Die Leistungsdichte von Transistoren ist eines der wichtigsten Kriterien für ihren Einsatz in Höchstleistungsanwendungen im GHz-Bereich. Sie bestimmt die Baugröße von Verstärker-Modulen und damit in hohem Maße auch die Systemkomplexität – beide sind maßgeblich für die Herstellungskosten und den benötigten Ressourceneinsatz.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Leistungsdichte von Transistoren zu erhöhen.Forscher am Fraunhofer IAF haben den Weg über eine Erhöhung der Betriebsspannung gewählt: Durch eine vertikale und laterale Skalierung des Transistor-Designs ist es ihnen erstmals in Europa gelungen, Hochfrequenztransistoren zu realisieren, die für Anwendungen bei einer Betriebsspannung von 100 Volt geeignet sind. Diese Bauelemente auf Basis des Halbleiters Galliumnitrid (GaN) zeichnen sich durch eine wesentlich erhöhte Leistungsdichte bei Frequenzen im GHz-Bereich aus.

Labormessungen zeigen Rekord-Wirkungsgrad

Die Leistungsfähigkeit dieser neu entwickelten Bauelemente für den Frequenzbereich von 1 - 2 GHz konnte bereits im Labor nachgewiesen werden: Messungen ergaben eine Leistungsdichte von mehr als 17 W/mm und einen Leistungswirkungsgrad (PAE) von 77,3 Prozent bei einer Frequenz von 1,0 GHz. Dies ist der höchste erzielte Leistungswirkungsgrad für einen 100‑V‑Betrieb in diesem Frequenzbereich, von dem jemals berichtet wurde. In Versuchen konnte sogar gezeigt werden, dass diese Technologie bei 125 V eine Leistungsdichte von über 20 W/mm aufweist. Die Forscher präsentierten ihre Ergebnisse erstmals auf dem International Electron Devices Meeting (IEDM) im Dezember 2019 in San Francisco.

Doppelte Spannung für vielfach höhere Leistung

»Durch die Erhöhung der Betriebsspannung von 50 auf 100 Volt werden höhere Leistungsdichten ermöglicht. Das bedeutet, dass ein System mehr Leistung auf gleicher Fläche liefern kann, als dies mit kommerziell erhältlichen 50‑V‑ oder 65‑V‑Technologien möglich ist«, erklärt Sebastian Krause vom Fraunhofer IAF, einer der Hauptentwickler der Technologie.

So wird es zum einen möglich, leistungsfähigere Systeme bei gleicher Größe herzustellen. Zum anderen können dadurch auch kompaktere und leichtere Systeme bei gleicher Leistung realisiert werden, da weniger Chipfläche zum Erreichen des gewünschten Leistungslevels benötigt wird: »Durch das Verdoppeln der Betriebsspannung auf 100 V weist der Transistor eine vierfach höhere Ausgangsimpedanz für eine gegebene Leistung auf«, führt Krause aus. Dadurch werden kleinere und damit weniger verlustbehaftete Anpassnetzwerke realisierbar, was wiederum eine höhere Energieeffizienz des Gesamtsystems bewirkt.

Einsatz in industriellen Höchstleistungsanlagen

»Das langfristige Ziel unserer Entwicklung ist ein Betrieb bei bis zu 10 GHz«, berichtet Krause. Damit wäre das Freiburger Fraunhofer-Institut die erste Quelle solcher 100‑V‑Bauelemente auf GaN-Basis. Dies ist vor allem für Höchstleistungsanwendungen wie Teilchenbeschleuniger, industrielle Mikrowellenheizungen, Mobilfunkverstärker, Puls- und Dauerstrichradar sowie Verstärker für Plasmageneratoren von großem Interesse. In der Regel benötigen solche Anlagen sehr viel Leistung bei gleichzeitig geringem Volumenbedarf der Komponenten – also genau das, was die 100‑V‑Technologie ermöglichen soll.

Teilchenbeschleuniger spielen in der Forschung, Medizintechnik und der Industrie eine wichtige Rolle. Plasmageneratoren im Hochfrequenzbereich werden beispielsweise in industriellen Prozessen zur Beschichtung eingesetzt, um u.a. halbleiterbasierte Chips, Datenspeichermedien oder Solarzellen herzustellen.

Leistungshalbleiter lösen Vakuumbauelemente ab

Ein weiterer großer industrieller Anwendungsbereich sind Leistungsgeneratoren für Mikrowellenheizungen. »Im Bereich der Plasmaerzeugung arbeitet die Industrie meistens mit höheren Frequenzen, allerdings nutzen viele Anwender nach wie vor Vakuumbauelemente wie etwa Magnetrone oder Klystrone. Hier arbeiten wir daran, eine Alternative auf Halbleiterbasis bereitzustellen, da Halbleiter deutlich kompakter und leichter sind und sich damit beispielsweise Anordnungen wie Phased Arrays realisieren lassen«, sagt Krause.

Lange Zeit haben röhrenbasierte Bauelemente (z.B. Wanderfeldröhren) Elektroniksysteme mit hohem Leistungsbedarf dominiert. Inzwischen geht die Entwicklung jedoch in Richtung von Leistungshalbleitern. In der 100‑Volt‑Technologie auf GaN-Basis sehen die Wissenschaftler des Fraunhofer IAF eine effiziente Alternative für die Leistungssteigerung von Mikrowellengeneratoren.