GaAs IC（ガリウムひ素単結晶を基板としたIC）
GaAs IC（ガリウムひ素単結晶を基板としたIC ）とは、化合物半導体であるガリウムとヒ素の結晶を用いた集積回路のことである。シリコンベースのICより高周波特性に優れ、超高速通信や高出力デバイスに欠かせない要素技術として活用されてきた。製造コストや扱いの難しさを克服するための技術開発が進展し、特にマイクロ波帯やミリ波帯のアプリケーションにおいて性能を最大限に発揮するデバイスとして需要が高まっている。
GaAsとシリコンの相違点
化合物半導体であるガリウムひ素は、シリコンよりも電子の移動度が高く、高周波領域での動作が可能である。この特性により、数GHzを超える高周波回路や高速デジタル回路においてシリコンでは実現しにくい優位性を発揮する。一方で結晶形成が難しく、製造コストが上昇する点が課題とされるが、厚膜エピタキシャル成長技術や超高純度の原料供給体制が整備されることで、実用規模の量産が可能になりつつある。
材料特性の利点
ガリウムひ素は、バンドギャップがシリコンより大きいため、高温環境下でも動作しやすい特性を持つ。また電子の有効質量が小さく、電子の移動速度が速いことから、周波数の応答速度を高められる利点がある。さらに広帯域での増幅性能を得やすいため、レーダーや衛星通信など、超高周波数帯での高感度な増幅器や発振器に適している。これらの特性はシリコン系デバイスでは実現が難しく、多様なアプリケーション領域を切り開く原動力となっている。
製造プロセスの概要
ガリウムとヒ素を化学蒸着や分子線エピタキシーで単結晶基板に形成するプロセスが基本である。結晶欠陥を極力抑えるために高精度な温度管理や超高真空技術を駆使し、ウェハ上にエピ層を積層していく。形成したウェハをフォトリソグラフィやエッチングなどの一般的な半導体プロセスで加工し、素子を形成する。製造設備はシリコン用ラインと異なる部分が多く、導入コストが高い点が量産拡大の壁となるが、高付加価値デバイスとして採算が取れるケースも増えている。
高速通信分野への応用
携帯基地局の送受信モジュールや衛星通信機器など、広い周波数帯を扱う通信システムにはGaAs ICが多用されている。高速かつ低ノイズで信号を増幅する技術が求められるため、トランジスタ構造の高周波特性がシリコンベースのデバイスより優れたガリウムひ素系ICが主力となっている。近年は5G以降の次世代通信規格にも対応するデバイス開発が活発化しており、高周波帯での高効率パワー増幅器や小型化を兼ね備えたモノリシック集積回路が注目されている。
パワーデバイス分野の可能性
高周波のみならず、高出力領域でもGaAs ICは大きな可能性を持つ。特に衛星通信の上り回線やレーダー送信機など、電力増幅が必要なアプリケーションにおいてシリコンベースのデバイスより効率面で有利になる場合が多い。ただし、熱生成量や信頼性の観点から、実際の実装ではヒートシンクや熱設計が不可欠である。高出力化と高効率化を両立するために、基板材料の改良や新たなトランジスタ構造が引き続き研究されている。
量産化とコスト課題
ガリウムひ素ウエハはシリコンウエハに比べてサイズが小さく、単価が高いことが量産化のネックとなってきた。プロセスラインもシリコンに比べると特殊工程が多いため、一度に生産できる数量や歩留まりに限界がある。とはいえ、高性能化と小型化が進むなかで、従来の性能を超えられないシリコンデバイスを補完あるいは代替する存在としてGaAs ICの意義は大きい。コスト削減には原料の精製技術や大口径ウエハの開発が望まれている。
産業界へのインパクト
従来は軍事や航空宇宙向けが中心であったガリウムひ素ICも、通信やレーダー、センサー技術の一般化によって民生分野への応用が増えている。IoTデバイスの拡大や車載レーダーの高度化など、周波数帯が高くなるほどその優位性が際立つ。シリコン系のCMOS技術と比較すると依然として価格面のハードルがあるが、その高特性がもたらす付加価値や差別化効果により、高性能を要するアプリケーションにおいて需要が拡大している。
市場動向と今後
5GからBeyond 5G、さらには衛星ブロードバンドなどの大容量通信時代において、ガリウムひ素の高周波特性はさらに重要性を増すと考えられる。研究面ではGaN(Gallium Nitride)と組み合わせたハイブリッド構成の検討も進み、より高耐圧と高出力を両立しながら高速応答を実現する技術が期待されている。製造コストが下がるにつれて、単なる軍事用や特殊用途にとどまらず、多岐にわたる電子機器でGaAs ICの活躍が広がる可能性が高いといえる。