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



   101 Meldungen
18.05.2020
Festkörperphysik
Supraleitung: Materialien, die Vergangenheit und Zukunft unterscheiden können
Physiker der TU Dresden haben einen spontan zeitlich stabilen magnetischen Zustand mit verletzter Zeitumkehr Symmetrie in der Materialklasse der eisenbasierten Supraleiter entdeckt.
07.05.2020
Festkörperphysik
Neue Messmethode hilft, Physik der Hochtemperatur-Supraleitung zu verstehen
Von einer nachhaltigen Energieversorgung bis hin zu Quantencomputern: Hochtemperatur-Supraleiter könnten unsere heutige Technik revolutionieren.
01.05.2020
Festkörperphysik - Quantenphysik
Der richtige Abstand für eine ideale Beziehung
Regensburger Physiker maßschneidern die Bindung von Elektron-Loch-Paaren in atomar dünnen Kristallen und erleichtern damit die Suche nach neuen Quantenmaterialien.
27.04.2020
Festkörperphysik
Untersuchung der Entstehung von „metallischem Glas“ widerlegt jahrzehntealtes Paradigma der Glasforschung
Metallische Gläser sind Legierungen, die bei schnellem Abkühlen nicht kristallisieren.
27.04.2020
Festkörperphysik
Supraleitung: Der Wasserstoff ist schuld
Nickel soll ein neues Zeitalter der Supraleitung einläuten – das gestaltet sich allerdings schwieriger als gedacht. An der TU Wien konnte man nun erklären, woran das liegt.
22.04.2020
Elektrodynamik - Festkörperphysik - Quantenphysik
Studie zum Quantenphasen-Übergang im Josephson-Kontakt
Ein deutsch-französisches Forscherteam hat den Stromfluss von Cooper-Elektronenpaaren in Josephson-Kontakten untersucht.
15.04.2020
Festkörperphysik - Quantenphysik
Quantenphysik – oberflächlich betrachtet
Regensburger Physiker untersuchen nanometergroße konische Drähte, basierend auf neuartigen Materialien – und entdecken dabei eine Reihe interessanter Leitfähigkeitsphänomene an deren Oberflächen.
03.04.2020
Elektrodynamik - Festkörperphysik
Den Regen für Hydrovoltaik nutzen
Wassertropfen, die auf Oberflächen fallen oder über sie gleiten, können Spuren elektrischer Ladung hinterlassen, so dass sich die Tropfen selbst aufladen.
02.04.2020
Festkörperphysik - Quantenoptik
Wie man Schmutz einfach entfernt
Schmutz ist nicht immer gleich Schmutz.
30.03.2020
Festkörperphysik
Stabile Blasen und ein Wasserläufer bewahren Stahl vor Erosion
Physiker der Universität Magdeburg entwickeln neues Verfahren zum Schutz von Schiffspropellern und Turbinen.
24.03.2020
Festkörperphysik
Mehr Leistung für Hochfrequenzanwendungen: GaN-Hochfrequenztransistoren erreichen Rekord-Effizienz bei 100 Volt
F
19.03.2020
Festkörperphysik
Wie Moleküle sich selbst organisieren
Kieler Forschende kontrollieren die Größe von Molekül-Superstrukturen auf Oberflächen.
01.02.2019
Festkörperphysik - Optik
Etiketten der Zukunft: Dresdner Physiker schreiben, lesen und radieren mit Licht
Einem Team von Physikern unter Leitung von Prof.
29.01.2019
Festkörperphysik
Forscher der TUDresden entschlüsseln elektrische Leitfähigkeit von dotierten organischen Halbleiter
W
28.01.2019
Elektrodynamik - Festkörperphysik
Jülicher Forscher erhöhen Leerlaufspannung von Perowskit-Solarzellen
Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich ist es gelungen, die Leerlaufspannung von Perowskit-Solarzellen auf einen Rekordwert von 1,26 Volt zu erhöhen.
28.01.2019
Elektrodynamik - Festkörperphysik