Mehr Leistung für Hochfrequenzanwendungen: GaN-Hochfrequenztransistoren erreichen Rekord-Effizienz bei 100 Volt

Mehr Leistung für Hochfrequenzanwendungen: GaN-Hochfrequenztransistoren erreichen Rekord-Effizienz bei 100 Volt

Physik-News vom 24.03.2020

Forschern am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF ist es gelungen, die Ausgangsleistung ihrer GaN-basierten Hochfrequenztransistoren für den Frequenzbereich von 1 - 2 GHz erheblich zu steigern: Sie haben die Betriebsspannung der Bauelemente von 50 Volt auf 100 Volt verdoppeln können und damit einen Leistungswirkungsgrad von 77,3 Prozent erreicht. Mit dieser Technologie wird es nun möglich, hocheffiziente Verstärker mit noch höherer Leistung zu entwickeln, wie sie für Anwendungen in den Bereichen Plasmaerzeugung, industrielle Erwärmung sowie in Kommunikations- und Radartechnologien erforderlich sind.

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.


Die 100-Volt-Technologie ist für Höchstleistungsanwendungen wie Plasmageneratoren, Teilchenbeschleuniger sowie industrielle Mikrowellenheizungen von großem Interesse.

Publikation:


S. Krause, P. Brückner, M. Dammann and R. Quay
High-Power-Density AlGaN/GaN Technology for 100-V Operation at L-Band Frequencies
2019 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USA, 2019, pp. 17.4.1-17.4.4.

DOI: 10.1109/IEDM19573.2019.8993632



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.


100-V-Galliumnitrid-Leistungstransistor mit einer Ausgangsleistung von 600 W bei einer Frequenz von 1,0 GHz.

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 bewirk



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.

Diese Newsmeldung wurde mit Material des Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF via Informationsdienst Wissenschaft erstellt



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Festkörperphysik
Waldbrände in Kanada sorgen für stärkste jemals gemessene Trübung der Stratosphäre über Europa
Waldbrände können die Sonneneinstrahlung in der oberen Atmosphäre noch stärker trüben als Vulkanausbrüche.
10.04.2018
Festkörperphysik
Neue Methode für Einblicke in Wechselwirkungen zwischen Molekülen / Atomar definierte Mess-Spitze
Nanowissenschaftler der WWU zeigen nun in einer im Fachmagazin „Nature Nanotechnology“ veröffentlichten Studie, wie die Strukturen organischer Moleküle mit ungeahnter Genauigkeit sichtbar gemacht werden können. Die neue Methode basiert auf der Rasterkraftmikroskopie.
10.04.2018
Festkörperphysik - Quantenoptik
Fraunhofer INT und Fraunhofer Space auf der ILA 2018: Bestrahlungstests und Satellitentechnologie
Auf der ILA 2018 in Berlin präsentiert das Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen INT am Stand 202 in Halle 4 den Nachbau einer Co-60-Bestrahlungsanlage und bestrahlte Materialproben, die den Einfluss von Strahlung auf verschiedene Materialien veranschaulichen.
09.04.2018
Festkörperphysik
Winzige Nanomaschine absolviert erfolgreich Probefahrt
Wissenschaftler der Universität Bonn und des Forschungszentrums caesar in Bonn haben mit Kollegen aus den USA aus Nanostrukturen eine winzige Maschine konstruiert, die sich auf einem Rad gezielt in eine bestimmte Richtung bewegen kann.
06.04.2018
Festkörperphysik - Quantenoptik
Winzige Strukturen – große Wirkung
Materialwissenschaftler der Universität Jena gestalten Oberfläche winziger, gekrümmter Kohlenstofffasern durch Laserstrukturierung
05.04.2018
Festkörperphysik
Neuer Weg zu atomar dünnen Materialien
Weg mit dem Silizium: Titancarbid-Nanoplättchen aus Titansiliziumcarbid durch selektives Ätzen
03.04.2018
Festkörperphysik
Deutsch-französisches Forscherteam entdeckt „Anti-aging“ in metallischen Gläsern
Metallische Gläser unterliegen derselben natürlichen Entwicklung wie wir Menschen: sie altern.
03.04.2018
Festkörperphysik - Quantenphysik
Von der Quantenebene zur Autobatterie
Neue Entwicklungen brauchen neue Materialien.
03.04.2018
Elektrodynamik - Festkörperphysik
Ein Drittel des Sonnenlichts in Strom wandeln – 33,3 Prozent Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben gemeinsam mit der Firma EVG eine neue Mehrfachsolarzelle auf Silicium entwickelt, mit der genau ein Drittel der im Sonnenlicht enthaltenen Energie in elektrische Energie gewandelt werden kann.
29.03.2018
Festkörperphysik
Die Grenzen der Haftung
Konstanzer Physiker können in Kollaboration mit italienischen Fachkollegen zeigen, dass die Haftreibung zwischen Oberflächen völlig verschwinden kann
26.02.2018
Festkörperphysik
Sonnenkonzentrat aus der Folie
Bisher sind es nur Zukunftsvisionen: Farbige Hausfassaden etwa, die auch bei miesem Wetter Sonnenstrom produzieren, oder Elektroautos, die ihre Batterien selbst im Schatten mit solaren Ampères laden können.
11.07.2017
Festkörperphysik
Wie ein Material zum Supraleiter wird: Phänomen der Elektronenpaare beobachtet
Hochtemperatur-Supraleiter sind Materialien, die bei tiefen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand verlieren und damit Strom ohne Verlust transportieren können - und das im Gegensatz zu konventionellen Supraleitern bereits bei vergleichsweise hohen Temperaturen.
30.06.2017
Festkörperphysik
TU Ilmenau und Physikalisch-Technische Bundesanstalt entwickeln neue Waage für das neue Kilogramm
Wenn nächstes Jahr, 2018, das Kilogramm neu definiert wird, werden die Technische Universität Ilmenau und die Physikalisch-Technische Bundesanstalt die Waage entwickelt haben, die nötig ist, um es zu messen: die Planck-Waage.
30.06.2017
Festkörperphysik
Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen
Großes Potenzial für Anwendungen in der gezielten Pharmakotherapie und zur Herstellung maßgeschneiderter Nanoteilchen
23.11.2015
Festkörperphysik - Klassische Mechanik
Wie begann die Plattentektonik auf der Erde?
Mantelplume setzte das erste Abtauchen der Lithosphärenplatte in Gang.
30.01.2015
Festkörperphysik - Quantenphysik - Relativitätstheorie
Wie allgemein ist die Allgemeine Relativitätstheorie?
Egal ob Feder, Apfel oder Ziegelstein: Im Vakuum, wenn es keine Reibung mehr gibt und nur noch die Gravitation wirkt, fallen alle Körper gleich schnell.

News der letzten 7 Tage     7 Meldungen


15.10.2020
Monde - Astrophysik
Magnetfeld auf dem Mond ist Überbleibsel eines uralten Kerndynamos
Eine internationale Simulations-Studie unter Beteiligung von Forschenden des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ in Potsdam zeigt, dass alternative Phänomene wie Asteroiden-Einschläge keine ausreichend großen Magnetfelder erzeugen.
13.10.2020
Quantenphysik - Quantenoptik
Meilenstein in der Quantenphysik: Physikern gelingt der kontrollierte Transport von gespeichertem Licht
Patrick Windpassinger und sein Team demonstrieren, wie sich in einer Wolke aus ultrakalten Atomen gespeichertes Licht über ein "optisches Förderband" transportieren lässt.
13.10.2020
Sonnensysteme - Planeten - Astrobiologie
Erdähnliche Planeten besitzen oft einen Bodyguard
Eine Gruppe von Astronomen hat ermittelt, dass die Anordnung von Gesteins-, Gas- und Eisplaneten in Planetensystemen offenbar nicht zufällig ist und von nur wenigen Anfangsbedingungen abhängt.
12.10.2020
Sterne - Schwarze_Löcher
Tod durch Spaghettisierung: Die letzten Momente eines von einem schwarzen Loch verschlungenen Sterns
Astronomen haben mit Teleskopen der Europäischen Südsternwarte (ESO) und anderer weltweit tätiger Organisationen einen seltenen Lichtblitz von einem Stern entdeckt, der von einem supermassereichen schwarzen Loch zerrissen wird.
12.10.2020
Planeten - Satelliten
Neues Wasservorkommen auf dem Mars entdeckt
Ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter Beteiligung der Jacobs University Bremen hat Hinweise auf die Existenz mehrerer Gewässer gefunden, die unter der Südpolkappe des Mars verborgen sind.
12.10.2020
Teilchenphysik
Wenn Mensch und Maschine dieselbe Idee haben
Über Iridiumoxid muss man völlig anders nachdenken als bisher – zu diesem Ergebnis kam nun sowohl ein menschliches Forschungsteam als auch ein Machine Learning Algorithmus.
07.10.2020
Optik - Quantenphysik
Intelligente Nanomaterialien für Photonik
In Kombination mit Lichtwellenleitern ermöglichen 2D-Materialien mit herausragenden optischen Eigenschaften ganz neue Anwendungen im Bereich der Sensorik, der nichtlinearen Optik und der Quantenelektronik.