Szilárdtesttechnológia szélessávú műholdas kommunikációhoz rekordhatékonyságot ér el

4 hüvelykes GaN-on-SiC szilárdtest a Fraunhofer IAF GaN07 technológiájából. A szilárdtesteket teljes egészében saját félvezető gyártósorán készítik és tesztelik – beleértve a tervezést, epitaxist, szilárdtest-feldolgozást és jellemzést. © Fraunhofer IAF / Elülső oldal feldolgozott 4 hüvelykes GaN-on-SiC szilárdtest a Fraunhofer IAF GaN07 technológiájából. A szilárdtesteket teljes egészében a Fraunhofer IAF III-V gyártósorán készítik és tesztelik, beleértve a feldolgozómaszk-készletek tervezését és gyártását, epitaxist, szilárdtest-feldolgozást és jellemzést. © Fraunhofer IAF

Feltalálók a Fraunhofer IAF-nál kifejlesztettek egy GaN-tranzisztor-technológiát 70 nm-es kapu-áthidalással, amely rekordértékeket ér el a hatékonyság terén a műhold típusú körülmények között. A technológia a jövőben kompakt aktívantennákat tesz lehetővé magas bitráta adatátvitelhez a Ka-, Q- és W-tartományban, ezáltal hozzájárulva a hiánytalan és ellenálló globális kommunikációs hálózatok kiépítéséhez nagy átviteli sebességű műholdak révén. Ezen és további kutatási eredményeket a magas frekvenciájú elektronika területéről a Fraunhofer IAF 2025. szeptember 21. és 26. között Utrechtben mutatja be az EuMW konferencián.

A jövő globális kommunikációs hálózatai, amelyek lefedik a távoli régiókat, ellenállnak a zavaró forrásoknak és katasztrófa esetén is működnek, megbízhatóan képesek magas adatátviteli sebességet feldolgozni. Egy ígéretes lehetőség ilyen hálózatok megvalósítására a nagy átviteli sebességű műholdak (HTS) alkalmazása a Föld közeli és/vagy geostacionárius pályán (LEO/GEO), amelyek a szélessávú Ka-, Q- és W-frekvenciasávokat használják, és szigorú modulációs sémákat követnek. Az ehhez szükséges hardver, az elektronikus sugárirányítású aktívantennák, rendkívül hatékony teljesítményerősítőkre van szükség, magas linearitással.

A kompakt méret elvárása az aktívantennák esetében a korábbi komponenseknél hőtechnikai problémákhoz vezetett. Ezért a Fraunhofer Alkalmazott Szilárdtestfizikai Intézet (IAF) kutatói kifejlesztettek magas elektronmozgékonyságú (HEMT) teljesítményerősítő tranzisztorokat, amelyek a szélessávú sávszélességű gallium-nitrid (GaN) félvezető anyagon alapulnak, és mindössze 70 nm-es kapu-áthidalással rendelkeznek. A mérési eredmények jól mutatják az új technológia nagy potenciálját a jövőbeli műholdas kommunikációs alkalmazásokban.

Komponensek szélessávú műholdas kommunikációhoz

„A Fraunhofer IAF által kifejlesztett GaN-HEMT teljesítményerősítők magas linearitásuknak és hatékonyságuknak köszönhetően kompaktabb és energiatakarékosabb kommunikációs rendszereket tesznek lehetővé műholdak számára. Innovatív technológiánkkal fontos hozzájárulást nyújtunk a hiánytalan és ellenálló globális kommunikációs hálózatok kiépítéséhez és fejlesztéséhez” – magyarázza Dr. Philipp Döring, a Fraunhofer IAF technológiai osztályának kutatója és a cikk első szerzője, amelyben a 70 nm-es GaN-HEMT-eket mutatják be.

A „High efficiency and high linearity 70 nm GaN technology for future SatCom applications” című tanulmányt Dr. Döring mutatja be 2025. szeptember 23-án 14:10 és 14:30 között az Európai Mikrohullám Integrált Áramkörök Konferenciáján (EuMIC) Utrechtben, Hollandia. Az EuMIC az Európai Mikrohullám Hét (EuMW) része.

70 nm-es GaN tranzisztor rekordhatékonysággal

A GaN-HEMT-eket saját félvezetőgyártósorán fejlesztették, gyártották és jellemezték a Fraunhofer IAF epitaxia, technológia és mikroelektronika részlegeiben. A GaN/AlGaN (alumínium-gallium-nitrid) félvezető anyagrendszert MOCVD módszerrel növesztették szilícium-karbid (SiC) szigetelő 4 hüvelykes aljzatra. A folyamat többek között elektronnyaláb-litográfiát alkalmazott.

A kutatók tesztméréseket végeztek mind egyedi tranzisztorokon, mind a szilíciumlapkán. Kisjelű mérések során VDS = 7/15 V mellett a határfrekvencia fT = 122/95 GHz, a maximális frekvencia pedig fMAX > 350 GHz volt. Magas feszültségű mérések 58,6%-os maximális hatékonyságot és 2,46 W/mm maximális kimeneti teljesítményt mutattak 38 GHz-en.

A jel linearitásának meghatározásához a kutatók Two-Tone-Load-Pull módszert alkalmaztak, hogy megvizsgálják, a 70 nm-es GaN-HEMT milyen értékeket ér el az Európai Űrügynökség (ESA) jelenlegi követelményei szerint a műholdas kommunikációban. Az IMD3 ≥ 30 dBC feltétel mellett a technológia 30 GHz-en 54,4%-os PAE hatékonyságot és 1,01 W/mm kimeneti teljesítményt ért el. Ez a legmagasabb mérhető hatékonysági érték GaN-technológiánál 30 GHz-en.

Technológiai fejlesztés a Magellan és GANYDEM170 projektek keretében

Eredményeik a Magellan és GANYDEM170 projektek keretében születtek. A Magellan az ESA támogatásával valósul meg, és célja magas hatékonyságú milliméterhullámú GaN nagy teljesítményű erősítők fejlesztése GEO- és LEO-aktívantennákhoz. A GANYDEM170 az IPCEI (Fontos Európai Érdekek Közös Projektje) keretében támogatott projekt, amely lehetővé teszi egy ipari szintű milliméterhullámú GaN-technológia megvalósítását mérnöki alkalmazásokhoz.

Fraunhofer IAF az EuMW 2025-ön

A 2025. szeptember 21. és 26. között Utrechtben megrendezett EuMW konferencián a Fraunhofer IAF bemutatja Dr. Philipp Döring eredményeit, valamint további kutatási eredményeket a GaN-alapú magas frekvenciájú elektronika területéről. A kiállításon a intézet széles választékban mutat be alkatrészeket, áramköröket és modulokat a Stand B071-nél. Emellett Patrick Umbach, Thomas Zieciak, Moïse Safari Mugisho és Dr. Philipp Neininger prezentációkat tartanak az EuMIC konferencián. Továbbá az intézet igazgatója, Dr. Patricie Merkert részt vesz az EuMIC Foundry Panelen, ahol monolitikus és heterogén integrációról, valamint chiplet-ekről beszél.