Mehr Leistung für Hochfrequenztransistoren

Die Leistungs­dichte von Transistoren ist eines der wichtigsten Kriterien für ihren Einsatz in Höchstleistungs­anwendungen im Gigahertz-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-Institut für Angewandte Festkörper­physik IAF in Freiburg 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 einhundert Volt geeignet sind. Diese Bauelemente auf Basis des Halbleiters Galliumnitrid zeichnen sich durch eine wesentlich erhöhte Leistungs­dichte bei Frequenzen im Gigahertz-Bereich aus. 

Die Leistungs­fähigkeit dieser neu entwickelten Bauelemente für den Frequenz­bereich von ein bis zwei Gigahertz konnte bereits im Labor nachgewiesen werden: Messungen ergaben eine Leistungs­dichte von mehr als 17 Watt pro Millimeter und einen Leistungs­wirkungsgrad von 77,3 Prozent bei einer Frequenz von einem Gigahertz. Dies ist der höchste erzielte Leistungs­wirkungsgrad für einen 100-Volt-Betrieb in diesem Frequenzbereich, von dem jemals berichtet wurde. In Versuchen konnte sogar gezeigt werden, dass diese Technologie bei 125 Volt eine Leistungs­dichte von über zwanzig Watt pro Millimeter aufweist. „Durch die Erhöhung der Betriebs­spannung von fünfzig auf einhundert Volt werden höhere Leistungs­dichten ermöglicht. Das bedeutet, dass ein System mehr Leistung auf gleicher Fläche liefern kann, als dies mit kommerziell erhältlichen 50-Volt oder 65-Volt-Techno­logien möglich ist“, sagt Entwickler Sebastian Krause vom Fraunhofer IAF.

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 einhundert Volt weist der Transistor eine vierfach höhere Ausgangsimpedanz für eine gegebene Leistung auf“, sagt Krause. Dadurch werden kleinere und damit weniger verlust­behaftete Anpass­netzwerke realisierbar, was wiederum eine höhere Energie­effizienz des Gesamtsystems bewirkt. „Das langfristige Ziel unserer Entwicklung ist ein Betrieb bei bis zu zehn Gigahertz“, sagt Krause. Damit wäre das Fraunhofer-Institut die erste Quelle solcher 100-Volt-Bauelemente auf Galliumnitrid-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-Volt-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 etwa halbleiter­basierte Chips, Datenspeichermedien oder Solarzellen herzustellen. 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 Elektronik­systeme mit hohem Leistungs­bedarf dominiert. Inzwischen geht die Entwicklung jedoch in Richtung von Leistungs­halbleitern. In der 100-Volt-Technologie auf Gallium­nitrid-Basis sehen die Wissenschaftler eine effiziente Alternative für die Leistungs­steigerung von Mikrowellen­generatoren.

Fh.-IAF / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Krause et al.: High-Power-Density AlGaN/GaN Technology for 100-V Operation at L-Band Frequencies, 2019 IEEE Int. Elec. Dev. Meeting (IEDM), San Francisco; DOI: 10.1109/IEDM19573.2019.8993632
• Elektronische Schaltungen, Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF, Freiburg