Halbleiter-Technologie für Breitband-Satellitenkommunikation erreicht Rekord-Effizienz

4-Zoll-GaN-auf-SiC-Wafer der GaN07-Technologie des Fraunhofer IAF. Die Wafer werden vollständig in der hauseigenen Halbleiterlinie hergestellt und getestet ¬ einschließlich Design, Epitaxie, Waferverarbeitung und Charakterisierung. © Fraunhofer IAF / Frontside processed 4-inch GaN-on SiC wafer of Fraunhofer IAF´s GaN07 technology. The wafers are completely fabricated and tested in Fraunhofer IAF´s III-V process line including design and fabrication of processing mask sets, epitaxy, wafer processing and characterization. © Fraunhofer IAF

Forschende des Fraunhofer IAF haben eine GaN-Transistor-Technologie mit 70 nm Gatelänge entwickelt, die unter satellitentypischen Bedingungen Rekordwerte hinsichtlich der Effizienz erreicht. Die Technologie soll zukünftig kompakte Aktivantennen für hochbitratige Datentransfers im Ka-, Q- und W-Band ermöglichen und somit zum Auf- und Ausbau lückenloser und resilienter globaler Kommunikationsnetze durch High-Throughput-Satelliten beitragen. Diese und weitere Forschungsergebnisse aus dem Bereich Hochfrequenzelektronik stellt das Fraunhofer IAF vom 21. bis 26. September 2025 bei der EuMW in Utrecht vor.

Zukünftige globale Kommunikationsnetzwerke, die auch abgelegene Regionen abdecken, möglichen Störquellen standhalten und im Katastrophenfall einspringen, müssen verlässlich hohe Datenraten verarbeiten können. Eine vielversprechende Möglichkeit zur Realisierung solcher Netzwerke bilden High-Throughput-Satelliten (HTS) im erdnahen und/oder geostationären Orbit (LEO/GEO), die die breitbandigen Ka-, Q- und W-Frequenzbänder nutzen und strengen Modulationsschemata folgen. Die für entsprechende Kommunikationssysteme nötige Hardware, Aktivantennen für elektronische Strahlsteuerung (electronic beam steering), ist auf äußerst effiziente Leistungsverstärker mit hoher Linearität angewiesen.

Die erforderliche Kompaktheit der Aktivantennen führt bei bisherigen Komponenten zu thermischen Problemen. Daher haben Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF Leistungsverstärker-Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) auf Basis des Wide-Bandgap-Verbindungshalbleiters Galliumnitrid (GaN) entwickelt, die eine Gatelänge von nur 70 nm aufweisen. Die gemessenen Effizienzwerte zeigen das große Potenzial der neuartigen Technologie für kommende Anwendungen in der Satellitenkommunikation.

Komponenten für breitbandige Satellitenkommunikation

»Die am Fraunhofer IAF entwickelten GaN-Leistungsverstärker-HEMTs ermöglichen dank ihrer hohen Linearität und Effizienz kompaktere und energiesparsamere Kommunikationssysteme für Satelliten. Mit unserer innovativen Technologie leisten wir einen wichtigen Beitrag zum Auf- und Ausbau lückenloser und resilienter globaler Kommunikationsnetze«, erläutert Dr. Philipp Döring, Wissenschaftler in der Abteilung Technologie des Fraunhofer IAF und Erstautor des Artikels, in dem die 70-nm-GaN-HEMTs vorgestellt werden.

Das Paper »High efficiency and high linearity 70 nm GaN technology for future SatCom applications« präsentiert Dr. Döring am 23. September von 14:10 bis 14:30 Uhr bei der European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC) in Utrecht, Niederlande. Die EuMIC ist Teil der European Microwave Week (EuMW).

70-nm-GaN-Transistor mit Rekord-Effizienz

Entwickelt, gefertigt und charakterisiert wurden die GaN-HEMTs in der hauseigenen Halbleiterlinie in den Abteilungen Epitaxie, Technologie und Mikroelektronik am Fraunhofer IAF. Das Halbleitermaterialsystem GaN/AlGaN (Aluminiumgalliumnitrid) wurde mittels metallorganischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) auf isolierenden 4-Zoll-Substraten aus Siliziumcarbid (SiC) gewachsen. Die Prozessierung erfolgte unter anderem mittels Elektronenstrahllithographie.

Testmessungen führten die Forschenden sowohl auf vereinzelten Transistoren wie auch direkt auf dem Wafer durch. Bei Kleinsignalmessungen wurde bei VDS = 7/15 V eine Grenzfrequenz von fT = 122/95 GHz und eine Maximalfrequenz von fMAX = > 350 GHz festgestellt. Messungen mit hoher Spannung ergaben eine Maximaleffizienz von 58,6 % und eine Maximalausgangsleistung von 2,46 W/mm bei 38 GHz.

Zur Bestimmung der Signal-Linearität testeten die Forschenden mittels Two-Tone-Load-Pull-Verfahren, welche Werte der 70-nm-GaN-HEMT unter den Anforderungen erreicht, die die Europäische Raumfahrtorganisation (ESA) aktuell für Satellitenkommunikation vorgibt. Unter der Randbedingung von IMD3 ≥ 30 dBC erreichte die Technologie bei 30 GHz eine Effizienz von PAE = 54,4 % und eine Ausgangsleistung von 1,01 W/mm. Dabei handelt es sich um den höchsten bislang gemessenen Effizienzwert einer GaN-Technologie bei 30 GHz.  

Technologie-Entwicklung im Kontext der Projekte Magellan und GANYDEM170

Die Ergebnisse entstanden im Rahmen der Projektarbeit an den Vorhaben Magellan und GANYDEM170. Magellan wird von der ESA gefördert und zielt auf die Entwicklung hocheffizienter Millimeterwellen-GaN- Hochleistungsverstärker für GEO- und LEO-Aktivantennenanwendungen. GANYDEM170 wird als IPCEI (Important Project of Common European Interest) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert und ermöglicht die Realisierung einer industriefähigen Millimeterwellen-GaN-Technologie für messtechnische Anwendungen.

Fraunhofer IAF bei der EuMW 2025

Bei der EuMW 2025, die vom 21. bis 26. September in Utrecht, Niederlande, stattfindet, präsentiert das Fraunhofer IAF neben den Ergebnissen von Dr. Philipp Döring weitere Forschungsresultate aus dem Bereich der GaN-basierten Hochfrequenzelektronik. Zum einen stellt das Institut eine breite Auswahl von Bauelementen, Schaltungen und Modulen bei der Messe an Stand B071 aus. Zum anderen tragen Patrick Umbach, Thomas Zieciak, Moïse Safari Mugisho und Dr. Philipp Neininger Präsentationen zur EuMIC bei. Zusätzlich nimmt die Institutsleiterin Dr. Patricie Merkert am EuMIC Foundry Panel teil, wo sie über monolithische und heterogene Integration sowie über Chiplets spricht.