電磁波技術部 通信デバイス研究室
かかる認識を背景に、我々のグループではミリ波帯で動作可能な能動デバイスの研究を進めている。
現在のところ、室温で動作可能なミリ波帯能動デバイスの素材は化合物半導体以外に考えられない。
図１にHEMTの原理図を示す。普通、半導体の移動は不純物を含まない状態で最大になる。ところが、不純物を含まない半導体は電気伝導をほとんど示さず、わずかな不純物を混入（ドーピング）する必要がある。これはシリコンであろうと化合物半導体であろうと変わりはない。ところが、この不純物はキャリアの散乱要因となって移動度を低下せしめる。キャリアとは伝導帯にある電子を称する。個体中の電子の多くは原子核に束縛されており（内殻電子）、電気伝導に寄与しない。すなわち、伝導性と移動度の間には深刻なトレードオフの関係が存在している。これを克服したのがHEMTである。図１ でキャリア供給層とキャリア走行層とあるのが、これはキャリアが走行する層とそこにキャリアを供給する層を空間的に分離していることを意味する。すなわち、キャリア供給層から滲み出したキャリアがキャリア走行層を疾走する。こうすることにより、キャリア走行層では可能な限り不純物濃度を低減せしめ、高緯度移動度の理想を追求し、キャリア供給層では遠慮無く不純物濃度を高くできる。これがHEMTのタネと仕掛けである。強引な比喩で申し訳ないが、建前層（キャリア走行層）と本音層（キャリア供給層）、あるいは奴隷階級（キャリア供給層）に支えられた貴族文化（キャリア走行層）と考えられなくもない。奴隷制社会は崩壊したが、半導体には人格がないのでそのような心配は無用である。
化合物半導体とは基本的にはIII族（Al、Ga、Inなど）とⅤ族（N、P、Asなど）あるいはII族（Zn、Cd、Hgなど）とⅤI族（Se、Teなど）を組み合わせたもので、AlAs、InAs、InP、GaP、InSb、ZnTe、CdTe、HgTeなどがあるが、最も代表的なのはGaAsであろう。現在、GaAs基板は工業的に広く生産されており、容易に入手可能で性能も安定している。問題はその上に成長させる物質である。先程キャリアが滲み出すと簡単に書いたが、物理はそれほど都合良くできていない。キャリアの滲み出し距離は約10nmとかなり短く、GaAsの格子定数が約0.56nmであるから、原子20層以下ということになる。一般に異種半導体が接する面（ヘテロ界面）の平坦性や物質のキッチリした切り替わり（急峻性）を確保するのは容易ではなく、原子20層のスケールで理想的な結晶成長を可能にせしめた人類の英知は立派なものである。次に、結晶工学的に考えると、GaAsと格子整合していることが必要である。さらに、電気的特性としてはGaAsとヘテロ接合した際にコンダクションバンドが高くなることが必要である。これらを総称して”相性”と呼んでいるわけであるが、GaAs/AlGaAs構造はこの相性が抜群によい。図１のキャリア走行層もGaAsである。一方、キャリア供給層はAlGaAsである。もちろん、それなりの装置・技術が必要であるが、現在では安定した技術と言えよう。今回作製した素子も基本的にこの構造を採用している。これに対し、工業技術院電子技術総合研究所のグループの報告によればInP基板上に成長させたInGaAs／InAlAsヘテロ構造はより高い移動度が得られる。もちろん、このグループとも共同研究を行っている。しかし、InGaAsとInAlAsの相性はGaAsとAlGaAsほどよくはないため、より高度な薄膜成長技術が求められる。今後の技術動向を予言するのは難しいが、本研究の成果から類推すると、f
max
＝300GHzをGaAs系デバイスで実現するのは不可能ではなく、InP系デバイスがGaAs系デバイスを駆逐することはないと考えている。
さて、HEMT実現のもう１つの技術的柱である極微細加工技術であるが、電子ビーム描画装置を駆使して作製した。ゲート部分のテストパターンの断面SEM（Scanning Electron Microscope、走査型電子顕微鏡）写真を図２に示す。半導体との接触部分の巾は0.18μm（実際に動作したデバイスはもう少し狭くなっていると思われる）となっているが、その上は約0.6μm巾に広がっている。このような構造をＴ型ゲート、あるいはマッシュルームゲートと称している。このような構造にするのはゲート抵抗を低減するためである。単に巾100nmのレジストパターンを露光・現像するだけならそれほど難しいことはない。しかし、このようなマッシュルームゲートを作製するにはそれ相応の工夫が必要である。本研究にお いてもいくつかのプロセスを検討したが、結局図３に示すような低感度／高感度２層レジストプロセスを採用した。このプロセスでは、２種類の電子線レジストの感度差を利用する。まず、基板上に下層の低感度電子線レジストを塗布・ベーキングした後、上層の高感度レジストを塗布・ベーキングする。電子線描画は２度に分けて行う。最初の描画は図３中のグラフ内、D0で示す露光量で行う。これを現像すると図３(c)に示すパターンが得られる。
２回目の露光は、下層の低感度レジストに対する露光量、D1で行う。これを現像すると図中のSEM（走査型電子顕微鏡）写真に示すパターンが完成する。レジストパターンとしては、ゲート長に相当する部分の巾を0.1μmにできるが、ゲート金属の成膜プロセスに問題があり、このパターン巾を生かしきるに至っていない。この後ゲート金属を蒸着し、リフトオフすることにより最終的な微細ゲートが完成する。
２層レジストプロセスでは、２種類のレジストの性質が異なれば異なるほど都合がよい。最も重要なのは感度差、コントラスト（D1：D0）であるが、現像液とキャスト溶媒（塗布する際に個体高分子材料であるレジストを溶解する有機溶媒、ペンキのシンナーに相当するもの）が異なっていればさらに申し分ない。現在用いているレジスト系ではコントラストが約５：１とあまり高くない。また、現像液とキャスト溶媒も同系統である。このため上層と下層の境界面には２つのレジストの混合物が出来ていると考えられる。この点についてはゲート金属成膜プロセスとあわせて今後の課題とする。
図６に高周波特性例を示す。f
max
=205GHz、f
T
=102GHz、また、当面の目標である60GHz（酸素の吸収帯、屋内無線LAN用）における利得は5.9dBが得られた。今後はゲートリセスプロセスやエピタキシャル成長膜の最適化を進め、より一層の性能向上を目指す。また、ラグビーモデルでいうところのスピードとパワーだけで勝利することは難しく、それを生かすテクニックや戦術が必要である。我々の研究も電波が飛んで受かってナンボの商売であり、デバイスそれ自体の高性能化を進めることはもちろん、このデバイスを組み込んだ通信モジュールの開発も並行して進める計画である。
－ 情報通信革命に挑む研究と若者の科学への夢を育てる新研究本館完成 －
鹿島宇宙通信センター長
関東支所 鹿島宇宙通信センターに、２１世紀の情報通信新時代に向け、これまで培ってきた宇宙技術をより発展させるための研究基盤となる、新研究本館が完成し、平成９年５月２９日、この新研究本館の竣工式が、新緑と新築の匂いもさわやかな新研究本館にて行われました。この竣工式典には、地元から茨城県知事（代理）、五十里鹿嶋市長、鹿嶋市議会議長はじめ議員多数の方々、鹿島アントラーズＦＣ社長などにご出席頂きました。また建設省関係では、関東地方建設局宇都宮営繕工事事務所長、国土地理院の野々村院長。宇宙開発事業団からは中丸参事、郵政本省からは松本宇宙通信政策課長が出席されました。また、新研究本館建設に携わられたメーカ・業者の方々、そして当鹿島宇宙通信センターと研究面で関連の深い大学・研究所、団体の方々にも列席頂きました。
竣工式典では、新研究本館の最新鋭のマルチメディアシステムを活用し、最初に「森と湖」の高精細な自然画像と美しい音響の協演から開始、約１１０名の参加者で埋まった会場内も、この映像のデモに吸い込まれるように静まりました。続いて古濱所長の開会の式辞が行われました。式辞はHDTVカメラの迫力ある映像を高精細大画面に写すことで、セレモニーとしての雰囲気を一層高めることができました。
所長式辞にひきつづき、大会議室の音響効果のデモンストレーションとして、映画「アポロ１３号」から迫力ある打ち上げのドルビーサラウンドなどを体験頂きました。
次に、関東地建宇都宮営繕工事事務所長から、新研究本館建設工事を立派にやり遂げた慶びがあふれるご式辞を受けました。
続いての茨城県知事のご挨拶（代読）は、２１世紀へ向けての研究成果への期待が込められたものでした。
地元の五十里鹿嶋市長からは、鹿嶋にちなんだ映像とともにご挨拶を受けました。ゆったりしたお言葉と、用意した鹿嶋市紹介ビデオが予想以上に効果的にマッチし、歴史と伝統と超現代的なマルチメディアとが、まさに融合したような雰囲気がかもし出され印象深いものとなりました。
鹿嶋市をホームタウンとする鹿島アントラーズＦＣの鈴木社長のご挨拶は、バックにアントラーズの応援歌が低く流れる中、アントラーズの昨年度の優勝への軌跡の静止画の数々とご挨拶の言葉が連動した感銘深いものでした。2002年の鹿嶋でのワールドカップのゲーム開催へ大きな期待を感じさせました。
建設省国土地理院野々村院長のご挨拶は、風鈴の静かな音色が流れるなか「ちり～ん、ちりぃん、という風鈴の音は、国土地理院(ちりいん)の...」と切り出され、会場は大受けで明るい笑いに満ちあふれました。鹿嶋の古地図などの映像とあわせ、マルチメディアを 巧妙に利用したアイデア賞もののご挨拶となりました。
宇宙開発事業団の中丸参事からのご挨拶は、迫力あるロケット打ち上げの映像に続いて行われました。NASDAと鹿島宇宙通信センターとの永年の協力関係の成果を写真映像とともにお話しされ、特に本年はＣＯＭＥＴＳ、ＴＲＭＭ、ETS-VIIなど、鹿島宇宙通信センターと密接な関係のある衛星の打ち上げが控えており、さらに協力を深める必要があることが述べられました。
大会議室での式典に続きまして、植樹式が新研究本館の大きな特徴である中庭において行われました。五十里鹿嶋市長、鈴木鹿島アントラーズＦＣ社長、関東地建宇都宮工事事務所長、松本宇宙通信政策課長、古濱所長に筆者を加えた６名がきんもくせい２本、つばき１本を植樹しました。
式典後には同鹿島宇宙通信センターの見学や、惑星間飛行の仮想現実システムによるデモなどの見学を行い、中でも仮想現実システムは大好評で、予定時間を大幅に超過してしうほどでした。見学後、懇親会を行い、鹿島宇宙通信センターの新研究本館が２１世紀に向けて、大きな研究成果を挙げることを期して高らかに祝杯をあげました。
また新研究本館の代表的な２つの主要施設はとしては次のものがあります。
(1) 大会議室
大会議室は、マルチメディア関連の実験に使用するほか、小規模な研究会や講演会など他目的に使用します。本会議室は、マルチメディア実験を行うことを目的とし、立体映像やハイビジョン映像を映す、画面サイズ２５０インチＨＤＴＶフロント投影用スクリーンを設置しています。音響も映像効果を高めるに十分な劇場クラスの立体音響設備を有しており、室内の防音対策や残響時間も最適化しています。また、プレゼンテーション用パソコン等の映像も切り換えて直接スクリーンに投影することもできます。また、会場内の音声用記録装置を設置してあります。照明は外部コントローラによる調光も可能な場内全体照明、聴講者用ダウンライト、ステージ照明、スポットライト等を配置してあります。
(2) マルチメディア実験室
マルチメディア実験室は、地上系光ファイバと衛星系を複合させた高品質マルチメディア通信実験の研究のための施設です。新研究本館と衛星実験庁舎は超高速光ファイバで結合されており、本年８月に打ち上げ予定のCOMETS衛星実験など、今後の高度な衛星通信実験・高品位なディジタル衛星放送実験などで活用されます。
高精細度画像は３画面を横に連続させたアーチ状の３面マルチスクリーンに投影させます。人間の視野全体に動画像を与えることができ、高度の没入感が得られます。現在用意できているコンテンツとしては、太陽系全体や小惑星の３次元的運動の様子や、その中を飛行して行くことで立体感を仮想的につくり出すこと、この新研究本館自体の設計図から完成時の有様を立体的につくりだすこと、人工衛星の運動の様子の３次元表示などがあります。
この新研究本館が取り組む研究課題の例としては以下のものが挙げられます。
1. 高速光ファイバーネットワークと衛星通信の融合の研究
マルチメディア通信の 研究は主に地上ネットワークを想定した研究が行われてきましたが、最近、GIIなどのための国際的なネットワークの構築が要望されており、この中には衛星系を含むネットワークが含まれています。地上系と衛星系の通信網を融合した統合通信網においては、大容量マルチメディア・コンテンツを高速データを伝送するためのプロトコル等のための研究が緊急研究課題となっています。COMTESや次世代のギガビット衛星を利用して、こうした研究を進めて行きます。具体的には、新研究本館に整備した各種マルチメディア実験施設と、隣接する既存衛星通信施設を用いて地上ネットワークと衛星通信の融合についての実験研究を行っていきます。
2. バーチャルラボの研究
衛星系もしくは地上系により伝送されてきた高精細度画像や立体画像などの高速大容量データを、新研究本館において蓄積、処理することにより、臨場感のあるテレビ会議システムを実現するため実験研究を行います。
また、衛星の姿勢や軌道や月面軟着陸などの制御を計算機に詳細なデータを入力し、仮想現実的に実験・実証することも狙っています。
3. 地球観測データなどによるバーチャルリアリティの研究
観測衛星などにより得られたデータを新研究本館に整備したバーチャルリアリティシステムを用いて処理することによって、立体的で視覚的に理解しやすい画像を生成する研究を行います。これにより、専門的に狭い画像データの価値の研究的汎用性を高め、研究成果創出度を向上させることができます。具体的には、TRMM降雨データ、雲レーダ、各種リモセン画像データなどの研究を行います。
ご存じのとおり、２１世紀を目前にして、まさにグローバルな規模で情報通信革命が進展しております。政府は、このほど策定した「経済構造の変革と創造のための行動計画」の中において、特に情報通信分野について、わが国の情報通信技術を世界最高レベルへ高度化するための行動計画の重要性を述べています。この行動計画では国立試験研究試験機関におけるリスクの高い研究開発の強化が特に重要であることはいうまでもありません。
本年８月には２１世紀の高度衛星通信・高品位ディジタル衛星放送の展望を切り拓くＣＯＭＥＴＳ衛星が、また１０月には熱帯降雨観測衛星TRMMや、技術試験衛星ETS-VIIが宇宙開発事業団によって打ちあげられます。このような衛星の所定の研究・実験ミッションを成功裏に達成してゆくことを皮切りとして、この新研究本館の最新のマルチメディア施設と宇宙技術の両者を効果的に活用した先端的研究に、鹿島宇宙通信センターは特に力を注ぎます。
当研究センターは茨城県の鹿嶋という地元に３５年以上にわたり、お世話になってきました。今後もさらに一層、地域に根ざした活動を心がけながら、その地の利を十分にいかした、世界最先端の研究を推進・強化してゆきたいと思います。
また、近年、青少年の理工系離れが深刻な問題となってきています。本年８月に鹿島宇宙通信センターで高校生を対象とした泊まり込みのサイエンス・キャンプを、通信総合研究所として初めて取り組みます。このイベントを契機に、科学技術庁の担当の方々と、理工系離れをいかに若い人の夢のある方向へ向けていくかといった話をする機会を持っています。
国立研究所の大きな一つの仕事は、科学技術の研究について国民の各層に、２１世紀への大きな夢を与えることにあるでしょう。このほど完成した鹿島宇宙通信センター新研究本館は、その夢への新しい第１歩となることを願っています。
広瀬 信光
個人的趣味の話で書き出すのは些か気が引けるが、見ていて最も面白いスポーツはラグビーだと思う。素早い攻守の切り替わり、楕円球がもたらす適度な偶然性、戦術の多様性がその魅力である。力とスピード、さらには瞬時の判断力といった人間の能力を極限まで試すために考え出されたスポーツと言えよう。近年、日本でもラグビー人気が高まりつつあるそうだが、世界の強豪との力の差は歴然としている。その負けっぷりは、死に際の美学を追求する武士道を体現しているのであろうか。解説者諸氏の説を信じるならば、この力の差は基礎体力の差に起因しており、いかに技を磨こうとも、また戦術に工夫を凝らそうとも、ベースとなる体力・体格の差を克服することは如何ともしがたい。ラグビーを通信技術に置き換えると、基礎体力に相当するのはデバイス技術である。”マルチメディア”という単語が市民権を得てから久しいが、この概念も通信技術の範疇に属す限り、その限界はデバイス技術によって規定される。
今回、f
max
（最大発振周波数）が205GHzのHEMT（High Electron Mobility Transistor）を作製したので報告する。なお、本研究は松下電子工業との全面的な共同研究体制のもとに行われている。
HEMTとHBT（Hetero Bipolar Transistor）がその代表である。いずれも一長一短であるが、受信器のフロントエンド用デバイスとしてはHEMTに原理的に分があると考えている。現在市販されている家庭用衛星放送受信器の多くはHEMTを搭載し、民生機器レベルでも実用段階にあることから、熟成した技術と考えることもできよう。しかし、衛星放送の周波数は12GHzとミリ波に比べればかなり低い周波数であり、実用周波数を１桁向上させるには数々の技術的課題を克服していく必要がある。具体的には薄膜成長技術と極微細加工技術、電極形成技術、エッチング技術等である。これらの技術は密接に関係しており、それぞれを独立に検討してもあまり意味がないのだが、従来のHEMTを可能にせしめた技術を前提にすると、ミリ波帯HEMTの野望達成に必要なブレイクスルーは薄膜成長技術（移動度の向上）と極微細加工技術によるゲート長の短縮である。先程のラグビーモデルに当てはめると、まさに走力と肉体的パワーに相当する。
相互コンダクスタンス（gm）は最大で607mS/mmが得られており、十分な電圧利得が期待できる。ゲート長が短い割にはV
DS
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特性がきれいな飽和特性を示している。また、V
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=0VではIDがほとんど流れず、エンハンスメント特性に近い。スイッチング応用を考えるとエンハンスメント特性は好都合であるが、高周波応用ではゼロバイアス（V
G
=0V）の方が回路構成の面から分があり、回路設計からフィードバックをかけながら最適化を図る。自前のデバイス技術を持っていると、このようなわがままが通る。
［参考文献］
高橋 冨士信
建築面積： 2,056 平方ｍ
延床面積： 3,743 平方ｍ
構造規模： 鉄筋コンクリート造 地上２階建 外壁モザイクタイル張
