Tecnología de semiconductores para comunicaciones satelitales de banda ancha alcanza una eficiencia récord

Vera de 4 pulgadas de GaN sobre obleas de SiC de la tecnología GaN07 del Fraunhofer IAF. Las obleas se fabrican y prueban completamente en la línea de semiconductores interna de la institución, incluyendo diseño, epitaxia, procesamiento de obleas y caracterización. © Fraunhofer IAF / Oblea de 4 pulgadas de GaN sobre SiC procesada por la parte frontal de la tecnología GaN07 del Fraunhofer IAF. Las obleas se fabrican y prueban completamente en la línea de procesos III-V del Fraunhofer IAF, incluyendo el diseño y la fabricación de conjuntos de máscaras de procesamiento, epitaxia, procesamiento de obleas y caracterización. © Fraunhofer IAF

Investigadores del Fraunhofer IAF han desarrollado una tecnología de transistores de GaN con una longitud de puerta de 70 nm, que alcanza valores récord en eficiencia bajo condiciones típicas de satélites. Se espera que esta tecnología permita en el futuro antenas activas compactas para transferencias de datos de alta tasa en las bandas Ka, Q y W, contribuyendo así a la creación y expansión de redes de comunicación globales sin lagunas y resilientes mediante satélites de alto rendimiento. Estos y otros resultados de investigación en el campo de la electrónica de alta frecuencia serán presentados por el Fraunhofer IAF del 21 al 26 de septiembre de 2025 en la EuMW en Utrecht.

Las futuras redes de comunicación globales, que también cubrirán regiones remotas, deberán ser capaces de soportar fuentes de interferencias y de intervenir en casos de desastre, procesando de manera fiable altas tasas de datos. Una posibilidad prometedora para la realización de dichas redes son los satélites de alto rendimiento (HTS) en órbitas cercanas a la Tierra y/o en órbitas geoestacionarias (LEO/GEO), que utilizan las bandas de frecuencia de banda ancha Ka, Q y W y siguen esquemas de modulación estrictos. El hardware necesario para estos sistemas de comunicación, como las antenas activas para el control electrónico de la dirección de la radiación (electronic beam steering), depende de amplificadores de potencia altamente eficientes y lineales.

La compactación requerida de las antenas activas provoca problemas térmicos en los componentes existentes. Por ello, investigadores del Instituto Fraunhofer para la Física del Estado Sólido Aplicada (IAF) han desarrollado transistores amplificadores de potencia con alta movilidad de electrones (HEMT) basados en el semiconductor de banda ancha Galliumnitrido (GaN), que tienen una longitud de puerta de solo 70 nm. Los valores de eficiencia medidos muestran el gran potencial de esta tecnología innovadora para futuras aplicaciones en comunicación satelital.

Componentes para comunicación satelital de banda ancha

«Los HEMT de amplificadores de potencia de GaN desarrollados en el Fraunhofer IAF permiten, gracias a su alta linealidad y eficiencia, sistemas de comunicación más compactos y con menor consumo energético para satélites. Con nuestra tecnología innovadora, contribuimos de manera importante a la creación y expansión de redes de comunicación globales sin lagunas y resilientes», explica el Dr. Philipp Döring, científico del departamento de Tecnología del Fraunhofer IAF y autor principal del artículo en el que se presentan los HEMT de GaN de 70 nm.

El artículo «High efficiency and high linearity 70 nm GaN technology for future SatCom applications» será presentado por el Dr. Döring el 23 de septiembre de 14:10 a 14:30 horas en la European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC) en Utrecht, Países Bajos. La EuMIC forma parte de la European Microwave Week (EuMW).

Transistor de GaN de 70 nm con eficiencia récord

Los HEMT de GaN fueron desarrollados, fabricados y caracterizados en la línea de semiconductores interna de los departamentos de Epitaxia, Tecnología y Microelectrónica del Fraunhofer IAF. El sistema de semiconductores GaN/AlGaN (nitruro de galio y aluminio) fue crecido mediante deposición de gases de fase metálica orgánica (MOCVD) sobre sustratos aislantes de carburo de silicio (SiC) de 4 pulgadas. La fabricación incluyó, entre otros procesos, litografía por haz de electrones.

Las mediciones de prueba se realizaron tanto en transistores individuales como directamente en la oblea. En mediciones de señales pequeñas, con VDS = 7/15 V, se detectó una frecuencia de corte de fT = 122/95 GHz y una frecuencia máxima de fMAX = > 350 GHz. Las mediciones con alta tensión arrojaron una eficiencia máxima del 58,6 % y una potencia de salida máxima de 2,46 W/mm a 38 GHz.

Para determinar la linealidad de la señal, los investigadores realizaron pruebas mediante el método Two-Tone-Load-Pull, evaluando los valores que alcanza el HEMT de GaN de 70 nm bajo los requisitos establecidos actualmente por la Agencia Espacial Europea (ESA) para la comunicación satelital. Bajo la condición de IMD3 ≥ 30 dBC, la tecnología alcanzó una eficiencia de PAE = 54,4 % y una potencia de salida de 1,01 W/mm a 30 GHz. Este es el valor de eficiencia más alto medido hasta ahora para una tecnología de GaN a 30 GHz.

Desarrollo tecnológico en el contexto de los proyectos Magellan y GANYDEM170

Los resultados se obtuvieron en el marco del trabajo en los proyectos Magellan y GANYDEM170. Magellan cuenta con financiación de la ESA y tiene como objetivo desarrollar amplificadores de alta eficiencia en banda milimétrica de GaN para aplicaciones en antenas GEO y LEO. GANYDEM170, financiado como IPCEI (Proyecto Importante de Interés Común Europeo) por el Ministerio Federal de Economía y Energía (BMWE), permite la realización de una tecnología industrial de GaN en banda milimétrica para aplicaciones de medición.

Fraunhofer IAF en la EuMW 2025

En la EuMW 2025, que tendrá lugar del 21 al 26 de septiembre en Utrecht, Países Bajos, el Fraunhofer IAF presentará, además de los resultados del Dr. Philipp Döring, otros avances en el campo de la electrónica de alta frecuencia basada en GaN. Por un lado, la institución exhibirá una amplia gama de componentes, circuitos y módulos en el stand B071. Por otro lado, Patrick Umbach, Thomas Zieciak, Moïse Safari Mugisho y el Dr. Philipp Neininger ofrecerán presentaciones en la EuMIC. Además, la directora del instituto, la Dra. Patricie Merkert, participará en el panel de fundiciones de la EuMIC, donde abordará temas como la integración monolítica y heterogénea, así como los chiplets.