Master: Mikro- und Nanotechnologienhttp://www.tu-ilmenau.de/imn
Technische Universität Ilmenau
GaN-basierende Mikro- und Nanosysteme
Institut für Mikro- und Nanotechnologien
O. AmbacherV. CimallaV. LebedevG. EckeK. TonischF. WillM. NiebelschützM. AliG. KittlerB. LübbersCh. WangD. ChengerJ. PezoldtT. Stauden
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Besondere Eigenschaften der Gruppe-III-Nitride
Spontane und piezoelektrische Polarisation
GaN-basierende Sensoren
Sensoren für Nano-Tröpfchen
Mikromechanik und Aktorik mit AlN
Resonatoren
InN für THz-Generation
THz-Strahlung
Anwendungen und Visionen
Klasse-S Verstärker
Detektion biochemischer Reaktionen
Wiegen von Zellen
Inhalt und Motivation
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1 nm
1 m
10 km
Quadrat-Nanometer
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2.44 m7.32 m
100 m
10 m
10 mμ
Quadrat-Nanometer
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Wichtige Grundlagen:
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Piezoelektrische Polarisation
PPP
Eext.E ext.Eext.
E c
P
P
P =0
Dielektrische Materialien:Polarisation in Anwesenheiteines elektrischen Felds(z.B. Quartz)
Ferroelektrische Materialien:Polarisation zeigt eineHysterese,(z.B. BaTiO ).3
Pyroelektrische Materialien:Polarisation auch ohne einäußeres elektrisches Feld,
(hexagonale Gruppe-III-Nitride).Spontane Polarisation
Pyroelektrische Materialien sind auch immer piezoelektrisch.
Ferroelektrische Materialien sind pyro- und piezoelektrisch.
SP
SP
SP
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GaN AlNP(GaN) P(AlN)
++
E = - Pε εo
=Ud
Spontane Polarisation
N
N
NN
N
Al
Al-N
Al-N
a
c
Strukturelle Ursachen für das Entstehen der spontanen Polarisation!
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GaNGaN
AlNAlN
+σ
+σ
−σ−σ
+σ
+σ+
+
-
P
P
AlN/GaN-Heterostruktur
GaN E = Pεε 0
-PPPE
PSP
+ + + + + + ++
- - - - -- --+
+
- -
-σ
+σ
dPolarisations induzierte Grenzflächenladungen
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2-dimensionale Elektronengase
Entstehung eines polarisationsinduzierten 2DEGs.
2DEG
GaNGaN
AlNAlN+σ
-σ
+σ
+ +OO
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Flächenladungsdichte
0.1 0.2 0.3 0.4 0.50 0.6Al-Konzentration x
10
10
10
10
11
12
13
14
)P + (P σe PESP
Al Ga N/GaN20-30 nm/2000 nm
x 1-x
10
10
10
10
11
12
13
14
105 15 25 3520 30 400Barrieren-Dicke [nm]
2DE
GF
läch
en
lad
un
gsd
ich
te[c
m]
2D
EG
Flä
ch
enla
du
ng
sd
ich
te[c
m]
x = 0.45
x = 0.30
x = 0.15
-2-2
Variation der Elektronen-Flächenladung durch Änderung des Al-Gehalts und der Dicke der AlGaN-Barriere.
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Oberflächen-Donator
2D
EG
Ga-face
+σGaN
E D+
0
0.5
1.0
1.5
-0.5
Tiefe [nm]0 10 20 30 40 50 60 70
Al Ga N0.3 0.7
0
1
2
3Ga-faceAlGaN
LBK
+σGaN
ED0
0.5
1.0
1.5
-0.5
Tiefe [nm]0 10 20 30 40 50 60 70
0
1
2
3L
eitu
ngsb
and
kan
te[e
V]
Lei
tun
gsb
and
kan
te[e
V]
[10
cm]
19
-3E
lekt
rone
nko
nze
ntr
atio
n
[10
cm
]1
9-3
Ele
ktro
nen
kon
zen
trat
ion
Mit Sauerstoff besetzte Oberflächenzustände wirken als Donatoren.
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AlGaN/GaN-Mikrostrukturen für die Sensorik?
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Ionen-Sensor
Ga-face
2DEG
GaNAlN
Al O2 3
-σ-σ
-σ
+σ
+σT
i/Al
SiN x+ ++-
-
-
--
--
-flux
0 100 200 300 400 500Zeit [s]
Ele
ktr
on
en-F
läch
en
dic
hte
[cm
]-2
10
10
10
10
10
1014
13
12
11
10
9
- -+
Al Ga N0.3 0.7
Jegliche Manipulation der Oberflächenladung hat Einfluss auf das 2DEG.
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2DEG 2DEG
GaN GaN
AlN AlN
GaN GaN
GaN Ox y
Oberflächenoxid
Kontrollierte Bildung eines Oberflächenoxids.
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Wasserstoff-Sensor
Ga-faceTi/AlPt
2DEG
GaNAlN
AlGaN
Al O2 3
-σ
-σ
+σ
+σ
trockene Luft + Testgas
Pt
2DEG
AlGaN
GaN
-+
H2
O
Str
om
än
der
un
g
[mA
]
Zeit [min]
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 20 40 60 80
H -Konzentration in ppm2
100
30
500
1600
AlGaN/GaN-Heterostruktur als Sensor für Wasserstoffgas.
Industrie-Partner:
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„Herzschlag“
Elektrokardiogramm eines Clusters aus schlagenden Herzzellen.
APL 86 (2005) 33901.
0 2 4 6 8 10 12 14
-40-20
0204060
Zeit [s]
f = 1.7 Hz
Δμ
V
[
V]
DS
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2DEG2DEG
H O3+
protonizeddeprotonized
OH-
Protonierte Oberfläche
Säure Base
2DEG reagiert auf die Protonierung oder Deprotonierung der Oberfläche.
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pH-Sensor
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Sensitivität, Selektivität
Zeit [s]0 100 200 300
0.53
0.54
0.55
0.56
0.57
Sou
rce-
Dra
in S
tro
m
[mA
]
U = 1.0 VU = 0.0 V
DS
Ref
ΔpH = 0.02
5.87
6.53
6.88
7.18
7.447.66
7.97
0 2 4
HKNaCaCl
6 8 10 12
-300
-200
-100
0
100
200
300
pH, pK , pNa, pCa, pCl
+++
-2+
Ob
erfl
äch
enp
ote
nti
al
[mV
]
Sensitivität einer O:GaN/AlGaN/GaN-Struktur auf Protonen in einer wässrigen Lösung.
Dynamikbereich und Selektivität des Sensors.
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Mitochondrium und F1-ATPase
Mitochondrium (V ~ 0.5 pl)
ATPase
Zitronen-säure-zyklus
Acetyl-CoA
Pyruvat Fettsäure
ADP+P
ATP
ΔpH = 1.4
NAD
2O
22H O
ATPase
H+
H+H+ H+H+
e-e-
CO2
NADH
H+
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Sterile Umgebung
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Dosier-System
Dosierkopf für kleinste Tröpfchen wässriger Lösungen:VTropf = 1 nl – 5 plf = 1 – 300 Hz
Kontakte
Glasplatte
Piezoaktor
Düse
Silicium
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Direkte optische Messung der Tröpfchen-Volumen bis zu 5 pl!
V = 133 plV = 11 pl
V = 370 plV = 4.5 pl
Tröpfchenvolumen
Industrieller Partner:
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Mischen von Nanotröpfchen
Mischen von Nanotröpfchen mit gekreuzten Oberflächenwellen-Bauelementen.
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Sensor Array
Sieben transparente AlGaN/GaN-Sensoren in Silicium- oder LTCC-Rahmen.
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Sensor-, Dosier- und Positioniersystem
Sterile Umgebung mit kontrollierterLuftfeuchte und Temperatur.
Computer gesteuerte Dosierung, Positionierung und Messung.
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Enzym: Lipase
Das Enzym Lipase spaltet Fette in kleine Bestandteile auf. Gespaltene Fette können von der Dünndarmwand aufgenommen werden und über die Blutbahn im ganzen Körper verteilt werden.
Lipase
Leber
Magen
Gallenblase
Zwölffinger-darm Bauchspeicheldrüse
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Histone Deacetylase-ähnlicheAmidohydrolase (HDAH)
Das Enzym HDAH wird eingesetzt um Gene zu identifizieren die bei Vorliegen von Krebs in erhöhter Konzentration auftreten.
Enzym: HDAH
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Optical Marker
pH-Wert reduziert sich
4-Nitrophenylacetylate
Essigsäure
transparent gelb
Absorption steigt
Reaktion wird durch Enzyme (LIpase, HDAH) katalisiert
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Empfindlichkeit des Detektors.
Optische Detektion
Emission der Laserdiode.
λ [nm]350 400 450 500
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0Em
issi
on
[r
.u.]
412 nm 419 nm
λ [nm]350 400 450 500
10
10
10
10 Para
nit
rop
hen
ol
Emp
fin
dlic
hke
it [
r.u.] 0
-1
-2
-3
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Passivierter AlGaN/GaN-Sensor für die pH-Wert-Messung von Mikro- und Nanotröpfchen.
Ag/AgCl-Referenz
KCl-AgaroseLaser-strahl
Tröpfchen
Sensoraufbau
Laser/Mikrooptischer Aufbau
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Nachweis von Enzymen
Optische Detektion einer biochemischen Reaktion (katalytische Reaktion zwischen Lipase und Ac-pnp).
Elektrische Messung des pH-Wertes zum Nachweis einer
biochemischen Reaktion zwischen HDAH und Ac-pnp.
0 5 10 15 20 25 300.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
time [min]
optic
al tr
ansm
issi
on
5 l (Ac-pnp) + 5 l (lipase)μ μ
-2 0 2 4 6 8 10
7.4
7.6
7.8
8.0
8.2
8.4
time [min]
pH
dosi
ng 2
00 n
l
Ac-npn
Ac-npn + HDAH
micro droplet
nano droplet
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Applikation, Vision
Identifikation von BakterienpH-Wert Sensoren
Industrielle Partner:
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AlN/Si-basierende Mikro- und Nanoresonatorenzur Bestimmung von Viskosität und Temperatur von kleinsten Flüssigkeitsmengen.
Mikro- und Nanoresonatoren
Si
AlGaN
GaN
Au
Nanotröpfchen
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Vorteile AlN-basierender Mikro- und Nanomechanik?
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Motivation
Innenohr Basilarmembran
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100 - 200 nm
Reihen von Haarzellen Innere Haarzelle Flimmerhärchen
1013 Oszillationen in einem Menschenleben!
Mechanische Eigenschaften
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Elektromechanische Eigenschaften
Amplitude der Oszillation entspricht dem Durchmesser
eines Atoms
Vergleichbar einer Schwingung des Eifelturms
um 1 cm
HaarzelleFlimmerhaar: Ø 0.2 μm x 10 μm
Masse: 10-13 g
Volumen: 0.3 μm3
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Resonator aus AlN:Haar: Ø 80 μmResonatorbreite: 4 μmResonatordicke: 200 nm
Mikro- und Nanoresonatoren
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Umgebung 11005.2piezo, Laser (thermisch)
Si-Paddel11 × 0.2 × 0.2
4
82
0.17-- 9.2
0.7 - 3.3
1000
f[MHz]
5
3
2
1
Umgebung 400--500piezo (PZT)SiO2-Resonator(25-400)×(6-20)×2
4.2K, 8T, UHV
21000LorentzAlN-Resonator3.9 × 0.2 × 0.17
~ 6000
500
Q
piezo (ZnO)
Lorentz
Drive & sense
<10 PaSCS on SOI-Resonator100 × 20 × 4
4.2K, 3-8T, UHV
SiC-Resonator1.1 × 0.12 × 0.075
BemerkungMEMS, l × w × t[μm × μm × μm]
- --
~
1. Caltech: X.M.H. Huang, C.A. Zorman, M. Mehregany, M.L. Roukes, Nature 421, 496 (2003).2. Georgia Tech: G. Piazza, R. Abdolvand, F. Ayazi, Proc. IEEE MEMS2003.3. Maryland: B. Piekarski, D. DeVoe, M. Dubey, R. Kaul, J. Conrad, Sensors&Actuators A91, 313 (2001).4. Cornell: L. Sekaric, M. Zalalutdinov, R.B. Bhiladvala, A.T. Zehnder, J.M. Parpia, H.G. Craighead,
Appl. Phys. Lett. 81, 2641 (2002).5. UC Santa Barbara: A.N. Cleland, M. Pophoristic, I. Ferguson, Appl. Phys. Lett. 79, 2070 (2001).
Vergleich von MEMS
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Geometrie, Design
d
eig
1eig
hohes Ausgangssignal
?maximaleEmpfindlichkeit
hohe Masse,große Abmessungen
kleinste Abmessungen
optimaler Resonator
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅+
⋅⋅≈
eigeigf
w
w
f
Qηρπη
ρ
023
2Gütefaktor
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅+
⋅⋅≈ηρπη
ρ
0
Gütefaktor
Δ−≈Δ
Änderung der Eigenfrequenzmm
ffΔ
−≈Δ2
Änderung der Eigenfrequenz
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Au-Metallisierung einer AlN/Si-Heterostruktur.
Strukturierung der Au-Schicht.
Anisotropes Ätzen der AlN-Schicht.
Unterätzen des Resonatorbalkensund Realisierung der Au-Kontakte.
Au/AlN/Si-basierende MEMS
Au
AlN
Si-Substrat
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piezoelektrische AlN-Resonatoren
SEM-Bilder von AlN-basierenden Mikro- und Nanoresonatoren.
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200 µm
Gepulste Anregung
Signal Signal
Signal
- -
-
-
U
US
D
t
t
0
?
Resonator
Generator 1 Generator 2
Verstärker
U
U
T
Trigger
t
Oszi
Q =ln(2) ln(2)
π πt0.5
Tp= N
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Eigenfrequenz, Güte
Eigenfrequenz und Güte von SiC- und AlN-Resonatoren mit Breiten von 1 μm und Dicken von etwa 150 nm.
50 100 150 250Resonatorlänge [ m]μ
50 100 150 250Resonatorlänge [ m]μ
60
100
200
400
600
1000
2000
10
10
10
10
10
in Luft
in Vakuum
AlN
SiCEi
genf
requ
enz
[kH
z]
Güt
e Q
1
2
3
4
5
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Applikation
U-förmiger AlN-Resonator (150 μm x 50 μm x 200 nm) in Luft.
Resonator bedeckt durch ein Nano-tröpfchen von Isoprophanol.
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Adhärierte Gewebszelle auf einem Mikroresonator.
AlN-Resonator: 75 μm x 8 μm x 200 nmfeig = 420 kHz
Nach dem Adhärieren der Zelle:feig = 61.7 kHz
Zellmasse: 1.5 ngMittlere Zelldichte: ~ 1.5 g/cm³
Applikation, Vision
Δf = - f eig eig12
Δmm
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Vision
Biomimetischer Sensor
Nanodrähte
AlGaN/GaN
Al O2 3
2DEG
Nanodraht
Depletion
Drehmomentdurch
StrömungKraft auf AlGaN
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InN für „optische“ Applikationen?
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THz-Strahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen mit Frequenzen von 0.1 – 10 THz.Wellenlänge: 30 μm – 3 mmEnergie: 0.4 – 40 meV
Interessanter Übersichtsartikel:Ferguson and Zhang in Nature 2002“Materials for THz science and technology”
THz-Strahlung
http://www.iaf.fhg.de
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Silicon Gold
D. Clery, Science 297 (2002) 761
Bei Frequenzen von etwa 100 GHz reflektieren Wasser und Metalle
elektromagnetische Wellen. Papier und Kleidung sind nahezu transparent.
THz-Strahlung ist wie Röntgenstrahlung aber kann über Entfernungen von mehr als 25 m eingesetzt werden.
Applikation
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Verdächtige Stelle an einermenschlichen Stirn.
THz-Bild mit „hot spot“.Krebszellen-Cluster reichern Wasser an.
Detektion von Hautkrebs durch Histologie.
Nutung der THz-Strahlung
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InN-ProbeChopper
Strahlteiler
parabolischerSpiegel
Zeitverzögerungs-strecke
Spiegel und Linse
fs-Laser (1060 nm, 800 nm)
Trigger Signal
SHG
THz-Antenne(LT-GaAs)
S. Riehemann, G. Notni, A. Tünnermann
Erzeugung von THz-Strahlung
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Photo-Dember Effekt
fs-La
serp
uls
- -- -
n ~ 3 - 5
THz+ ++ +
p-InAsInN
Am
plit
ude
des
E-Fe
lds
[r.E
.]
Zeit [ps]
-10
-5
0
5
10
15
20
0 5 10 15 20 25 30 35
Schematische Darstellung des Photo-Dember Effekts; Trennung der photogenerierten Ladungs-träger.
Abstrahlung einer THz-Welledurch oszillierende eh-Dipole.
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Spek
tral
e A
mp
litud
e [r
.E.]
p-InAsInN
p-InAsInN
Frequenz [THz]1 2 3 4 5
10
10
10
10
10
0
-1
-2
-3
-4
Frequenz [THz]1 2 3
10
10
10
10
0
-1
-2
-3
THz-Strahlung aus InAs & InN
Die spektrale Amplitude wird aus der Amplitude des elektrischen Feldes E(t) mit Hilfe FFT berechnet.
Anregung mit λ = 1060 nm. Anregung mit λ = 800 nm.
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Was ist besonders an InN?
800 nm 1060 nm
<100> <111>
InAs
GaSb
InP
InN
GaAs
k
E
GaSb
InP
InN
GaAs
InAs
10
10
10
10
10
10
10
10 10Energiedifferenz [eV]
no
rm.T
Hz-
Emis
sio
n[%
]
-2
2
3
-1
-1
0
0
1
1
Bandstrukturen verschiedener Verbindungshalbleiter (links). Auf die Emission von InAsnormierte Intensität der THz-Strahlung in Abhängigkeit von der Energiedifferenz
zwischen Γ-Punkt und dem nächst höheren Leitungsbandminimum (rechts).
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Photo-Dember Effekt:
hoher Absorptionskoeffizient
hohes μn/μp-Verhältnis
geringe Hintergrund-Dotierung
Oberflächenleitfähigkeit?
Photo-Dember Effekt
fs-La
serp
uls
---
-
n ~ 3 - 5
THz
+ ++ +
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InN-bedeckte Pyramiden
Vision
Substrate (Saphir, GaN, Si)
fs-L
aser
puls
THz-Emission
InN
Pyramide(GaN, Si)
+
+--
--+
+
InN-Nanodrähte
fs-La
serp
uls
- --
+++
THz
InN
Si(111) mit Gate
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AlGaN/GaN-HEMTs für Klasse-S Verstärker
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Duplexfilter
Test und Diagnose
Kühlung
HF-Verstärker
StromverteilungKühlung
Schnittstellen
Radio- undBasisbahnkarten
UMTS-Basisstation, Lucent OneBTS
PADuplexer
RF/BBDigitaler
Controller
ZentraleGeräte
PS
TOC RF20 W
AC Power6184 W
DC Power5526 W
Wärme658 W
Wärme328 W
Wärme288 W
Wärme2820 W
818 W
328 W490 W
618 W
Ver
lust
leis
tung
du
rch
Wär
me
5734
W
Basisstation
Dr. G. Fischer
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Klasse-S Verstärker
PADuplexer
RF/BBDigitaler
Controller
ZentraleGeräte
PS
TOC RF20 W
AC Power1568 W
DC Power1380 W
Wärme188 W
Wärme150 W
Wärme130 W
Wärme180 W
200 W
150 W50 W
180 W
Ver
lust
leis
tung
du
rch
Wär
me
1398
W
IntegrierterHF-Modulator
RF in (analog)
Bandpassfilter
Treiber
RF out (analog)
SiGe 1-bitQuantisierer
Rau
sch
leis
tung
ssp
ektr
um
Sign
alre
kon
stru
ktio
n
Ref/Clock
GaN-Schaltverstärker
1-bit
1-bit
Betriebsfrequenz 2 GHz
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HEMTs für Klasse A & S Verstärker
Klasse-A
Klasse-S
“off”
“on”
4 W/mm
Sou
rce-
Dra
in S
tro
md
ich
te
[A/m
m]
Sou
rce-
Dra
in S
tro
md
icht
e [
A/m
m]
600
400
200
800
1000
1200
0
600
400
200
800
1000
1200
0
V = 0 Vg
-1 V
-2 V
-4 V
g = 300 mS/mmm
-3 V
Source-Drain Spannung [V] Source-Drain Spannung [V]2520151050 2520151050
Ausgangskennlinienfeld eines AlGaN/GaN-HEMTs bei Betrieb in einem Klasse-A oder -S Verstärker.
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„normally-off“ HEMT
Gate-Recess, Barrierendicke: 10 nmGatelänge: 100 – 150 nmTransitfrequenz: 60 GHzmax. Frequenz: > 120 GHz
10
10
10
10
11
12
13
14
105 15 25 3520 30 400Barrieren-Dicke [nm]
2D
EG
Flä
ch
en
lad
un
gsd
ich
te[c
m]
x = 0.45
x = 0.30
x = 0.15
-2
Ti/Al/Ti/Au
Ti/Ni/Au
SiN
Al Ga N
Al Ga N
GaN
V:SiC
0.2
0.13
0.7
0.87
AlN
2DEG
„mobileGaN“
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Applikation
Evolution der Plattform für die Basisstations-Funktionalität.
Basisstation Basisstation Router
Switch
Wireless Line Card
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Mikrostrukturen und Systeme aus GaN-basierendenVerbindungshalbleitern besitzen ein riesiges Potential für
grundlagen- & anwendungsorientiertes Forschen sowie innovative Produkte
Fazit und Ergebnisse
Ausgewählte Beispiele hierfür sind:
AlGaN/GaN-HEMT´s für neuartige Verstärkerarchitekturen,
GaN-Sensoren zum Nachweis biochemischer Reaktionen,
AlN-basierende Mikro- und Nanoresonatoren sowie
InN-Strukturen zur Erzeugung von THz-Strahlung.
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Analysis of virusesIdentification of bacteria
Kollegen, Mitarbeiter
A. SchoberC. Buchheim, M. Fischer, M. Himmerlich,S. Krischok, J.A. Schaefer, H. Romanus, E. Remdt, J. Burgold, F. Weise,H. Wurmus, K.H. Drüe, M. Hintz, I. Koch, H. Thust,R. Goldhahn
M. Kittler, F. Schwierz,R. Mastylo, E. Manske, G. Jäger, Ch. Knedlik, G. Winkler, L. Spiess, A. Spitznas, T. Kerekes, H. Döllefeld,T. Sändig,M. EickhoffG. SteinhoffT. SuskiM. Hein