図1　電源装置用の新HEMTの構造

図2　新旧HEMTのトランジスタ特性

　富士通研究所は、電源装置の電力損失を低減することができる窒化ガリウムHEMT（高電子移動度トランジスタ）を開発した。従来のシリコントランジスタを使った場合に比べ、電源装置の電力損失を1/3以下にすることが可能となる。同社は2011年ごろにチップのサンプル出荷を始める計画である。この技術の詳細は、2009年6月に米国で開催された国際学会『Device Research Conference 2009』で発表された。

　富士通研究所は、窒化ガリウムを用いたトランジスタの開発に取り組んできた。窒化ガリウムを使った高耐圧トランジスタは、現在一般的に使われているシリコントランジスタよりも、オン状態における損失（オン損失）を1/5以下、オン/オフに状態を切り替える際の損失（スイッチング損失）を1/100以下に低減できるという特徴を持つ。

　同社は2008年10月に、無線通信システムの基地局用装置向けに、待機状態（ゲート電極に電圧をかけない状態）で電流を遮断できる独自の3層キャップ層構造を用いた窒化ガリウムHEMT（以下、旧HEMT）を発表していた。この旧HEMTでは、オフからオンに切り替えるゲート電圧（以下、オン電圧）が＋0.5Vで、オン電流密度が500mA/mmであった。この仕様だと、無線通信用途には適用できるが、電源装置ではオン電圧＋2～＋4V、オン電流密度600mA/mm以上という仕様が求められるため、対応できなかった。

　今回開発した窒化ガリウムHEMT（以下、新HEMT）は、3層キャップ層構造に加え、新たに開発した2つの技術を採用した（図1）。その1つは、窒化ガリウム電子走行層にダメージを与えないようにして、ゲート電極直下部分のn型窒化アルミニウムガリウム層を掘り込み、n型窒化アルミニウムガリウム層の厚みをわずかに残す構造とした。これにより、オン電圧は＋3Vとなり（図2）、待機時の電流遮断とオン/オフの高速動作を可能とした。

　2つ目は、ゲート電極構造に原子レベルの平坦性を持つ酸化膜を用いた絶縁ゲート構造としたことである。従来の一般的な窒化ガリウムHEMTでは、待機状態では負のゲート電圧をかける必要があったが、この構造を採用したことにより、オン時のゲートリーク電流を抑えることができたため、ゲート電極に正の電圧を印加することが可能となり、通電時のオン電流密度は829mA/mmと、旧HEMTに比べて約1.7倍に向上させることができた。

図3　窒化ガリウムHEMTの最大電流密度とオン電圧

　これら2つの技術を適用したことで、電源装置用トランジスタとして求められるオン電圧とオン電流の性能を両立することができた（図3）。

　富士通研究所は、「新HEMTを電源装置に組み込み、国内のデータセンターにあるすべてのサーバー機器に適用した場合、サーバー機器自体の省電力効果として8％、サーバー機器の発熱量低減による空調の省エネ効果で4％と、合計12％の削減が期待できる」と試算している。この数値は、国内全体で年間33万トンのCO2を削減できることに相当するという。

　また、電源部分の小型化も可能となる。新HEMTは、シリコントランジスタに比べてスイッチング速度が速く、高周波動作が可能である。従って、電源回路を構成するコイルや変圧器として、より小型の部品を使うことができる。例えば、ノート型パソコン用のACアダプタであれば、従来のシリコントランジスタを用いた場合に比べて、1/10程度に小型化できる可能性があるという。

　富士通研究所は、2012～2013年にも新HEMTを採用した製品を量産したい考えで、量産時の価格はシリコントランジスタと同等レベルを予定している。
（馬本 隆綱）