三菱電機は11月9日、窒化ガリウム（GaN）基板上にGaN結晶層を形成した高周波トランジスタで、周波数によって電流応答が変化する「周波数分散」を大幅に抑制できることを実証したと発表した。従来主流だった炭化ケイ素（SiC）基板上のGaNトランジスタでは、結晶欠陥に起因する周波数分散が問題となり、デジタル回路による補正が必要だった。同社は今回、結晶欠陥の影響の解明、周波数分散の大幅な抑制、GaN基板の高周波デバイスとしての有用性の実証という3つの成果を世界初と位置付けている。ただし、この主張は同社が156件の論文を調査した結果に基づくものであり、公開資料には抑制効果を示す具体的な数値がほとんどない。先行研究からはGaN基板による結晶品質の改善が確認できるものの、今回の成果がどの程度の進歩に当たるかは、今後の詳細なデータ公開を待つ必要がある。
「大幅な抑制」の具体的な数値は未公表、「世界初」の根拠は156件の論文調査
三菱電機が今回開発したのは、GaN基板上にGaNのエピタキシャル層（単結晶基板の上に成長させた単結晶層）を形成した高周波トランジスタだ。従来のSiC基板では、基板とエピタキシャル層の材料が異なるため、結晶成長時に欠陥が生じることを避けられなかった。この欠陥が高周波動作時に電子の動きを妨げ、動作周波数に応じて電流が変化する周波数分散を引き起こす。三菱電機によると、従来はこの影響を補うために複雑なデジタル補正回路が必要であり、システムの大型化や電力損失の増大が課題となっていた。
今回の研究では、結晶欠陥に対する材料の電気的な応答（欠陥応答）を組み込んだ新たな回路解析手法を開発し、欠陥が周波数分散に及ぼす影響をデバイスの特性評価から解明したという。その結果、GaN基板を用いたトランジスタでは周波数分散が大幅に抑えられ、周波数に対して平坦な特性が得られることを確認した。同社は、これによってデジタル補正回路を簡素化できるとしている。研究成果は、11月8〜13日に熊本城ホールで開催される国際会議「IWN2026（International Workshop on Nitride Semiconductors 2026）」で発表する予定だ。研究は2024年から参画している環境省の委託事業の一環として進められたもので、2030年頃の社会実装を目指している。
ただし、今回の発表には定量的なデータが不足している。プレスリリースと3ページのPDF資料には、周波数分散が従来比でどれだけ減少したのかを示す明確な数値が掲載されていない。確認できるのは、「大幅な抑制」や「フラットな周波数特性」といった説明と、SiC基板上およびGaN基板上のトランジスタを比較したグラフだ。グラフは縦軸にアドミタンスy21の実部、横軸に周期（1ナノ秒〜0.1秒）を取り、青色で示されたSiC基板品の値は約1.00から約1.06まで上昇する一方、赤色のGaN基板品は約1.00〜1.02の範囲に収まっている。ただし、これらはグラフから目視で読み取った概算値であり、詳しい測定条件や素子寸法は明らかにされていない。
また、三菱電機は今回の成果について、①結晶欠陥が周波数分散に及ぼす影響の解明、②周波数分散の大幅な抑制の実証、③日本企業が強みを持つGaN基板の高周波デバイスとしての有用性の提示、という3点を世界初としている。ただし、その根拠は2026年10月26日時点でGoogle Scholarを使って実施した文献調査だ。「GaN substrate」「GaN wafer」「GaN on GaN HEMT」という3つのキーワードで検索し、該当した156件の論文を確認した結果だと説明している。この調査結果だけでは、検索対象に含まれなかった先行研究の有無までは判断できない。したがって、「世界初」という主張を評価する際には、その対象と調査範囲を区別して考える必要がある。
先行研究でも確認されていたGaN基板の優位性
GaN基板を用いることで結晶欠陥が減り、デバイス特性が改善するという考え方自体は、今回初めて示されたものではない。富士通の研究チームは2022年2月1日付の『Compound Semiconductor』誌への寄稿で、GaN基板上に形成した高周波トランジスタ（GaN-on-GaN HEMT）の開発成果を報告している。その中で、SiC基板上のGaNエピタキシャル層では転位密度が2×10⁸/cm²だったのに対し、GaN基板上では10⁶/cm²未満だったと説明した。つまり、GaN基板を使うことで転位密度が200分の1未満に低減されたことになる。GaN基板側は上限値しか示されていないため、実際の改善幅はさらに大きい可能性がある。
富士通の報告では、この結晶品質の違いが電気特性にも反映されていた。GaN基板上のトランジスタは、SiC基板上のものに比べて「電流コラプス」が小さかったという。電流コラプスとは、結晶中の欠陥などに存在する電子の捕獲準位（トラップ）によって電流が一時的に低下する現象で、一般にパルス電流電圧特性などを使って評価される。三菱電機が今回扱った周波数分散とは測定方法や評価指標が異なるものの、どちらも欠陥に捕獲された電子がデバイスの電流応答に影響する現象であり、物理的に関連している。
もっとも、結晶欠陥が減れば直ちに高周波出力が向上するわけではない。富士通の研究でも、開発当初はGaN-on-GaNの高周波出力が従来のGaN-on-SiCを上回らなかった。調査の結果、GaN基板とエピタキシャル層の界面にシリコン汚染による導電層が形成されていたことが原因と判明した。そこで、薬液による基板表面の処理を導入し、シリコン濃度を鉄の濃度より低く抑えることで特性を改善した。さらに、界面の改良や貫通ビアの形成などを施した増幅器では、2.6GHzにおいて最大出力64.3W、ピーク電力付加効率71.1%（パルス動作時）を達成している。
なお、富士通も環境省の支援を受け、マイクロ波加熱向け増幅器の開発から研究を進めていた。ただし、三菱電機が今回成果を発表した委託事業と同一の事業なのかは、公開情報から確認できない。
両社の成果を比較すると、三菱電機が世界初とする技術のうち、どこまでが先行研究で確認されていたのかが明確になる。GaN基板によって結晶欠陥が減少し、それに伴ってデバイスの電気特性が改善することは、富士通が2022年に転位密度と電流コラプスの測定結果を使って報告していた。一方、欠陥の影響を新たな回路解析手法によって周波数分散と結び付けた点や、その分散をどの程度抑制できたかについては、富士通の報告に直接対応する評価項目がない。したがって、今回の技術的な新規性や改善幅を先行研究との比較だけで判断することはできない。
真価を判断するには定量データが必要、GaN基板の供給にも課題
ここで注意すべきなのは、電流コラプスと周波数分散が異なる指標だという点だ。富士通が示したのはパルス測定における電流の低下であり、三菱電機が示したのは周波数に対するデバイス特性の変化を小さくする効果である。両者が関連する現象であっても、一方の改善を実証したことが、もう一方の成果の新規性を否定するわけではない。三菱電機が周波数分散の大幅な抑制を世界初とする主張には、こうした測定対象の違いが関係している可能性がある。ただし、その新規性や実用的な価値を判断するには、やはり具体的な測定結果が必要だ。
公開された比較グラフを目視で読み取る限り、SiC基板品では測定値が約0.06上昇するのに対し、GaN基板品の変動は約0.02以内に収まっている。しかし、この差が実際にデジタル補正回路を省略できるほどの改善なのか、それとも補正量を減らせる程度なのかは、測定条件や回路設計上の要求性能が不明なため判断できない。現段階で言えるのは、公開された比較図がGaN基板による周波数分散の低減を示唆しているということまでだ。
この評価を大きく変える可能性があるのが、IWN2026での研究発表である。SiC基板品との比較について、動作周波数や測定条件をそろえた定量データが示され、補正回路を簡素化できる根拠まで明らかになれば、今回の成果をより具体的に評価できる。その場合、新たな回路解析手法だけでなく、GaN基板そのものが高周波回路の設計にどれほど貢献するのかが重要な論点となる。逆に、具体的な数値が公開されなければ、「大幅な抑制」の実用的な意味は不明なままだ。
また、GaN基板の実用化に向けては、周波数分散の抑制以外にも解決すべき課題がある。その一つが放熱性能だ。三菱電機はSiCについて熱伝導率が高く、発熱対策に優れた基板と説明しており、富士通の寄稿でもGaNの熱伝導率はSiCより低いと指摘されている。富士通はシミュレーションによって、連続波動作とパルス動作ではチャネル温度に最大100℃の差が生じると見積もっている。ただし、実際に連続波動作を実現できたことから、開発したデバイスの放熱性能は十分だと判断している。
もう一つの課題は、GaN基板の安定供給と大口径化である。9月24日付の日刊工業新聞によると、三菱ケミカルは日本製鋼所の室蘭製作所内に設けたパイロットラインでGaN基板の量産を検討しており、4インチ品の顧客評価を進めている。さらに、2027年3月期中にも6インチ品のサンプル出荷を開始する計画で、8インチ品の開発にも取り組んでいる。ただし、同報道が対象としているのはパワー半導体向け基板であり、三菱電機が今回開発した高周波トランジスタに採用されるという情報はない。三菱電機自身も2030年頃の社会実装を目標としているものの、GaN基板の調達先や量産体制については明らかにしていない。
今回の研究は、GaN基板の結晶品質の高さを、周波数分散の抑制という高周波回路にとって重要な特性の改善につなげた点に意義がある。ただし、それが実際にどれほどの回路簡素化や消費電力削減につながるのかは、まだ十分に説明されていない。IWN2026で測定条件を含む定量的な結果が公開されれば、三菱電機の主張する技術的な優位性と実用化の可能性を、より客観的に判断できるようになる。