紫村 輝之

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博士学位論文の要旨及び審査結果の要旨 (Summary of Thesis(DR))othe

紫村, 輝之

Tohoku University Repository (TOUR) / 東北大学機関リポジトリ

GaAs HBTの高性能化とそのマイクロ波高出力増幅器応用に関する研究著者 紫村 輝之号 59学位授与機関 Tohoku University学位授与番号 工博第5005号URL http://hdl.handle.net/10097/62701          し むら てる ゆき 氏 名          紫 村 輝 之 授 与 学 位          博士（工学） 学位授与年月日          平成２６年９月２４日 学位授与の根拠法規 学位規則第 4 条第 1 項 研究科，専攻の名称 東北大学大学院工学研究科（博士課程）通信工学専攻 学 位 論 文 題 目          GaAs HBT の高性能化とそのマイクロ波高出力増幅器応用 に関する研究 指 導 教 員 東北大学教授 末松 憲治 論 文 審 査 委 員          主査 東北大学教授 山口 正洋 東北大学教授 羽生 貴弘              東北大学准教授 亀田 卓 論 文 内 容 要 旨           近年の高度に発達した無線通信システムにおける要求を満足するため，構成部品であるマイクロ波高出力増幅器(Microwave High Power Amplifier, PA)には高出力，高効率，低歪などの特性が求められる．PAを構成する基本デバイスにもPA と同様な特性が求められ，GaAs(Gallium Arsenide)の優れた電子輸送特性とバイポーラトランジスタの利点を併せ持つGaAs HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)は，それらの要求を満足するデバイスとして実用化が待望されていた．本論文は， GaAs HBTの高性能化を可能とする構造・方式を提案し，それらをPAに適用して実証することによってGaAs HBTの実用化に繋げた結果をまとめたものであり，全編 7章よりなる．  第 1 章の序論では，本研究の背景と位置づけ，本研究の目的と論文の構成を述べると共に，GaAs HBT の特徴と課題を明確化している．本研究の目的は，GaAs HBT による高性能なマイクロ波高出力増幅器を実用化することである．第2章，第3章，第4章，第5章はGaAs HBTの高性能化に関する研究，第6章は，GaAs HBTの移動体通信端末用マイクロ波高出力増幅器への応用に関する研究，第7章は結論となっている．以下に各章の概要について述べる．  第2章は，シングルフィンガHBT の高周波化・高効率化に関する研究である．図1に独自のT型ダミーエミッタを用いたセルフアライン技術によるベース電極形成工程を示す．ベース電極は，WSi/SiON の 2 層からなる T 型ダミーエミッタをマスクとして，エミッタ近傍に自己整合的に形成される．エミッタ‐ベース電極間の距離は，SiONのサイドエッチングによって0.2μmに制御される．SiONWSi 独自のT型ﾀﾞﾐｰｴﾐｯﾀ構造ﾍﾞｰｽﾒﾀﾙ0.2mRB低減CBC低減1.5m図1 T型ダミーエミッタを用いたベース電極形成工程? 66 ?また，WSi/SiON が T 型形状であるため，エミッタ‐ベース電極間の短絡を確実に防ぐことができる．エミッタ‐ベース電極間距離を 0.2μm に短縮することによって，外部ベース抵抗を 1/5 に，CBCを 30%低減した．また，水素イオン注入・エピ構造最適化などと組み合わせ，その他の寄生成分も合わせて低減した．開発した要素技術をエミッタサイズ1.5x20μm2のシングルフィンガHBT に適用し，fT=75GHz，fmax=100GHzと良好な高周波特性が得られた．さらに，周波数9GHzにおいて出力電力0.12W，電力付加効率73%，出力電力密度5.9W/mm，周波数18GHz において出力電力 0.11W，電力付加効率 57%，出力電力密度 5.4W/mm を達成した．これらの電力付加効率・出力電力密度は，HBTにおける当時の報告例中トップの値であった． 第3章は，HBTのマルチフィンガ化による高出力化に関する研究である．マルチフィンガ HBT の均一動作にはバラスト抵抗の導入が必須であり，その実現手法としてエミッタコンタクト抵抗を提案した．図2に提案したエミッタ電極(AuGe/Ni/Au)とエミッタコンタクト層(n+-GaAs)のコンタクト抵抗によるエミッタバラスト抵抗の構成を示す．図2でREはエミッタ抵抗，REPはエミッタエピ抵抗，REC はエミッタコンタクト抵抗であり，RE=REP+RECとなる．コレクタ電流分布の計算から均一動作に必要な REが 6~10Ω であることを導出した．また，REP=4Ωであることが実測から求まり，RECとして 2～6 Ωが必要であることが判った．提案した構成では REC＝3.3 Ωとなり，所望のエミッタバラスト抵抗値を工程追加やパターンサイズの拡大なく実現できた．提案したエミッタコンタクト抵抗によるエミッタバラスト抵抗を採用した10フィンガHBTを試作し，周波数12GHzにおいて，出力電力 1W, 電力付加効率 72%，出力電力密度 5.0W/mm と Ku 帯ワット級素子として当時の報告例中トップの電力付加効率を達成した． 第4章は，マルチフィンガHBTにおけるコレクタ電流の実験式に関する研究である．計算精度向上のため新しいコレクタ電流の実験式を提案した．図 3に従来の実験式と提案した実験式でのコレクタ電流(IC)の接合温度依存性を実測データと比較して示す．提案した実験式は，従来の実験式と比較して HBTの接合温度が高い場合に，実測値とより良い一致を示す．また，提案した実験式では従来の実験式に比較してマルチフィンガ HBT を均一に動作させるエREﾍﾞｰｽ層ｴﾐｯﾀｺﾝﾀｸﾄ層(n+-GaAs)ｴﾐｯﾀ層(n-AlGaAs)ｴﾐｯﾀ電極(AuGe/Ni/Au)ﾍﾞｰｽ電極RECREP図2 コンタクト抵抗によるバラスト抵抗の構成05101520300 350 400 450従来の実験式提案した実験式測定データ接合温度：T(K)I C(mA)実測図3 従来及び提案した実験式で計算したコレクタ電流(IC)の接合温度依存性の実測データとの比較? 67 ?ミッタ抵抗値が常に小さく見積もられる．従って，従来の実験式で均一化に必要なエミッタ抵抗を見積もると必要以上に過大な値となり，RF特性の劣化を招くことが判った．コレクタ電流利得のコラプス領域に関しても，提案した実験式は従来の実験式と比較して実測値とより良い一致を示した．高精度な実験式の提案により，以降の開発において，より精度の高いデバイスパラメータ，レイアウトパターン設計が可能となった． 第 5 章は，AlGaAs/GaAs HBT の熱抵抗低減に関する研究である．電力密度の高いHBT において課題であった放熱性を改善するため，新しい放熱構造を提案した．図4に提案したエミッタエアブリッジを用いた放熱板付HBTの断面構造を示す．構造的な特徴は，エミッタ電極間をエアブリッジで接続し，各フィンガ間に放熱板を設けていることである．提案した構造における放熱性の利点は，①2 方向の熱流の発生，②放熱板による GaAs 基板への放熱エリアの拡大，③エミッタエアブリッジを介した熱交換によるフィンガ間温度分布の均一化，である． 2方向の熱流のうち，1 方向の熱流は従来と同様，直接 GaAs 基板へ放熱する．もう 1 方向の熱流は，発熱源から上方のエミッタ電極とエミッタエアブリッジを介して放熱板に向い GaAs 基板へ放熱する．熱流が 2 方向になることで，熱流が集中せずに分散する効果がある．熱解析シミュレーションにより従来のコレクタエアブリッジ構造に比較して提案した構造では，熱抵抗を約 40%低減可能なことを示した．さらに，実際にエミッタサイズ4x40μm2x5フィンガHBTを試作し，熱抵抗を実測した結果，112.5°C/Wが得られた．熱解析から求めた5フィンガHBTの熱抵抗は，111.9°C/Wであり，計算通り低減できることを確認した．さらに，PDC(Personal Digital Cellular：日本独自の第二世代ディジタル携帯電話システム)向けPAの最終段用の4x40μm2x40フィンガHBTに同構造を適用し，1.15mm2の小型チップで23°C/Wの低熱抵抗を実現した．周波数948MHzのPDC 変調信号(π/4-shifted QPSK)で入出力特性を測定し，出力電力 29.2dBm，電力付加効率 51%，PDC に要求される歪特性の指標である図4 エミッタエアブリッジを用いた放熱板付HBTの断面構造GaAs基板ｴｱﾌﾞﾘｯｼﾞによる熱交換⇒フィンガ間温度均一化熱流が2方向⇒熱流の分散ｺﾚｸﾀ層ﾍﾞｰｽ層ｴﾐｯﾀ層ｴﾐｯﾀ電極ｺﾚｸﾀ電極ﾍﾞｰｽ電極放熱板設置⇒GaAs基板への放熱エリア拡大ﾀﾞｲﾊﾟｯﾄﾞﾒﾀﾙ8mｴﾐｯﾀｴｱﾌﾞﾘｯｼﾞ放熱板発熱源4m? 68 ?ACLR(Adjacent Channel Power Leakage Ratio)=－48dBcとトップクラスの特性を達成した． 第6章は，GSM (Global System of Mobile Communications) / EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)の2つの通信方式に対応し，かつ3つの周波数帯(900MHz/1800MHz/1900MHz帯)に対応した高出力増幅器(GSM/EDGEデュアルモード・トリプルバンドPA)へのHBTの応用に関する研究である．HBTのバイアスモードを検討し，2段アンプの低歪化のため，前段に低歪なベース電流一定モード，後段に高効率・高出力なベース電圧一定モードの採用を提案した．さらに，前後段に異なるバイアスモードを採用することによって，前後段の利得及び位相の変化を補償でき，2 段 PA トータルの歪特性が改善できることを確認している．図 5 に EDGE モードにおける低歪バイアス回路を示す．IB 一定モードによる良好な歪特性を実現するため，効率に支配的でない前段 HBT には，抵抗による電流注入バイアス回路を採用し，高出力・高効率が必要な後段 HBT には，VB 一定モードを実現するためエミッタフォローワによる電圧供給バイアス回路を採用した． 2 段 PA に上記バイアス回路構成を適用することによって， IB一定モードと VB一定モードで前段と後段の利得・位相を補償することができ，2 段 PA トータルでの歪特性を改善している．さらに，GSM/EDGEデュアルモード・トリプルバンド PA に上記バイアス回路を適用し，EDGE モードで要求される歪特性の指標であるEVM(Error Vector Magnitude)のスペックを満足した．GSMモードにおいて，900MHz帯で出力電力35.5dBm, 電力付加効率 50%，1800/1900MHz 帯で出力電力 33.4dBm, 電力付加効率 45%を実現した．EDGE モードにおいて，EVM のスペック(<5%)を満足しつつ 900MHz 帯で出力電力 29.5dBm, 電力付加効率 25%，1800/1900MHz 帯で出力電力28.5dBm, 電力付加効率25%の優れた特性を実現した． 第7章は，結論であり，本研究で得られた成果の要約と今後の展望を示している．今後の展望としては，機能・コストの更なる追求に答えていくためには，各デバイスの特徴を生かした積極的な機能分担が進んでいくものと考えられる．例えば，低コスト化要求に対しては，性能に支配的な最終段のみ HBT を使用し，前段及び付随回路を CMOS で構成することが考えられる．また，低歪化に関しても，DPD(Digital Pre-Distortion)や ET(Envelop Tracking)技術の進展に伴い，PA の歪を外部回路で補償することが小型低消費電力の CMOS で可能になりつつある．従って，HBT には CMOS で実現できない高効率化や高周波化が強く求められるようになると考えられる．このように，機能分担が進むと，異なる基本デバイスで構成された機能ブロック間の組合せ技術が重要となり，今後，CMOS を代表とする他のデバイスとの最適組合せ技術と HBT の特徴をさらに伸ばしていく研究開発が重要度を増すと考えられる． Vpc初段HBT終段HBT電流注入ﾊﾞｲｱｽ回路電圧供給ﾊﾞｲｱｽ回路(ｴﾐｯﾀﾌｫﾛｰﾜ)Vcc図5 低歪EDGE PA用バイアス回路構成? 69 ?? 70 ?

GaAs HBTの高性能化とそのマイクロ波高出力増幅器応用に関する研究

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