Tecnologia dei semiconduttori per le comunicazioni satellitari a banda larga raggiunge un'efficienza record

Wafer da 4 pollici in GaN su SiC della tecnologia GaN07 del Fraunhofer IAF. I wafer sono completamente prodotti e testati nella linea di produzione di semiconduttori interna, inclusi design, epitassia, lavorazione del wafer e caratterizzazione. © Fraunhofer IAF / Wafer da 4 pollici in GaN su SiC lavorato frontalmente della tecnologia GaN07 del Fraunhofer IAF. I wafer sono completamente fabbricati e testati nella linea di processo III-V del Fraunhofer IAF, inclusi la progettazione e la fabbricazione di set di maschere di lavorazione, epitassia, lavorazione del wafer e caratterizzazione. © Fraunhofer IAF

Ricercatori dell'Istituto Fraunhofer IAF hanno sviluppato una tecnologia di transistor GaN con una lunghezza di gate di 70 nm, che raggiunge valori record di efficienza in condizioni tipiche satellitari. La tecnologia dovrebbe consentire in futuro antenne attive compatte per trasferimenti di dati ad alta velocità nelle bande Ka, Q e W, contribuendo così alla creazione e all'espansione di reti di comunicazione globali senza lacune e resilienti tramite satelliti ad alta capacità di trasmissione. Questi e altri risultati di ricerca nel campo dell'elettronica ad alta frequenza saranno presentati dall'Istituto Fraunhofer IAF dal 21 al 26 settembre 2025 alla EuMW di Utrecht.

Le future reti di comunicazione globali, che copriranno anche regioni remote, resistendo a possibili interferenze e intervenendo in caso di calamità, devono essere in grado di elaborare affidabilmente alte velocità di trasferimento dati. Una possibilità promettente per la realizzazione di tali reti sono i satelliti ad alta capacità di trasmissione (HTS) in orbita terrestre bassa e/o geostazionaria (LEO/GEO), che utilizzano le bande di frequenza a banda larga Ka, Q e W e seguono schemi di modulazione rigorosi. L'hardware necessario per tali sistemi di comunicazione, come le antenne attive per il controllo elettronico del fascio (beam steering elettronico), dipende da amplificatori di potenza estremamente efficienti e altamente lineari.

La compattezza richiesta delle antenne attive porta a problemi termici con i componenti attuali. Per questo motivo, i ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per la fisica dei solidi applicata IAF hanno sviluppato transistor amplificatori di potenza a alta mobilità elettronica (HEMT) basati sul semiconduttore a banda larga Galliumnitrido (GaN), con una lunghezza di gate di soli 70 nm. I valori di efficienza misurati dimostrano il grande potenziale di questa tecnologia innovativa per le future applicazioni nella comunicazione satellitare.

Componenti per la comunicazione satellitare a banda larga

»Gli HEMT ad amplificatore di potenza GaN sviluppati dall'Istituto Fraunhofer IAF consentono, grazie alla loro alta linearità ed efficienza, sistemi di comunicazione più compatti e a risparmio energetico per i satelliti. Con la nostra tecnologia innovativa, contribuiamo in modo importante alla creazione e all'espansione di reti di comunicazione globali senza lacune e resilienti«, spiega il dott. Philipp Döring, ricercatore del dipartimento di tecnologia dell'Istituto Fraunhofer IAF e primo autore dell'articolo che presenta i GaN-HEMT da 70 nm.

Il documento «High efficiency and high linearity 70 nm GaN technology for future SatCom applications» sarà presentato dal dott. Döring il 23 settembre dalle 14:10 alle 14:30 alla European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC) di Utrecht, Paesi Bassi. EuMIC fa parte della European Microwave Week (EuMW).

Transistor GaN da 70 nm con efficienza record

Gli GaN-HEMT sono stati sviluppati, prodotti e caratterizzati presso la linea di semiconduttori interna dell'istituto, nei dipartimenti di epitassia, tecnologia e microelettronica dell'Istituto Fraunhofer IAF. Il sistema di semiconduttori GaN/AlGaN (azoturo di alluminio e gallio) è stato depositato tramite deposizione chimica da fase vapore metallorganica (MOCVD) su substrati isolanti di carburo di silicio (SiC) da 4 pollici. La lavorazione è stata effettuata anche tramite litografia a fascio elettronico.

Le misurazioni di prova sono state eseguite sia sui singoli transistor che direttamente sul wafer. Nei test a segnale debole, con VDS = 7/15 V, è stata rilevata una frequenza di taglio di fT = 122/95 GHz e una frequenza massima di fMAX > 350 GHz. Le misurazioni ad alta tensione hanno rilevato un'efficienza massima del 58,6% e una potenza di uscita massima di 2,46 W/mm a 38 GHz.

Per determinare la linearità del segnale, i ricercatori hanno utilizzato la procedura Two-Tone-Load-Pull, verificando i valori raggiunti dal GaN-HEMT da 70 nm rispetto ai requisiti attuali dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA) per la comunicazione satellitare. Con il vincolo IMD3 ≥ 30 dBC, la tecnologia ha raggiunto a 30 GHz un'efficienza PAE del 54,4% e una potenza di uscita di 1,01 W/mm. Questo rappresenta il valore di efficienza più alto mai misurato finora per una tecnologia GaN a 30 GHz.

Sviluppo tecnologico nel contesto dei progetti Magellan e GANYDEM170

I risultati sono stati ottenuti nell'ambito dei progetti Magellan e GANYDEM170. Magellan è finanziato dall'ESA e mira allo sviluppo di amplificatori ad alta efficienza a onde millimetriche GaN per applicazioni di antenne GEO e LEO. GANYDEM170, finanziato come IPCEI (Important Project of Common European Interest) dal Ministero federale dell'economia e dell'energia (BMWi), consente la realizzazione di una tecnologia GaN a onde millimetriche industrialmente compatibile per applicazioni di misurazione.

Fraunhofer IAF alla EuMW 2025

All'EuMW 2025, che si terrà dal 21 al 26 settembre a Utrecht, Paesi Bassi, l'Istituto Fraunhofer IAF presenterà, oltre ai risultati del dott. Philipp Döring, altri risultati di ricerca nel campo dell'elettronica ad alta frequenza basata su GaN. In particolare, l'istituto esporrà una vasta gamma di componenti, circuiti e moduli allo stand B071. Inoltre, Patrick Umbach, Thomas Zieciak, Moïse Safari Mugisho e il dott. Philipp Neininger terranno presentazioni alla EuMIC. La direttrice dell'istituto, la dott.ssa Patricie Merkert, parteciperà inoltre al panel sulla fonderia EuMIC, dove parlerà di integrazione monolitica e eterogenea e di chiplet.