Technologia półprzewodników dla szerokopasmowej komunikacji satelitarnej osiąga rekordową wydajność

4-calowy wafer GaN na SiC technologii GaN07 Fraunhofer IAF. Wafle są w pełni produkowane i testowane na własnej linii półprzewodnikowej firmy, obejmując projektowanie, epitaksję, obróbkę waferów i charakteryzację. © Fraunhofer IAF / Frontside processed 4-inch GaN-on SiC wafer of Fraunhofer IAF's GaN07 technology. Wafle są całkowicie wykonane i testowane na linii procesowej III-V Fraunhofer IAF, w tym projektowanie i produkcja zestawów masek do obróbki, epitaksja, obróbka waferów i charakteryzacja. © Fraunhofer IAF

Badacze z Fraunhofer IAF opracowali technologię tranzystorów GaN z bramką o długości 70 nm, która w warunkach typowych dla satelitów osiąga rekordowe wartości pod względem wydajności. Technologia ta ma umożliwić w przyszłości kompaktowe aktywne anteny do szybkich transferów danych w paśmach Ka, Q i W, przyczyniając się tym samym do rozbudowy i uzupełniania bezproblemowych i odpornych na zakłócenia globalnych sieci komunikacyjnych za pomocą satelitów o dużej przepustowości. Te i inne wyniki badań z dziedziny elektroniki wysokich częstotliwości zaprezentuje Fraunhofer IAF w dniach od 21 do 26 września 2025 roku podczas EuMW w Utrechcie.

Przyszłe globalne sieci komunikacyjne, obejmujące także odległe regiony, muszą być odporne na źródła zakłóceń i w razie potrzeby działać w sytuacjach kryzysowych, zapewniając niezawodne przesyłanie dużych ilości danych. Obiecującą możliwością realizacji takich sieci są satelity o dużej przepustowości (HTS) na niskiej orbicie (LEO) i/lub geostacjonarnej (GEO), które korzystają z szerokopasmowych pasm częstotliwości Ka, Q i W oraz stosują rygorystyczne schematy modulacji. Sprzęt niezbędny dla odpowiednich systemów komunikacyjnych, w tym aktywne anteny do elektronicznego sterowania wiązką (electronic beam steering), opiera się na niezwykle wydajnych wzmacniaczach mocy o wysokiej liniowości.

Wymagana kompaktowość aktywnych anten powoduje dotychczasowe problemy termiczne w przypadku stosowanych komponentów. Dlatego badacze z Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF opracowali tranzystory wzmacniaczy mocy typu HEMT na bazie szerokopasmowego półprzewodnika z grupy Galliumnitrydu (GaN), które mają bramkę o długości zaledwie 70 nm. Uzyskane wartości wydajności pokazują duży potencjał tej nowatorskiej technologii dla przyszłych zastosowań w komunikacji satelitarnej.

Komponenty do szerokopasmowej komunikacji satelitarnej

»Opracowane w Fraunhofer IAF GaN-HEMT-y umożliwiają dzięki wysokiej liniowości i wydajności bardziej kompaktowe i energooszczędne systemy komunikacyjne dla satelitów. Nasza innowacyjna technologia stanowi ważny wkład w rozwój i rozbudowę bezproblemowych i odpornych na zakłócenia globalnych sieci komunikacyjnych«, wyjaśnia dr Philipp Döring, naukowiec z działu technologii Fraunhofer IAF i główny autor artykułu, w którym przedstawiono 70-nm GaN-HEMT-y.

Artykuł „High efficiency and high linearity 70 nm GaN technology for future SatCom applications” zostanie zaprezentowany przez dr Döringa 23 września w godzinach od 14:10 do 14:30 podczas European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC) w Utrechcie, w Holandii. EuMIC jest częścią European Microwave Week (EuMW).

Tranzystor GaN o długości 70 nm z rekordową wydajnością

GaN-HEMT-y zostały opracowane, wyprodukowane i scharakteryzowane w własnej linii półprzewodników w działach epitaksji, technologii i mikroelektroniki w Fraunhofer IAF. Materiał półprzewodnikowy GaN/AlGaN (azotek galu i glinu) został wzrostem metodą metalowoorganicznej depozycji z fazy gazowej (MOCVD) na izolujących 4-calowych podłożach z węglika krzemu (SiC). Proces produkcji obejmował między innymi litografię elektronową.

Testy przeprowadzono zarówno na pojedynczych tranzystorach, jak i bezpośrednio na waflach. Podczas pomiarów małosygnałowych przy VDS = 7/15 V stwierdzono częstotliwość graniczną fT = 122/95 GHz oraz maksymalną częstotliwość fMAX > 350 GHz. Pomiar przy wysokim napięciu wykazał maksymalną wydajność na poziomie 58,6% oraz maksymalną moc wyjściową 2,46 W/mm przy 38 GHz.

Aby określić liniowość sygnału, badacze zastosowali metodę Two-Tone-Load-Pull, sprawdzając, jakie wartości osiąga 70-nm GaN-HEMT w warunkach spełniających wymagania Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) dotyczące komunikacji satelitarnej. Przy warunku IMD3 ≥ 30 dBC technologia osiągnęła przy 30 GHz wydajność PAE = 54,4% i moc wyjściową 1,01 W/mm. Jest to najwyższa dotąd zmierzona wydajność technologii GaN przy tej częstotliwości.

Rozwój technologii w ramach projektów Magellan i GANYDEM170

Wyniki powstały w ramach prac projektowych nad przedsięwzięciami Magellan i GANYDEM170. Magellan jest finansowany przez ESA i ma na celu opracowanie wysokowydajnych wzmacniaczy GaN na millimetrowe fale do zastosowań w antenach GEO i LEO. GANYDEM170 jest wspierany jako IPCEI (Important Project of Common European Interest) przez Federalne Ministerstwo Gospodarki i Energii (BMWE) i umożliwia realizację przemysłowej technologii GaN na millimetrowe fale do zastosowań pomiarowych.

Fraunhofer IAF na EuMW 2025

Podczas EuMW 2025, które odbędzie się w dniach od 21 do 26 września w Utrechcie, w Holandii, Fraunhofer IAF zaprezentuje oprócz wyników dr Philippa Döringa także inne rezultaty badań z dziedziny elektroniki wysokich częstotliwości opartych na GaN. Po pierwsze, instytut wystawi szeroki wybór elementów, układów i modułów na stoisku B071. Po drugie, Patrick Umbach, Thomas Zieciak, Moïse Safari Mugisho oraz dr Philipp Neininger wygłoszą prezentacje podczas EuMIC. Dodatkowo, kierowniczka instytutu dr Patricie Merkert weźmie udział w panelu EuMIC Foundry, gdzie omówi monolityczną i heterogeniczną integrację oraz chiplety.