高音質オーディオ機器にも応用できる 低電力A/D・D/A変換器 窒化

高音質オーディオ機器にも応用できる
低電力A/D・D/A変換器
窒化アルミニウムによる
高効率フィールドエミッション
音声通信およびオンデマンドサービスに必須の機能として音声・音
窒化アルミニウム（AlN*1）半導体は、負の電子親和力というユニー
楽の録音・再生機能があります。現在、音声・音楽信号はすべてディジ
クな物性を持っているため、電子が真空中へ放出されるフィールドエ
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タルデータとして通信・蓄積されており、録音・再生機能はA/D* ・
ミッション（電子放出）が非常に低いエネルギーで起こることが理論的
D/A*2変換器により実現されています。近年需要の多い携帯機器では、
に予想されていました。しかし、
これまでAlNの結晶品質が十分でなく、
このA/D・D/A変換器を信号処理LSIへオンチップすることが、小型
またAlN中にフィールドエミッションに必要な電子の供給源がないた
化・軽量化・低価格化の観点から強く望まれています。研究所では、高
に比べて十分な
め、広く研究されているダイヤモンドやシリコン（Si*2）
級オーディオ並みの高音質特性を有しながら、超低電力特性を実現で
特性は得られていませんでした。フィールドエミッションが実現すると、
きる携帯機器用LSIへのオンチップに適したA/D・D/A変換器を開発
テレビ画面の高速応答性、色彩の美しさを保ちつつ、薄型、省電力とい
しました。
う特徴を持つ、フィールドエミッションディスプレイと呼ばれる次世代
D/A変換方式には、研究所が独自に開発した4次Swing-suppres-
ディスプレイを実現することができます。
sion方式を用いており、128倍のオーバーサンプリング率で論理SN
研究所ではまず、AlN結晶と完全格子整合するシリコンカーバイド
比140dBを実現しました。電源電圧3V・消費電力数10mW程度で
（SiC*3）を基板として選び、さらにMOVPE*4（有機金属気相エピタキ
高級CDプレーヤ級の音質（SN比100dB以上）から、電源電圧1V・消
シー）法により1100℃の高温成長を行うことで最高品質のAlN結晶
費電力数1mW程度で携帯オーディオ機器の音質（SN比90dB程度）
を得ることができました。次に、
ドーピングするSi濃度を増加させると、
まで幅広い性能要求を従来の10分の1程度の電力で実現できます。
フィールドエミッションに必要な電界強度が急激に減少することを見い
さらに、出力回路には音声信号をパルスで表現することでスピーカー
だしました。それらの結果として、フィールドエミッション電流密度は、
を駆動する差動パルス幅変調D級増幅器を搭載可能で、この増幅器は
ダイヤモンドの約2倍の66mA/cm2に達しました。また、ディスプレイ
電源電圧1Vでも動作することができます。これにより増幅器などの外
の基礎実験を行い、赤、緑、青の発光を観察することができました。そ
付けIC*3なしにヘッドホン・イヤホンを駆動でき、携帯機器用LSIの音
の輝度は1200cd/m2で、実用レベルにあることを確認しています。
声・音楽用オンチップインタフェースとして小型化・軽量化に大きく貢
献しました。また、A/D変換器についてはRC積分2次Swing-sup-
フィールドエミッションは、ディスプレイのほかにも電子線源や微小
真空管などのさまざまな応用が期待されています。
pression回路を開発し、従来技術では実現困難であった電源電圧1V
（物性科学基礎研究所）
で携帯オーディオ機器の音質と3mW程度の低電力特性を実現すると
ともに、次世代の0.1μm級超微細CMOS*4プロセスによる通信用論
理LSIへのオンチップ化も可能としました。
今後は、技術普及と実用化のため、グループ会社において回路ブ
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AIN: Aluminum Nitride
Si: Silicon
SiC: Silicon Carbide
MOVPE: Metalorganic Vapor-Phase Epitaxy
ロックを設計図またはレイアウトの状態で製品化していくIP*5化を行っ
ていきます。
（通信エネルギー研究所）
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A/D: Analog to Digital
D/A: Digital to Analog
IC: Integrated Circuit
CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor
IP: Intellectual Property
●窒化アルミニウムのフィールドエミッションディスプレイと発光
●A/D・D/A変換器の性能比較
補聴器型音声ガイダンスシステム
生体情報モニター
蛍光体
応用例
＋
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変換精度（規格化値）
NTT技術
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110
36
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AIN
AIN
AIN
A/D
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A/D
D/A
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0
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D/A
AIN
AIN
AIN
外部機関
国際会議発表論文
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動作電圧（Ｖ）
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ゲート電極