Forschung im Fokus

Klasse-S-Demonstrator
Klasse-S-Demonstrator

GaN-Leistungsverstärker mit internationalen Bestwerten

Mobil zu telefonieren, Daten auszutauschen und unterwegs zu Surfen ist Standard für Nutzer der mobilen Kommunikation. In der Folge haben sich Basisstationen für Mobilfunk und drahtlose Datenübertragung weltweit zu einem Großverbraucher elektrischer Energie entwickelt. Um die Übertragungsverfahren der nächsten Generation für höhere Datenraten überhaupt umweltverträglich umsetzen zu können, zielen Forschungsarbeiten auf die Energieeffizienz der Basisstationen.

Das FBH erforscht in einem BMBF-Projekt gemeinsam mit den Industriepartnern Alcatel-Lucent und EADS Mikrowellen-Leistungsverstärker auf der Basis von Galliumnitrid (GaN), die nach dem neuartigen Klasse-S-Konzept aufgebaut sind. Ein FBH-Demonstrator erzielte nun mit digitalen GaN-ICs eine Leistung von 9 Watt und drang damit erstmals in den 10-Watt-Bereich vor. Ein Bestwert, bei dem die Projektpartner zugleich Pionierarbeit leisten, denn die Arbeiten zu Klasse-S-Verstärkern befinden sich international noch im Anfangsstadium. Dabei sind sie für die Industrie hoch attraktiv, da derartige Verstärker auch in der Endstufe mit digitalen Signalen arbeiten, die erst direkt vor der Antenne mithilfe eines Filters in ein analoges Signal umgewandelt werden. Dies ermöglicht theoretische Effizienzen von bis zu 100 Prozent. Zudem kann einer dieser Klasse-S-Verstärker viele verschiedene Funktionen übernehmen, etwa mehrere Frequenzbänder bedienen und diverse Services ausführen – für jede Aufgabe war bisher jeweils ein spezieller Verstärker notwendig.


Kurzpulsdiodenlaser mit hoher Leistung und Zuverlässigkeit

Ob zur optischen Vermessung, Illumination, Fernerkundung oder zum Entfernen von Lacken – überall wo kurze, energiereiche Lichtpulse benötigt werden, kommen zunehmend Diodenlaser zum Einsatz. Sie ersetzen größere, unflexible Festkörperlaser und erschließen durch ihre besonderen Eigenschaften neue Anwendungen. Bei diesen Diodenlasern kann die Dauer und Folgefrequenz der Laserpulse durch die elektrische Ansteuerung in einfacher Weise – mit einem Stromimpuls durch die Laserdiode – eingestellt werden. Dauer und Frequenz liegen typischerweise bei einigen 10 ns bis 100 ns beziehungsweise einigen kHz. Am FBH ist es jetzt gelungen, die Leistungsfähigkeit solcher Kurzpulsdiodenlaser weiter zu steigern. Durch spezielle Designs der internen Schichtstruktur und der Resonatorgeometrie sowie der am FBH entwickelten Spiegeltechnologie konnte die Ausgangsleistung aus einem Diodenlaser mit 100 µm breiten Kontaktstreifen auf nahezu 100 W im Impulsbetrieb gesteigert werden. Damit sind Impulsenergien von 30 µJ bei Impulsdauern von 300 ns möglich, die für viele der genannten Anwendungen interessant sind. Erste Tests der Zuverlässigkeit zeigen, dass nach 3 x 107 Impulsen keinerlei Leistungsabfall oder gar eine Schädigung der Spiegel, die immerhin Leistungsdichten oberhalb 100 MW/cm² ausgesetzt sind, auftreten.

Publikation:

"Assessment of the limits to peak power of 1100nm broad area single emitter diode lasers under short pulse conditions" 


GaN-Schichten für leistungsfähigere Bauelemente

GaN-Wafer
2,6 mm dickes Galliumnitrid

Galliumnitrid (GaN)-Substrate sind die Voraussetzung für violette Laser und ermöglichen die hohen Speicherdichten der Blu-ray Discs. Auch für Leistungstransistoren aus GaN wären sie hochinteressant – sobald sie kostengünstig zur Verfügung stehen. Die Substrate werden gegenwärtig aufwändig als Einzelstücke gefertigt, da größere Kristalle derzeit nicht herstellbar sind. Das FBH entwickelt dazu das Verfahren der Hydrid-Gasphasenepitaxie weiter, das Wachstumsraten von mehreren hundert Mikrometern in der Stunde erlaubt. Bisher wurden Kristalle mit 2 Zoll Durchmesser und 3 mm Länge in der benötigten Qualität hergestellt. Das FBH arbeitet weiter an Verbesserungen der Kristallqualität als Voraussetzung für noch längere Kristalle.