移動通信における高速データ伝送ニーズの高まりに伴い、本格商用サービスが始まっている第3世代移動体通信システム(IMT-2000)では、基地局システムの設置の容易さと維持コストの低減をめざして、システムの小型化と低消費電力化が求められています。

現在の基地局システムでは、システムに用いられる高出力トランジスタの動作電圧が基地局のシステム電源電圧に比べて低いため、電源電圧変換回路が用いられています。この電源電圧変換回路が不要になれば、基地局の小型化と低消費電力化が可能となります。このことから、システム電源に直結できる高い電圧でも動作するトランジスタが求められていました。

窒化ガリウムは、シリコンやガリウム砒素など従来の半導体材料に比べ、電圧による破壊に強いという特長があります。一方、窒化ガリウムをHEMT構造として用いることで、従来の他の材料のトランジスタに比べ、高出力で高効率な動作が期待できます。窒化ガリウムHEMTによって、高電圧動作が可能で、高出力・高効率の増幅器が可能であると期待されていました。

しかし、実際に窒化ガリウムをHEMT構造にして高電圧動作させてみると、ゲート電極からのリーク電流が予想以上に大きいことと、高周波動作をさせたときにドレイン電流が低下してしまうという課題があり、高電圧動作トランジスタとしての十分な特性を得ることができませんでした。

当社は、上記課題を解決するためには、窒化ガリウムHEMTの表面構造を制御することが重要であることに着目し、デバイスシミレーションと実験とによって、HEMT構造の表面部分にn型の窒化ガリウム層を用いることで特性が大幅に改善できることを見出しました。

以下に、表面にn型の窒化ガリウム層を用いた最適化の効果を示します。

今回開発した窒化ガリウムHEMTを用いて高出力増幅器を作製し、直流電源電圧45ボルトで、IMT-2000周波数の2ギガヘルツ帯において100ワットの高出力連続動作に成功しました。この結果は、基地局システム電源への直接利用に道を開くものです。

さらに、作製した窒化ガリウムHEMT増幅器と、当社独自のデジタルプリディストーション(Digital Pre-Distortion: DPD)方式(*3)の歪補償回路(2002年9月5日発表: http://pr.fujitsu.com/jp/news/2002/09/5.html)とを組み合わせ、IMT-2000基地局用増幅器としての動作検証を実施しました。

消費電力が最小となる条件で評価したところ、IMT-2000スペクトラムエミッション規格(*4)のもとで、窒化ガリウムHEMTに入力された直流電力が高周波信号電力へ変換される割合を表すドレイン効率が35%と、従来比で1.5倍の世界最高性能を得ることができました。電力の高効率の変換が可能となることで、基地局システムの省電力化が図れるだけではなく、放熱機構の簡素化によるさらなる小型化が可能となります。

今後は、高電圧動作が可能な高出力・高効率のトランジスタとしての一層の特性向上と基地局システムでの実用化開発を進め、次世代通信システムの普及に貢献してまいります。