Innovationen mit Mikrowellen und Licht

Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) ist eines der international führenden Institute für anwendungsorientierte und industrienahe Forschung in der Mikrowellentechnik und Optoelektronik. Auf der Basis von III/V-Verbindungshalbleitern realisiert es Hochfrequenz-Bauelemente und Schaltungen für die Kommunikationstechnik, Leistungselektronik und Sensorik. Leistungsstarke und hochbrillante Diodenlaser entwickelt das Institut für die Materialbearbeitung, Medizintechnik und Präzisionsmesstechnik. Für den Einsatz in der Quantentechnologie entwickelt das FBH photonische Komponenten und Module sowie Systeme, die auf ultrakalten Atomen basieren. Es erforscht und realisiert zudem Nitrid-basierte Bauelemente für kurzwellige UV-Lichtquellen oder Transistoren für sehr hohe Spannungen.

Die enge Zusammenarbeit des FBH mit Industriepartnern, Forschungseinrichtungen und Universitäten garantiert die schnelle Umsetzung der Ergebnisse in die Praxis. Für seinen erfolgreichen Technologietransfer wurde das Institut, das bereits elf Spin-offs hervorgebracht hat, schon mehrfach ausgezeichnet. „Wir arbeiten nicht nur als Wissenschaftler, sondern sind auch Schnittstelle zwischen Forschung und Industrie“, erläutert Prof. Günther Tränkle, Direktor des Ferdinand-Braun-Instituts, das Selbstver­ständnis, „daher beziehen wir schon frühzeitig die Interessen potenzieller Kunden in unsere Forschung ein.“ Mit seinen Joint Labs sichert das FBH die enge Verbindung zur universitären Forschung und schlägt so die Brücke zwischen grundlagen- und anwendungsorientierter Forschung bis hin zur Verwertung.

Das Institut beschäftigt mehr als 310 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter und hat einen Etat von 40,4 Millionen Euro. Es ist Teil des Forschungsverbundes Berlin e.V., gehört zur Leibniz-Gemeinschaft und ist in zahlreiche Netzwerke eingebunden, darunter die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD).

Intelligente Lösungen im Einsatz

Diodenlaser aus dem FBH zeichnen sich durch ihre geringe Größe und Präzision ebenso aus wie durch hohe Brillanz und Effizienz. Trotz seiner Reiskorngröße bringt es ein einzelner Laser auf eine Leistung von bis zu 30 Watt (Dauerstrichbetrieb) bzw. 200 Watt (Kurzpuls­betrieb). Das ist ungefähr 5.000- bzw. 25.000-mal mehr als ein Laser im CD-Player leistet. Diese Eigenschaften in Verbindung mit der außerordentlich hohen Zuverlässigkeit unter extremen Bedingungen führen dazu, dass sich FBH-Laser auch im Weltraum bewähren, beispielsweise in Atomuhren von GPS-Satelliten der neuen Generation. Die Einsatzgebiete der brillanten Lichtquellen sind vielfältig. In der Medizintechnik helfen sie bei der photodynamischen Krebstherapie, indem sie bei einer exakt definierten Wellenlänge ein in Tumorzellen angereichertes Medikament aktivieren – die befallenen Zellen werden zerstört. Weitere Anwendungen liegen bei optischen Präzisionsmessungen, in der Messtechnik, Sensorik und Materialbearbeitung (Schweißen, Löten, Beschriften).

Seit mehreren Jahren entwickelt das FBH hybride Lasermodule mit Strahlformungsoptiken, externen Resonatoren und Oszillator-Verstärker-Kombinationen. Solche streichholzgroßen Module können u.a. in der Displaytechnologie, etwa bei aufwändigen Großprojektionen in Planetarien oder Flugsimulatoren, schrankgroße Lasertypen ersetzen. Kompakte und flexible Pikosekunden-Laserquellen mit integrierten GaN-basierten Treibern erreichen Spitzenwerte in Bezug auf Strom und Pulsweite. Sie können u.a. in der Lasermaterial­bearbeitung oder bei biomedizinischen Untersuchungen (Fluoreszenzspektroskopie) eingesetzt werden.

Elektronische Bauelemente aus dem FBH finden sich in der Kommunikationstechnik und Leistungselektronik. Informations- und Kommunikationstechnologien, die Umwelt und Ressourcen schonen und gleichzeitig die Betriebskosten senken, sind in Bereichen wie etwa der drahtlosen Kommunikation unerlässlich. Für derartige Green-IT-Anwendungen werden dringend verbesserte Verstärker benötigt. Denn Mikrowellen-Leistungsverstärker machen nicht nur den Hauptanteil am Energieverbrauch von Basisstationen aus, sie sind auch Voraussetzung für die kommenden Mobilfunkgenerationen, die höhere Bandbreiten und neue spektrumseffiziente Modulationsverfahren bieten.

Darüber hinaus hat das FBH seine Aktivitäten im Bereich der Terahertz-Elektronik ausgebaut. Es bietet verschiedene Technologien bei monolithisch integrierten Schaltkreisen (MMICs) mit Grenzfrequenzen über 300 GHz. Dabei kommt ein Transfer-Substrat-Prozess zum Einsatz, der auch eine InP-auf-BiCMOS-Heterointegration auf Waferebene beinhaltet. Mit ihm können kompakte integrierte Frontend-Module für Radar-, Sensor- und Kommunikationssysteme realisiert werden.

Forschung und Entwicklung auf solider Basis

Basis der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sind die Material- und Prozesstechnologie in den Reinräumen des FBH. Auf Wafern entstehen mittels Epitaxie, durch MOVPE- und HVPE-Verfahren, hauchdünne Schichten mit den gewünschten Materialeigenschaften. Ein modernes, industriekompatibles Prozessequipment verarbeitet die Wafer weiter. Die Prozesslinie umfasst fotolitho­grafische Verfahren, nass- und trockenchemische Ätzprozesse sowie Metallisierungsschritte. Zum Schluss trennen Techniker die Chips aus dem Wafer und montieren sie zu optoelektronischen oder Hochfrequenz-Bauelementen. Etwa 2.000 Chips mit Mikrowellenschaltungen können auf einem 4-Zoll-Wafer gefertigt werden. Bei Laserchips passen sogar bis zu 10.000 Stück auf die Scheibe mit etwa 10 Zentimetern Durchmesser. Die Fertigung großer Stückzahlen wiederum reduziert die Herstellungskosten.

Lösungen & Services aus einer Hand

Für Partner aus Forschung und Industrie entwickelt das FBH hochwertige Produkte und Dienstleistungen, die exakt auf individuelle Anforderungen zugeschnitten sind. Seinem internationalen Kundenstamm bietet es Know-how und Komplettlösungen aus einer Hand: vom Entwurf bis zum lieferfähigen Modul, vom Entwicklungsauftrag bis zur Pilotserie.

Das Angebot reicht von der Epitaxie kundenspezifischer III/V-Halbleiter-Schichtstrukturen, Strukturierungsprozessen bis zu "maßgeschneiderten" Hochleistungsdiodenlasern und elektronischen Bauelementen. Es umfasst Services in Design und Simulation, Aufbau- und Verbindungstechnik sowie Zuverlässig­keitsuntersuchungen.