肩负高速大容量通信重任的革命性器件～“GaN HEMT”的开发历程～①

何谓“HEMT”？

支撑5G时代的电子器件——“GaN HEMT”。在介绍“GaN HEMT”前，让我们先来了解一下“HEMT”，它是基于日本的高水平技术实力与研究人员的丰富创造力而成的令人瞩目的成果，是极大推动了信息通信技术进步的日本原创技术。“HEMT”是“High Electron Mobility Transistor（高电子迁移率晶体管）”的首字母缩写，如其名曰，它是一种晶体管。1948年，美国贝尔研究所发明的晶体管为技术世界带来了前所未有的冲击。该器件是电子时代拉开序幕的标志，为以电脑为首的电子技术的急速发展奠定了基础。晶体管的功能之一是可放大信号强度的“放大作用”。例如，“晶体管收音机”通过晶体管放大在空中传播的微弱信号，并通过扬声器进行播放。

起初，人们采用锗来制造晶体管，但没过多久，制造晶体管用的原材料几乎都被替换成了具有高度耐热性的硅。进入70年代后，针对晶体管的这一进化，日本开始发起了的挑战。人们首先着眼于电子的速度。以往的硅制晶体管的电子发生层与电子游离层均处于相同材料中，因此电子会撞上杂质，致使其速度减慢。为解决该课题，富士通研究所于1979年开发出了“HEMT”，它采用了化合物半导体。该器件的构造为：电子发生层采用铝砷化镓（AlGaAs），电子游离层采用高纯度的砷化镓（GaAs）结晶，将两者重叠起来形成双层构造。通过该构造，可实现高速且高灵敏度的电气信号处理过程。自1985年以来，“HEMT”被搭载于世界各国的卫星电视广播接收机中，以此为开端，在微波与毫米波领域的各种装置（例如：手机终端、基站、卫星导航接收机、用于防止汽车追尾的毫米波雷达等）中，“HEMT”成为了不可或缺的器件，时至今日，作为支撑信息通信社会的基础技术，它依然发挥着巨大的作用。以“HEMT”的技术性成就为基础，将它与具有更出色材料物性的氮化镓(GaN)相组合，便迎来了“GaN HEMT”的诞生。住友电工Device Innovation株式会社（以下简称SEDI）成为了其开发制造据点。

向氮化镓的潜能发起挑战

住友电工Device Innovation株式会社代表取缔役社长　长谷川裕一向氮化镓的

在第1代技术（1G）时期，即模拟手机时代，人们采用硅作为高功率晶体管的半导体材料，并将该高功率晶体管用作手机基站放大器。随后，在第2代技术（2G）时期，即数字化开始得以发展的90年代初，住友电工集团经过充分准备，将采用了砷化镓的晶体管“砷化镓场效应晶体管（GaAs FET）”投入了市场。在GaAs FET中，电子可更加高速移动（接近硅中电子移动速度的5倍），并可减少电力消耗，因而备受瞩目。但随后，新问世的晶体管“硅LDMOS（Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor）”（以下简称Si-LDMOS）在特性与价格等各个方面均比“砷化镓场效应晶体管”更有优势，并席卷了市场，引领了第3代技术（3G）的发展。自此，住友电工集团的电子器件在市场竞争中被体无完肤地淘汰出局。SEDI的代表取缔役社长长谷川裕一将当时的情况形容为“败下阵来”。

“在市场竞争中，我们输给了Si-LDMOS，就是如字面意思的“败下阵来”，我们陷入了事业难以存续的艰难境地。在这样的危机之中，传来了全新化合物半导体的消息，研究所当时正在推进其基础开发。它就是GaN，即氮化镓。其特性比硅和砷化镓更具优势，具有高功率且高速的特点，人们期待将其应用于电子器件中。当时已经没有选择的余地，我们以背水一战的心态，开始推进氮化镓的相关研发。”（长谷川）

2000年，着眼于GaN潜力的SEDI的技术团队开始着手开发“GaN HEMT”。现在隶属于SEDI制造技术部的西真弘是当时开发团队中的一员。

住友电工Device Innovation株式会社　电子器件事业部制造技术部　第一技术课　经理　西真弘

“在GaN的材料物性中，有一项令我们感到震惊，那就是极高的耐压强度（击穿场强），大约是硅的10倍。此外，在逐渐提升电压的情况下，作为峰值电子速度的饱和电子速度也达到了硅的2倍以上。其优点在于可高电压运行，且容易实现高效运行。此外，作为可与Si-LDMOS相抗衡的器件，我们认为它具有极大潜能，比如，只需消耗少量电力就能实现高功率等。”（西）

在同一时期，有一名员工以“砷化镓晶体管”的复活为目标而艰苦奋斗于研发前线，现在已成为SEDI的工艺开发部长，他就是井上和孝。