Millimeterwellen-Schaltungen

mHEMT Technologie

Die benötigten monolithisch integrierten Mikrowellenschaltungen (MMICs, engl. monolithic microwave integrated circuits) zur Realisierung der Hochfrequenzkomponenten, werden in der metamorphen High-Electron-Mobility-Transistor (mHEMT)-Technologie des Fraunhofer IAF gefertigt. Die mHEMTs basieren auf einem Indiumgalliumarsenid (InGaAs) Kanal mit hohem Indiumgehalt, um ein exzellentes Rauschverhalten, vergleichbar mit Indiumphosphid (InP) basierten HEMTs, zu erzielen. Dabei werden konventionelle Galliumarsenid (GaAs) Wafer verwendet, was die Technologie kosteneffizient gestaltet. Um die unterschiedlichen Gitterkonstanten zwischen dem GaAs-Substrat und den aktiven Schichten aneinander anzupassen, wird eine metamorphe Pufferschicht auf das Substrat aufgewachsen. Aufgrund der hohen Elektronenbeweglichkeit im Kanal und des Einschlusses der Ladungsträger in einem Quantentopf mit zweidimensionalem Elektronengas (2DEG), eignet sich die HEMT-Technologie besonders für hochfrequente und rauscharme Anwendungen.

T-Gate
© Foto Fraunhofer IAF

T-Gate eines 100nm-Transistors

Die aktiven Schichten werden mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE, engl. molecular beam epitaxy) auf 4“ semiisolierenden GaAs-Wafern abgeschieden. Um parasitäre Substratmoden zu verhindern, beinhaltet die Fertigung einen Rückseitenprozess, in dem die Wafer zunächst auf 50 µm herunter gedünnt werden. Anschließend werden mittels Trockenätzung Durchkontaktierungen auf die Substratvorderseite hergestellt. Abschließend wird die Rückseite vergoldet. Z

usätzlich zu den aktiven Bauteilen stehen zum Schaltungslayout Metall‑Isolator‑Metall (MIM) Kondensatoren, NiCr-Dünnschichtwiderstände, eine Luftbrückentechnologie sowie Übertragungsleitungen als Mikrostreifenleitung bzw. koplanare Wellenleiter mit rückseitiger Massefläche (GCPW, engl. grounded coplanar waveguide) zur Auswahl. Am Fraunhofer IAF werden mHEMTs mit Gatelängen von 100 nm, 50 nm, 35 nm und 20 nm hergestellt.

Radar MMIC für Modul 2

MMIC
© Foto Fraunhofer IAF

MMIC für Modul 2

Der MMIC für Modul 2 ist als Einzelchip ausgelegt und beinhaltet sowohl die Aufbereitung des Sendesignals, als auch die Verarbeitung des empfangenen Echo-Signals. Dabei wird ein außerhalb des MMICs erzeugtes Signal im Frequenzbereich um 15 GHz verwendet, welches zunächst ins W-Band Frequenz vervielfacht wird. Ein Teil des Signales wird als Sendesignal nachverstärkt und auf den Antennenport gekoppelt. Auf der HF-Platine kommt eine Vivaldi-Antenne als kombinierte Sende- und Empfangsantenne zum Einsatz. Die Trennung von Sende- und Empfangssignal erfolgt mit einem auf dem MMIC integrierten Lange-Koppler. Das Empfangssignal wird, nach einem rauscharmen Eingangsverstärker, phasengleich geteilt und mit einem IQ‑Mischer zur nachfolgenden Signalverarbeitung heruntergemischt. Die beiden Lokaloszillator-Eingänge (LO) der I- und Q-Mischer erhalten ihr zueinander 90° phasenverschobenes Signal von einem zweiten Lange-Koppler, dessen Signal aus dem Sendepfad ausgekoppelt wird.

Weitere Informationen:


A Compact W-band LFMCW Radar Module with High Accuracy and Integrated Signal Processing
Zech, C., Hülsmann, A., Schlechtweg, M., Reinold, S., Giers, C., Kleiner, B., Georgi, L., Kahle, R.,  Becker, K.F., Ambacher, O.,  to be published in THz Technology and Systems, EuMW, (2015). (to be published)

Radar System Components to Detect Small and Fast Objects
Axel Hülsmann, Christian Zech, Mathias Klenner, Axel Tessmann, Arnulf Leuther, Daniel Lopez-Diaz, Michael Schlechtweg, Oliver Ambacher,  SPIE DSS Baltimore, 9483-11, (2015). (to be published)

Metamorphic HEMT technology for low-noise applications
Leuther, A.; Tessmann, A.; Kallfass, I.; Losch, R.; Seelmann-Eggebert, M.; Wadefalk, N.; Schafer, F.; Gallego Puyol, J.D.; Schlechtweg, M.; Mikulla, M.; Ambacher, O. In: Indium Phosphide & Related Materials, 2009. IPRM '09. IEEE International Conference on , vol., no., pp.188-191, 10-14 May 2009

35 nm metamorphic HEMT MMIC technology
Leuther, A.; Tessmann, A.; Massler, H.; Losch, R.; Schlechtweg, M.; Mikulla, M.; Ambacher, O. In: Indium Phosphide and Related Materials, 2008. IPRM 2008. 20th International Conference on , vol., no., pp.1-4, 25-29 May 2008

20 nm metamorphic HEMT WITH 660 GHZ FT
Leuther, A.; Koch, S.; Tessmann, A.; Kallfass, I.; Merkle, T.; Massler, H.; Loesch, R.; Schlechtweg, M.; Saito, S.; Ambacher, O. In: Compound Semiconductor Week (CSW/IPRM), 2011 and 23rd International Conference on Indium Phosphide and Related Materials , vol., no., pp.1-4, 22-26 May 2011