从5G元年迈向“Beyond 5G”～不断进化的“GaN HEMT”的现状～
向大口径晶圆与管壳的小型化发起挑战
口径越大，则1片晶圆可切出的芯片数量越多。通过晶圆大口径化，来实现低成本，这是量产初期的一大课题。“GaN HEMT”是从2英寸晶圆开始量产，随后在2007年实现了3英寸量产，在2011年实现了4英寸量产。但晶圆生产流程包含大约100个工序，改变口径就意味着重新组装所有的装置与材料。人们克服了一个个问题，对生产流程不断进行优化。致力于该课题的团队成员之一，是现在隶属于SEDI生产技术部的生松均。
“晶圆生产流程包括两个部分，一是形成电极等部分的表面工序，另一个是使晶圆薄层化后切分为芯片的背面工序。作为衬底的SiC是一种极其坚硬的材料，使其薄层化的技术尚未问世。虽然我们尝试用坚硬的磨石来强行研磨，但成品率不佳，加工速度较慢也是一大问题。于是我们与背面研削生产商进行了沟通，开发出了划时代的研削技术。其加工速度达到以往的数十倍，几乎没有再发生任何与研削相关的品质不良。”（生松）
此外，用于收纳“GaN HEMT”芯片的管壳也在不断小型化。现在隶属于SEDI电子器件第一开发部的由村典宏也是当时的负责人之一。
“该如何响应客户对成本的要求？战胜Si-LDMOS晶体管便是重中之重。管壳的小型化直接关系到成本削减。我们通过改变管壳内的电路方式与设计手法，来不断推进小型化。现在的产品大小仅为2006年产品的四分之一，我们通过这样的小型化，成功削减了综合成本。”（由村）
由于“GaN HEMT”的低功耗优势，基站的降价效果也开始显现，逐渐地渗透至市场中。采用了“GaN HEMT”的通信运营商实际体验了高功率、高速以及低功耗等特性，这些特性被市场所认知，市场上也开始流传“怪物级器件”之类的评价。通信标准从3G进化到4G时，所需带宽也不断扩大，世界迎来了高速大容量时代，与此同时，“GaN HEMT”迅速揽获了市场支持。其主要原因在于它对促进基站“小型化”有极大帮助。由于“GaN HEMT”消耗电力少、发热少、且不需要风冷风扇等构件，因此它有助于实现基站的小型化与轻量化。这样一来，基站的设置也变得更加容易，可设置基站的场所也有所扩大，被称为“Remote Radio Head”的小型基站开始急速增加。此外，“GaN HEMT”还被用于地面波数字放送的发射器中，并被搭载于晴空塔放送局内。2013年，“GaN HEMT”在日本以外国家的需求量开始扩大，与之相伴，迎来了爆发性增长。次年（2014年），由于在信息通信领域中所作出的各种功绩，“GaN HEMT”荣获了日本技术经营/创新奖类目中的“文部科学大臣奖”。
全球市场份额不断扩大的“GaN HEMT”
在被称为5G元年的现如今，“GaN HEMT”和“Si-LDMOS”作为基站用晶体管，正在市场上展开激烈竞争。作为基站用晶体管，SEDI的“GaN HEMT”拥有顶级市场份额，2019年，已逼近“Si-LDMOS”供应商的市场份额。虽然销售额顺利提升，但情形绝不容乐观。世界各地的“Si-LDMOS”生产商预见“GaN HEMT”将成为市场主流，因此采取了追击SEDI的攻势。在此过程中，要想实现差异化，就必须实现“GaN HEMT”自身的进化。当时负责该课题的人员之一，是住友电工的传输器件研究所电子器件研究部的真壁勇夫。真壁参与开发的部分是“GaN HEMT”的核心技术，即薄膜结晶生长技术。
“进入5G时代后，在高频器件中，元件的精细化将进一步加速，需要开发出适合其构造的结晶，这一点非常重要。现有GaN HEMT的构造是将GaN（氮化镓）和AlGaN（氮化铝镓）的结晶相重叠，在其接合界面上产生电子。GaN有一点颇为有趣，那就是通过控制Al（铝）和Ga（镓）的比率及膜厚等要素，可极大地改变器件的运行状态。研究其特性这部分自不必说，我的任务主要是探究满足量产性与成本优势的全新GaN HEMT结晶。”（真壁）
与真壁同样隶属于传输器件研究所5G无线研究部的菊池宪负责“GaN HEMT”芯片的运行解析与建模工作。
“客户及应用不同，则对器件的要求也各不相同。我的职能是归纳出器件在基站实际运行时可设想到的风险及问题点，并向器件开发人员进行反馈。为实现这一点，如何开发出评价手法与模拟手法是非常重要的研究主题。可以说，GaN HEMT的潜能非常可观，依然有极大的开发余地。我在与结晶生长等相关的开发技术人员与产品设计人员之间发挥桥梁作用，致力于推进器件的快速开发。”（菊池）
在推进这些举措的同时，前文提到的井上所统管的晶圆生产流程的开发也被并行推进。
“要让GaN HEMT适用于高波段，则必须使其生产流程进一步精细化。例如，需采用纳米级的电极，并采用更薄的AlGaN层和GaN层。但半导体的加工需要巨大能源，若要追求HEMT的精细化与薄层化，其加工能源就会导致产品受损，这也是一大问题。我们正在开发可解决这些课题的生产流程。我们看准的技术是Beyond 5G的通信技术。其波段也是28GHz以上的毫米波段。高波段的使用范围扩大，也就意味着器件自身变得更薄更精细，在这样的背景下，生产流程开发工作的重要性就会进一步凸显。”（井上）
