極限環境で利用可能な無線通信向け酸化ガリウムトランジスタを開発

優れた高周波デバイス特性を有し、世界最高の最大発振周波数27 GHzを達成

2020年12月16日
国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT）

ポイント
■　無線通信向け高周波酸化ガリウムトランジスタを開発、世界最高の最大発振周波数27 GHzを達成
■　無線通信で最も利用される周波数帯で酸化ガリウムトランジスタが実用可能と世界で初めて実証
■　高温、放射線、腐食への高い耐性を生かし、困難だった極限環境下での継続的な無線通信を実現へ

 
　国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT、理事長: 徳田 英幸）は、未来ICT研究所 グリーンICTデバイス先端開発センターにおいて、優れた高周波デバイス特性を有する無線通信向けの酸化ガリウムトランジスタを開発し、世界最高の最大発振周波数27 GHzを達成しました。
　これまで、酸化ガリウムトランジスタは、パワーデバイス用途が知られており、無線通信用途の研究はほとんど行われていませんでした。しかし、酸化ガリウムトランジスタは、材料特性上、高温、放射線、腐食などに対して高い耐性を持つことから、従来の半導体デバイスでは著しい性能劣化のために継続的な使用が難しかった極限環境下での無線通信機器への応用が期待されます。
　無線通信では、実用周波数に対して少なくとも2-3倍の最大発振周波数が必要です。今回、NICTは、最大発振周波数27 GHzを達成し、無線通信に広く用いられる1-10 GHz程度の周波数帯で、酸化ガリウムトランジスタが利用可能であることを世界で初めて実証しました。本成果は、極限環境に留まらず、宇宙、地下資源探査など半導体デバイス未踏の領域での高度な情報通信技術の実現へ向けて大きく進展させるものです。
　なお、本成果は、2020年12月21日（月）に、米国科学雑誌「Applied Physics Letters」に掲載されます。

背景
　NICTは、2011年に酸化ガリウムデバイスの研究開発に先鞭をつけて以来、現在まで多数のパワーデバイス用途の研究成果を報告してきました。一方で、これらとは異なる用途として、極限環境における無線通信という新たな領域に着目し、高周波トランジスタ研究開発を2018年からスタートしました。

【画像：https://kyodonewsprwire.jp/img/202012168689-O3-kW1yDdFn】

　高温、放射線、腐食性ガスなどにさらされる極限環境では、従来の半導体デバイスは、著しい性能劣化が生じるため継続的な使用が不可能でした。しかし、 IoT の急速な普及により、極限環境におけるセンシングデータの取得や機器制御の必要性が増している現在、それら特殊な環境においても利用可能な無線通信半導体デバイスに対する要望が高まってきています。酸化ガリウムは、その材料特性上、熱的、化学的に安定であることから、それら極限環境因子に対して既存の半導体材料を大きく上回る高い耐性 が期待でき、このような用途に非常に適した材料と考えられます（図 1 参照）。しかし、これまで、無線通信用途を目的とする高周波酸化ガリウムトランジスタの研究開発は、世界的に見てもほとんど行われておらず、その実用可能な動作周波数すら不明でした。

今回の成果
　今回、 NICT は、無線通信向けの高周波酸化ガリウムトランジスタの開発を行い、酸化ガリウムトランジスタとして世界最高の最大発振周波数 27 GHz を達成しました（図 2 参照）。無線通信では、実用周波数に対して少なくとも 2-3 倍の最大発振周波数が必要とされるため、本成果は、 10 GHz 程度までの周波数で酸化ガリウムトランジスタが利用可能であることを意味します。

【画像：https://kyodonewsprwire.jp/img/202012168689-O2-3U8q74h2】

　1-10 GHzは、衛星放送、携帯電話、無線LANなど、現在最も広く利用されている周波数帯であり、この周波数帯で酸化ガリウムトランジスタが利用可能であることを実証したのは、世界で初めての成果です。さらに、この周波数帯では波長が10 cm程度と小型のアンテナで通信が可能なため、センサーなどの小型機器の通信に適しています。
　このように、酸化ガリウムトランジスタには、従来のパワーデバイスに加えて、極限環境無線通信デバイスという新たな応用分野の可能性があることを示しました。

今後の展望
　本成果により、無線通信向け高周波酸化ガリウムトランジスタの開発における周波数のターゲットが明確になりました。今後、NICTは、高周波酸化ガリウムトランジスタの性能を、より引き出すために、使用周波数帯における出力電力特性を最大化する試料構造の最適化を行い、実用化を目指します。
　また、本成果により、無線通信応用に向けた酸化ガリウムトランジスタ開発が、今後、世界的に活発化すると予想されます。そして、高周波酸化ガリウムトランジスタ技術が、既存の高温、放射線にさらされる環境だけに留まらず、宇宙、地下資源探査などの未開拓領域にも応用展開していくことが期待されます。

 
論文情報
論文名: Delay-time analysis in radio-frequency β-Ga2O3 field effect transistors.
掲載誌: Applied Physics Letters
DOI: 10.1063/5.0029530
著者: Takafumi Kamimura, Yoshiaki Nakata, and Masataka Higashiwaki

本研究の一部は、総務省戦略的情報通信研究開発推進事業 （SCOPE） からの委託によって実施されました。