日清紡マイクロデバイスのGaAs半導体製品の歴史 ~GaAsにも歴史あり~ (前半)あらゆるものをワイヤレスでつなぐ 第2回

※2 GaAs HJFET (Hetero-Junction Field Effect Transistor)

HJFETは高電子移動度トランジスタと呼ばれ、これもFETの一種ですが、MESFETに比べてチャネルの構造が複雑になります。簡単に言えばキャリアを供給する電子供給層と、キャリアが走行するチャネル層が異なる組成のエピタキシャル層で分離されたFETです。ゲートはMESFETと同様にショットキー接合です。

HJFETの特徴は電子供給層とチャネル層の界面に発生する二次元電子ガスと呼ばれる電子層を作り電子移動度を高め、高周波特性（遮断周波数、雑音指数）とチャネル抵抗低減の効果が得られることで、これらはMESFETよりも優れた特性を示します。
当社ではRFスイッチやローノイズアンプに適したnチャネルHJFETと、制御回路に有用なpチャネルHJFETを有しており、単一チップ上にロジック回路と高周波アナログ回路をコンパクトに搭載することができます。

※3 GaAs HBT (Hetero-Junction Bipolar Transistor)

GaAs HBTはバイポーラトランジスタ (BJT) の一種ですが、当社では基板にGaAsを使い、コレクタ層、ベース層そして エミッタ層をそれぞれ異なる組成のエピタキシャル層を積層させて、n-p-n構造のBJTを形成しています。

BJTの高周波特性、特に遮断周波数 (f_T) を高めるためにはシリコンでも同様ですがベース層の厚みを薄くしてキャリアの走行時間を短縮すること、そして電流増幅率 (hFE) 向上目的でエミッタ注入効率を上げるためにベース層の濃度を下げることです。ところがベース層の厚みを薄くして更に濃度を下げてしまうとベース抵抗が増加して、これが最大発振周波数 (fmax) を高めることの阻害要因になってしまい、従来のBJTではf_TおよびhFEに対し、fmaxの両立にトレードオフが存在しました。

GaAs HBTではこのトレードオフを解決するために、エミッタにベースよりもバンドギャップの大きなエピタキシャル層を採用し、エミッタ-ベース間をヘテロ接合という状態にします。これによりベース抵抗を低減させるためにベース濃度を上げても、エミッタ注入効率を低下させることなくhFEを維持し、fmaxを高くできるBJTが実現しました。

ヘテロ接合を利用したBJTとしてシリコン系ではSiGe HBTがあり、半導体素材が異なりますがf_T改善手法はGaAsと同様です。ただGaAs HBTプロセスの場合は電子移動度がSiより高いということに加え、高抵抗基板上に素子を形成するため、HBTはもとより全ての素子でリーク電流や寄生容量の低減ができ高周波用途に適したプロセスです。

GaAs HBTの用途としては、素子レイアウト面積当たりの電流密度をHJFETよりも高くできるため、大電流を消費するデバイスの面積を小さくできるため、当社ではパワーアンプ製品で採用しています。