Entwicklung GaN-basierter MMICs für Weltraumkommunikation im Ka-Band

Die schnelle Entwicklung der breitbandigen Satellitenkommunikation im Ka-Band gilt als Technologietreiber für Bauelementkonzepte, die hohe Datenraten ermöglichen. Entsprechend hoch sind auch die Ansprüche an die Leistungsfähigkeit der verwendeten MMICs in den Übertragungs- und Empfangssystemen. Eine hohe Linearität und Effizienz der Leistungsverstärker-MMICs für die Übertragung sind ebenso gefordert wie ein niedriges Rauschen der Verstärker-MMICs in den Empfängern. Neue, GaN-basierte MMICs können die geforderten Spezifikationen erfüllen und sind daher unabdingbar.

Im Vergleich zu verfügbaren X-Band-MMICs müssen Epitaxiestrukturen, der Herstellungsprozess der MMICs und die Schaltungstechnologie für den angestrebten Frequenzbereich optimiert werden. Ka-Band-MMICs erfordern eine verringerte Gatelänge (L_g) und folglich eine daraufhin angepasste Epitaxie-Struktur. Es gilt den sogenannten Kurzkanaleffekt zu vermeiden. Dazu ist das Verhältnis zwischen Gatelänge und Gate-Kanal-Abstand zu optimieren. Kürzlich wurde am FBH eine zuverlässige und skalierbare Technologie entwickelt, die die Herstellung von "embedded gates" mit geneigten Seitenflanken und Gatelängen zwischen 100 nm und 500 nm ermöglicht. Die kürzeren Gates sind für die Entwicklung der Ka-Band-MMICs gut geeignet. In unseren Untersuchungen wurden Transistoren mit Gatelängen im Bereich zwischen 100 nm und 200 nm auf zwei verschiedene Epi-Schichtfolgen hergestellt (Abb. 1) und anschließend systematisch miteinander verglichen.

DC-Messungen zeigten, dass die Epi-Struktur mit GaN:Fe-Pufferschicht eine höhere Drain-Stromdichte aufweist als die Epi-Struktur mit der zusätzliche AlGaN-Barriere (ca. 1,0 A/mm im Vergleich zu ca. 0,7 A/mm). Abb. 2 zeigt die Verläufe von P_out/Verstärkung/PAE in Abhängigkeit von der Eingangsleistung, die durch Load-pull-Messungen bei 18 GHz und 28 V Drain-Spannung an Transistoren mit 4 x 75 µm Weite und 100 nm Gatelänge erzielt wurden. Dabei wurde die Abschlussimpedanz des Messplatzes so angepasst, dass die Transistoren die maximale  Ausgangsleistung P_out liefern. Eine Ausgangsleistungsdichte von ~ 3 W/mm bei einer Effizienz PAE von ~ 45% konnte erreicht werden. Bauelemente, die auf den Epi-Strukturen mit der zusätzlichen AlGaN/GaN-Barriere basieren, zeigten geringere Performance hinsichtlich der Parameter P_out, PAE und Verstärkung (gain).

Abb. 3 vergleicht das Hochfrequenz-Rauschverhalten der Transistoren. Das Hochfrequenzrauschen bei Transistoren, die eine Epitaxieschicht mit zusätzlicher AlGaN-Barriere enthalten, ist deutlich geringer als das von Transistoren mit GaN:Fe-Puffer. Die bis zu 30 GHz extrapolierten Daten der Rauschmessungen zeigen eine Rauschzahl von 1,9 dB für den Wafer mit der zusätzlichen AlGaN-Barriere im Puffer und 2,2 dB für den Wafer mit GaN:Fe Puffer. Die dabei erzielte Verstärkung (associated gain) beträgt entsprechend 7,3 dB und 6,4 dB. Die Auswertung des Großsignal- und Rauschverhaltens der Transistoren belegt, dass die Epitaxiestruktur mit Fe-dotiertem GaN-Puffer eine bessere Performance im Hinblick auf die Ausgangsleistung aufweist. Sie kann folglich für die Herstellung von Leistungsverstärker-MMICs in Ka-Band-Transmittern für Kommunikationssysteme verwendet werden. Die Epi-Struktur mit der zusätzlichen AlGaN-Barriere ermöglicht bessere Rauschzahlen und ist daher bevorzugt für die Herstellung rauscharmer Verstärker verwendbar, wie sie als Empfänger in Ka-Band- Kommunikationssystemen eingesetzt werden.

FBH-Forschung: 05.12.2014