GaAsと100個のフィルターが、5Gスマホを動かしていた

RFフロントエンドとは何か

スマートフォンは電波を使って基地局と通信します。その電波を実際に送受信・処理するのがRFフロントエンドと呼ばれる回路ブロックです。アンテナとベースバンドチップ（通信を制御する中核チップ）の間に挟まり、電波の増幅・選別・切替を担います。

RFフロントエンドを構成する主要部品は4種類あります。

これらは単体部品としてではなく、**フロントエンドモジュール（FEM）**として一体化して搭載されることが多いです。なぜなら、スマートフォンの基板スペースが限られる中で、PAとフィルターを同じパッケージに収めることで小型化と高性能化を両立できるからです。

なぜGaAsはシリコンより電波処理が得意なのか

高周波の電波を効率よく増幅するには、半導体の中で電子が速く動ける材料が必要です。この特性を表すのが**電子移動度**（単位：cm²/V·s）で、値が大きいほど高周波でも効率よく電流を制御できます。

GaAsはシリコンの約6倍の電子移動度を持ちます。この差が高周波帯での増幅効率に直結し、スマートフォンのPAやLNAに使われ続ける理由となっています。さらにGaAsはシリコンよりバンドギャップが広く（1.42 eV対1.12 eV）、高電圧での絶縁性が高いため、少ない電流で大きな電力を増幅できます。

一方でGaAsには欠点もあります。シリコンより材料コストが高く、大口径ウェハーの量産が難しいです。現在もGaAsウェハーは6インチ（150mm）が主流で、シリコンの300mmとは大きく差があります。そのためベースバンドチップのような汎用ロジックはシリコンで作り、電波を扱うPAとLNAだけGaAsを使うという役割分担が固定しています。

GaAsのPAおよびLNAを製造するのは、TSMCなどの大手ファウンドリではなく、台湾のWIN SemiconductorsなどGaAs専業ファウンドリです。Skyworks・Qorvoなど大手RF企業は自社でもGaAs工場を持つ一方、外部ファウンドリへの委託も組み合わせています。

SAWとBAWはどう違うのか

フィルターは「電波のふるい」です。目的の周波数バンドだけを通し、隣接するバンドからの干渉波をブロックする役割を担います。スマートフォンには主に2種類のフィルター技術が使われています。

SAW（Surface Acoustic Wave＝表面弾性波）フィルターは、ニオブ酸リチウムなどの圧電体（電圧をかけると振動する材料）の表面を音波が伝わる際の共振現象を利用します。製造コストが低く、2.5GHz以下の周波数帯に適します。4G LTE時代の主力フィルター技術であり、現在も多くのバンドで使われています。

BAW（Bulk Acoustic Wave＝体積弾性波）フィルターは、圧電体の「体積」全体で振動させる方式です。SAWよりQ値（周波数選択性）が高く、温度変化に強いです。そのため3〜6GHzの5G主力バンドに対応でき、5G化とともに急速に需要が拡大しています。ただしコストはSAWより高いです。

日本の5G主力バンドであるn77（3.6〜4.1GHz）やn78（3.3〜3.8GHz）はBAWの守備範囲です。5G普及がBAW需要を押し上げ、SAWとBAWの市場構成比が変化しつつあります。

5Gでなぜフィルター数が急増したのか

4G LTE対応スマートフォンには通常50〜60個のRFフィルターが搭載されていました。5G対応になると、この数は**100〜130個以上**に急増します。

急増の主な理由は3つあります。

① 対応バンド数の増加：5Gの対応バンド数は4Gの2倍以上（80バンド超）に達します。各バンドに専用フィルターが必要なため、搭載数が線形に増加します。

② キャリアアグリゲーション（CA）とMIMO：5Gは複数のバンドを束ねて使う「CA」と、複数のアンテナを同時に使う「MIMO」を組み合わせます。1つの通信接続に対して複数のフィルターセットが必要になる構造です。

③ mmWave（ミリ波）の追加：24〜52GHz帯のミリ波対応機種では、さらに専用の高周波フィルターモジュールが加わります。日本国内向けスマートフォンはSub-6GHz中心ですが、今後のmmWave展開でフィルター数はさらに増える見込みです。

このフィルター急増が、スマートフォン1台あたりのRF半導体コンテンツ価値を大きく押し上げます。4G時代に約3ドルだったRFコンテンツ単価は、5Gで**約7〜10ドル**へと上昇しており、5G普及がRF市場の構造的な成長ドライバーとなっています。

誰がRFフロントエンドを作っているのか

RFフロントエンド市場はグローバルで約200億ドル規模（2024年推計）です。わずか5社が約90%のシェアを握る寡占市場です。

村田製作所はSAW/BAWフィルターで世界首位のシェアを持ち、日本の電子部品産業を代表する存在です。同社のフィルターは世界のスマートフォンメーカーの大多数に採用されています。「村田製作所の詳細は企業分析記事」を参照してください。

Skyworks・Qorvoはともに米国のファブレス寄りのRF専業企業（実際には自社工場も一部保有）で、GaAs PAとBAWフィルターの両方を手掛けます。Appleのサプライヤーとしても重要な地位を占めます。

GaAs PAの製造はほぼすべて、台湾のWIN Semiconductors（ウィンセミコン）などGaAs専業ファウンドリが担います。TSMCはGaAs製造を行っておらず、GaAs加工には専用の製造プロセスが必要なため、この分業構造は今後も続く見通しです。

一方で、QualcommのSnapdragonなどのベースバンドチップと組み合わせて、PAやフィルターを1つのパッケージに統合し部品点数を削減する動きも進んでいます。5G時代のスマートフォンは高集積化と多バンド対応という2つの要求を同時に満たすことが求められており、RFフロントエンドの設計は一段と複雑化しています。

関連する「アナログ半導体の基礎はこちら」で解説しています。

この記事のまとめ

• 5Gスマートフォン1台には100個を超えるRFフィルターが搭載されます。対応バンド増加・CA・MIMOが急増の主因。
• GaAsはシリコンの約6倍の電子移動度（約8,500対約1,400 cm²/V·s）を持ち、PA・LNAに不可欠な材料です。
• SAWは低コストで3GHz以下に強く、BAWは高Q値で5G主力バンド（n77・n78など）を担います。5G化でBAW需要が急拡大。
• 市場はSkyworks・Qorvo・Broadcom・村田・TDKの5社が約90%を寡占。村田がフィルターで世界首位。
• スマホ1台あたりのRFコンテンツ単価は4G時代の約3ドルから5G時代に約7〜10ドルへ上昇し、5G普及が市場成長を牽引します。