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THzエレクトロニクス時代おける物 導体デバ 技化合物半導体デバイス技術
NTTフォトニクス研究所
榎木孝知榎木孝
2011.1.14
概要
通信を支えるハードウェア技術
高周波化合物半導体電子デバイスの役割
高周波化合物半導体電子デバイスの現状と可能性
海外での取り組み例
持続的なデバイス開発の課題
NTT Photonics Laboratories 2
光ファイバ伝送実用システムの進展
光の物理資源(時間・波長・位相・偏波・振幅・空間)を活用して、情報伝送
100 T > 10 Tb/s(100G)
情報爆発への対応
高機能OE変換・アナログ増幅
10 T
s)
(100G)
WDM用合分波器(AWG) デジタルコヒーレント
100 G
1T
WDM/FTTH
容量
(b/s
1.6Tb/s(40G)
10 G
テム
総容
光ファイバスプリッタ
10G
100 M
1 G TDMシス
光増幅器
100 M
10 Mレーザ
TDM: Time Division MultiplexingWDM: Wavelength Division MultiplexingAWG: Arrayed Waveguide Grating
1980 1990 2000 2010 2020NTT Photonics Laboratories 3
半導体の電子移動度
100000InSb
室温
)
InAs
室温
10000
m2/V
s) InGaAs
GaAs
移動
度(c
InPGe
1000
電子
移
SiGaNSiC
100
SiC
100
0 1 2 3 4
バンドギャ プ( V)バンドギャップ(eV)
NTT Photonics Laboratories 4
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超100GHz(THz)エレクトロニクス
10000
トランジスタ帯域
電波天文/国防応用(1990~)
帯利用開拓が活発化30
THz】
トランジスタ帯域
増幅器IC帯域
THz帯利用開拓が活発化
依然として未開拓周波数帯
超100GHzシステム開発の先行m 0G
Hz~
3論文トップデータ
1000
z)
超100GHzシステム開発の先行開発
>1
00μ
m
Hz帯
【1
00
センサ・イメージング
100
波数
(G
H
1m
m
TH
車載レ ダ
センサ・イメージング
周波 >
1
衛星放送
車載レーダー
40G 光通信
60G 無線リンク 120GHz帯10Gbps無線伝送
10
>1
cm
衛星放送
10G 光通信
無線LAN
ハイブリッド集積
1 10
cm 携帯電話
無線LAN
無線LAN
1
1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020年NTT Photonics Laboratories 5
>
InP系HBT(光通信IC)
低電流で高利得(バイポーラトランジスタの特徴)であり、広帯域(ベースバンド)増幅器に有利
600
G4:fT>500GHz(0.25μm)
エミッタ
SiN
電極とレッジ構造が高信頼化の鍵ベース引き出し電極
500
(GH
z)
( μ )ベース
コレクタ
SiN
素子全体の微細化と材料設計InP HBTコレクタ電極
エミッタ電極
400
波数
; fmax
2011G3:fT>300GHz(0 5μm/2009)
素子全体の微細化と材料設計が特性の鍵
InP HBT
300
発振
周波
2011 (0.5μm/2009)
G2 :fT=175 GHz(1μm/2006)
(0.13μm)
1層
2層
3層
200
大発
SiGe HBT高耐圧性の維持
ダイナミックレンジ拡大低歪み化
2007
(1μm/2006)
(0.2μm)
100
0 2 4 6 8 10 12 14
高周波化低消費電力化高利得化
2007
耐圧(V)
NTT Photonics Laboratories 6
高利得化
次世代伝送システムを支える高速光エレクトロニクス技術
100Gデジタルコヒーレント光伝送装置の開発光トランシーバ
研究所試作:0.5μm HBT光トランシ バ
DSP LSI Tx MUX100Gbps光送信FEDAC
・LNドライバ・移相器・線形ドライバ
40Gbps 2.2Vpp出力波形
高出力化・高信頼化・線型化が設計の課題
光受信部
光送信部
光送信FE 線形ドライバ が設計の課題
100Gbps光受信FEDSP LSI Rx
LO光源
ADC・PD, TIA/AGC・一体集積モジュール
PD/TIA・高光入力特性の改善
ル (コヒーレント受信)・広帯域化
21.4 GS/s 4bit DAC(1μm HBT)
高速化 高分解能化 線型性を0 5μmTIAアレイ
高速化・高分解能化・線型性を0.5μm HBTで実現する
次世代変調方式研究PDアレイ
NTT Photonics Laboratories 7
次世代変調方式研究多値変調、帯域制限、予等化技術のキーアナログデバイスは高速DACと 線形ドライバ
InP系HEMT(ミリ波IC)
低雑音及び高周波高出力
雑音100nm
ゲート
ソース ドレイン
電極と表面安定化が高信頼化の鍵
低雑音化設計: In0.8Ga0.2As/In0.53Ga0.47As量子井戸構造(世界 高電子移動度実現)
高出設計 / ンポジ ト
100nm
チャネル
高出設計: In0.53Ga0.47As/InPコンポジットチャネル構造
10
ゲート長微細化と材料設計が高性能化の鍵
8
10 SiGeHBT
CMOSNTT
dBm
)
B)
計が高性能化の鍵
6
F (dB)
GaAsInP
力電
力(d
指数
(dB
4NF
GaAs ‐HEMTInP ‐HEMTInP HEMT(NTT)InP HEMT
GaAs
大出
力
雑音
0
2 GaAs ‐HEMT
SiGe ‐HBT
NTTCMOSGaAs HEMT
SiGeHBT
InP HEMT(NTT)
CMOS InP HEMT
NTT Photonics Laboratories 8
0 50 100 150 200
Frequency. (GHz)周波数(GHz) 周波数(GHz)
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120-GHz帯無線伝送応用
Tx0.1μm HEMT
61.5 GHz Local input
RF 123 GHz Output B
PF MOD DoublerAMPAMPSSMA
WR-8 WG
10 Gbit/s Data inputSignal Detect
Rx
Pdiss=0. 5W Tx/Rx Modules(Size: 25 x 20 x 8 mm)
10 Gbit/sData output
RF123 GHz Input
AMP AMP AMP DETBPF
SD
Pdiss=0.75W
データ:F-band Standard Horn Antenna (24 dBi)
Gaussian BeamAntenna
10Gbit/s搬送波:123GHz
(45 dBi)
非圧縮高精細映像伝送実験
123GHz5.8km伝送晴天時
NTT Photonics Laboratories 9Tx/Rx Module
Gaussian Beam Antenna (45 dBi)
非圧縮高精細映像伝送実験(NTT マイクロシステムインテグレーション研究所:総務省 受託開発)
fT and gm of HEMT
3.5
GaAs MESFET
Vgs=0.5 V
0 4
3.0
GaAs MESFET
GaAs HEMT
InP HFET
S/m
m) 0.4
0.3
2.5
ctan
ce (
0.2
0.1
H. Matsuzaki et al. El t i L tt1 5
2.0
scon
duc
Electronics Lett.Vol. 42, 2006
1.0
1.5
ic tr
ans
InAs チャネル30nm級ゲート低寄生抵抗化
0.5
Ext
rins
i
低寄生抵抗化
0.0100 1000
E
200 500
NTT Photonics Laboratories 10
Current-gain Cutoff Frequency (GHz)
極限性能(計算値)
高電子移動度チャネル(InAs、InxGa1-xAs, x>0.53) と50nm以下のゲート長微細化→300GHz帯LNA NF<4dB)の可能性300GHz帯LNA NF 4dB)の可能性
Rg, Rs, Rd等寄生素子低減のエンジニアリングで2THz級の帯域も期待できる
Lg=50nm(InGaAs) Reported
L 150 (I G A ) Lg 50nm(InGaAs)fT/fmax=334/776 GHz
Lg=50nm(InAs)fT/fmax=440/878 GHz
Lg=150nm(InGaAs)fT/fmax=172/530GHz
Lg=100nm(InGaAs)fT/fmax=240/650GHz
4 5
5.0
100nm Gate(実用レベル)
6.0
7.0
3.5
4.0
4.5
z)
30nm InAs (Calc.)
30nm InAs without Rs/Rd
3 0
4.0
5.0
ure
(dB
)
2.0
2.5
3.0
振周
波数
(T
Hz
1 0
2.0
3.0
ois
e F
igu
1.0
1.5 大発
振
推定(NGST)
0.0
1.0
10 100 1000
No
0.0
0.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5
NTT Photonics Laboratories 11
Frequency (GHz)ゲート抵抗(Ω)
THz帯フォトミキサ
U i T li C i Ph t Di dUni-Traveling Carrier Photo Diode 高速動作に有利な電子電流
走行時間短縮のバンドプロファイル設計計
電子の滞留が少なく、効率的に光電流を外部に取り出せる(高速・高出力)
NTT Photonics Laboratories 12
H. Ito, T. Furuta, F. Nakajima, K. Yoshino, and T. Ishibashi, J. of Lightwave Tech. Vol. 23,12, p.4016, 2005
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THz帯信号源(RTD)
原子層精度で薄層組成を制御
接合面積 0 4μm2Increase inbarrier height
3-stepgraded Increase in
barrier height
3-stepgraded
接合面積 0.4μm2barrier height
e
emitterEmitter Collector
barrier height
e
emitterEmitter Collector
100with graded emitter
0.470.49
0.51
Reduction inIndium
with graded emitter
0.470.49
0.51
Reduction inIndium
25m2 )
25 er (
W)
10 Theoryw/o graded emitter
Reduction inbias voltage
Indiumcomposition
w/o graded emitter
Reduction inbias voltage
Indiumcomposition
15
201.4nm barrier
w/o GE1.2nm barrierwith GE
y (m
A/
m 25
20
15 put p
owe
1
5
10
15
t den
sity 15
10
5
Out
p 1
0
5
0.0 0.5 1.0 1.5
1.4nm barrierwith GE
Voltage (V)0 0.5 1.0 1.5C
urre
n 5
0 Oscillation frequency (THz)0.6 0.8 1.0 1.2
0.1
NTT Photonics Laboratories 13
Voltage (V)S. Suzuki, M. Asada, A. Teranishi, H. Sugiyama and H. Yokoyama, Appl. Phys. Lett. 97 (2010) 242102
テラヘルツギャップを埋めるデバイス技術
104 InP(HEMT,HBT)
NGST t NTT
信号源と検出器は、周波数利用開拓の必須デバイス
SiG
NGST etc.,NTT
RTD(東工大・NTT)
利用開拓の必須デバイス
300GHz以下では、化合物ト
100
r (m
W) SiGe
UTC-PD(NTT)ランジスタが圧倒的に高出力
Pow
er
300GHz以上では、UTC-PDやRTDが世界 高出力
10-4
Out
put
THz GapCMOS pCMOS
10-8
0 250 500 750 1000
Frequency(GHz)NTT Photonics Laboratories 14
従来の周波数開拓モデル
基礎研究Pioneer
市場開拓Frontier
市場拡大Colony
市場成熟Survivor
製造体制維持
Pioneer Frontier Colony Survivor
大型設備投資 ニッチユーザ 新材料研究
量産・低コスト化
サプライチェーン
高機能化
探索
信頼性・製造体制
新原理導入
高機能化 代替技術
化合物半導体デバイス Siテクノロジ
市場開拓で役割を終える化合物テクノロジは、継続的に技術進化可能か?
NTT Photonics Laboratories 15
術進化可能か?
×
通信用インターフェースの高性能化
10.0
効率
信号処理デジタル世界
信号処理デジタル世界
波数
利用
効
bps/
Hz)
ASK
PSK
QAM
8
1632
64128
デジタル世界
1.0
大周
波
(b
ASK
M=4
8
0 5 10 15 20 25 30
SNR for a bit (dB)
伝送媒体(アナ グ世界)送信機 受信機
伝送媒体(アナログ世界)(宇宙・空気・光ファイバー)
伝送媒体結合部
アンテナ・導波管スイッチ
レンズ PLC
受信部
LNATIA
発信部
PAMODDRV
検波部
自乗検波ダイオードミキサーフ トダイオ ド
AD変換DA変換
NTT Photonics Laboratories 16
レンズ・PLCスイッチ
DRVLD
MZM
フォトダイオード遅延干渉器
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ナノテクノロジと高速トランジスタの技術動向
アナログフロントエンド用デバイスとしての性能指標
1085431.51.310.8
耐圧(V)
大発振周波数(利得)
耐圧(ダイナミックレンジ・出力)
雑音(感度)
歪み
1085431.51.310.8
量子効果(トンネル電流)不純物ゆらぎ 化合物系トランジスタの物理限界
(学会 )
1000NGST(2008)
歪み
用途に応じた多様な要求性能
Si系トランジスタ高速化は期待2024
2024 (学会テーマ)
波数
(GHz)
NTT(2009)
系 ラ 高 期待されるが、耐圧の低下は必至 新原理・新材料の開拓は今後の
課題(Beyond CMOS)であり、世界中の半導体研究者が注力
2015
2015
2012
要 新原理・新材料
発振
周波
NTT(2006~)
NTT(2000)
界中の半導体研究者が注力(CNT, Graphen, 化合物MOS, Spin)2012
SiGe HBTN MOS InP HEMT
大発
InP系HEMT/HBTは、耐圧と高周波特性のトレードオフマージンが大きい。
N‐MOS
InP HBT 2009年市中技術予想技術トレンド(ITRS2009)
100
1 10 100 1000特徴寸法(nm)
FET:ゲート長 HBT:エミッタ幅
欧米は、軍事向けに高速化継続
国内のデバイス開発は停滞
FET:ゲート長、 HBT:エミッタ幅
NTT Photonics Laboratories 17
Monolithic v.s. Hybrid
Monolithic Hybrid
アナログ性能
ICレベル
アナログ性能
回路設計性
サイズ 高均一化サイズ
信頼性
量産性(コスト)
高均 化高密度配線
量産性(コスト)
All Si Tech.(SoC)
Heterogeneous(実装)
サブシステムレベル More Moore(SoC) (実装)
アナログ性能
回路設計性 各ICの性能を引き出回路設計性
サイズ
信頼性
各ICの性能を引き出す新実装(集積化)技術の開発が必須
信頼性
量産性(コスト) ×~(市場規模・歩留まり)
SoC可能なアナログ・ディジタルシステムは、Siのアナログ特性と市場規模により決まる
More than Moore
NTT Photonics Laboratories 18
S 可能なアナ グ ディジタルシステムは、Siのアナ グ特性と市場規模により決まる多様且つハイエンドなシステムには、Siと化合物の融合(ヘテロジニアス集積)が必要
欧米の取り組み
NTT Photonics Laboratories 19http://cordis.europa.eu/fp7/ict/photonics/docs/concertation/conc20oct2010-galactico_en.pdf
Lars Zimmermann, IHP, Germany
COSMOS in DARPA
NTT Photonics Laboratories 20Dr. Sanjay Raman et al., Takamatsu, IPRM2010
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THzエレクトロニクス時代のデバイス開発の課題
究極的高性能デバイス特性を必要とするTHzエレクトロニクス
米国を中心に研究加速
多様なアナログ特性に対応するため、ヘテロジニアス集積で各種デバイスの性能を 大限に発揮するの性能を 大限に発揮する
新規周波数開拓は新市場開拓 新規周波数開拓は新市場開拓持続的なデバイス開発には、見合う市場が必須
戦略の沿ったデバイス開発 戦略の沿ったデバイス開発
十分な市場規模までの成長を待ちきれない
代替技術の台頭代替技術 台頭
一定市場に複数企業が参入しパイ分割
新規開発が困難
Pioneer/Frontierとして開発段階から異業種連携と技術融合にチャレンジ
NTT Photonics Laboratories 21