0.64
4,600
150
InAs
6.05
0.36
15.1
0.023
0.40
33,000
460
GaSb
6.01
0.72
15.7
0.042
0.40
5,000
850
InSb
6.48
0.17
16.8
0.015
0.40
80,000
1,250
GaN
3.19/5.18c
3.44
8.9
0.20
0.8
1,200
200
AlN
3.11/4.98c
6.1
8.5
0.40
3.53
300
14
InAs, InSbの移動度が高いが、安定な高抵抗基板が無い
11
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バンドギャップと格子定数
Bandgap energy (eV)
3.0
Direct gap
Indirect gap
AlP
AlAs
2.0
T = 300K
GaP
AlSb
Al0.3Ga0.7As
Si
GaAs
InP
1.0
GaSb
Ge
0.0
5.4
In0.52Al0.48As
5.6
In0.53Ga0.47As
InAs
5.8
6.0
6.2
Lattice constant (Å)
InSb
6.4
6.6
InP HEMT: InP基板に格子整合したInAlAs/InGaAsヘテロ接合
12
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Electron velocity (×107 cm/s)
InP HEMTのメリット
4
In0.53Ga0.47As
μe ~ 10,000
3
1
T = 300K
InP
GaAs
2
cm2/Vs
Si
0
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Electric field strength (×104 V/cm)
3.0
 チャネルの電子飽和速度（移動度）が高い
 高周波動作
 低抵抗（低雑音）
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HEMT基本構造の違い
Source
Gate
Drain
Source
n-AlGaAs
2DEG
i-GaAs
Gate
Drain
Source
n-InAlAs
2DEG
i-InGaAs
Gate
Drain
n-AlGaN
2DEG
i-GaN
GaAs基板
InP基板
SiC基板
GaAs HEMT
(pHEMT)
InP HEMT
GaN HEMT
pseudomorphic
InxGa1-xAs (x=0.1~0.2)
InxGa1-xAs(0.53≦x)チャネル
 移動度が高い
 InP基板上に結晶成長
14
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アウトライン
 背景
 HEMTの概要
 HEMTの基本
 InP HEMT
 InP HEMT技術




デバイス構造
RF＆雑音特性
低温特性
IC特性
 今後の展望
 まとめ
15
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InP HEMT構造
Gate
1.0
SiN Drain
Source
n+-InGaAs
n+-InGaAs
InAlAs
0.5
Planar doped
i-In0.63Ga0.37As channel
2DEG
E (eV)
i-InP stopper
i-InAlAs supply
Ec
Ef
0.0
InP
i-InAlAs
2DEG
n+-InGaAs
-0.5
i-InGaAs
Ev
i-InAlAs buffer
-1.0
-1.5
0
S.I. InP substrate
断面構造
40
80
position (nm)
120
エネルギーバンド構造
16
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雑音特性の改善
 雑音指数
Fmin = 1 + 2p K
f
fT
gmint ( Rs + Rg )
Cutoff frequency
gmint
fT =
2p ( Cgs + Cgd )
ゲート容量の低減
17
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寄生容量の低減
多層配線後の特性劣化改善が課題
fT =
gmint
2p (Cgs + Cgd + Cp1 + Cp2)
空洞構造の適用
Interlayer film
Cp1
Interlayer film
Cavity
Cp2
Gate
Gate
Drain
Source
Source
Cgs Cgd
Drain
Cgs
fTの低下
Cgd
ゲート寄生容量の低減
18
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空洞構造の作製手順
SiN
Source
Gate
Drain
Drain
19
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空洞構造の作製手順
SiN
filler
Source
Gate
SiN
20
Drain
Drain
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空洞構造の作製手順
BCB
filler
Source
Gate
SiN
21
Drain
Drain
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空洞構造の作製手順
Au
Au
BCB
Cavity
Source
Gate
SiN
Drain
Drain
Dissolution
22
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空洞構造のTEM像
BCB
Cavity
Source
Gate
Lg
Drain
500 nm
Takahashi et al., IEEE Trans. Electron Devices,
vol. 59, no. 8, pp. 2136–2141, 2012.
23
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アウトライン
 背景
 HEMTの概要
 HEMTの基本
 InP HEMT
 InP HEMT技術




デバイス構造
RF＆雑音特性
低温特性
IC特性
 今後の展望
 まとめ
24
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Capacitance (fF/mm)
ゲート寄生容量
1200
Wg = 80 mm
Lr = 120 nm
Vds = 1.0 V
1000
Cgs without
cavity
800
Cgs with cavity
600
DCgs: 62 fF/mm
DCgd: 60 fF/mm
400
Au
Cgd without cavity
200
Au
BCB
Cavity
Source
Cgd with cavity
0
0
Gate
SiN
Drain
Drain
50
100
150
Gate length (nm)
25
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Cutoff frequency (GHz)
カットオフ周波数
600
500
With cavity
Wg = 80 mm
Lr = 120 nm
Vds = 1.0 V
400
Au
Au
BCB
300
Cavity
Without
cavity
Source
Gate
SiN
Drain
Drain
200
Au
100
Au
BCB
Cavity
0
50
100
150
Gate length (nm)
26
Source
Gate
SiN
Drain
Drain
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雑音測定系 (94 GHz)
 Cold-In法（Cold-Source法）
Noise W-band
Source ENR~6dB
Synthesizer
LO
94.01 GHz
Pre amp.
SW
Mixer
DUT
LPF
S
Tuner
G
D
S
Waveguide
Cable
InP-HEMT
27
IF
10 MHz
NF
Meter
Copyright 2016 FUJITSU LABORATORIES LTD.
最小雑音指数
NFmin (dB)
2.0
Lg = 75 nm
94 GHz
RT
1.5
Without cavity
Wg = 80 mm
Lr = 120 nm
Vds = 0.8 V
1.0
With cavity
0.5
0.71 dB
0
0
100
200
300
Drain current (mA/mm)
28
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Minimum noise figure (dB)
雑音指数のベンチマーク
3.5
RT
3.0
2.5
CMOS
2.0
1.5
0.5
0
InP-HEMT
GaAs-HEMT
1.0
This work
0
NF = 0.71 dB @RT
(Te ~51K @RT)
20 40 60 80 100
Frequency (GHz)
29
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InP HEMTの特性
Lg : 75 nm
Cavity structure
fT / fmax: 320 GHz / 660 GHz
NFmin：0.71 dB @94 GHz, 300K
60
Cavity
Source
Gate
Gain (dB)
BCB
Drain
|h21| fmax = 660 GHz
40 U
fT = 320 GHz
20
500 nm
Vd=1 V, Vg=0.2 V
0
T. Takahashi et al., IEEE ED 2012.
30
1
10
100 1000
Frequency (GHz)
Copyright 2016 FUJITSU LABORATORIES LTD.
アウトライン
 背景
 HEMTの概要
 HEMTの基本
 InP HEMT
 InP HEMT技術




デバイス構造
RF＆雑音特性
低温特性
IC特性
 今後の展望
 まとめ
31
Copyright 2016 FUJITSU LABORATORIES LTD.
Drain-source current, Ids (A/mm)
InP HEMTの低温特性（Id-Vd）
0.8
0.7
0.6
Vgs =
0.3 V
Lg = 75 nm
T = 300 K
T = 16 K
0.2 V
0.5
0.4
0.1 V
0.3
0.2
0.0 V
0.1
0.0
0.0
-0.1 V
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Drain-source voltage, Vds (V)
32
Copyright 2016 FUJITSU LABORATORIES LTD.
InP HEMTの低温特性 (gm)
33
Copyright 2016 FUJITSU LABORATORIES LTD.
InP HEMTの低温特性 (fT, fmax)
Cutoff frequency, fT (GHz)
450
Lg = 75 nm
400
350
Vds = 0.6 V
Vds = 0.8 V
Vds = 1.0 V
300
10
50
100
500
Temperature (K)
100K以下では特性が飽和傾向
34
Copyright 2016 FUJITSU LABORATORIES LTD.
Electron mobility (cm2/Vs)
InP HEMTの低温特性（電子移動度）
105
InP HEMT
In0.53Ga0.47As
2DEG
77K
104
pHEMT
In0.25Ga0.75As
2DEG
300K
GaAs HEMT
GaAs
103
10
100
Temperature (K)
35
500
Copyright 2016 FUJITSU LABORATORIES LTD.
アウトライン
 背景
 HEMTの概要
 HEMTの基本
 InP HEMT
 InP HEMT技術




デバイス構造
RF＆雑音特性
低温特性
IC特性
 今後の展望
 まとめ
36
Copyright 2016 FUJITSU LABORATORIES LTD.
光ファイバ網の拡張
Fiber ring
河川
Fiber ring
光ファイバ網の補完
山間地
離島
村落
Specific attenuation (dB/km)
InP HEMTの基幹ミリ波通信応用
10
マイクロ波
2
O2
60 GHz
10
119 GHz
1
H2O
10-1
94 GHz
10-2
1
Fiber ring
ミリ波
2
5 10 20
50 100 200
Frequency (GHz)
37
Copyright 2016 FUJITSU LABORATORIES LTD.
W帯 低雑音増幅器
2.5×1.2
Gate
20
20
44
10
10
33
NF (dB)
55
80
85
90
95
80
85
90
Frequency
(GHz) 95
Frequency (GHz)
22
100
100
 Gain: 40 dB @85 GHz
 NF: 3 dB
Drain
500 nm
30
30
0075
75
mm2
75nm InP HEMT
Cavity BCB
Source
66
Gain (dB)
OUT
Gain (dB)
IN
40
40
NF (dB)
RT
94GHz帯LNA
Sato et al., IEICE Trans. Electron., 2009.
38
Copyright 2016 FUJITSU LABORATORIES LTD.
ミリ波イメージング（パッシブ）の例
94GHz
RT
光学写真
赤外線画像
ミリ波画像
APMC2007, Sato et al.
Receiver
Signal Pro.
DC Amp.
ミリ波：
物体を透過
隠匿物の検知
MMIC
セキュリティ用途
32素子受信器アレイ
InP HEMT MMICをFlip chip
39
Copyright 2016 FUJITSU LABORATORIES LTD.
フリップチップ実装InP HEMT増幅器
The first demonstration beyond 200 GHz
Only 2-dB decrease before/after flip-chip
mounting
( Cross view )
( Top view )
40 mm
30
Output
InP amplifier IC
2.2 x 0.8 mm
Polyimide substrate
Bump
S21 , S11, S22 (dB)
Input
S21
20
: Bare chip
: Flip-chip
S11
0
S22
-20
-30
230
240
250 260 270
Frequency (GHz)
280
290
Y. Kawano et al. IMS 2014
40
Copyright 2016 FUJITSU LABORATORIES LTD.
300GHz帯増幅器
30
ゲート接地６段増幅器
20
OUT
1.1 x 0.4 um2
Y. Kawano et al., TWHM2015.
S-parameters [dB]
IN
> 20 dB, 80 GHz
 Gain: >20 dB
 BW: 80 GHz
RT
S21
10
0
S22
-10
S11
-20
-30
220
240
260 280 300 320 340
Frequency [GHz]
テラヘルツ通信
（非接触瞬時ダウンロード）
41
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アウトライン
 背景
 HEMTの概要
 HEMTの基本
 InP HEMT
 InP HEMT技術




デバイス構造
RF＆雑音特性
低温特性
IC特性
 今後の展望
 まとめ
42
Copyright 2016 FUJITSU LABORATORIES LTD.
今後の展望
動作周波数向上
fmax向上
500~600GHz帯 増幅器の可能性
低雑音化
MMIC初段のゲート長短縮 75nm→30nm級
高感度化
検波器の集積化
用途
テラヘルツ帯大容量無線通信（データの瞬時転送）
イメージセンサ（高解像度）
電波天文（ミリ波帯マルチビーム化）
43
Copyright 2016 FUJITSU LIMITED
まとめ
 InP HEMTに空洞構造を適用することで、RF特性
およびミリ波帯の雑音特性を改善した。
 InP HEMTは低温においてRF特性が向上するた
め、NFのさらなる改善が期待できる。
 空洞構造を適用したInP HEMTを用いて300GHz
帯のテラヘルツICを実現した。
謝辞
本研究の一部は、総務省委託研究「超高周波搬送波による数十
ギガビット無線伝送技術の研究開発」の一環として実施した。
44
Copyright 2016 FUJITSU LABORATORIES LTD.
45
Copyright 2016 FUJITSU LABORATORIES LTD.

み ん な の 学 習 講 座

faxn1512 - 全日本港湾労働組合

CTC、富士通の「ユビキタスウェア」を活用し 視覚障がい者向け外出支援

2016（平成 28）年 2 月 8 日 東京都・千代田区合同帰宅困難者対策訓練に

月 次 受 注 速 報

【お詫び】特急レッドアロー号 購入・予約 Web サイト

第8回 メガロスベンチプレス大会開催