P20-21＿29-01/47L 13.1.18 4:00 PM ページ 20 Innovation Stories 開発秘話：Si-MOSFETを用いた移動体通信用高周波モジュール（Si-MOSモジュール）元株式会社日立製作所半導体グループ主管技師吉田功 ■ はじめに力との比） 50％の性能を引き出すことができた。Si-MOSで50％の高効率と胸を張ったが、GaAsデバイスにはかなわなかった。移動体通信用携帯電話の世界規模の広がりそれでもSi-MOSでの世界トップデータであり、関浩一企画室の中で、現在その生産量長のバックアップをいただいて中央研究所で発表、さらにパワは月1億台を超えている。で発表した。この国際会議でのー半導体国際会議（ISPSD92） 2004年の段階で、その内容は、当時のモトローラ社の最初の論文に引用された。その約 3 割の電話に日立の後モトローラ社は、この構造にLDMOSと名付けて大々的に宣 Si-MOSモジュールが使用されるという状況に伝したため、その名前が定着した。実はこの構造の基本形は、図1 Si-MOSモジュール（GSM対応）チップ写真：11×13.75mm 。なっていた（図1、2参照）発表したものであり、いわばその改良版の構造をモトローラ社が追随する格好になった。 50 30 の高耐圧化に始まる。1972年当時、私は、徳山巍主管研究員の L6 AI短絡型 Siゲート 10 L5 20 L4 5 Moゲート 2 （GHz） 1 すこし横道にそれるが、パワーMOSの歴史を遡るとMOSFET たかし 20 遮断周波数 1982年の電子デバイス国際会議（IEDM）で岡部主任研究員が L3 10 L2 Siゲートモジュール出荷量（百万個/月） L1 1980 NHKからの要請で、このMOSFETの高耐圧化の研究を開始しみのるた。そして1974年、永田穣部長の指導に従って、これを大電流化し、パワーMOSとして実用化を考えたとき、武蔵工場のMOSLSI プロセスラインで製造開発するのがよいとのアドバイスを、久保まさはる征治主任研究員にいただいた。そしてオーディオ用パワーMOS S1 1970 もとで MOS 構造へのイオン打ち込みの研究に携わっており、 1990 1995 2000 0 2005 を開始した。私はこのときから、「パワーMOSは、LSI技術を取り入れた最初のパワーデバイス」という概念を持ち続けている。図2 Si-MOSの高性能化とRFモジュールの出荷量の増大 1992年から、欧州の移動体電話の通信方式として、GSM方式幸運にもこのような状況になった要因として、次の三つが挙が本格的に立ち上がってきた。日立の戦略はこれをSi-RF-MOS （Global げられる。ひとつには、欧州を中心に広がっているGSM で対応することであり、Si-MOSモジュールの量産化を進めた。マーケットの立ち上がりから参 System Mobile communication） ■ Si-MOSの選択と他社の動向入でき、顧客との連携が良かったこと、二つめは小型のセラミ多くの人から、異口同音に「どうして他社はRF-MOSの開発ックパッケージの開発とその量産化がタイムリーに行えたこと、をしないの？」と聞かれた。正直、私自身よくわからないが、事そして三つめの要因は、Si-MOSモジュールの開発に非常に長く実として次のことがあり、大変興味深い。時間をかけて取り組んできたことである。ここでは、その三つめ MOSFETの大出力化を最初に検討したフィリップス社は、長の要因に私が深く関わってきたので、Si-MOSモジュールの開発年バイポーラトランジスタの開発に注力し、その当時もその開に焦点を当て、開発秘話として述べてみたい。発を積極的に進めていた。MOSFETの高周波化を最初に試みた ■ RF-Si-MOSFETの研究富士通（後の富士通カンタム福田社長ら）は、その後GaAsデバたけあき 1990年2月、私は、当時の中央研究所の岡部健明主任研究員イスの高周波化を志向して、GaAsデバイスのトップメーカーによりRF-MOSの研究開発を引き継いだ。この時の研究開発グ（石なっている。1980年代に、高周波・大出力を試みた松下電器ループは、勝枝嶺雄研究員と私の二人であった。まず、L3と呼ばれ川氏ら）は、GaAsモジュールで日本のトップシェアを誇っている世代の開発に注力した。このLシリーズの研究は岡部主任研究た。これらの背景には、彼らが、その当時のSi-MOSの性能に限員によって始められたもので、後述のSiゲートの高耐圧MOS 界を感じて、他への展開を図ったものと推察される。当時、MOS に、高周波化のための金属（Mo）ゲート構造を取り入れたものの微細化技術は不十分であり、それをもとに高周波応用を考えである。L3はMoゲート構造で、ゲート長が0.8μmの加工とオフたとき、バイポーラトランジスタやGaAsデバイスの選択が必然セットゲート長の最適化が課題であった。約1年後、当時の高だったのだろう。我々は彼らより少し遅れてRF-MOSの開発に崎工場半導体設計部の大高成雄主任技師やプロセス開発部の参入したが、理解ある上司にめぐり合い、MOSの開発に情熱丸山泰男技師らとの共同開発により、動作周波数1.5GHz、電源を持ち続けられていた点が、彼らとのデバイス選択を異にした理（RF増幅出力と直流入力電電圧4.8V、出力電力1W、付加効率由と思われる。私は、デバイス性能はその種類に関わりなく、そ 20 SEMI News • 2013, No.1 P20-21＿29-01/47L 13.1.18 4:00 PM ページ 21 Innovation Stories の開発に従事する人の情熱に比例するような気もしている。ゲートゲートソースドレインドレイン一方、私自身は次のように考えてパワーデバイスの開発に取り組んでいた。Si-MOSは、LSIの製造ラインが共用できるという利点のほかに、物理的に見ても優れている。Siは、電界の小さ Al p+ n+ な時の速度、つまりキャリア移動度はGaAsのそれに比べて一桁 p n- n+ SiO2 n+ p- p+ 程度低いが、電界強度が大きい時の飽和速度はGaAsのそれを凌駕すること、微細化の進んだサブミクロン領域のSi-MOSデバソース（a）Si-RF-MOS イスは、GaAsデバイスに十分に比肩できる。また、熱伝導度が n+ p- （b）従来のMOS 図3 Si―MOSFETの断面構造 GaAsのそれに比べて3倍以上大きいことは、パワーデバイスとして有利である。ールに対する関心の高さを肌で感じることができた。この発表 ■ Si-MOSモジュールの開発の後、日立ヨーロッパ研究所の担当者とエリクソン、ノキア社な 1995年2月、我々のグループは、中央研究所から半導体事業どを訪問し、日立のSi-MOSモジュールに対する期待を感じ取しもひがし部・半導体開発センターに移り、下東勝博本部長のもと、徐々にってきた。この時の感触がその後の開発の原動力につながった。 L6の予備検討は、1997年秋から開始した。ここでも、次は開発体制が整備されていった。 Si-MOSの高性能化を、ゲートの微細化で対応するためには、 GaAsかMOSかの選択を迫られた。GaAsFETは高性能であり、 Moゲートの加工精度に限界があることが明らかになってきた。効率という観点から比較するとGaAsに軍配が上がる。しかしそこで、図3に示す構造を提案して、0.5μmゲートを達成した。 MOSは、電流が（ゲート）電圧によって増加する、いわゆるエこの構造は、微細化したSiゲートの抵抗の増大をAl電極で短絡ンハンスメント動作であり、かねてからの一電流動作がひとつすることでカバーしたもので、約10GHzの性能を得ることがでの拠り所だった。これに対して、GaAsヘテロ接合バイポーラトきた。ちょうどこの時期に、携帯電話の小型軽量化の目的で、電ランジスタ（HBT）が発表された。これはバイポーラトランジ源が従来のNiCd系から電流密度の高いリチウムイオン系に移スタではあるが、GaAs基板のため耐圧が高くとれ、エンハンス行すること、すなわち4.8Vから3.6V電源が主流になるという情メント動作で、そのうえ高性能である。世の中の主流は、GaAs- （電源）電圧の報があり、3.6Vの選択を迫られた。出力電力は HBTへと傾いていくのは自然の成り行きに思えた。おりしも、 2乗に比例するので、3.6V化には、パワーデバイスに約2倍の低当時のRFマイクロ社やコネクザント社が、電話機メーカーへ損失化（大電流化）が要求されることになった。の売り込みを強めていた。日立としてもHBTかMOSかと揺れ 1996年1月から試作を開始したが、4月になっても5月になっていた。しかし我々は、MOSでやると決めて動き出していた。ても目標性能が得られない日々が続いた。「絶対にあきらめな 1997年のIEDMの情報交換が縁で、当時の半導体技術開発部い、苦しくても逃げない」をモットーに、いろいろな人の知見との池田修二主任技師と知り合った。また、蒲原史朗主任技師らかもはらまさお援助を求めた。堀田正生本部長の指導のもと、中央研究所の近藤を交えて共同開発を行い、微細化と高耐圧化との両立構造を追博司主任研究員、関根健治主任技師らの討論を通じて、ゲートの及した。1998年12月、第一次試作でRF-MOSの目標特性を得て、更なる微細化が有効であること、後述のDD-CIMAで解決する翌年には効率55％のGSM用Si-MOSモジュールを開発すること以外に当面の道は開けないことを確認した。8月から、半導体グができた。これがその後のSi-MOSモジュールの拡販に繋がっかずのりループの森川正敏主任技師、小野沢和徳主任技師らと共同でデている。バイス設計を行い、12月にチップの目標特性を得て、翌年の3月 ■ おわりにに3.6V対応のSi-MOSモジュールが目標特性を達成した。以上述べてきたように、この開発にはいろいろな幸運が重なその3.6V対応のRF開発のキーポイントとなったDD-CIMA ったと感じている。例えば、この時期にGSMの市場が立ち上がについて、簡単に説明する。出力電力はゲート幅に比例して大きらなかったなら、セラミックパッケージの開発と量産化がタイムくならず、ある値で飽和する傾向を示すので、GSMで目標とすリーに行えなかったなら、良き指導者たちに巡り会わなかったる出力電力4Wは、1チップでは達成できない。そこで、チップなら、研究開発を共にした良き同僚がいなかったなら、微細化を分割してインピーダンスの低下を防ぎ、整合回路で一括しの進んだCMOSプロセスが活用できなかったなら……………。て合成する方式を考案した。この方式をDivided Device and どれ一つ欠けていても、Si-MOSモジュールの大量生産に繋が Collectively Impedance Matched Amplifierと名付け、DD-CIMA らなかったのではないか。この研究開発を通して、大きな夢をと呼ぶことにした。比較的短いストリップ線路とコンデンサとを持ち、これを持ち続けること、徹底してこれをやり抜くことの大切用いて、インピーダンス整合を行う手法である。さを学んだ。私の伝えたいメッセージは、チャレンジする心、感実際にはこれをSi-MOSモジュールで実現し、オランダのハで発表した。発表ーグで開催された欧州の学会（ESSDERC）後、フィリップス社の研究者たちの質問攻めにあい、そのモジュ No.1, 2013 • SEMI News 謝する心、人との出会いの大切さである。参考文献：吉田功「移動体通信用マイクロ波シリコンパワー MOSFET」1999年12月電気学会誌 21