ＴＨｚエレクトロニクス時代おける物 導体デバ 技化合物半導体デバイス技術

ＮＴＴフォトニクス研究所

榎木孝知榎木孝

２０１１．１．１４

概要

通信を支えるハードウェア技術

高周波化合物半導体電子デバイスの役割

高周波化合物半導体電子デバイスの現状と可能性

海外での取り組み例

持続的なデバイス開発の課題

NTT Photonics Laboratories 2

光ファイバ伝送実用システムの進展

光の物理資源（時間・波長・位相・偏波・振幅・空間）を活用して、情報伝送

100 T > 10 Tb/s(100G)

情報爆発への対応

高機能ＯＥ変換・アナログ増幅

10 T

s)

(100G)

WDM用合分波器（AWG） デジタルコヒーレント

100 G

1T

WDM/FTTH

容量

(b/s

1.6Tb/s（40G）

10 G

テム

総容

光ファイバスプリッタ

10G

100 M

1 G TDMシス

光増幅器

100 M

10 Mレーザ

TDM: Time Division MultiplexingWDM: Wavelength Division MultiplexingAWG: Arrayed Waveguide Grating

1980 1990 2000 2010 2020NTT Photonics Laboratories 3

半導体の電子移動度

100000InSb

室温

）

InAs

室温

10000

m2/V

s） InGaAs

GaAs

移動

度（c

InPGe

1000

電子

移

SiGaNSiC

100

SiC

100

0 1 2 3 4

バンドギャ プ（ V）バンドギャップ（eV）

NTT Photonics Laboratories 4

超100GHz(THz)エレクトロニクス

10000

トランジスタ帯域

電波天文/国防応用（1990～）

帯利用開拓が活発化30

THｚ】

トランジスタ帯域

増幅器IC帯域

THｚ帯利用開拓が活発化

依然として未開拓周波数帯

超100GHzシステム開発の先行m 0G

Hｚ～

3論文トップデータ

1000

z）

超100GHzシステム開発の先行開発

>1

00μ

m

Hz帯

【1

00

センサ・イメージング

100

波数

（G

H

1m

m

TH

車載レ ダ

センサ・イメージング

周波 >

1

衛星放送

車載レーダー

４０G 光通信

６０G 無線リンク １２０GHｚ帯10Gbps無線伝送

10

>1

cm

衛星放送

１０G 光通信

無線LAN

ハイブリッド集積

1 10

cm 携帯電話

無線LAN

無線LAN

1

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020年NTT Photonics Laboratories 5

>

InP系HBT（光通信ＩＣ）

低電流で高利得（バイポーラトランジスタの特徴）であり、広帯域（ベースバンド）増幅器に有利

600

G4:fT>500GHz(0.25μm)

エミッタ

SiN

電極とレッジ構造が高信頼化の鍵ベース引き出し電極

500

（GH

ｚ）

( μ )ベース

コレクタ

SiN

素子全体の微細化と材料設計InP HBTコレクタ電極

エミッタ電極

400

波数

; fmax

2011G3:fT>300GHz(0 5μm/2009)

素子全体の微細化と材料設計が特性の鍵

InP HBT

300

発振

周波

2011 (0.5μm/2009)

G2 :fT=175 GHz(1μm/2006)

(0.13μm)

1層

2層

3層

200

大発

SiGe HBT高耐圧性の維持

ダイナミックレンジ拡大低歪み化

2007

(1μm/2006)

(0.2μm)

100

0 2 4 6 8 10 12 14

高周波化低消費電力化高利得化

2007

耐圧（V）

NTT Photonics Laboratories 6

高利得化

次世代伝送システムを支える高速光エレクトロニクス技術

100Gデジタルコヒーレント光伝送装置の開発光トランシーバ

研究所試作:0.5μm HBT光トランシ バ

DSP LSI Tx MUX100Gbps光送信FEDAC

・LNドライバ・移相器・線形ドライバ

40Gbps 2.2Vpp出力波形

高出力化・高信頼化・線型化が設計の課題

光受信部

光送信部

光送信FE 線形ドライバ が設計の課題

100Gbps光受信FEDSP LSI Rx

LO光源

ADC・PD, TIA/AGC・一体集積モジュール

PD/TIA・高光入力特性の改善

ル （コヒーレント受信）・広帯域化

21.4 GS/s 4bit DAC(1μm HBT)

高速化 高分解能化 線型性を0 5μmTIAアレイ

高速化・高分解能化・線型性を0.5μm HBTで実現する

次世代変調方式研究PDアレイ

NTT Photonics Laboratories 7

次世代変調方式研究多値変調、帯域制限、予等化技術のキーアナログデバイスは高速DACと 線形ドライバ

ＩｎＰ系HEMT（ミリ波ＩＣ）

低雑音及び高周波高出力

雑音100nm

ゲート

ソース ドレイン

電極と表面安定化が高信頼化の鍵

低雑音化設計： In0.8Ga0.2As/In0.53Ga0.47As量子井戸構造（世界 高電子移動度実現）

高出設計 / ンポジ ト

100nm

チャネル

高出設計： In0.53Ga0.47As/InPコンポジットチャネル構造

10

ゲート長微細化と材料設計が高性能化の鍵

8

10 SiGeHBT

CMOSNTT

dBm

）

B）

計が高性能化の鍵

6

F (dB)

GaAsInP

力電

力（d

指数

（dB

4NF

GaAs ‐HEMTInP ‐HEMTInP HEMT(NTT)InP HEMT

GaAs

大出

力

雑音

0

2 GaAs ‐HEMT

SiGe ‐HBT

NTTCMOSGaAs HEMT

SiGeHBT

InP HEMT(NTT)

CMOS InP HEMT

NTT Photonics Laboratories 8

0 50 100 150 200

Frequency. (GHz)周波数（GHz） 周波数（GHz）

120-GHz帯無線伝送応用

Tx0.1μm HEMT

61.5 GHz Local input

RF 123 GHz Output B

PF MOD DoublerAMPAMPSSMA

WR-8 WG

10 Gbit/s Data inputSignal Detect

Rx

Pdiss=0. 5W Tx/Rx Modules(Size: 25 x 20 x 8 mm)

10 Gbit/sData output

RF123 GHz Input

AMP AMP AMP DETBPF

SD

Pdiss=0.75W

データ：F-band Standard Horn Antenna (24 dBi)

Gaussian BeamAntenna

10Gbit/s搬送波：123GHz

(45 dBi)

非圧縮高精細映像伝送実験

123GHz5.8km伝送晴天時

NTT Photonics Laboratories 9Tx/Rx Module

Gaussian Beam Antenna (45 dBi)

非圧縮高精細映像伝送実験(NTT マイクロシステムインテグレーション研究所：総務省 受託開発)

fT and gm of HEMT

3.5

GaAs MESFET

Vgs=0.5 V

0 4

3.0

GaAs MESFET

GaAs HEMT

InP HFET

S/m

m) 0.4

0.3

2.5

ctan

ce (

0.2

0.1

H. Matsuzaki et al. El t i L tt1 5

2.0

scon

duc

Electronics Lett.Vol. 42, 2006

1.0

1.5

ic tr

ans

InAs チャネル30nm級ゲート低寄生抵抗化

0.5

Ext

rins

i

低寄生抵抗化

0.0100 1000

E

200 500

NTT Photonics Laboratories 10

Current-gain Cutoff Frequency (GHz)

極限性能（計算値）

高電子移動度チャネル（InAs、InxGa1-xAs, x>0.53) と50nm以下のゲート長微細化→300GHz帯ＬＮＡ NF<4dB)の可能性300GHz帯ＬＮＡ NF 4dB)の可能性

Ｒｇ， Ｒｓ, Ｒｄ等寄生素子低減のエンジニアリングで2THz級の帯域も期待できる

Lg=50nm(InGaAs) Reported

L 150 (I G A ) Lg 50nm(InGaAs)fT/fmax=334/776 GHz

Lg=50nm(InAs)fT/fmax=440/878 GHz

Lg=150nm(InGaAs)fT/fmax=172/530GHz

Lg=100nm(InGaAs)fT/fmax=240/650GHz

4 5

5.0

100nm Gate（実用レベル）

6.0

7.0

3.5

4.0

4.5

ｚ）

30nm InAs （Calc.）

30nm InAs without Rs/Rd

3 0

4.0

5.0

ure

(dB

)

2.0

2.5

3.0

振周

波数

（Ｔ

Ｈｚ

1 0

2.0

3.0

ois

e F

igu

1.0

1.5 大発

振

推定（NGST）

0.0

1.0

10 100 1000

No

0.0

0.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5

NTT Photonics Laboratories 11

Frequency (GHz)ゲート抵抗（Ω）

ＴＨｚ帯フォトミキサ

U i T li C i Ph t Di dUni-Traveling Carrier Photo Diode 高速動作に有利な電子電流

走行時間短縮のバンドプロファイル設計計

電子の滞留が少なく、効率的に光電流を外部に取り出せる（高速・高出力）

NTT Photonics Laboratories 12

H. Ito, T. Furuta, F. Nakajima, K. Yoshino, and T. Ishibashi, J. of Lightwave Tech. Vol. 23,12, p.4016, 2005

ＴＨｚ帯信号源（ＲＴＤ）

原子層精度で薄層組成を制御

接合面積 0 4μm2Increase inbarrier height

3-stepgraded Increase in

barrier height

3-stepgraded

接合面積 0.4μm2barrier height

e

emitterEmitter Collector

barrier height

e

emitterEmitter Collector

100with graded emitter

0.470.49

0.51

Reduction inIndium

with graded emitter

0.470.49

0.51

Reduction inIndium

25m2 )

25 er (

W)

10 Theoryw/o graded emitter

Reduction inbias voltage

Indiumcomposition

w/o graded emitter

Reduction inbias voltage

Indiumcomposition

15

201.4nm barrier

w/o GE1.2nm barrierwith GE

y (m

A/

m 25

20

15 put p

owe

1

5

10

15

t den

sity 15

10

5

Out

p 1

0

5

0.0 0.5 1.0 1.5

1.4nm barrierwith GE

Voltage (V)0 0.5 1.0 1.5C

urre

n 5

0 Oscillation frequency (THz)0.6 0.8 1.0 1.2

0.1

NTT Photonics Laboratories 13

Voltage (V)S. Suzuki, M. Asada, A. Teranishi, H. Sugiyama and H. Yokoyama, Appl. Phys. Lett. 97 (2010) 242102

テラヘルツギャップを埋めるデバイス技術

104 InP(HEMT,HBT)

NGST t NTT

信号源と検出器は、周波数利用開拓の必須デバイス

SiG

NGST etc.,NTT

RTD（東工大・ＮＴＴ）

利用開拓の必須デバイス

300GHz以下では、化合物ト

100

r (m

W) SiGe

UTC-PD（ＮＴＴ）ランジスタが圧倒的に高出力

Pow

er

300GHz以上では、UTC-PDやRTDが世界 高出力

10-4

Out

put

THz GapCMOS pCMOS

10-8

0 250 500 750 1000

Frequency(GHz)NTT Photonics Laboratories 14

従来の周波数開拓モデル

基礎研究Pioneer

市場開拓Frontier

市場拡大Colony

市場成熟Survivor

製造体制維持

Pioneer Frontier Colony Survivor

大型設備投資 ニッチユーザ 新材料研究

量産・低コスト化

サプライチェーン

高機能化

探索

信頼性・製造体制

新原理導入

高機能化 代替技術

化合物半導体デバイス Siテクノロジ

市場開拓で役割を終える化合物テクノロジは、継続的に技術進化可能か？

NTT Photonics Laboratories 15

術進化可能か？

×

通信用インターフェースの高性能化

10.0

効率

信号処理デジタル世界

信号処理デジタル世界

波数

利用

効

bps/

Hz)

ASK

PSK

QAM

8

1632

64128

デジタル世界

1.0

大周

波

(b

ASK

M=4

8

0 5 10 15 20 25 30

SNR for a bit (dB)

伝送媒体（アナ グ世界）送信機 受信機

伝送媒体（アナログ世界）（宇宙・空気・光ファイバー）

伝送媒体結合部

アンテナ・導波管スイッチ

レンズ ＰＬＣ

受信部

LNATIA

発信部

PAMODDRV

検波部

自乗検波ダイオードミキサーフ トダイオ ド

ＡＤ変換DA変換

NTT Photonics Laboratories 16

レンズ・ＰＬＣスイッチ

DRVＬＤ

ＭＺＭ

フォトダイオード遅延干渉器

ナノテクノロジと高速トランジスタの技術動向

アナログフロントエンド用デバイスとしての性能指標

1085431.51.310.8

耐圧（V）

大発振周波数（利得）

耐圧（ダイナミックレンジ・出力）

雑音（感度）

歪み

1085431.51.310.8

量子効果（トンネル電流）不純物ゆらぎ 化合物系トランジスタの物理限界

（学会 ）

1000NGST(2008)

歪み

用途に応じた多様な要求性能

Si系トランジスタ高速化は期待2024

2024 （学会テーマ）

波数

（GHz）

NTT（2009）

系 ラ 高 期待されるが、耐圧の低下は必至 新原理・新材料の開拓は今後の

課題（Beyond CMOS）であり、世界中の半導体研究者が注力

2015

2015

2012

要 新原理・新材料

発振

周波

NTT（2006～）

NTT（2000）

界中の半導体研究者が注力（CNT, Graphen, 化合物MOS, Spin）2012

SiGe HBTN MOS InP HEMT

大発

InP系HEMT/HBTは、耐圧と高周波特性のトレードオフマージンが大きい。

N‐MOS

InP HBT 2009年市中技術予想技術トレンド(ITRS2009)

100

1 10 100 1000特徴寸法(nm)

ＦＥＴ：ゲート長 HBT:エミッタ幅

欧米は、軍事向けに高速化継続

国内のデバイス開発は停滞

ＦＥＴ：ゲート長、 HBT:エミッタ幅

NTT Photonics Laboratories 17

Monolithic v.s. Hybrid

Monolithic Hybrid

アナログ性能

ＩＣレベル

アナログ性能

回路設計性

サイズ 高均一化サイズ

信頼性

量産性（コスト）

高均 化高密度配線

量産性（コスト）

All Si Tech.(SoC)

Heterogeneous(実装)

サブシステムレベル More Moore(SoC) (実装)

アナログ性能

回路設計性 各ＩＣの性能を引き出回路設計性

サイズ

信頼性

各ＩＣの性能を引き出す新実装（集積化）技術の開発が必須

信頼性

量産性（コスト） ×～（市場規模・歩留まり）

ＳｏＣ可能なアナログ・ディジタルシステムは、Siのアナログ特性と市場規模により決まる

More than Moore

NTT Photonics Laboratories 18

Ｓ 可能なアナ グ ディジタルシステムは、Siのアナ グ特性と市場規模により決まる多様且つハイエンドなシステムには、Ｓｉと化合物の融合（ヘテロジニアス集積）が必要

欧米の取り組み

NTT Photonics Laboratories 19http://cordis.europa.eu/fp7/ict/photonics/docs/concertation/conc20oct2010-galactico_en.pdf

Lars Zimmermann, IHP, Germany

COSMOS in DARPA

NTT Photonics Laboratories 20Dr. Sanjay Raman et al., Takamatsu, IPRM2010

ＴＨｚエレクトロニクス時代のデバイス開発の課題

究極的高性能デバイス特性を必要とするTHzエレクトロニクス

米国を中心に研究加速

多様なアナログ特性に対応するため、ヘテロジニアス集積で各種デバイスの性能を 大限に発揮するの性能を 大限に発揮する

新規周波数開拓は新市場開拓 新規周波数開拓は新市場開拓持続的なデバイス開発には、見合う市場が必須

戦略の沿ったデバイス開発 戦略の沿ったデバイス開発

十分な市場規模までの成長を待ちきれない

代替技術の台頭代替技術 台頭

一定市場に複数企業が参入しパイ分割

新規開発が困難

Pioneer/Frontierとして開発段階から異業種連携と技術融合にチャレンジ

NTT Photonics Laboratories 21