Joint Lab THz Components & Systems

Die Terahertz-Technologie steht kurz vor dem Durchbruch, um gesellschaftsrelevante Anwendungen in Bereichen der Medizintechnik, zerstörungsfreien Prüfung, Radar, Sicherheitstechnik, Lebensmitteltechnik und Raumfahrt zu erschließen. Diese Entwicklung ist im Wesentlichen auf die Fortschritte in der Mikroelektronik zurückzuführen.

Das FBH beschäftigt sich umfassend mit THz-Entwicklungen, wie etwa MMIC-Chipentwurf und Prozessierung, integrierter THz-Detektorentwurf, integrierte Antennen sowie Bauelemente- und Schaltungscharakterisierung bei THz-Frequenzen. Das FBH liefert damit entscheidende Impulse im Bereich der THz-Elektronik und befördert industrielle Anwendungen in diesen Bereichen. So wurde ein Joint Lab mit dem Goethe-Leibniz-Terahertz-Center an der Goethe Universität Frankfurt am Main etabliert sowie ein Foundryservice in Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP). Das FBH hat einen Indium Phosphide (InP) Double Heterojunction Bipolar Transistor (DHBT) Transferred-Substrate (TS) Prozess und einen InP-on-BiCMOS DHBT Prozess entwickelt. Diese Prozesse erreichen Grenzfrequenzen von derzeit etwa 350 GHz und werden nun zu Grenzfrequenzen oberhalb von 700 GHz hin entwickelt. Es wurden bereits nichtlineare aktive MMIC-Schaltungen bis zu 300 GHz gezeigt, die für System-on-Chip-Lösungen mit heterogener Integration von Silizium- und Diamant-Materialien, eingesetzt werden können.

Das FBH untersucht zudem die Nutzung plasmonischer Detektoren bei Frequenzen oberhalb von 1000 GHz und entwickelt die zugehörigen Aufbau- und Verbindungstechniken ebenso wie Kalibrierverfahren bei diesen Frequenzen. Bauelemente mit plasmonischen Effekten basieren auf dem GaN-Mikrowellen-HEMT-Prozess aus dem FBH. In Kooperation mit dem Goethe-Leibniz-Terahertz-Center hat das FBH THz-Detektoren im Frequenzbereich 500 – 2500 GHz mit integrierten Antennen entwickelt und untersucht die Möglichkeit der Emission bei diesen Frequenzen.

Entwurf elektronischer Komponenten und Module

Blockschaltbild Sender - Empfänger
Generisches Blockschaltbild eines Senders (links) und eines Empfängers (rechts). Jeder Block besteht aus einer Reihe von MMIC-Schaltungen.

Der MMIC-Entwurf am FBH basiert auf der Nutzung eines Design-Kits mit aktiven und passiven Bauelementen und einem eigenen Großsignal-Transistormodel für HBT-Bauelemente unter Berücksichtigung thermischer Effekte. Die Transistoren besitzen eine hohe Durchbruchspannung bis zu hohen Frequenzen mit einem niedrigen Phasenrauschen bei Oszillatoren. Daher konzentriert das FBH seine Aktivitäten auf die Signalerzeugung und Leistungsverstärkung.

Signalerzeugung

Harmonischer Oszillator
Harmonischer Oszillator (dritte Harmonische)
BiCMOS-VCO mit InP-Vervierfacher
BiCMOS-VCO mit InP-Vervierfacher (SciFab)

Es wurden rauscharme Oszillatoren bei Frequenzen von 100 GHz, 200 GHz und 300 GHz entworfen, hergestellt und charakterisiert. So haben wir beispielsweise einen harmonischen Oszillator bei 290 GHz demonstriert, der bei Pout = -8,5 dBm eine DC-zu-RF-Effizienz von 0,5% bietet. Außerdem haben wir eine 246 GHz Signalquelle mit BiCMOS-VCO und InP-Tripler (SciFab) realisiert, die Pout ~ -2 dBm liefert mit einem Oberwellenabstand von > 25 dB und einem Phasenrauschen von -85 dBc/Hz @ 1 MHz. Auch eine heterointegrierte Signalquelle bei 330 GHz ist realisiert worden mit Pout ~ -12 dBm @ 328 GHz und harmonischer Unterdrückung von < -30 dB.

Frequenzvervielfacher

Breitbandiger G-band-Verdoppler
Breitbandiger G-band-Verdoppler
164 GHz BiCMOS-VCO mit InP-Verdoppler
164 GHz BiCMOS-VCO mit InP-Verdoppler

Ultrabreitbandige Frequenzvervielfacher im G-Band und D-Band wurden entworfen und realisiert. Diese liefern eine Spitzenleistung von Pout = 10 dBm und eine Leistung von Pout > 5 dBm jeweils im gesamten Band. So wurde unter anderem ein breitbandiger Frequenzverdoppler hergestellt mit 140 - 220 GHz (volles G-Band), Pout > +8 dBm (10 dBm @ 180 GHz) zusammen mit einem D-Band-Doppler. Darüber hinaus wurde ein 164 GHz BiCMOS-VCO mit InP-Doppler bei Pout = 7 dBm @ 164 GHz demonstriert (Best Paper Award EuMW 2013: T. Jensen et al: A 164 GHz Source in Hetero-Integrated InP-on-BiCMOS).

Leistungsverstärker

90 GHz Leistungsverstärker
90 GHz Leistungsverstärker

Das FBH hat W-Band-Leistungsverstärker entwickelt, die Ausgangsleistungen von Pout > 20 dBm über eine Bandbreite größer als 10 GHz mit einem Wirkungsgrad PAE > 19% liefern. Ein herausragendes Ergebnis stellt auch die Realisierung von Verstärkern mit einer Ausgangsleistung von 200 mW bei 90 GHz dar.