Zuverlässige AlGaN/GaN-HEMT-Transistoren für Alphasat Weltraummission
Abb. 1: Mittlere Ausfallzeit (mean-time to failure MTTF) als Funktion der Kanaltemperatur während Lebensdauertests bei Drain-Spannung von 30 V und Kanaltemperatur von 250°C (2 Transistoren 8x250 µm) bzw. 280°C (jeweils 2 Transistoren: 8x250 µm und 8x125 µm).
Abb. 2: Mikroskopische Aufnahme eines 2x50 µm AlGaN/GaN-HEMTs, der vom FBH für das Strahlungsumfeldexperiment an Bord des Alphasat-Satelliten geliefert wurde.
AlGaN/GaN-HEMTs werden zunehmend von verschiedenen Herstellern als marktfähige Produkte angeboten. Daher sind ihre Leistungsdaten von besonderer Bedeutung, vor allem aber ihre Stabilität und Zuverlässigkeit. Das FBH hat dazu im Rahmen des Forschungsprojektes "GaN-Benchmarking" systematisch Bauelemente verglichen, die auf Epitaxie-Wafern verschiedener Lieferanten hergestellt wurden. In dem von der Europäischen Weltraumagentur ESA teilfinanzierten Projekt wurde der stabile und reproduzierbare Prozess eingesetzt, der am FBH für die Herstellung von AlGaN/GaN-HEMT-Transistoren für Mikrowellenanwendungen entwickelt wurde [1]. Um den besten Epitaxie-Lieferanten zu bestimmen, wurden die prozessierten Bauelemente systematischen Lebensdauertests unterzogen. Als Kriterium für den Ausfall eines Bauelements wurde das Absinken des Ausgangsstromes um 10% definiert. Thermisch beschleunigte Untersuchungen der Zuverlässigkeit wurden bei verschiedenen Kanaltemperaturen durchgeführt, um die mittlere Ausfallzeit (mean-time-to-failure MTTF) zu ermitteln. Wird eine exponentielle Abhängigkeit zwischen der Dauer der Alterung und der Kanaltemperatur während des Betriebes zugrunde gelegt, zeigten die Bauelemente, die auf den besten Epitaxie-Wafern prozessiert wurden, eine extrapolierte Lebensdauer von über 107 Stunden (> 1000 Jahre) für den Standardbetrieb bei der Kanaltemperatur von 125°C (Abb. 1) [2].
Nachdem das FBH seinen stabilen und reproduzierbaren GaN-HEMT-Prozess erfolgreich demonstriert hatte, wurde dem Institut angeboten, Bauelemente für ein Experiment an Bord des Kommunikationssatelliten Alphasat zu liefern [3]. Ziel dieses Experiments ist der Test von Bauelementen ausgewählter europäischer Hersteller unter realen Weltraumbedingungen, insbesondere die Untersuchung ihres Verhaltens gegenüber kosmischer Strahlung. Für das von der Universität Aveiro und von EFACEC (beide Portugal) entworfene Experiment fertigte das FBH speziell optimierte GaN-Bauelemente. Diese wurden in ein 2 GHz-Oszillatorexperiment integriert, das nach dem Erreichen des Weltraums in geostationärer Umlaufbahn die Fernabfrage seiner eigenen Parameter wie z.B. Ausgangsleistung oder DC-Stromänderungen ermöglicht [4]. Abb. 2 zeigt die mikroskopische Aufnahme eines der gelieferten Transistoren.
Alle notwendigen Tests, um mit der Installation an Bord des Alphasat-Satelliten zu beginnen, wurden im Mai 2011 erfolgreich abgeschlossen. Der Start der Ariane 5 mit dem Alphasat-Satelliten ist für Mitte 2012 geplant. Das Zusatzlast-Experiment, das die Effekte der Weltraumumgebung verfolgen wird, ist für eine Missionsdauer von drei Jahren ausgelegt. In dieser Zeit werden kontinuierlich Daten bezüglich des Strahlungsumfeldes in geostationärer Umlaufbahn und dessen Auswirkungen auf GaN-basierte elektronische Komponenten aufgezeichnet und zur Erde gesendet. Diese Daten sind von besonderer Bedeutung für die weitere Optimierung der GaN-Elektronik für hochzuverlässige Weltraumanwendungen.
Publikationen:
[1] P. Kurpas, I. Selvanathan, M. Schulz, H. Sahin, P. Ivo, M. Matalla, J. Splettstoesser, A. Barnes, J. Würfl, "Stable and reproducible AlGaN/GaN HFET processing highly tolerant for epitaxial quality variations", Compound Semiconductor Manufacturing Conference Digest (CS MANTECH), pp. 141-144, 2010.
[2] P. Kurpas, M. Schulz, I. Selvanathan, R. Lossy, H. Sahin, J. Splettstoesser, K. Hirche, R. Jost, A. Barnes, J. Würfl, G. Tränkle, "Reliability Benchmarking of AlGaN/GaN-HFETs On Epitaxial Wafers From Different Vendors", Proc. Reliability Of Compound Semiconductors (JEDEC ROCS) Workshop, May 16, 2011, Indian Wells, USA, pp. 137-140, 2011.
[3] Framework for the ESA Alphasat Programme: http://telecom.esa.int/telecom/media/document/Alphasat_fact_sheet_20100604_WEB.pdf
[4] H. Mostardinha, P. M. Cabral, N. B. Carvalho, P. Kurpas, M. Rudolph, J. Würfl, J. C. Pinto, A. Barnes, F. Garat, "GaN RF Oscillator Used in Space Applications",
Proc. Workshop on Integrated Nonlinear Microwave and Millimetre-wave Circuits (INMMiC) 2010, 26.-27. April 2010, Göteborg, Sweden.
FBH-Forschung: 28.11.2011