Halfgeleitertechnologie voor breedband-satellietcommunicatie bereikt recordefficiëntie

4-inch GaN op SiC wafer van de GaN07-technologie van het Fraunhofer IAF. De wafers worden volledig in de eigen halfgeleiderlijn vervaardigd en getest – inclusief ontwerp, epitaxie, waferverwerking en karakterisering. © Fraunhofer IAF / Frontside bewerkte 4-inch GaN-op-SiC wafer van de GaN07-technologie van het Fraunhofer IAF. De wafers worden volledig vervaardigd en getest in de III-V proceslijn van het Fraunhofer IAF, inclusief ontwerp en fabricage van verwerkingsmaskersets, epitaxie, waferverwerking en karakterisering. © Fraunhofer IAF

Onderzoekers van het Fraunhofer IAF hebben een GaN-transistortechnologie ontwikkeld met een poortlengte van 70 nm, die onder satelliet-achtige omstandigheden recordwaarden behaalt op het gebied van efficiëntie. De technologie moet in de toekomst compacte actieve antennes mogelijk maken voor hoge-bitratetransfers in de Ka-, Q- en W-band en zo bijdragen aan de opbouw en uitbreiding van naadloze en veerkrachtige wereldwijde communicatienetwerken door middel van high-throughput-satellieten. Deze en andere onderzoeksresultaten op het gebied van hoogfrequente elektronica presenteert het Fraunhofer IAF van 21 tot 26 september 2025 op de EuMW in Utrecht.

Toekomstige wereldwijde communicatienetwerken, die ook afgelegen gebieden bestrijken, mogelijke storingsbronnen weerstaan en bij rampen ingrijpen, moeten betrouwbaar hoge datarates kunnen verwerken. Een veelbelovende mogelijkheid voor de realisatie van dergelijke netwerken vormen high-throughput-satellieten (HTS) in de aardnabije en/of geostationaire baan (LEO/GEO), die gebruik maken van de breedbandige Ka-, Q- en W-frequentiebanden en strenge modulatieschema's volgen. De hardware die voor dergelijke communicatiesystemen nodig is, actieve antennes voor elektronische stralingsregeling (electronic beam steering), is afhankelijk van uiterst efficiënte versterkers met hoge lineariteit.

De vereiste compactheid van de actieve antennes leidt bij bestaande componenten tot thermische problemen. Daarom hebben onderzoekers van het Fraunhofer-instituut voor Toegepaste Kristallografie IAF versterker-transistoren met hoge elektronenmobiliteit (HEMT) ontwikkeld op basis van het Wide-Bandgap-verbindinghalfgeleider GaN (Galliumnitride), die een poortlengte van slechts 70 nm hebben. De gemeten efficiëntiewaarden tonen het grote potentieel van de nieuwe technologie voor toekomstige toepassingen in satellietcommunicatie.

Componenten voor breedbandige satellietcommunicatie

„De door het Fraunhofer IAF ontwikkelde GaN-versterker-HEMTs maken dankzij hun hoge lineariteit en efficiëntie compactere en energiezuinigere communicatiesystemen voor satellieten mogelijk. Met onze innovatieve technologie leveren wij een belangrijke bijdrage aan de opbouw en uitbreiding van naadloze en veerkrachtige wereldwijde communicatienetwerken“, legt Dr. Philipp Döring uit, wetenschapper in de afdeling Technologie van het Fraunhofer IAF en eerste auteur van het artikel waarin de 70-nm-GaN-HEMTs worden gepresenteerd.

Het artikel „High efficiency and high linearity 70 nm GaN technology for future SatCom applications“ wordt op 23 september gepresenteerd door Dr. Döring van 14:10 tot 14:30 uur tijdens de European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC) in Utrecht, Nederland. De EuMIC maakt deel uit van de European Microwave Week (EuMW).

70-nm-GaN-transistor met recordefficiëntie

De GaN-HEMTs zijn ontwikkeld, geproduceerd en gekarakteriseerd in de interne halfgeleiderlijn van de afdelingen Epitaxie, Technologie en Mikro-elektronica van het Fraunhofer IAF. Het halfgeleidersysteem GaN/AlGaN (Aluminiumgalliumnitrid) is via metallorganische gasfasenafzetting (MOCVD) gegroeid op isolerende 4-inch-substraten van siliciumcarbide (SiC). De verwerking vond onder andere plaats met elektronenstrahllithografie.

Testmetingen werden zowel op afzonderlijke transistors als direct op de wafer uitgevoerd. Bij kleinsignaalmetingen bij VDS = 7/15 V werd een grensfrequentie van fT = 122/95 GHz en een maximale frequentie van fMAX = > 350 GHz vastgesteld. Metingen bij hoge spanning gaven een maximale efficiëntie van 58,6% en een maximale uitgangsvermogen van 2,46 W/mm bij 38 GHz.

Om de signaallineariteit te bepalen, hebben de onderzoekers met behulp van de Two-Tone-Load-Pull-methode getest welke waarden de 70-nm-GaN-HEMT onder de eisen behalen die de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA) momenteel stelt voor satellietcommunicatie. Onder de randvoorwaarde van IMD3 ≥ 30 dBC behaalde de technologie bij 30 GHz een efficiëntie van PAE = 54,4% en een uitgangsvermogen van 1,01 W/mm. Dit is de tot nu toe hoogst gemeten efficiëntiewaarde van een GaN-technologie bij 30 GHz.

Technologie-ontwikkeling in de context van de projecten Magellan en GANYDEM170

De resultaten zijn tot stand gekomen in het kader van de projectwerkzaamheden aan de projecten Magellan en GANYDEM170. Magellan wordt gefinancierd door ESA en richt zich op de ontwikkeling van hoogefficiënte millimetergolf-GaN-hoogvermogenversterkers voor GEO- en LEO-activantennetoepassingen. GANYDEM170 wordt als IPCEI (Important Project of Common European Interest) gefinancierd door het Duitse ministerie van Economie en Energie (BMWi) en maakt de realisatie mogelijk van een industrieel haalbare millimetergolf-GaN-technologie voor meettoepassingen.

Fraunhofer IAF op EuMW 2025

Op EuMW 2025, dat van 21 tot 26 september plaatsvindt in Utrecht, Nederland, presenteert het Fraunhofer IAF naast de resultaten van Dr. Philipp Döring ook andere onderzoeksresultaten op het gebied van GaN-gebaseerde hoogfrequente elektronica. Zo toont het instituut een breed scala aan componenten, schakelingen en modules op de beurs bij stand B071. Daarnaast dragen Patrick Umbach, Thomas Zieciak, Moïse Safari Mugisho en Dr. Philipp Neininger presentaties bij aan de EuMIC. Bovendien neemt de directeur van het instituut, Dr. Patricie Merkert, deel aan het EuMIC Foundry Panel, waar zij spreekt over monolithische en heterogene integratie en over chiplets.