Prozessierte X-Band-Verstärkerschaltungen auf Basis des Halbleiters Galliumnitrid.
Fraunhofer IAF
Erstmals wird ein europäisches Bauteil auf Basis des Halbleiters Galliumnitrid an Bord eines Satelliten eingesetzt. Robuster, kompakter und leichter als die bislang eingesetzten Lösungen verspricht die neue Technologie die Kommunikationselektronik in der Raumfahrt deutlich zu verbessern.
Erstmals wird ein europäisches Bauteil auf Basis des Halbleiters Galliumnitrid (GaN) auf die Reise ins Weltall geschickt. Eine fünf- bis zehnfache Verbesserung bei den Signalstärken und der Datenübertragung wird erwartet. Für das Kommunikationssystem des Satelliten Proba-V hat das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg eine Verstärkerschaltung für den Frequenzbereich von 8 bis 8.5 GHz (X-Band) entwickelt. Tesat-Spacecom in Backnang hat gemeinsam mit Schott Electronic Packaging ein für die Raumfahrt geeignetes, hermetisch dichtes Gehäuse gefertigt, in das der Galliumnitrid-Verstärker zusammen mit weiteren Komponenten eingebaut wurde.
Galliumnitrid-Halbleiter sind robust und zuverlässig
Galliumnitrid-Bauteile können bei deutlich höheren Spannungen und Temperaturen als die bislang eingesetzten Silizium- oder Gallium-Arsenid-Komponenten betrieben werden. Die Schaltungen sind kompakter, kleiner und leichter als die bisherigen Lösungen. Zukünftig könnten sie sogar die zur Verstärkung überwiegend eingesetzten Elektronenröhren ersetzen. Aufgrund der langen Lebensdauer und Strahlungshärte des Halbleitermaterials sind die elektronischen Bauteile ideal für die extremen Bedingungen der Luft- und Raumfahrt geeignet. „In beschleunigten Lebensdauertests haben wir gemeinsam mit Tesat-Spacecom nachgewiesen, dass der Galliumnitrid-Verstärker mindestens 20 Jahre hält“, erzählt Dr. Patrick Waltereit, Projektleiter am Fraunhofer IAF.
Leistungshalbleiter erweitert Grenzen der Silizium-Technologie
Galliumnitrid eignet sich aufgrund seiner außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften besonders für den Einsatz in der Leistungselektronik. Verglichen mit konventionellen Halbleitern, wie Silizium oder Galliumarsenid, besitzt Galliumnitrid einen größeren Bandabstand (3,4 eV) und eine höhere Durchbruchfeldstärke (3,3 MV/cm). Die höhere Spannungsfestigkeit und Stromdichte sorgen für eine Steigerung der Leistungsdichte in Anwendungen um den Faktor fünf. Zudem ist der nutzbare Frequenzbereich bei Galliumnitrid größer, wodurch mehrere Funktionen in einem Chip integriert werden können. Die thermische Robustheit des Halbleiters führt zu einer deutlichen Reduzierung des Kühlaufwands und spart somit nicht nur Energie, sondern auch Kosten.
So sind die kompakten und energieeffizienten Galliumnitrid-Bauteile nicht nur für Anwendungen der Luft- und Raumfahrt interessant, sondern sollen zukünftig auch in Spannungswandlern für die Batterie von Elektroautos, Solaranlagen oder Haushaltsgeräten eingesetzt werden. Sie bieten vor allem Potenzial für Anwendungen, bei denen hohe Leistung und Lebensdauer, auch bei rauen Umweltbedingungen, gefragt sind. Hier stößt die Silizium-Technologie an ihre Grenzen.