Technologie polovodičů pro širokopásmovou satelitní komunikaci dosahuje rekordní účinnosti

4palcový GaN na SiC wafer technologie GaN07 Fraunhofer IAF. Wafery jsou plně vyráběny a testovány v domácí polovodičové lince – včetně návrhu, epitaxe, zpracování waferů a charakterizace. © Fraunhofer IAF / Frontside zpracovaný 4palcový GaN na SiC wafer technologie GaN07 Fraunhofer IAF. Wafery jsou kompletně vyrobeny a testovány v III-V výrobní lince Fraunhofer IAF, včetně návrhu a výroby maskovacích sad, epitaxe, zpracování waferů a charakterizace. © Fraunhofer IAF

Výzkumníci z Fraunhofer IAF vyvinuli GaN tranzistorovou technologii s 70 nm bránkovou vzdáleností, která dosahuje rekordních hodnot účinnosti za satelitních podmínek. Tato technologie má v budoucnu umožnit kompaktní aktivní antény pro vysokorychlostní datové přenosy v pásmech Ka, Q a W a tím přispět k výstavbě bezesporných a odolných globálních komunikačních sítí prostřednictvím vysokorychlostních satelitů. Tyto a další výsledky výzkumu v oblasti vysokofrekvenční elektroniky představí Fraunhofer IAF od 21. do 26. září 2025 na EuMW v Utrechtu.

Budoucí globální komunikační sítě, které pokryjí i odlehlé oblasti, odolají rušivým zdrojům a v případě katastrof zasáhnou, musí být schopny spolehlivě zpracovávat vysoké datové rychlosti. Jednou z nadějných možností realizace takových sítí jsou vysokorychlostní satelity (HTS) na nízké oběžné dráze (LEO) nebo geostacionární dráze (GEO), které využívají širokopásmová pásma Ka, Q a W a dodržují přísné modulace. Hardware potřebný pro tyto komunikační systémy, aktivní antény pro elektronické řízení paprsku (electronic beam steering), je závislý na vysoce účinných zesilovačích s vysokou linearitou.

Požadovaná kompaktnost aktivních antén u dosavadních komponent vedla k tepelným problémům. Výzkumníci z Fraunhoferova institutu pro aplikovanou pevnolátkovou fyziku IAF proto vyvinuli zesilovačové tranzistory s vysokou pohyblivostí elektronů (HEMT) na bázi širokopásmového polovodiče Gallium nitrid (GaN), které mají bránkovou vzdálenost pouhých 70 nm. Naměřené hodnoty účinnosti ukazují velký potenciál této nové technologie pro budoucí aplikace v satelitní komunikaci.

Komponenty pro širokopásmovou satelitní komunikaci

„GaN-HEMT zesilovače vyvinuté v Fraunhofer IAF umožňují díky své vysoké linearitě a účinnosti kompaktnější a energeticky úspornější komunikační systémy pro satelity. S naší inovativní technologií přispíváme k výstavbě bezesporných a odolných globálních komunikačních sítí,“ vysvětluje Dr. Philipp Döring, vědec z oddělení technologie Fraunhofer IAF a hlavní autor článku, ve kterém jsou představeny 70nm GaN-HEMT.

Článek „High efficiency and high linearity 70 nm GaN technology for future SatCom applications“ představí Dr. Döring 23. září od 14:10 do 14:30 hodin na European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC) v Utrechtu, Nizozemsko. EuMIC je součástí European Microwave Week (EuMW).

70nm GaN tranzistor s rekordní účinností

GaN-HEMT byly vyvinuty, vyrobeny a charakterizovány v interní výrobní linii polovodičů v odděleních epitaxe, technologie a mikroelektroniky v rámci Fraunhofer IAF. Polovodičový systém GaN/AlGaN (gallium nitrid / hliníkový nitrid) byl růstmetodou metal-organické plynné depozice (MOCVD) na izolujících 4palcových substrátech z karbidu křemíku (SiC). Procesování zahrnovalo mimo jiné elektronovou litografii.

Testovací měření provedli výzkumníci jak na jednotlivých tranzistorech, tak přímo na waferu. Při malosignálových měřeních při VDS = 7/15 V byla zjištěna mezní frekvence fT = 122/95 GHz a maximální frekvence fMAX > 350 GHz. Měření s vysokým napětím ukázala maximální účinnost 58,6 % a maximální výstupní výkon 2,46 W/mm při 38 GHz.

Pro stanovení linearity signálu testovali výzkumníci pomocí metody Two-Tone-Load-Pull, jaké hodnoty dosahuje GaN-HEMT s 70nm při požadavcích, které aktuálně stanovuje Evropská kosmická agentura (ESA) pro satelitní komunikaci. Za podmínky IMD3 ≥ 30 dBC dosáhla technologie při 30 GHz účinnosti PAE = 54,4 % a výstupního výkonu 1,01 W/mm. Jedná se o dosud nejvyšší naměřenou účinnost GaN technologie při 30 GHz.

Vývoj technologie v rámci projektů Magellan a GANYDEM170

Výsledky vznikly v rámci projektové práce na projektech Magellan a GANYDEM170. Magellan je financován ESA a zaměřuje se na vývoj vysoce účinných milimetrových GaN vysokovýkonných zesilovačů pro GEO a LEO aktivní antény. GANYDEM170 je podporován jako IPCEI (Důležitý projekt společného evropského zájmu) Ministerstvem hospodářství a energetiky Německa (BMWi) a umožňuje realizaci průmyslově vhodné milimetrové GaN technologie pro měřicí aplikace.

Fraunhofer IAF na EuMW 2025

Na EuMW 2025, která se koná od 21. do 26. září v Utrechtu, Nizozemsko, představí Fraunhofer IAF kromě výsledků Dr. Philippa Döringa i další výzkumné výsledky z oblasti vysokofrekvenční elektroniky na bázi GaN. Kromě toho institut vystaví širokou škálu komponentů, obvodů a modulů na veletrhu na stánku B071. Navíc přispějí prezentacemi na EuMIC Patrick Umbach, Thomas Zieciak, Moïse Safari Mugisho a Dr. Philipp Neininger. Ředitelka institutu Dr. Patricie Merkert se zúčastní panelu EuMIC Foundry Panel, kde bude hovořit o monolitické a heterogenní integraci a o chipletech.