ＮＥＣ、窒化ガリウムを用いた第三世代携帯電話基地局用トランジスタアンプを開発
窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた３Ｇ基地局用トランジスタアンプを開発
～電力合成回路を用いずに、世界最高クラスの出力４００ワットと低歪み特性を同時に実現～
ＮＥＣはこのたび、高出力特性と高周波特性を併せ持つ窒化物半導体（注１）トランジスタを用いて、世界最高クラスの出力４００Ｗと低歪み特性を同時に実現する小型の第三世代携帯電話（Ｗ－ＣＤＭＡ方式）基地局用送信アンプの開発に成功しました。この送信アンプは電力合成回路を用いずに、Ｗ－ＣＤＭＡ方式で世界最高の電力増幅を実現した単一のトランジスタパッケージを使って構成されています。本成果は、新エネルギー産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）から（財）新機能素子研究開発協会（http://www.fed.or.jp/index.htm）に委託されたプロジェクト「窒化物半導体を用いた低消費電力型高周波デバイスの開発」（注２）（プロジェクトリーダーは、立命館大学 名西やすし教授）により得られた成果を活用して達成されたものです。
このたび開発した送信アンプは、（１）ゲート電極に接続したＮＥＣ独自のフィールド・プレート構造（注３）を導入し、高い動作電圧４５Ｖと高い電流密度 １Ａ／ｍｍを両立させることで高い出力密度を実現した窒化物半導体トランジスタ、（２）アンプの小型化が可能で、必要な高周波部品点数の少ないシングルエンド増幅器回路、（３）アンプのメモリ効果を低減し、歪み補償機構を有効に機能させるバイアス回路、などにより実現しました。
第三世代携帯電話（３Ｇ）の加入者急増や、携帯電話サービスの多様化・高度化によるトラフィックの増大を背景に、システムの高速大容量化が喫緊の課題となっています。そのために、基地局用送信アンプの高出力化が求められており、同時にこれを小型・高効率で実現することが求められています。従来の送信アンプとしては、砒化ガリウムあるいはシリコン半導体トランジスタを使ったものがありますが、２００Ｗ以上の出力を得るためには電力合成が必要でした。そのため、電力合成回路の導入に伴う送信アンプの容積増大と、電力合成損失の増加による消費電力の増加が課題となり、小型で高効率な送信アンプを実現することが極めて困難でした。
このたび開発した第三世代携帯電話（Ｗ－ＣＤＭＡ方式）の基地局用送信アンプの特長は、次の通りです。
・ＧａＮトランジスタを用いた歪補償機構付きシングルエンド送信アンプ
・動作電圧 ４５Ｖ
・Ｗ－ＣＤＭＡ方式でのピーク出力値 ４００Ｗ （周波数２．１４ＧＨｚ）
・３次相互変調歪（注４） －５０ｄＢｃ（平均出力電力６０Ｗ）
・ドレイン効率 ２５％（平均出力電力６０Ｗ）
ＮＥＣでは、今回の開発が、今後ますます需要が拡大する第３世代およびそれ以降の基地局用送信アンプの更なる高出力化、小型化・低コスト化、省エネルギー化に大きく貢献するものと考えており１～２年後の製品化に向けて研究・開発を加速していく計画です。
なお本送信アンプに用いたトランジスタは、ＮＥＤＯプロジェクト「窒化物半導体を用いた低消費電力型高周波デバイスの開発」にて開発された豊田合成社製ＧａＮエピを用いて作製されています。
以上
（注１） 窒化物半導体
窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）で構成された３．４ｅＶ以上の大きなバンドギャップをもつ半導体のこと。高い破壊電界強度や高い電子走行速度を持ち高温・高耐圧・高出力素子として有望な材料。大きなバンドギャップを利用した青色ＬＥＤ材料としても広く用いられている。
（注２）「窒化物半導体を用いた低消費電力型高周波デバイスの開発」
ＮＥＣ、豊田合成など民間９社と、立命館大学、産業技術総合研究所の研究者が参画して行われるプロジェクト（Ｈ１４～Ｈ１８年度）。
（注３） フィールド・プレート構造
トランジスタのゲート電極、ドレイン電極間の保護膜上にゲート電極と同電位のフィールド・プレート電極を形成して、動作時のゲート電極端での電界集中を緩和し高耐圧化、高出力化を可能とする構造。
（注４） 相互変調歪
周波数が近接した複数の信号を入力した際に、デバイスの非線形性に起因して発生する電力。離調Δｆで等振幅の信号２波（周波数ｆ１、ｆ２）を入力したときに、出力側に生ずるｆ１－Δｆまたはｆ２＋Δｆの信号レベルと、ｆ１またはｆ２の出力信号レベルとの比を３次相互変調歪という。
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ＮＥＣ中央研究所 研究企画部 企画戦略グループ
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