Entwicklung hybrider und integrierbarer Verstärker für den mm-Wellenbereich
von
Dr. Hartmut Mattes
Im Mikrowellenlabor des MPIfR wurde eine Messstation zur Messung von Halbleiterkomponenten entwickelt. Diese ermöglicht die exakte Messung der S-Parameter von HEMTs (High Electron Mobility Transistor) im Frequenzbereich 0,1-50 GHz bei einer Umgebungstemperatur von 15 K. Da diese Messeinrichtung bessere und konstantere Ergebnisse liefert als die derzeitig einzige kommerziell erhältliche Station, werden auch Messungen für andere Institutionen wie das Daimler-Chrysler Forschungsinstitut in Ulm und für NASA-JPL im MPIfR durchgeführt. Die Kenntnis der S-Parameter bei Kryotemperaturen ist für die Entwicklung von kryogenisch kühlbaren MMICs ( Integrierte Schaltkreise, z.B. Verstärker) unerlässlich. Zudem lassen sich festkörperphysikalische Eigenschaften von aus verschiedenen Elementmischungen bestehenden Halbleitermaterialien (Compound Semiconductors: GaInAs, AlInAs) besser bestimmen, wenn infolge der geringen Schwingungen der Gitteratome des Halbleitermaterials keine Wechselwirkung der Ladungsträger mit denselben eintritt. Da die NASA in Satelliten zur Messung von Gasen in der Atmosphäre wegen der höheren Detektions-Empfindlichkeit zunehmend kryogenisch gekühlte Empfangssysteme einsetzt, ist die Entwicklung von kühlbaren integrierten Schaltkreisen von großer Bedeutung. Seit 1995 nimmt das MPIfR am NASA CHOP-Programm (Cryogenic HEMT Optimization Program) teil. Gegenwärtig werden im Zuge dieses Programms MMIC Verstärker bis 230GHz entwickelt.
Bild 2 zeigt einen vierstufigen Verstärker für 80-100 GHz mit InP-HEMTs. Der eigentliche Verstärker-Chip misst nur 2 mm x 0.5 mm und ist als helleres Rechteck zwischen den Ein- und Ausgangs-Hohlleiterkrümmern zu erkennen. Die große, im oberen Teil sichtbare Platine enthält eine Siebkette zur Unterdückung von Transienten auf der Vorspannung für die HEMTs. Verstärker diese Typs sind im 3 mm VLBI-Empfänger für das Effelsberger 100 m Teleskop eingesetzt. Diese Verstärker haben ein Eigenrauschen von 50-60 K bei 24 dB Verstärkung.
In Bild 3 ist ein weiteres Beispiel für einen kryogenisch kühlbaren integrierten Verstärker im Frequenzbereich 26-40 GHz dargestellt. Man erkennt links im Hohlleiter eine Koppelsonde. Hier wird das Signal aus dem Hohlleiter ausgekoppelt und über eine kurze Koaxialleitung, erkennbar als Zylinder auf eine Al2O3 Mikrostreifenleitung (hellgrauer Streifen) geleitet. Die schwarze Fläche in der 50 W Mikrostreifenleitung ist der eigentliche Verstärker. Er besteht aus 3 Stufen mit einer Verstärkung von 26 dB bei ca. 21 Kelvin Eigenrauschen bei 15 Kelvin Umgebungstemperatur. Diese Verstärker wurden für einen Empfänger mit 7 Hornantennen und 14 Kanälen für den Sekundärfokus des 100 m Teleskops entwickelt. Als Endausbaustufe wird an einen Empfänger mit 91 Hornantennen und 182 Kanälen gedacht, welcher auf einer Fläche von 1.50 m x 1.40 m untergebracht werden könnte.
Bei niedrigeren Frequenzen werden Verstärker aus einzelnen Komponenten entwickelt (hybride Bauweise). Diese Bauweise hat den Vorzug , dass auch ohne einen nur von der Groß-Industrie durchführbaren technologisch sehr aufwendigen und teuren Halbleiterprozeß Verstärker gebaut werden können. Es werden einzelne InP-HEMTs eingesetzt, welche mit Hilfe der Bondtechnik mit 17.5 µm dicken Golddrähten (Bonddrähten) elektrisch mit der Schaltung verbunden werden. Durch die individuelle Anpassung der Bonddrahtlängen ist eine optimale Abstimmung der Verstärker möglich. Für kleine Stückzahlen ist diese Bauweise der sehr aufwendigen MMIC-Technologie vorzuziehen. Bild 4 zeigt einen solchen Verstärker.
Die ersten beiden Stufen des Verstärkers sind mit extrem rauscharmen Indium-Phosphid (InP) HFETs (Hetero-Structure-Field-Effect-Transistor) aus dem NASA CHOP Programm bestückt , während die folgenden beiden Stufen mit kommerziell erhältlichen GaAs-HFETs (Fujitsu FHR20X) bestückt sind. Bild 5 und Bild 6 zeigen die jeweiligen Transistoren von TRW und Fujitsu. Diese Transistoren weisen eine koplanare Zuleitungsstruktur auf und werden in der in Bild 1 gezeigten Proberstation vermessen.
Aus Bild 7 sind die Größenverhältnisse von MMIC- und Hybridverstärkern zu ersehen.
Es ist ein TRW InP-HFET dargestellt mit 0.1 µm Gatelänge und 160 µm Gateweite. Links in der Bildmitte ist die Gatekontaktfläche zu erkennen, daran anschließend die Aufteilung in vier Zuleitungen zu den vier parallelelen Gatefingern. Die Aufteilung in parallele Leitungen erfolgt, um die parasitären ohmschen Leitungswiderstände sowie die Induktivitäten möglichst klein zu halten. Die eigentlichen Gateleitungen sind durch einen Luftbrücke, welche die beiden Sourceanschlußfächen verbindet, verdeckt. Rechts in der Bildmitte befindet siche der Drainanschluß. Die Transistoren werden mittels Bonddrähten, welche auf den Kontaktflächen festgeschweißt werden, mit der eigentlichen Verstärkerschaltung verbunden. Dieser Transistortyp wird mit Gatelängen zwischen 70 und 100 nm (0.07-01 µm) und Gateweiten zwischen 30 und 30 µm hergestellt. Transistoren mit 70 nm Gatelänge und 40 µm Gateweite werden in den 230 GHz MMIC-Verstärkern eingesetzt. Die Größe des abgebildeten Transistorchips ist 240 x 300 µm.
Dieser Transistor ist bis 40 GHz einsetzbar. Unten in der Mitte erkennt man den Gateanschluss, darüber in der Mitte den mit drei Bonddrähten versehenen Drainanschluss und rechts und links die Source Anschlüsse. Die beiden Gatefinger, welche beidseits von der Gatekontaktfläche abzweigen, erkennt man jeweils als dünnen braunen Streifen zwischen den Source und Drain Kontaktflächen. Die Gatelänge beträgt 0.15 µm und die Gateweite 150 µm. Die Größe des Transistorchips beträgt 350 X 450 µm.
Es sind im rechten Teil des Bildes ein 33-50 GHz Hybridverstärker dargestellt. Unten im Bild ist ein 80-110 GHz Verstärker mit integriertem Isolator (Richtleitung in Hohlleitertechnik) zu sehen. Die eigentlichen in dem Gehäuse integrierten vierstufigen Verstärker (MMICs) sind in der geöffneten Packung oben links zu erkennen. Das Innenleben diese Verstärkers ist in Bild 2 dargestellt.