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2016年5月5日

富士通株式会社（注1）（以下简称，富士通）与株式会社富士通研究所（注2）（以下简称，富士通研究所）共同开发出了使用氮化镓（GaN）（注3）高电子迁移率晶体管（HEMT）（注4），适用于半径几公里（km）范围的大容量无线网络W频段（75至110千兆赫兹（GHz））传输的高输出功率放大器。

开发背景

近年来，在人群聚会、受灾时等暂时需要大量通信以及较难铺设光纤的偏远岛屿等地区建设大容量高速无线通信网络时，W频段（75至110GHz）的无线通信技术备受关注。与目前手机以及智能手机等采用的0.8至2.0 GHz频段相比，其使用频段宽度可扩大到50倍以上，而且通信速度也可以提高50多倍，所以被称之为面向大容量通信的频段。

课题

要进行几公里以上的远距离无线传输，传输天线需要瓦级别的高输出功率放大器。传统毫米波段（30至300GHz）等高频段功率放大器中使用的砷化镓（GaAs）以及CMOS半导体，其工作电压有限，只能将输出功率提高到0.1瓦特左右。

能够实现微波频段（3至30GHz）的高输出功率放大器的GaN-HEMT，目前在W频段存在输出性能降低的问题。

为了解决以上问题，开发出了在毫米波段进行高输出的独特结构GaN-HEMT元件（注5）（图1）。即通过铟系电子供给层的铟铝镓氮（InAlGaN）层和2层氮化硅（SiN）保护膜，将电流密度提高到原来1.4倍，因此，在100GHz高频段中，每1mm栅极宽度的晶体管输出功率达到了3.0瓦。另外，晶体管开发中的设备仿真技术是与国立大学法人东京工业大学（注6）的宫本恭幸教授共同研发的。

开发的技术

本次利用独特结构的GaN-HEMT器件，成功开发出了在W频段中具有世界最高输出性能的功率放大器（图2）。

在设计功率放大器时，为了实现高输出性能，首先要准确测量GaN-HEMT在高频段工作时的特性并进行模型化，然后在此基础上，对GaN-HEMT进行2个1组的低功耗的小型高增益单元电路设计。为了让这个单元获得最大功率，通过精心设计布线和元件配置的电路，将GaN-HEMT进行了串联连接。

利用这种小型高增益单元模型，通过仿真优化单元之间的分配器与合成器的匹配电路及布局和布线，实现了高振幅功率放大器（图3）。试制的功率放大器是输入功率的80倍，实现了1.15瓦的输出功率。代表功率放大器性能的各晶体管输出功率达到了世界最高的每1mm栅极宽度3.6瓦。

效果

新开发的功率放大器与过去的发表的W频段功率放大器相比提高了1.8倍，实现了世界最高输出性能（图4）。与传统的功率放大器相比，该功率放大器可将几km之间每秒千兆位以上的高速无线通信距离延长30%左右。

今后

今后将继续把本技术广泛应用于大容量远距离无线通信的功率放大器开发，目标在灾害引起光纤断线时以及为举办活动而临时搭建基础设施时能够实际应用到高速无线通信系统中。

注释

注1 富士通株式会社：

社长 田中达也
总公司所在地 日本东京都港区

注2 株式会社富士通研究所：

社长 佐佐木 繁
总公司所在地 日本神奈川县川崎市

注3 氮化镓（GaN）：

宽禁带半导体，与传统的半导体材料，例如硅（Si）或砷化镓（GaAs）等相比，其特点是耐电压。

注4 高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor）:

与常规的半导体内部相比，处于带隙不同的半导体交界处的电子属于可快速移动的场效应晶体管。1980年，由富士通株式会社率先在世界研发，目前，该技术作为支撑卫星广播接收器、手机以及采用GPS的导航系统、宽带无线接入系统等IT社会的服务平台技术，得到广泛利用。

注5 独特结构的GaN-HEMT元件：

GaN-HEMT技术详细内容已在2015年12月召开的国际学会《2015 IEEE International Electron Devices Meeting（IEDM2015）》上发表。

注6 国立大学法人东京工业大学：

地址 日本东京都目黑区
校长 三岛良直