富士通、W帯向けGaNパワーアンプの開発に成功：災害時や離島での高速無線通信に効果か

富士通と富士通研究所は2016年1月25日、従来より1.8倍の出力性能を実現した、W帯（75〜110GHz）向けの窒化ガリウム(GaN)送信用パワーアンプを開発したと発表した。

[庄司智昭，EE Times Japan]

　富士通と富士通研究所は2016年1月25日、W帯（75〜110GHz）向けの窒化ガリウム（以下、GaN）送信用パワーアンプを開発したと発表した。100GHzにおいて高い出力が可能なGaN-HEMT（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ）技術を応用し、開発に成功した。従来のパワーアンプと比較して、1.8倍の出力性能を実現。これにより、無線ネットワークで約30％の長距離化を可能にした。

　イベントや災害時などの一時的に大量の通信を必要とする場合や、光ファイバーの敷設が困難な離島などで、大容量の高速無線通信ネットワークを構築するのに適するという。

独自構造のGaN-HEMTデバイスを開発

　無線で数km以上の遠距離伝送をするには、送信用のアンテナにW級の高出力のパワーアンプが必要になる。ミリ波帯（30〜300GHz）などの高周波数帯のパワーアンプで従来用いられていたガリウムヒ素やCMOS半導体は、動作電圧に限界があり0.1W程度までしか、出力を高めることができなかった。マイクロ波（3〜30GHz）では高出力のパワーアンプを実現可能なGaN-HEMTは、W帯では出力性能が低下するといった課題もある。

　同社らは、これらの課題に対応するため、ミリ波帯で高出力化が可能な独自構造のGaN-HEMTデバイスを開発。インジウム系電子供給層である窒化インジウムアルミニウムガリウム（InAlGaN）層と、2層窒化シリコン（SiN）保護膜により電流の密度を従来比1.4倍に高めている。これにより、100GHzといった高周波数において、トランジスタの出力電力をゲート幅1mm当たり3.0Wを達成したとしている^＊）。

＊）トランジスタにおけるデバイスシミュレーション技術の開発は、東京工業大学 宮本恭幸氏と共同で行っている

GaN-HEMTデバイスの断面構造 （クリックで拡大） 出典：富士通

ゲート幅1mm当たり3.6Wを実現

　今回発表したパワーアンプは、独自構造のGaN-HEMTデバイスを利用したことで開発に成功した。パワーアンプの設計で高い出力性能を実現するには、まずGaN-HEMTを高周波動作させたときの特性を高精度に測定してモデル化。そのモデルをもとに、GaN-HEMT2つを1組にした電力損失の少ない小型で高利得ユニットの回路設計を行う。

　同ユニットのモデルを用いて、整合回路とその配置／配線を最適化することで、高い増幅度を持つパワーアンプを実現した。試作したパワーアンプの増幅度は入力に対して80倍、1.15Wの出力電力を達成。パワーアンプの性能を表すトランジスタ当たりの出力電力は、「世界最高」（富士通）のゲート幅1mm当たり3.6Wを実現したという。

左＝W帯GaN-HEMTパワーアンプのチップ写真／右＝GaN-HEMTパワーアンプの性能指標 出典：富士通

　富士通は今後、大容量や長距離無線通信が求められるパワーアンプの開発に同技術を適用し、災害時に光ファイバーが断線したときや、イベント開催時に臨時的に設営する仮設通信インフラに適用できる高速無線通信システムの実用化を目指すとしている。