GaN-Transistoren erreichen Rekord-Effizienz von 77,3% bei 100 V

Forscher am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF konnten die Ausgangsleistung ihrer GaN-basierten Hochfrequenztransistoren für den Frequenzbereich von 1 bis 2 GHz erheblich steigern: Sie haben die Betriebsspannung der Bauelemente von 50 auf 100 V verdoppelt und damit einen Leistungswirkungsgrad von 77,3% erreicht.

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IAF

Mit der nachfolgend skizzierten Weiterentwicklung wird es nun möglich, hocheffiziente Verstärker mit noch höherer Leistung zu realisieren, 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 – beides ist maßgeblich hinsichtlich der Herstellungskosten und den benötigten Ressourceneinsatz.

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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 V 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 bis 2 GHz konnte im Labor nachgewiesen werden: Messungen ergaben eine Leistungsdichte von mehr als 17 W/mm und einen Leistungswirkungsgrad (PAE) von 77,3% bei einer Frequenz von 1,0 GHz. Dies ist laut IAF 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 V 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. Daher wird es zum einen möglich, leistungsfähigere Systeme bei gleicher Größe herzustellen. Zum anderen sind dadurch auch kompaktere und leichtere Systeme bei gleicher Leistung realisierbar, weil weniger Chip-Fläche zum Erreichen des gewünschten Leistungs-Levels 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, sodass kleinere und damit weniger verlustbehaftete Anpassungsnetzwerke realisierbar sind, was wiederum eine höhere Energieeffizienz des Gesamtsystems bewirkt. Das langfristige Ziel unserer Entwicklung ist ein Betrieb mit bis zu 10 GHz.“

Einsatz in industriellen Höchstleistungsanlagen

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. „In der Plasmaerzeugung arbeitet die Industrie meistens mit höheren Frequenzen“, so Krause, „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.“

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

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