Leistungsstarke Bauelemente für die Funknetze von morgen
Galliumnitrid-Transistoren aus dem FBH erzielen internationale Spitzenwerte
Josef Zens
Galliumnitrid-Transistoren ver-
schiedener Leistungsklassen
aus dem FBH (100 Watt im Vor
dergrund) - Bild: FBH
Fernsehen auf dem Handy oder Videos drahtlos aus dem Internet herunterladen: Das Mobilfunknetz muss immer mehr Daten in immer kürzerer Zeit transportieren. Die Anforderungen an die Technik werden in Zukunft noch steigen - und das Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) liefert die Bauteile dazu: Neuartige Transistoren aus dem Halbleitermaterial Galliumnitrid (GaN) erreichen 100 Watt Ausgangsleistung im Dauerbetrieb und sind damit weltweit in der Spitzengruppe.
Solche Transistoren eignen sich für künftige breitbandige Anwendungen in der Mobilkommunikation, etwa als Verstärker für Basisstationen oder zur Unterstützung der reichweitenstarken Funktechnik WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Sie eröffnen komplett neue Systemkonzepte, die mit vergleichbaren, hinsichtlich der Absolutleistung konkurrierenden Bauelementen, nicht realisierbaren wären.
Um die Forschungsergebnisse des FBH bei GaN-Transistoren in Produkte zu überführen und zu vermarkten wurde im Januar 2006 die BeMiTec AG i.G. (Berlin Microwave Technologies) gegründet. Das siebenköpfige Gründerteam des Spin-offs besteht aus Wissenschaftlern des FBH und kann auf der Forschungskompetenz des Instituts aufbauen.
Was ist die Voraussetzung, um große Datenmengen immer schneller zu übertragen? "Ein Material mit exzellenten Eigenschaften", sagt Dr. Joachim Würfl, am FBH Abteilungsleiter Prozesstechnologie. Das neuartige Halbleitermaterial heißt Galliumnitrid, und Bauelemente, die daraus hergestellt werden, sind die Basis für breitbandige Hochleistungsanwendungen.
Das beginnt bereits beim Trägermaterial, dem Siliziumkarbid-Wafer (SiC), auf dem die aktiven Transistorschichten mittels Epitaxie aufgebracht werden. SiC besitzt eine hohe, mit Kupfer vergleichbare Wärmeleitfähigkeit und sorgt dadurch für eine sehr effiziente Kühlung der Bauelemente. Die aktiven Schichten aus Galliumnitrid oder Aluminium-Galliumnitrid (AlGaN) zeichnen sich durch eine große Stromtragfähigkeit verbunden mit einer hohen Betriebsspannung aus und erreichen dadurch extreme Leistungsdichten.
Damit realisieren die Wissenschaftler am FBH erstmalig miniaturisierte Höchstleistungs-Mikrowellenbauelemente mit vergleichsweise geringen parasitären Komponenten. Diese Eigenschaften bringen zusätzliche Vorteile wie Breitbandigkeit und hohe Linearität der Verstärkung. "Aufgrund der hohen Linearität erfüllen diese Bauelemente in idealer Weise die Anforderungen von Mikrowellen-Leistungsverstärkern in Verbindung mit digitalen Modulationsverfahren zur Signalübertragung", sagt Würfl.
Galliumnitrid-Wafer mit HEMT-Transistoren (HEMT = High Electron Mobility Transistor) Bild: FBH/Schurian
Die GaN-Leistungstransistoren bieten dadurch die Voraussetzung für mobile Dienste mit hohem Datenaufkommen, die Zusammenfassung mehrerer Dienste in einem einzigen Verstärkermodul sowie für eine Verkleinerung der Baugruppen. Daher ist zu erwarten, dass sie im Bereich der Mobilkommunikation in den nächsten Jahren die derzeit verwendeten LDMOS-Transistoren (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) auf Siliziumbasis und die alliumarsenid-Transistoren ersetzen.
Der international stark wachsende Markt in der drahtlosen Kommunikation (Mobilfunk, WLAN, WiMAX) stellt immer höhere technische Anforderungen an die Sendeverstärker in den Basisstationen. Anwendungen wie mobiles Internet erfordern eine flächendeckende breitbandige Versorgung. Dies gilt auch für personalisierte mobile Dienste wie Mobile Video on Demand, Mobile Video Conferencing oder hochauflösendes Mobil-TV, die auf den umsatzstarken Endverbrauchermarkt zielen.
Insbesondere der WiMAX-Standard, der derzeit in zahlreichen Feldversuchen weltweit erprobt wird, verspricht einen Markt in Milliardengröße. Im freien Außenbereich sind so Reichweiten bis zu 20 km bei Datenraten bis 108 Mbit/s möglich. Die Reichweite ist damit deutlich höher als bei der derzeitigen WLAN-Technik. Handelsübliche WLAN-Endgeräte bringen es üblicherweise auf 100 m Reichweite im Außenbereich. Diese Eigenschaft macht Verstärker auf GaN-Basis auch attraktiv für ländliche Gebiete oder Großstädte mit schwacher Kabelinfrastruktur.
Ein weiterer Einsatzbereich sind konfigurierbare Basisstationen für den Mobilfunkbereich. Durch ihre Breitbandigkeit bedienen solche Basisstationen verschiedene Mobilfunkstandards auf unterschiedlichen Frequenzen. Da nur noch ein Grundtyp gefertigt werden muss, reduzieren sich die Herstellungs- und Betriebskosten.
Auch für Weltraumanwendungen, zum Beispiel an Bord von Kommunikationssatelliten, sind die neuen Transistoren attraktiv, da sie unempfindlich gegen die kosmische Strahlung sind. So können sie in Umgebungen eingesetzt werden, in denen andere Bauelemente bereits versagen oder aufwändig geschützt werden müssen. Es ist weiterhin zu erwarten, dass GaN-Leistungsverstärker künftig schwere und sperrige Verstärker auf Wanderfeldröhren-Basis in den entsprechenden Leistungsklassen ersetzen werden.
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