Untersuchung von SiGe HBTs für Leistungsverstärker im Frequenzbereich von 200 GHz bis 500 GHz

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schröter
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462053628

Die stetig steigende Nachfrage nach mm- und sub-mm-Wellen Anwendungen in z.B. Kommunikation, Radar und Bildgebung stellt hohe Anforderungen an elektronische Systeme bzgl. Bandbreite, Ausgangsleistung und Energieeffizienz. Eine wichtige Komponente in solchen Systemen ist der Leistungsverstärker (PA), der gleichzeitig auch wesentlich zu deren Energieverbrauch beiträgt. Maßnahmen zum Erreichen höherer Bandbreite in Zukunft bestehen in der Verwendung höherer Trägerfrequenzen (als in aktuellen 5G Systemen) zusammen mit Phased-Arrays, deren aktive Antennenmatrix hunderte von PAs zur Steuerung der Abstrahlrichtung und zur Übertragung massiver multiple-input-multipleoutput Signale enthalten kann. Solche hochintegrierten Hochfrequenz (HF) Systeme können zur Zeit nur in Silizium-Germanium (SiGe) BiCMOS Technologie realisiert werden. Die Untersuchung sowohl der Leistungsfähigkeit existierender als auch der Anforderungen an zukünftige SiGe Heterojunction-Bipolartransistoren (HBTs) hinsichtlich der Realisierung von HF PAs mit hoher Aus-gangsleitung, Effizienz und Linearität ist daher von großem Interesse. Der Frequenzbereich ab 200 GHz, der für schnelle Datenübertragungen zwischen Prozessoren, in Pico- und Femtozellenumgebungen und der Sicherheitsüberwachung und für biologische und medizinische Untersuchungen relevant ist, hat bisher nur geringe Aufmerksamkeit erfahren. Bei diesen Frequenzen ist das gleichzeitige Erreichen ausreichender Ausgangsleitung und Effizienz eine hohe Herausforderung.Die Ziele des beantragten Projektes sind daher: (i) Untersuchung der maximal erreichbaren Leis-tungsdichte von SiGe HBT PAs im 200...500 GHz Bereich und die durch physikalische Effekte bedingten Grenzen der Leistungsfähigkeit basierend auf Messungen und ITRS/IRDS Vorhersagen. (ii) Untersuchung der Kompromisse bzgl. Ausgangsleistung, Effizienz, Verstärkung, Bandbreite und Linearität. (iii) Hochgenaue Modellierung des Großsignalverhaltens von HBTs und detaillierte Analyse von physikalischen Effekten, die während des nichtlinearen transienten Betriebs von PAs auftreten, mithilfe der numerischen Bauelementesimulation und gefertigten Schaltungen. (iv) Getrennte Messung der harmonischen Leistung, die während des nichtlinearen Großsignalbetriebs in PAs erzeugt wird, für z.B. die Modellverifikation. Die Arbeit in dem vorgeschlagenen Projekt umfasst Entwurf, Fertigung und Messung von PA Baublöcken. Die Leistungsfähigkeit bisheriger PA-Entwürfe wird u.a. durch die konservative Anwendung der Transistoren beschränkt, die aus der fehlenden Kenntnis des Einflusses wichtiger physikalischer Effekte in PAs und deren genauer Beschreibung in Kompaktmodellen resultiert. Solche bestehende Barrieren werden durch die Verwendung genauer geometrieskalierbarer physikalischer HBT Modelle, die Berücksichtigung verteilter thermischer und Substrat-Kopplungseffekte und den Betrieb der HBTs an ihren physikalischen Grenzen eliminiert, die dann eine gezielte PA Optimierung ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen