Projekt Kassiopeia: III/V-Leistungshalbleiter GaN-MMIC: Wirkungsgrad deutlich über 50 Prozent

Redakteur: Gerd Kucera

Das Projekt Kassiopeia soll eine unabhängige europäische Wertschöpfungskette für Wide-Bandgap-Halbleiter demonstrieren. Im Fokus stehen monolithisch integrierte Mikrowellenschaltungen (MMIC) auf Galliumnitrid-Basis mit hohem Wirkungsgrad.

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Die REM-Aufnahme zeigt einen Ausschnit eines rauscharmen Verstärkers in einem GaN-MMIC (links vier Spulen, rechts ein Transistor).
Die REM-Aufnahme zeigt einen Ausschnit eines rauscharmen Verstärkers in einem GaN-MMIC (links vier Spulen, rechts ein Transistor).
(Bild: FBH)

Im Kassiopeia-Projekt geht es um die Demonstration einer vollständig unabhängigen, europäischen Wertschöpfungskette mit verfügbarer Widebandgap-Technologie. Doch Kern der nun gestarteten Forschungsarbeit ist die Entwicklung besonders effizienter GaN-MMICs (monolithisch integrierte Mikrowellenschaltungen) für das Ka-Band. Zu ihren Anwendungen gehören insbesondere Beam-Steering-Antennen für Satellitenkommunikation und Radaranwendungen.

Das kurzwellige Kₐ-Band ist ein Teil des Mikrowellenteils im elektromagnetischen Spektrum mit Frequenzen von 26,5 bis 40 GHz (a steht für above, dem oberen Teil des K-Bandes). Bereits genutzt wird das Frequenzband zur technischen Kommunikation, etwa beim Satelliten-Internet, zur Flugfeldüberwachung oder Verkehrsüberwachung. Die Wellenlängen in diesem Band liegen zwischen etwa 7,5 mm bis 11,5 mm; ein interessantes Arbeitsfeld für die III/V-Verbindungshalbleiter GaN (Galliumnitrid) und SiC (Siliziumkarbid).

Eine unabhängige europäische Wertschöpfungskette

Aufgrund einer Ausschreibung der Europäischen Weltraumorganisation ESA leitet das Berliner Ferdinand-Braun-Institut Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) nun dieses Konsortialprojekt zur Entwicklung besonders effizienter GaN-MMICs mit einem Wirkungsgrad von deutlich über 50 Prozent. Es soll damit auch eine vollständig unabhängige europäische Wertschöpfungskette demonstriert werden, angefangen von Siliziumkarbid-Substraten und Galliumnitrid-Epitaxie über Prozessierung von GaN-Bauelementen bis hin zu Millimeter-Wellen-Leistungsverstärkern. Zu diesem Zweck entwickeln und demonstrieren die Partner ihre Ka-Band-MMICs, die neuartige Epitaxie-, Prozessierungs- und Schaltungskonzepte für hocheffiziente GaN- und Aluminiumnitrid-Bauelemente (AlN) nutzen. Das FBH bringt hierzu seine industrietaugliche Ka-Band-MMIC-Technologie auf 100-mm-GaN-auf-SiC-Wafern ein.

Diese Technik reduziert die dynamischen Verluste

Dr. Joachim Würfl, Leiter der Abteilung Leistungselektronik und des GaN Microwave Devices Labs am FBH erklärt hierzu: „Alleinstellungsmerkmal unserer GaN-MMIC-Technologie ist das hochreproduzierbare und zuverlässige Iridium-Sputter-Gate-Verfahren. Diese Technik reduziert die dynamischen Verluste, das so genannte Gate-Lagging, auf Werte, die bis zu zwei Mal geringer sind als die der konkurrierenden institutionellen und industriellen Technologien.“ Auch die Zuverlässigkeit der Bauelemente ließe sich damit deutlich verbessern. Zusammen mit neuen prozesstechnischen Ansätzen und Schaltungskonzepten, mit denen die parasitären Verluste reduziert werden sollen, entstehen hocheffiziente Ka-Band-MMICs. Auch mit mehr Leistung und Zuverlässigkeit soll die zukunftsweisende Technologie punkten, die für weltraumtaugliche Bauelemente besonders wichtig sind.

Epitaxieschicht-Design und Optimierung

SweGaN A.B. (Universität Linköping in Schweden) beteiligt sich mit QuanFINE, seiner pufferfreien Epitaxielösung für GaN-auf-SiC-Epiwafer, und bringt sein Know-How bei Epitaxieschicht-Design und Optimierung in das Projekt ein. Zudem stellt das Unternehmen selbstentwickelte halbisolierende SiC-Substrate für Untersuchungen zur Verfügung – die Aktivitäten in diesem Zusammenhang werden von der Schwedischen Nationalen Raumfahrtbehörde (Rymdstyrelsen) gefördert.

SweGaN ist Anbieter von epitaktischen GaN-Wafern für Mikro und Millimeter-Wellentransistoren mit einem besonders niedrigen thermischen Übergangswiderstand und begrenzten Trapping-Effekten, die auf dem proprietären pufferfreien Ansatz basieren. Der Epiwafer-Spezialist liefert Epitaxie-Material an Hersteller von Komponenten und Geräten der Satellitenkommunikation, Telekommunikation sowie Leistungselektronik-Hersteller für Elektrofahrzeuge, Solar-Wechselrichter und anderes mehr.

Zum ESA-geförderten Projekt erklärt Jr-Tai Chen, CTO von SweGaN: „Da konventionelle GaN-auf-SiC-Materialien für Ka-Band-Anwendungen noch nicht ausgereift sind, gibt es noch viel Platz für Innovationen und Verbesserungen. SweGaN wird sein Epitaxie-Verfahren nutzen, um diese Herausforderung zu meistern.“

Im Projekt Kassiopeia konzentriert sich die Forschung der Universität Bristol auf direkte thermische Messungen an aktiven GaN-Transistoren. Dazu nutzt die Hochschule Mikro-Raman-Thermografie sowie fortgeschrittene Bauelement-Charakterisierungen und -Modellierungen. Dies ermögliche kontinuierliche Rückkopplungen zu allen in Kassiopeia geplanten Bauelemente- und Epitaxie-Entwicklungen.

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