ニュースレター202503

2025年3月に調査した最新論文の中で個人的に興味深かった論文を以下に紹介する。

AlGaN/GaN HEMT on a free-standing GaN substrate with record 85.2% power-added efficiency at 2.45 GHz

Toshihiro Ohki, Atsushi Yamada, Yuichi Minoura, Yusuke Kumazaki, Kenji Saito, and Masaru Sato

Fujitsu Limited, Atsugi, Kanagawa 243-0197, Japan

Applied Physics Express 18, 034004 (2025)

DOI: https://doi.org/10.35848/1882-0786/adbc79

要旨：

本研究では、自由支持GaN基板上に形成したAlGaN/GaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）により、2.45 GHzで85.2%の電力付加効率（PAE）と89.0%のドレイン効率（DE）を達成した。C濃度の低減によりGaNチャネルの品質を向上させ、基板・エピタキシャル層界面の残存Siを除去することでバッファリーク経路を排除した。さらに、自由支持GaN基板を用いることで転位密度を低減し、核形成層を排除した。これらの改良により、GaN系HEMTにおける2.45 GHz帯での最高効率を達成した。

従来研究との新規性：

従来GaN-on-GaN HEMTの最高PAEは82.8%（2021年）で、85.2%にまで更新。

V/III比の最適化により、GaNチャネルのC濃度を低減し、トラップ影響を抑制。

エピ/基板界面のSi除去および高濃度Feドープバッファによりリーク電流を低減。

37.1-dBm W-Band Power Amplifier Module Using GaN-Based HEMTs Stabilized With Resistive Back Metal for Broadband Wireless Applications

Yasuhiro Nakasha, Yusuke Kumazaki, Shiro Ozaki, Naoya Okamoto, Naoki Hara, Atsushi Yamada, and Toshihiro Ohki

Fujitsu Ltd., Atsugi, Kanagawa 243-0197, Japan

IEEE Microwave and Wireless Technology Letters, vol. 35, no. 3, pp. 358-361, March 2025

DOI: https://doi.org/10.1109/LMWT.2025.3527934

要旨：

本研究では、コプレーナ型導波路（CPW）を用いたGaNベースの高電子移動度トランジスタ（HEMT）ミリ波モノリシック集積回路（MMIC）をパッケージ化したW帯パワーアンプ（PA）モジュールを提案する。基板ビアを使用せずにモジュール内の安定性を確保するため、MMICの裏面に抵抗性バックメタル（RBM）層を形成した。このRBMの効果をCPWベースのMMICテストチップで検証した。組み立てられたPAモジュールは、88〜100 GHzの広帯域で安定した動作を示し、92 GHzで出力電力（POUT）37.1 dBm、電力付加効率（PAE）9.9%を達成した。また、VDSを20 Vに増加させた場合、POUT 38.8 dBm、PAE 8.1%を達成した。これは、10 GHz以上の帯域幅を持つW帯単一PAモジュールの中で最高の出力電力である。

従来研究との新規性：

RBMを適用したGaN HEMTベースW帯PAモジュールの初の実証。

W帯PAモジュールにおける最高POUT（38.8 dBm）を記録。

CPW設計を維持しながら、RBMを用いることで安定性を確保。

High-Efficiency Rectification Characteristics at 2.4 GHz With AlGaN/GaN GADs for Microwave WPT

Naoya Kishimoto, Gen Taguchi, Yoichi Tsuchiya, Debaleen Biswas, Qiang Ma, Hidemasa Takahashi, Yuji Ando, and Akio Wakejima

Department of Electrical and Mechanical Engineering, Nagoya Institute of Technology, Nagoya, Aichi 466-8555, Japan.

Department of Electronics, Nagoya University, Nagoya, Aichi 464-8603, Japan.

IEEE Microwave and Wireless Technology Letters, vol. 35, no. 3, pp. 310-313, March 2025

DOI: https://doi.org/10.1109/LMWT.2024.3522057

要旨：

本研究では、マイクロ波ワイヤレス電力伝送（WPT）向けに、AlGaN/GaN 高電子移動度トランジスタ（HEMT）を用いたゲートアノードダイオード（GAD）の高効率整流特性を実証した。GADは、通常オフのAlGaN/GaN HEMTのゲート電極とオーミック電極を短絡させた構造を持つ。試作したGADは、390 mA/mmの高電流密度、+0.6 Vの低ターンオン電圧、75 Vを超える高耐圧を示した。さらに、2.4 GHzでのRF-DC変換効率は最大96%（入力電力23 dBm）に達し、これは2.4 GHz帯における整流回路の最高効率を記録した。

従来研究との新規性：

従来のGaN-SBDを超えるRF-DC変換効率（96%）を実現。

通常オフ型GaN HEMTをGADとして活用する新しいアプローチを提案。

高調波最適化による効率向上を実証（基本周波数のみで78%、高調波最適化で96%）。

Impact of a Moderately Doped Contact Layer on Breakdown Voltage in AlGaN/GaN Gated-Anode Diodes for Microwave Rectification

T. Watanabe, H. Takahashi, R. Makisako, A. Wakejima, Y. Ando and J. Suda

Department of Electronics, Nagoya University, Nagoya 464-8601, Japan

Research and Education Institute for Semiconductors and Informatics, Kumamoto University, Kumamoto 860-8555, Japan.

IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 72, no. 3, pp. 1008-1013, March 2025

DOI: https://doi.org/10.1109/TED.2025.3530870

要旨：

　本研究では、5.8 GHz帯のマイクロ波ワイヤレス電力伝送（WPT）向けの整流デバイスとして、AlGaN/GaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）を用いたゲートアノードダイオード（GAD）を試作した。ブレークダウン電圧（VB）を向上させ、高電力処理を可能にするために、中程度にドープされた接触層を導入し、その影響を詳細に評価した。適度なドーピングにより接触層の空乏化が促進され、短いゲート-接触間距離でも高いVBを達成可能であることを確認。しかし、接触抵抗の増加による順方向電流の低下という副作用も観察された。最適なドーピング濃度を選定することで、電流の低下を抑えつつVBを向上させ、最大7.0 W/mmの高電力密度を実現した。

従来研究との新規性：

　GADにおける中程度ドーピングの影響を初めて体系的に評価。

　最適なNDを選択することで、RonとVBのトレードオフを克服。

　Lws短縮により電流コラプスを抑制し、安定動作を実現。

15.1 W/mm Power Density GaN-on-GaN HEMT With High-Gradient Stepped-C Doped Buffer

Shiming Li, Mei Wu, Ling Yang, Bowen Yang, Haolun Sun, Meng Zhang, Bin Hou, Hao Lu, Xiaohua Ma, and Yue Hao

State Key Discipline Laboratory of Wide Band-Gap Semiconductor Technology, School of Microelectronics, Xidian University, Xi’an 710071, China

IEEE Electron Device Letters, vol. 46, no. 3, pp. 365-368, March 2025

DOI: https://doi.org/10.1109/LED.2024.3524540

要旨：

　本研究では、GaN-on-GaN構造において、高周波特性を向上させるための新たな高勾配（HG）ステップCドープバッファ設計を提案した。この設計は、Feの残留効果による2DEG（2次元電子ガス）への影響を回避し、Si不純物による界面伝導損失を低減するとともに、高C濃度によるトラップ効果を緩和する。この構造を採用したGaN-on-GaN HEMTは、ブレークダウン電圧（BV）249 V、最大トランスコンダクタンス（gm）319 mS/mm、電流コラプス6.1%を達成。さらに、fT/fMAXが47.6 GHz/68.1 GHz、2 GHzでの出力電力密度（Pout）が15.1 W/mm、電力付加効率（PAE）が57.2%に達し、GaN-on-GaN HEMTにおける最先端のRF特性を実現した。

従来研究との新規性：

　GaN-on-GaN HEMTにおける高勾配ステップCドープバッファの初適用。

　Feを用いないCドープバッファでRF特性を向上。

　GaN-on-GaN HEMTにおける最高のPout（15.1 W/mm）を達成。

※なお、翻訳にはChatGPT-Paper Interpreter (Japanese)を活用した。

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