fujitsu standard tool...hemtの基本 1979年に富士通研究所（三村博士）が発明 gaas...

Copyright 2016 FUJITSU LABORATORIES LTD.

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


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

アウトライン

1





アウトライン

2

InP HEMT技術

背景


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

ミリ波・テラヘルツ波の応用

LO

IF RF

RF

LO

IF

Mixers for spectrum

analyzers

LNAs and detectors

for Imaging

LNAs and detectors

for receiver MMICs

94 GHz 110-140 GHz

Y.Kawano et.al., CSICS 2013.

240-260 GHz

S. Shiba et.al., IMaRC2014. M. Sato et.al., APMC2007.

3


受信用ICの構成

ミリ波・テラヘルツ波受信用IC

Vdet

DV LNA

Receiver MMIC

Detector

mm-wave

THz-wave

InP HEMT

高速低雑音

Gtot = G1 · G2 · G3

Ftot = F1 + + F2 – 1

G1

F3 – 1

G1G2

G1 F1

G2 F2

G3 F3

Fn: 雑音指数

Gn:利得

4

周波数について


別の定義も混在 • 100 GHz ～ 10THz • 1 THz ～ 10 THz

• 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

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

ミリ波

30GHz 300GHz 3THz f=3GHz

1cm 1mm 0.1mm λ=10cm

サブミリ波マイクロ波

テラヘルツ波

電波天文

無線通信

5





アウトライン

6

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


電波天文車載レーダ衛星放送 HEMT (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

HEMTの構造

High Electron Mobility Transistor (ＨＥＭＴ)

高電子移動度トランジスタ


GaAs HEMT

(pHEMT)

pseudomorphic

InxGa1-xAs (x=0.1~0.2)

i-GaAs

n+-GaAs

2DEG

Gate

Source Drain

(i-In0.15Ga0.85As)

半絶縁性GaAs基板結晶成長

E2

E1

EF

(2DEG)

Ionized

donors

i-GaAs n+-AlGaAs

Gate

metal

2 Dimensional Electron Gas

EC n+-AlGaAs

ヘテロ接合界面に2DEGが発生

電子移動度が高い

8





アウトライン

9

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


Eg = 1.53 eV

X1 = 4.09 eV

Vacuum level

n type

In0.52Al0.48As undoped

In0.53Ga0.47As

Eg = 0.47 eV

X2 = 4.50 eV

n type

In0.52Al0.48As

undoped

In0.53Ga0.47As EC1

EV1

EF1

EC2

EV2

EF2

EC

EV

EF

Vacuum level

ΔEC

2DEG

InAlAs/InGaAsヘテロ接合界面に2DEGが発生

10

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

Al0.3Ga0.7As

In0.53Ga0.47As

バンドギャップと格子定数


InP HEMT: InP基板に格子整合したInAlAs/InGaAsヘテロ接合

3.0

2.0

1.0

0.0 5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 6.4 6.6

Lattice constant (Å)

Ba

nd

ga

p e

ne

rgy (

eV

) T = 300K

AlSb

InSb

GaSb

InAs

InP

AlAs

GaAs

AlP

GaP

Si

Ge

Direct gap

Indirect gap

In0.52Al0.48As

12

InP HEMTのメリット


In0.53Ga0.47As T = 300K

InP GaAs

Si

4

0.5

Electric field strength (×104 V/cm)

Ele

ctr

on

ve

loc

ity (×

10

7 c

m/s

)

3

2

1

0

3.0 2.0 1.0 0 1.5 2.5

μe ~ 10,000 cm2/Vs

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）

13

HEMT基本構造の違い


GaAs HEMT GaN HEMT

GaAs基板 InP基板 SiC基板

i-GaAs i-InGaAs i-GaN

n-AlGaAs n-InAlAs n-AlGaN

(pHEMT) InP HEMT

Source Drain Gate

Source Drain Gate Source Drain Gate

InxGa1-xAs(0.53≦x)チャネル

移動度が高い

InP基板上に結晶成長

2DEG 2DEG 2DEG

pseudomorphic InxGa1-xAs (x=0.1~0.2)

14





アウトライン

15


InP HEMT構造

Planar doped

S.I. InP substrate

i-InAlAs buffer

i-InAlAs supply

i-In0.63Ga0.37As channel

SiN Drain Source

n+-InGaAs

Gate

i-InP stopper

2DEG

n+-InGaAs

エネルギーバンド構造

n+-InGaAs

0.5

0.0

-0.5

-1.0

-1.5 40 80 120

position (nm)

0 E

(e

V)

Ec

Ev

Ef

1.0

i-InGaAs

i-InAlAs

InAlAs

InP

断面構造

2DEG

16

雑音特性の改善

雑音指数

Cutoff frequency

fT = gm

int

2p ( Cgs + Cgd )


= 1 + 2p K ( Rs + Rg ) gmint Fmin

f

fT

ゲート容量の低減

17


空洞構造の適用

寄生容量の低減

ゲート寄生容量の低減

fT = gm

int

2p (Cgs + Cgd + Cp1 + Cp2)

Interlayer film

Gate

Drain Source

Cp1 Cp2

Cgs Cgd

Interlayer film

Drain Source

Cavity

Gate

Cgs Cgd

多層配線後の特性劣化改善が課題

fTの低下

18


空洞構造の作製手順

Drain Source Gate

Drain

SiN

19



Drain SiN Source

filler

Gate Drain

SiN

20


Drain SiN Source Drain

BCB

Gate

filler

Copyright 2016 FUJITSU LABORATORIES LTD. 21


Drain Gate

Source Drain

Dissolution

SiN

Au Au BCB

Cavity


Gate Source Drain

BCB

Cavity

Lg 500 nm

空洞構造のTEM像


Takahashi et al., IEEE Trans. Electron Devices,

vol. 59, no. 8, pp. 2136–2141, 2012.

23





アウトライン

24

Cavity

DrainSource SiN Drain

BCB

Gate

AuAu

Cavity


BCB

Gate

AuAu

Cavity


BCB

Gate

AuAu

Cavity


BCB

Gate

AuAu

ゲート寄生容量

0

200

600

800

1000

1200

Gate length (nm)

Cap

acit

an

ce

(fF

/mm

)

0 50 100 150

Wg = 80 mm

Cgs without

cavity

Cgd without cavity

400

Cgs with cavity

Cgd with cavity

DCgs: 62 fF/mm

DCgd: 60 fF/mm

Lr = 120 nm

Vds = 1.0 V


Cavity

DrainGate

Source DrainSiN

AuAu

BCB

Cavity

DrainGate

Source DrainSiN

AuAu

BCB

Lr = 120 nm

カットオフ周波数

Cavity


BCB

Gate

AuAu

Cavity


BCB

Gate

AuAu

100

200

300

400

500

600

Gate length (nm)

Cu

toff

fre

qu

en

cy (

GH

z)

0 50 100 150

Wg = 80 mm

Vds = 1.0 V With cavity

Without

cavity


雑音測定系 (94 GHz)

DUT

NF

Meter

Synthesizer

LO 94.01 GHz

IF 10 MHz

Noise Source

Mixer

Pre amp.

Waveguide

LPF

W-band

Cable

ENR~6dB

InP-HEMT

S

G

S

D

SW

Tuner


Cold-In法（Cold-Source法）

27

最小雑音指数

0

0.5

1.0

1.5

2.0

Drain current (mA/mm)

NF

min

(d

B)

0 100 200 300

Lg = 75 nm

With cavity

Without cavity

94 GHz

RT Lr = 120 nm

Wg = 80 mm

Vds = 0.8 V

0.71 dB


CMOS

0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

0 20 40 60 80 100

Frequency (GHz)

Min

imu

m n

ois

e f

igu

re (

dB

)

This work

GaAs-HEMT InP-HEMT


雑音指数のベンチマーク

NF = 0.71 dB @RT

(Te ~51K @RT)

RT

29

InP HEMTの特性


Lg : 75 nm

Cavity structure

fT / fmax: 320 GHz / 660 GHz

NFmin：0.71 dB @94 GHz, 300K

Frequency (GHz)

1 100 100010

Gain

(d

B)

20

40

60

0Vd=1 V, Vg=0.2 V

fT = 320 GHz

fmax = 660 GHz

U

|h21|

Gate

Cavity

500 nm

BCB

DrainSource

T. Takahashi et al., IEEE ED 2012.

30





アウトライン

31

InP HEMTの低温特性（Id-Vd）


0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

T = 300 KT = 16 K

Vgs =

0.3 V

0.2 V

0.1 V

0.0 V

-0.1 V

Lg = 75 nm

Dra

in-s

ou

rce c

urr

en

t, I

ds

(A/m

m)

Drain-source voltage, Vds (V)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

T = 300 KT = 16 K

Vgs =

0.3 V

0.2 V

0.1 V

0.0 V

-0.1 V

Lg = 75 nm

Dra

in-s

ou

rce c

urr

en

t, I

ds

(A/m

m)

Drain-source voltage, Vds (V)

32

InP HEMTの低温特性 (gm)


InP HEMTの低温特性 (fT, fmax)


300

350

400

450

10 100

Vds = 0.6 VVds = 0.8 VVds = 1.0 V

50050

Lg = 75 nm

Cu

toff

fre

qu

en

cy,

f T(G

Hz)

Temperature (K)

300

350

400

450

10 100

Vds = 0.6 VVds = 0.8 VVds = 1.0 V

50050

Lg = 75 nm

Cu

toff

fre

qu

en

cy,

f T(G

Hz)

Temperature (K)

100K以下では特性が飽和傾向

34

In0.25Ga0.75As

InP HEMTの低温特性（電子移動度）


105

104

103

10 100 500

In0.53Ga0.47As

GaAs

Temperature (K)

Ele

ctr

on

mo

bil

ity (

cm

2/V

s)

2DEG

2DEG

77K

300K

InP HEMT

pHEMT

GaAs HEMT

35





アウトライン

36

InP HEMTの基幹ミリ波通信応用


Fiber ring

離島山間地

村落

光ファイバ網の補完

Fiber ring

Fiber ring 河川

光ファイバ網の拡張

10-2

10-1

1

10

102

Sp

ecif

ic a

tte

nu

ati

on

(d

B/k

m)

Frequency (GHz)

1 2 5 10 20 50 100 200

O2

94 GHz

60 GHz

119 GHz

ミリ波マイクロ波

H2O

37

W帯低雑音増幅器

94GHz帯LNA


2.5×1.2 mm2

Sato et al., IEICE Trans. Electron., 2009.

Frequency (GHz)

Gain

(dB

)

NF

(dB

)

75 80 85 90 95 1000

10

20

30

40

2

3

4

5

6

Gain

(d

B)

Frequency (GHz)

NF

(d

B)

75 80 85 90 95 100 2

3

4

6

5

20

30

40

10

0

IN OUT

Gate

Cavity

500 nm

BCB

Drain Source

75nm InP HEMT

Gain: 40 dB @85 GHz

NF: 3 dB

RT

38

ミリ波イメージング（パッシブ）の例


光学写真

隠匿物の検知

赤外線画像

94GHz RT

セキュリティ用途

ミリ波：物体を透過

APMC2007, Sato et al.

ミリ波画像

Receiver

InP HEMT MMICをFlip chip

DC Amp.

MMIC

Sig

na

l P

ro.

32素子受信器アレイ

39

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

40 mm

Bump

230 240 250 260 270 280 290Frequency (GHz)

S2

1, S

11,

S2

2(d

B)

-30

-20

0

20

30S21

S11

S22

: Bare chip

: Flip-chip

( Top view ) ( Cross view )

Y. Kawano et al. IMS 2014

Polyimide substrate

InP amplifier ICOutput

2.2 x 0.8 mm

Input


300GHz帯増幅器

-30

-20

-10

0

10

20

30

S11

S22

S21

220 240 260 280 300 320 340

S-p

ara

mete

rs [d

B]

Frequency [GHz]

> 20 dB, 80 GHz


Y. Kawano et al., TWHM2015.

1.1 x 0.4 um2

ゲート接地６段増幅器

Gain: >20 dB

BW: 80 GHz

IN OUT

RT

テラヘルツ通信（非接触瞬時ダウンロード）

41





アウトライン

42

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）

Copyright 2016 FUJITSU LIMITED 43


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

fujitsu standard tool...hemtの基本 1979年に富士通研究所（三村 博士）が発明 gaas...

Documents

fujitsu standard tool...hemtの基本 1979年に富士通研究所（三村博士）が発明 gaas...