Onderzoekers van TNO Defensie en Veiligheid en collega‘s van het Duitse Fraunhofer-instituut voor toegepaste vastestoffysica hebben een Europees record gevestigd. Nog niet eerder waren Europeanen erin geslaagd een vermogensversterker-IC van galliumnitride te maken die zoveel vermogen produceerde bij een frequentie van 28 GHz. De onderzoeksgemeenschap heeft de vinding met enthousiasme onthaald. Ze beloonde de presentatie van ontwerper Marc van Heijningen op de European Microwave Integrated Circuits conferentie met een prijs voor de beste contributie.
Vermogensversterkers worden veel toegepast in de draadloze communicatiesector. Ze zijn de laatste component waar het signaal langs moet, voordat het naar de antenne gaat. Ze zorgen ervoor dat het uitgezonden signaal sterk genoeg is om te kunnen worden opgepikt door de ontvanger. De versterkers vinden gretig aftrek voor bijvoorbeeld mobieltjes en draadloze Lan-netwerken. TNO is in zulke commercieel interessante producten zeker geïnteresseerd, maar kijkt ook nadrukkelijk naar meer specialistische markten zoals satellietcommunicatie en defensietoepassingen.
De vermogensversterkers van TNO zijn zogenaamde Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMIC‘s). Deze chips worden, net als silicium IC‘s, gemaakt volgens lithografische technieken en kunnen dus goedkoop in massa worden geproduceerd. Het voordeel van MMIC‘s is dat ze verschillende functies, actieve onderdelen en passieve elementen integreren op één IC. Ze zijn dus goedkoper en kleiner dan hun niet-monolithische broertjes, de ’hybride‘ MIC‘s.
TNO ontwerpt de MMIC‘s zelf, maar beschikt niet over een foundry om ze te fabriceren. Zij werken daarom samen met onder meer het Duits-Franse United Monolithic Semiconductors, het Taiwanese Win Semiconductors en Philips Research-dochter Ommic. Deze partners leveren de modulaire bibliotheken waarmee TNO zijn circuits ontwerpt in Advanced Design System. Dat is een designtool van meetspecialist Agilent voor hoogfrequente systemen en circuits. TNO heeft wel de apparatuur in huis om de MMIC‘s in huis te testen en het design verder te optimaliseren.
Het bijzondere van het ontwerp van TNO is dat de MMIC‘s zijn gemaakt van galliumnitride (GaN). ’Voor vermogensversterkers is niet GaN, maar halfgeleider galliumarsenide (GaAs) de standaard. Ik vermoed dat zo‘n beetje elk mobieltje wel een MMIC van dat materiaal bevat‘, vertelt Van Heijningen.
GaAs was ooit de heilige graal van de halfgeleiderindustrie, met superieure eigenschappen ten opzichte van silicium. Maar het heeft nooit zijn weg gevonden naar mainstream toepassingen als microprocessoren en geheugens. De halfgeleiderwereld had namelijk al te veel onderzoekseuro‘s in silicium gestoken om GaAs een eerlijke kans op een inhaalrace te geven. Bovendien is GaAs duur vergeleken met silicium. Daarom heeft het slechts in beperkte mate toepassing gevonden, behalve in MMIC‘s onder meer ook in infrarood-leds, laserdiodes en zonnecellen.
Ook voor MMIC‘s van GaAs waren er op grond van theoretische overwegingen wel betere alternatieven te vinden. GaN, bijvoorbeeld. ’Dat heeft een grotere bandgap. Veel voordelen vloeien daar uit voort‘, legt Van Heijningen uit. De bandgap refereert naar de energie die elektronen moeten meekrijgen om van toestand te veranderen. Normaalgesproken zwemmen de elektronen rond in de zogenaamde valentieband. Maar onder toevoer van energie kunnen de elektronen naar de conductieband overspringen. De aan- of afwezigheid van elektronen daarin beïnvloedt de eigenschappen van het halfgeleidermateriaal en dus de MMIC. ’Hoe groter de bandgap, hoe moeilijker het is om de elektronen te laten verspringen. Hierdoor zijn MMIC‘s gemaakt van GaN beter bestand tegen kosmische straling en blijven ze ook bij hogere temperaturen werken.‘
Een ander voordeel van GaN ten opzichte van galliumarsenide is de hogere breakdown-spanning. Dit is de maximale spanning waarbij de transistoren nog kunnen werken. MMIC‘s gemaakt van GaN werken bij hoge spanning.
’Satellieten, schepen en vliegtuigen gebruiken een busspanning van rond de 50 volt. Met GaN vermogensversterkers hoef je die dan niet meer naar een lager voltage te transformeren. Dat scheelt weer energie.‘ Als gevolg van de hogere breakdown-spanning is het ook mogelijk om meer vermogen te produceren. De zogenaamde vermogensdichtheid, vermogen per transistorafmeting, ligt bij GaN wel tien maal hoger dan bij GaAs. De GaN MMIC‘s kunnen dus efficiënter omgaan met stroom. ’Daarom heb je bij vergelijkbare vermogens minder stroom nodig en een kleiner chipoppervlak. Daarmee kun je het design goedkoper uitvoeren en wordt de totaaloplossing beter in vergelijking met GaAs.‘
Europa heeft een aardige achterstand op het gebied van GaN MMIC‘s ten opzichte van Amerika en Japan. In de VS is veel van dit onderzoek als defensiegevoelig aangemerkt. Die kennis mag het land niet uit. ’Europa moet die achterstand inhalen. Binnen het Korrigan-project van het European Defence Agency werken 29 partners uit zeven landen daaraan‘, vertelt Van Heijningen. ’Nederlandse bijdragen komen van Thales Nederland en TNO. Met onze MMIC‘s van GaN lopen we weer een paar stapjes in. Onze resultaten op 28 GHz lopen nu in de pas met de Amerikaanse resultaten.‘
Behalve satellietcommunicatie zijn MMIC‘s ook geschikt voor meer commerciële toepassingen. TNO werkt daar zelf niet aan. ’De MMIC‘s zijn geschikt voor de Wimax-standaard voor breedbandige draadloze netwerken en het W-CDMA-protocol voor mobiele telefonie. Daar beginnen de eerste commerciële GaN-producten op de markt te komen.‘ Ook automotive is een geschikt toepassingsgebied. ’Door het hete motorblok moet veel elektronica worden afgeschermd of op relatief koele plekken worden aangebracht. Dankzij de grote bandgap kunnen deze MMIC‘s bij hoge temperatuur hun werk blijven doen en is dat dus niet nodig. GaN is ook heel geschikt voor het schakelen van grote spanningen en vermogens. Dat komt van pas in hybride en elektrische voertuigen en nieuwe 42 volt automobielelektronica.‘
Het zal overigens nog wel even duren voordat er echte producten met TNO‘s vinding zullen verschijnen. ’We zitten nu nog in de demonstratiefase. We willen bijvoorbeeld ook nog bij veel hogere frequenties gaan werken.‘ De eer van de eerste toepassing valt waarschijnlijk defensie ten deel. ’We denken aan een kleinere en efficiëntere radar‘, aldus Van Heijningen.