AlGaN/GaN-Mikrowellentransistoren: Gezielte Optimierung von Linearität und Wirkungsgrad

Die Linearität von AlGaNGaN-Heterojunction-Feldeffekttransistoren ist eine der Schlüsseleigenschaften, die diese Bauelemente für den Einsatz in Hochfrequenzschaltkreisen moderner Kommunikationssysteme qualifiziert. Derart optimierte Leistungsbauelemente sind daher von größtem Interesse nicht nur für terrestrische sondern auch für weltraumgestützte Kommunikationssysteme. In dem ESA-geförderten Projekt "Linearity Assessment of GaN Technology" untersucht das FBH Möglichkeiten, die Linearität von GaN-Leistungstransistoren durch eine gezielte Optimierung von Epitaxie, Prozesstechnologie und Transistorlayout systematisch zu erhöhen. Auf diese Weise werden GaN-Leistungsbauelemente entwickelt, die von "Natur" aus ein sehr gutes lineares Verhalten bieten. Dadurch reduziert sich in Mikrowellen-Leistungsverstärkern der Linearisierungsaufwand und trägt damit deutlich zu einer verbesserten Energieeffizienz bei. An dem Projekt beteiligen sich namhafte Europäische Firmen und Institute wie Tesat Spacecom, Deutschland, QinetiQ, England und die Technische Universität von Dänemark, Lyngby. Projektziel ist ein hocheffizienter Demonstratorverstärker für Weltraumanwendungen, der die geforderte Linearität aufweist.

Die erste Phase des Projekts konzentrierte sich auf den Einfluss unterschiedlich konzipierter Epitaxieschichten auf die Linearität der Bauelemente. Qinetiq und das FBH lieferten die epitaxierten Wafer auf SiC-Substraten. Sie unterscheiden sich durch systematische Variationen des Bufferaufbaus und der aktiven Transistorstruktur (siehe Abb. 1). Es wurden Standard-GaN-Buffer mit Strukturen mit eingebauter Potentialbarriere (AlGaN) verglichen. Zudem wurden im aktiven Transistorbereich die AlGaN-Barriereschicht und die GaN-Capschicht so verändert, dass sich unterschiedliche Ladungsträgerkonzentrationen im Kanal einstellen [1].  Zweiton-Intermodulationsmessungen (IMD) ermittelten die Linearität der Bauelemente in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Leistungstransistoren (Verstärkerklassen  A, AB und B). Das daraus bestimmte Verhältnis zwischen der Leistung bei der dritten Oberwelle und der Grundwelle (C/I3-Verhältnis) wurde zum Vergleich der unterschiedlichen Designs herangezogen. Die Messungen wurden an einzelnen Leistungszellen für Powerbars mit typisch 30 W Ausgangsleistung bei 2 GHz durchgeführt. Diese Leistungsklasse ist für die späteren Verstärkerdemonstratoren vorgesehen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Linearität sehr stark vom Design der Epitaxieschichten abhängt. In diesem Zusammengang vergleicht Abb. 2 das C/I3-Verhältnis von Leistungsbauelementen auf unterschiedlichen Epitaxiedesigns in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung des Transistors bei Klasse-A-Verstärkerbetrieb.  Es ist zu erkennen, dass je nach Epi-Design bei gleichen Ausgangsleistungen die Linearität bis zu 20 dB abweicht. Umgekehrt bedeutet das, dass bei Verwendung eines optimierten Epi-Designs dieser Linearitätsgewinn zur Erhöhung der Effizienz bei gleicher Linearität eingesetzt werden kann. Damit sind diese Konzepte hochattraktiv für künftige hochlineare und gleichzeitig effiziente Verstärkerkonzepte.

Publikation:

[1] S. A. Chevtchenko, O. Bengtsson, F. Brunner, E. Bahat-Treidel, J. Würfl, M. J. Uren, A. Barnes, "Linearity evaluation of AlGaN/GaN HFETs fabricated on different epitaxial structures", Proc. 5th Space Agency – MOD Round Table Workshop on GaN Component Technologies, Noordwijk, The Netherlands, September 02-03 (2010).

FBH-Forschung: 19.01.11