世界最高速、800GHzを超えるスイッチング性能を有するトランジスタを開発
～IOWN・Beyond 5Gの世界の実現に向けたテラヘルツ帯集積回路の開発に道筋～

日本電信電話株式会社（本社：東京都千代田区、代表取締役社長：澤田純、以下 NTT）は、インジウムリン（InP）※1系化合物半導体結晶成長技術と、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（HBT）※2製造技術の高度化により、世界で最も高速な800GHz（ギガヘルツ）を超える電流利得遮断周波数※3を有するトランジスタの開発に成功しました。本トランジスタを活用することで、集積回路の劇的な高速化・高性能化が可能になり、マルチTbps級の光伝送やテラヘルツ（THz）帯を利用した大容量無線通信、センシング・イメージングなど、将来のスマート社会を支える高度な情報通信システムやサービスの実現が見込まれます。これにより、IOWN※4やBeyond 5Gの世界を実現してまいります。
　本技術の詳細は、IEEE Electron Device Lettersに掲載されています。(https://ieeexplore.ieee.org/document/9044299）

研究の背景

NTTではこれまでに光・無線通信技術の大容量化を通じて、社会の様々なICTサービスの普及発展に貢献してまいりました。これには、通信用の集積回路を構成するトランジスタの高周波化により、利活用できる周波数帯域を拡張してきたことが大きく寄与しています。今後IoTの普及やAIを活用したスマート社会の実現が期待されていますが、膨大な量の電子機器がネットワークでつながるために、データ通信量が更に爆発的に増大することが見込まれています。それに対応するための手法の一つとして、集積回路の動作帯域をTHz領域まで拡張することで、光・無線通信システムの大容量化を図ることがあげられます。一方で、トランジスタのスイッチング速度の指標となる電流利得遮断周波数（f_T）は、トランジスタの種類やその構成材料を問わず、これまで700GHz台で飽和傾向にあり、将来の通信大容量化やTHz帯のアプリケーションを実現する上での潜在的な課題となっていました（図1）。

研究の成果

独自のInP系化合物半導体の結晶成長技術及びHBT製造技術を発展させ、厚さ約10ナノメートル（1ナノメートルは1ミリメートルの100万分の１）と極めて薄い半導体結晶層内に電子を加速する構造を組み込むとともに、幅50ナノメートル（髪の毛の太さの約2000分の１）という極めて微細な電極構造を形成することで（図2）、世界で最も高速となる800GHzを超える電流利得遮断周波数を有するトランジスタの実証に成功しました（図3）。

技術のポイント

<1> InP系化合物半導体結晶成長技術：

高性能な集積回路を実現するためには、トランジスタに対して高速性能のみではなく、電流利得や耐圧といった様々な電気的特性においても高い性能が要求されます。これらを実現するためには、HBTを構成するエミッタ・ベース・コレクタに最適な材料を高品質に形成することに加えて、ナノメートル以下の精度での膜厚制御や10万分の1以下の比率で添加する不純物量を制御する高い結晶成長技術が必要です。NTTでは、独自の原材料制御法を用いた有機金属化学気相堆積法※5により、エミッタにインジウムガリウムリン（InGaP）、ベースにインジウムガリウム砒素アンチモン（InGaAsSb）、コレクタにInPを用いた高品質なHBT構造を結晶成長することで、電流利得、耐圧といったトランジスタの主要な特性を損なうことなく世界最高の高速性能を実現しました。

<2> HBT製造技術：

一般にトランジスタの高速化に向けては、電子走行時間と寄生容量を削減することが重要です。特にHBTではコレクタの走行時間が支配的な要因となっています。コレクタの走行時間を減らすためにはコレクタの薄層化が効果的ですが、逆に寄生容量が増大することから、高速化に大きな制限がありました。今回、寄生容量の要因となるベース電極幅を従来の約200ナノメートルから50ナノメートルへ高精度に微細化する製造技術を新たに構築し、ベース電極面積を約70%低減することに成功しました。これにより、コレクタを従来よりも薄層化しても、寄生容量を増加させることなく電子走行時間を短縮することが可能となり、HBTにおいて従来の限界を超える高速化を実現しました。

今後の展開

本トランジスタを集積化することにより、テラヘルツ（THz）帯（>300GHz）で動作可能な超高速な集積回路の実現が見込まれ、マルチTbps級の光伝送やTHz帯を利用した大容量無線通信といった情報通信システムの高度化だけでなく、他分野への応用が期待されます。例えばTHz帯の周波数特性を生かした高精度なセンシングやイメージング等、現在未開拓な周波数帯域を用いたアプリケーションを創出することで、IOWNやBeyond 5Gの世界を実現してまいります。引き続き、トランジスタの更なる高速化を進めるとともに、情報通信・情報処理技術の高度化にむけた光デバイスとの融合を図ることで、高付加価値な情報通信サービスの創出をめざして研究開発を進めていきます。

図1：トランジスタの種類と特徴及びこれまでの動作速度の限界

図2：今回開発したトランジスタ（左：断面模式図、右：顕微鏡写真）

図3：本成果の位置付け

用語解説

^※1InP （Indium Phosphide）：
インジウム（In）とリン（P）で構成されるIII-V族化合物半導体の一種。様々な集積回路に一般的に用いられるシリコンと比較すると、高い電子移動度や広いバンドギャップを有している。そのため、高速・高出力なトランジスタ用の半導体材料として用いられる。InPを材料に用いたトランジスタにおいては特性を向上させるために、Inに加えてアルミニウム（Al）やガリウム（Ga）、Pに加えてヒ素（As）やアンチモン（Sb）等を組み合わせることがある。

^※2 HBT（Heterojunction Bipolar Transistor）：
ヘテロ接合バイポーラトランジスタと呼ばれるトランジスタ構造の一つ。エミッタ・ベース・コレクタの三層構造からなり、トランジスタの垂直方向に電流が流れることから高い電流駆動力を有し、高速性能に優れる。また、エミッタとベース間、ベースとコレクタ間がそれぞれ異種材料で構成されている場合は、ダブルヘテロ接合バイポーラトランジスタ（DHBT）と呼ばれ、ベース材料よりバンドギャップが大きい材料をコレクタに用いることで高い耐圧を得ることができ、高出力化にも適している。

^※3 ※3 電流利得遮断周波数（f_T）：
トランジスタの高周波性能指標の一つ。電流利得（出力電流/入力電流の比）が1（トランジスタの電流増幅能が消失する）となる周波数。HBTにおいては、ベース・コレクタ間の電子走行時間、コレクタ容量の充電時間、エミッタ容量の充電時間の和の逆数が電流利得遮断周波数となる。

^※4 IOWN（アイオン：Innovative Optical and Wireless Network）：
スマートな世界を実現する最先端の光関連技術および情報処理技術を活用した未来のコミュニケーション基盤。

^※5 有機金属化学気相堆積法（MOCVD）：
半導体の結晶成長方法の一つ。原料ガスを加熱された基板上に供給し、熱分解された原料から半導体を形成（成長）させる。