FBH-Forschung: 23.04.2012

Galliumnitrid-basierte Höchstfrequenz-ICs mit verbesserter Effizienz

X-Band GaN-MMIC
Abb. 1: Chipfoto eines zweistufigen X-Band GaN Leistungsverstärker MMIC
Leistungsmessung MMIC
Abb. 2: Leistungsmessung des zweistufigen X-Band-GaN Leistungsverstärker-MMIC aus Abb. 1 bei 10 GHz

Leistungsverstärker stellen eine entscheidende Komponente für alle Kommunikations-, Radar- und Satellitensystemen dar. Als letztes Element vor der Sendeantenne prägen sie maßgeblich die Gesamteigenschaften solcher Systeme. Dabei sind die maximale Ausgangsleistung Pmax und die Effizienz PAE (PAE: Power Added Efficiency) der Leistungsverstärker als wichtigste Eigenschaften hervorzuheben. Die PAE gibt an, wie viel der verbrauchten Leistung tatsächlich für die Anwendung genutzt und wieviel in (Wärme)-Verluste umgewandelt wird. Ein hoher Wirkungsgrad ist sowohl aus Gründen der Umwelt (CO2-Bilanz) als auch aus Systemgründen ein zentrales Kriterium.

Die Kombination von hoher Leistung, hohem Wirkungsgrad und hoher Betriebsfrequenz ist aus physikalischen Gründen für die meisten gängigen Halbleitertechnologien ein Problem. Das Halbleitermaterial Galliumnitrid (GaN) ist demgegenüber ideal für Mikrowellen-Leistungsverstärker, da es sowohl eine hohe Durchbruchspannung als auch eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit aufweist. Der Einsatz von Galliumnitrid ermöglicht deshalb die Realisierung von Mikrowellen-Leistungsverstärkern mit vorher unerreichbaren Werten hinsichtlich Ausgangsleistung und PAE.

Viele Radar- und Satellitensysteme arbeiten im X-Band, dem Frequenzbereich von 8 bis 12 GHz. In diesem Frequenzband werden Verstärkerschaltungen im Allgemeinen als monolithische Schaltungen (MMICs, d.h. Monolithic Microwave Integrated Circuits) aufgebaut, da durch die monolithische Realisierung kritische Toleranzen und parasitäre Eigenschaften reduziert werden können. Am FBH ist dazu ein GaN-MMIC-Prozess entwickelt worden. Dessen Eigenschaften wurden vor kurzem durch die Reduzierung der Gate-Länge der Transistoren auf 0,25 µm weiter verbessert. Einzeltransistoren erreichen im AB-Betrieb bei 10 GHz Effizienzen von 50% und mehr.

Ein mit diesem Prozess am FBH realisierter Leistungsverstärker-MMIC ist in Abb. 1 zu sehen. Da die GaN-Halbleiterschichten auf Siliziumkarbid (SiC) gewachsen sind, ist das Substrat durchsichtig und die Metallstrukturen der Schaltung scheinen zu schweben. Um eine hohe Verstärkung zu erzielen, wurde der Verstärker zweistufig ausgelegt. Wie aus den Messdaten in Abb. 2 hervorgeht, erreicht dieser Leistungsverstärker eine maximale Ausgangsleistung Pmax von 11 W bei 10 GHz. Die maximale lineare Verstärkung beträgt etwa 25 dB und die Effizienz der Endstufe (PAE) nahezu 40%. Diese Werte können durch gezielte Schaltungsoptimierung noch weiter gesteigert werden, diese Arbeiten sind im Gange.

Publikation

Erhan Ersoy, Chafik Meliani, Serguei Chevtchenko, Paul Kurpas, Mathias Matalla, and Wolfgang Heinrich, "A High-Gain X-Band GaN-MMIC Power Amplifier", präsentiert auf der 7. German Microwave Conference (GeMiC), Ilmenau, Germany, 12-14 März 2012.