Jahresbericht Annual Report - Fraunhofer Iaf - Fraunhofer

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J ahres b eri c ht 2 0 0 9 A nnua l R e p ort F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R A n g e w an d te F est k ö r p er p h y si k I A F F raunhofer - I nstitut für A n g e w an d te F est k ö r p er p h y si k I A F Tullastrasse 72 79108 Freiburg Germany Tel. +49 761 5159-0 Fax +49 761 5159-400 [email protected] www.iaf.fraunhofer.de Director Public Relations Dr. rer. nat. Harald D. Müller Tel. +49 761 5159-458 Fax +49 761 5159-111 [email protected] Cover: Squaring the circle – The imaged object is a single crystalline diamond grain (grey) that is anisotropically etched by hot spheres of molten nickel (red). For this picture, the prize for the first place winner in the »Science as Art Competition« was awarded to Waldemar Smirnov during 2009 MRS Fall Meeting. F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R A n g e w an d te F est k ö r p er p h y si k I A F Prof. Dr. rer. nat. Oliver Ambacher ANNUAL REPORT JAHRESBERICHT 2009 Science for systems B » U n s e r L a n d i s t au f d i e K o m p e t e n z u n d L e i s t u n g s f ä h i g k e i t von wirtschaftsnahen Forschungseinrichtungen wie die des F r au n h o f e r - I n s t i t u t s I A F a n g e w i e s e n . S i e h ab e n e i n e z e n t r al e r o ll e b e i d e r E n t w i c klu n g v o n I n n o v a t i o n e n u n d F o r s c h u n g s au f g ab e n , d i e d i e U n t e r n e h m e n all e i n e s o n i c h t t r a g e n k ö n n e n . « Er nst P f i s t e r, W i r t s c h a f t s m i n i s t e r d e s L a n d e s B aden-Württemberg Pressem i t t e i l u n g 2 5 . 0 6 . 2 0 0 9 : W i r t s c h a f t s m i n i s t erium fördert ein Kommu n i k a t i o n s z e n t r u m f ü r d a s F r a u n h o f e r I A F in Freiburg ANNUAL REPORT JAHRESBERICHT 2009 1 Preface »Science for Systems« More and more, design and technology of compound semi­­conductor devices and circuits have to take into account systems’ needs and constraints in order to be commercially successful. Thus Fraunhofer IAF has not so much focussed on achieving record performance data, e. g. transistors with the highest frequency or laser chips with the greatest output power, but rather on achieving a carefully balanced set of parameters for each device, circuit or module in order to guarantee an optimum overall performance of the whole system. Combining the best set of devices available does not necessarily achieve the highest functionality and reliability in the subsequent use in systems. Therefore in 2009 Fraunhofer IAF has acquired new competences in research and development (R&D) with the target of optimising devices and circuits for use in specific systems. The tasks of a scientist at Fraunhofer IAF bear strong similarities with those of a composer creating a piece of music. First both have to meet the needs and expectations of their customers and their audience, respectively. Second both have to be talented and well trained, capable of working on various aspects of a given project equivalent to playing various instruments apart from writing music. But to successfully carry out a »science for systems« research project, i. e. to bring a piece of music to live, also a highly professional team of researchers and engineers, i. e. an orchestra, is required. And only when everybody works together on the very day the concert is given, the audience (customer) will be fully satisfied. In close cooperation with a large number of partners both from industry and in the research community, the staff members at Fraunhofer IAF have developed the skills and capabilities to carry out system oriented R&D. This has been proven in 2009 through the realization of innovative electronic and optoelectronic systems meeting actual market demands. These systems rely on the advantageous properties of compound 2 vorwort Die Anforderungen an das Design, die Technologie sowie an die resultierenden Bauelemente und Schaltungen aus Verbindungshalbleitern, die am Fraunhofer IAF entwickelt, prozessiert und realisiert werden, leiten sich in immer stärkerem Maße aus den Anforderungen an marktfähige Systeme ab. In der Forschung und Entwicklung von III-V-Halbleiterbauelementen geht es nicht mehr vorwiegend um die Erzielung einzelner Rekordwerte, wie z. B. den Transistor mit der höchsten Schaltfrequenz oder den Laser mit der höchsten Ausgangsleistung, sondern um die sorgfältige Abwägung und Optimierung eines ganzen Bündels von Eigenschaften, die ein Bauelement, eine Schaltung oder ein Modul im System erfüllen muss. Dies schafft die Notwendigkeit einer neuen Qualität des wissenschaftlichen Arbeitens durch die Mitarbeiter und zum Aufbau neuer Fähigkeiten. Vergleichbar zu der Arbeit eines IAF-Wissenschaftlers muss auch ein Komponist den Entwurf seines Stückes auf Papier erstellen, um seinem Auftraggeber genügen zu können. Das Gehör und seine musikalische Begabung müssen herausragend sein, und eine besondere Befähigung zur Notensetzung und zum Spielen von Instrumenten ist notwendig. Das optimale Werk wird ihm aber nur dann gelingen, wenn er die verschiedenen Sätze seiner Komposition harmonisch zueinander fügen kann. Auch kann der Zuhörer bzw. Kunde erst in den vollen Genuss des Werkes gelangen, wenn das gesamte Orchester die Partitur zum vorgesehenen Anlass perfekt präsentiert. Die Mitarbeiter (Musiker) des IAF haben in einer sehr hohen Zahl enger Kooperationen mit Partnern aus Industrie und Forschung alle Fähigkeiten entwickelt und im Jahr 2009 unter Beweis gestellt, die zur Realisierung von innovativen und marktfähigen elektronischen und optoelektronischen Systemen benötigt werden. Diesen Systemen ist die vorteilhafte Nutzung von leistungsfähigen Halbleiterbauelementen und Schaltungen aus Verbindungshalbleitern gemeinsam. Hierzu gehören Radarsysteme für die Sicherheitstechnik, Leistungsverstärkersysteme für die mobile Kommunikation, Infrarot-Lasersysteme und Detektoren für die Aufklärungs- und Sicherheitstechnik sowie Gaswarnsysteme zum Schutz von Umwelt und Gesundheit. Analog zu dem Wechselspiel zwischen einem guten Komponisten und dem sein Werk interpretierenden Orchester, d. h. von dem Niederschreiben der ersten Noten bis zur Präsentation des Stücks, wurden am Fraunhofer IAF die komplexen Abläufe von der Idee über die Simulation, der Prozesstechnologie, über die Messtechnik bis hin zum Aufbau von zuverlässigen Modulen und Systemen in Teamarbeit umgesetzt. Fähigkeitslücken bei der Erstellung von Systemen wurden in den Geschäftsfeldern geschlossen. Die Entwicklungsleistungen des Instituts wurden auf Arbeiten für Systeme mit erkennbarem Marktpotential konzentriert und durch eine 3 Preface semiconductor-based devices and circuits. This includes radar But even the best orchestra playing music written by a most modules for security systems, power amplifiers for mobile famous composer is worth nothing without an enthusiastic communication, infrared laser systems and detectors for audience. The same holds for a research institute like Fraun- surveillance and reconnaissance as well as for the protection hofer IAF. Therefore we would like to thank everybody who of environment and health. took interest in our research work. Furthermore, we would like to thank all our partners in industry and within the scientific Similar to the interplay between a composer, creating a community as well as all funding agencies for an excellent co- piece of music and the orchestra playing this piece of music, operation and their trust in our capability to serve their needs. teamwork is involved also at Fraunhofer IAF when carrying Public funding was provided by the German Federal Ministry out complex R&D projects. Starting from the basic idea and of Defense and its Technical Centers, the German Federal concept, the workflow goes through a design and simulation Ministry of Education and Research, the Ministry of Economic phase, followed by the actual processing step and subsequent Affairs of the State of Baden-Württemberg, the German device characterization, up to the module and eventual Research Foundation (DFG), the European Commission as well systems integration. So far lacking capabilities required for as the Fraunhofer-Gesellschaft. module and systems integration have been acquired in several business units during the course of the year. This focus on The quality of an orchestra depends not only on that of its systems oriented R&D was complemented by long-term conductor and the soloists, but to a large extend also on the research on carefully selected areas. All these activities led to skills and dedication of all its musicians. It is the perfect coor- the realization of a sizeable number of circuits, modules and dination and harmony between the different sections which systems which have been handed over to our customers, this makes it a pleasure to listen to its performance. This level of way contributing to an overall positive annual account of the interplay and orchestrated performance makes the difference institute in 2009. between an average and an outstanding ensemble. In this respect, Fraunhofer IAF belongs to the latter kind of perfectly The focus on R&D for use in systems is also reflected by team working »orchestras«. the motto chosen for our annual report 2009: »science for systems«. The content of this report is organized along these Here I would like to take the opportunity to thank all »players lines, putting the systems developed and demonstrated within of the IAF orchestra« for their hard work, their dedication and the five business units first, followed by reports on selected their team work. We performed well in 2009 and we hit the R&D projects, and a description of the different business right tones in spite of not always perfect acoustics. units. Relevant statistic and commercial figures as well a news section are presented in the fourth part. We hope that the present annual report meets your expectations and triggers your interest to learn more about our work, just as the program of a concert presenting classical music does. 4 vorwort sorgfältige Vorlaufforschung flankiert. Eine hohe Anzahl zuverlässig arbeitender Schaltungen, Module und Systeme konnten den Kunden zur weiteren Verwendung übergeben und damit ein erfolgreicher Jahresabschluss des IAF erreicht werden. Die Fokussierung der Forschung und Entwicklung auf die Realisierung marktfähiger Systeme findet ihren Ausdruck auch in dem für den vorliegenden Jahresbericht gewählten Motto »Science for Systems«, welches sich auch in der Struktur des Jahresberichts 2009 widerspiegelt. Die in den fünf Geschäftsfeldern des Fraunhofer IAF entwickelten und demonstrierten Systeme stellen den ersten und wichtigsten Teil des Jahresberichts dar. Dies gilt auch für den zweiten Teil des Jahresberichts, in dem die Forschung des Instituts anhand ausgewählter Projekte verdeutlicht wird. Die Aufgabenstellungen der einzelnen Geschäftsfelder sowie wichtige Zahlen zum und Neuigkeiten über das Fraunhofer IAF werden im dritten und vierten Teil des Berichts vorgestellt. Wir hoffen, dass Ihnen der vorliegende Jahresbericht, ähnlich dem guten Programmheft eines klassischen Konzerts, alle für Sie wichtigen und gewünschten Informationen zur Verfügung stellt und Ihre Spannung auf die erarbeitete Komposition, das Orchester sowie seine Präsentationen erhöht. Auch der beste Komponist und das beste Orchester (mit ausgefeilter Partitur und perfektem Programmheft) ist nichts ohne seine begeisterungsfähigen Zuhörer, seine Auftraggeber und Förderer. Aus diesem Grunde möchte ich mich an dieser Stelle besonders bei den an unserer Forschung interessierten Schülern, Studenten und Bürgern bedanken. Auch danke ich den zahlreichen Partnern aus Industrie und Forschung, dem Bundesministerium der Verteidigung, den Wehrtechnischen Dienststellen, dem Bundesministerium für Bildung und Forschung, der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der Europäische Kommission, dem Wirtschaftsministerium des Landes Baden-Württemberg und der Fraunhofer-Gesellschaft für ihre Förderung und ihr Vertrauen in unsere Leistungsfähigkeit. Ein gutes Orchester wird sowohl durch den Komponisten als auch durch herausragende Solisten geprägt, die als Ideengeber und durch ihren besonderen Einsatz sowie die Übernahme von Verantwortung den Charakter und den Erfolg des Ensembles wesentlich bestimmen. Der Genuss für den Zuhörer ergibt sich aber erst durch das Zusammenwirken und die Harmonie aller Akteure. Diese Fähigkeit unterscheidet mittelmäßige von hochklassigen Ensembles, wobei das Fraunhofer IAF ganz klar zu den letzteren zählt. Ich möchte mich bei allen Akteuren des »IAF-Orchesters« für das fleißige Einüben vieler neuer Stücke, für das sehr gute Zusammenspiel, die Umsetzung wichtiger Verbesserungen der Partituren, die gelungenen Präsentationen sowie den Spaß an der Sache sehr herzlich bedanken. Wir haben den richtigen Ton auch bei schwieriger Akustik im Jahr 2009 fast immer treffen können. 5 Advisory Board Kuratorium Experts from industry, universities, and the federal ministries evaluate the research program of the institute, advising the institute‘s director and the Executive Board of the FraunhoferGesellschaft. The members of our Advisory Board are: Das Kuratorium begleitet unsere Forschungsarbeit und berät den Institutsleiter und den Vorstand der Fraunhofer-Gesellschaft. Die Mitglieder unseres Kuratoriums aus Industrie, Wissenschaft und Ministerien sind: 6 Dr. Franz Auerbach Shin Saito Infineon Technologies Austria AG, Villach Director, Sensing Systems Laboratory Sony Deutschland GmbH, Stuttgart Dr. Hans Brugger EADS Deutschland GmbH, Ulm BDir Wolfgang Scheidler Wehrtechnische Dienststelle für Informationstechnologie Prof. Dr. Jérôme Faist und Elektronik (WTD 81), Greding ETH Zurich Dr. Bernhard Schwaderer Dr. Rainer Fechner Tesat-Spacecom GmbH & Co. KG, Backnang Alcatel-Lucent Deutschland AG, Bell Labs Germany, Nürnberg Dr. Klaus Schymanietz Dr. Ehrentraud Graw (Chairman / Vorsitzender) Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg, Stuttgart EADS Deutschland GmbH, Unterschleissheim Dr. Klaus Heller Dr. Bernhard Stapp Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Bonn Osram GmbH, München Dr. Klaus Heyers LBDir Norbert Weber Robert Bosch GmbH, Reutlingen Bundesministerium der Verteidigung (BMVg), Bonn Prof. Dr. Rik Jos Prof. Dr. Werner Wiesbeck NXP Semiconductors Netherlands B. V., Nijmegen Karlsruhe Institute of Technology (KIT) Dr. Jens Kosch Prof. Dr. Roland Zengerle X-FAB Semiconductor Foundries AG, Erfurt IMTEK, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Dr. Rainer Kroth Diehl BGT Defence GmbH & Co. KG, Überlingen 7 Table of Contents Inhaltsverzeichnis 9 76 124 156 170 8 Systems Systeme Projects Projekte Business Units Geschäftsfelder News, Events, people Menschen und Momente Appendix Anhang Systems Systeme 10 M i ll i m e t e r - Wa v e Ra d a r S y s t e m s f o r U n m a n n e d A e r i al V e h i c l e s M i ll i m e t e r w e ll e n - Ra d a r s y s t e m e für unbemannte Luftfahrzeuge 24 G a N P o w e r T r a n s i s t o r s f o r M o b i l e C o m m u n i c at i o n A p p l i c a t i o n s : F r o m S i m ula t i o n t o S y s t e m s GaN-Leistungstransistoren für Anwendung im M o b i l f u n k : V o n d e r S i m ula t i o n z u m S y s t e m 38 50 T h i r d G e n e r a t i o n IR P h o t o d e t e c t o r s IR - P h o t o d e t e k t o r e n d e r d r i t t e n G e n e r a t i o n INFR A RED SEMICOND U CTOR L A SERS – PROTECTING A IRCR A FTS A G A INST TERRORIST A TT A C K S INFR A ROT - H A L B L EITER L A SER Z U M SCH U TZ VON F L U GZE U GEN VOR TERRORISTISCHEN A n s c h l ä g e n 64 P h o t o - S t i m ula t e d D e t e c t i o n o f O z o n e P h o t o - s t i m ul i e r t e D e t e k t i o n v o n O z o n 9 Axel Tessmann Tel. +49 761 5159-539 A x e l . T e s s m a n n @ i a f. f r a u n h o f e r . d e Axel Hülsmann Tel. +49 761 5159-325 A x e l . H u e l s m a n n @ i a f. f r a u n h o f e r . d e 10 Millimeter-Wave Radar Systems for Unmanned Aerial Vehicles Millimeterwellen-Radarsysteme für unbemannte Luftfahrzeuge The on-wafer S-parameter measurement system for 140 – 220 GHz. Das On-Wafer-S-ParameterMesssystem für 140 – 220 GHz. 11 M i l l i m e t e r - W av e Ra d a r S y s t e m s for Unmanned Aerial Vehicles Radar Systems for Unmanned Aerial Vehicles Unmanned aerial vehicles (UAV) are already being successfully The higher the SAR‘s frequency and bandwidth, the better is used by NATO forces for surveillance, reconnaissance, and the expected spatial resolution. X-Band (8.2 – 12.4 GHz) SAR intelligence. The use of UAVs in civil and military applications systems, like the PicoSAR from SELEX GALILEO, have already is growing very rapidly across the globe, and low-weight and shown impressive images but do not obtain the necessary small-size millimeter-wave modules are ideal solutions for resolution because of bandwidth restrictions. Usable frequen- imaging and communication payloads demanded by even cies for high-resolution SAR systems are at 94, 140, 220, 340, the smallest UAV platforms. According to the operational and 670 GHz, where the electromagnetic wave transmission area and accouterment, the size of UAVs is below one meter spectrum of the atmosphere shows local maxima. These fre- (Fig. 1) or as large as airliners. Small and middle size UAVs quencies are difficult to handle and the electronic components have already been successfully demonstrated by the German need ultra fast transistors and millimeter-wave monolithic Federal Armed Forces at KFOR and ISAF missions. Because of integrated circuits (MMICs), as developed by Fraunhofer IAF. comparatively low cost of acquisition and cost of ownership, the small personnel requirements, and the low hazard to the staff, middle size UAVs, like the LUNAR and ALADIN systems HEMT Technology for SAR MMICs from EMT (Fig. 2) are in increasing deployment. The choice of the most appropriate semiconductor technology Compared to information obtained by satellite, UAV data are for any application is based on the required system specifi- actually more informative. A suspect location can be repea- cations. Important parameters of a synthetic aperture radar tedly inspected, and the required information can be updated system for UAV‘s are weight, size, range, and resolution. in very short time intervals. If it becomes necessary to get Transferred to the device level this implicates the necessity of quick information from behind a building or other different transistors with low noise figure and high output power at obstacles without the risk of sniper attack, small UAVs are millimeter-wave frequencies. Low noise figure at the receiver unbeatable systems. The programmed flight route, controlled input stage and high output power at the transmitter output by the global positioning system (GPS), is not affected by improves the radar range. The resolution of SAR is limited adverse sight conditions. What happens if clouds, fog, or by the frequency bandwidth of the system, as well as the smoke hinder the free sight in a way that optical reconnais- accuracy of the position information for the data processing. sance images can hardly be expected? Then, a compact and With increasing frequency the larger bandwidth is easier to lightweight imaging system using a synthetic aperture radar realize and the influence of flight altitude instability is less (SAR), operating at a high frequency is the only alternative to critical. Other advantages of higher frequencies are the smaller achieve adequate images. dimension and weight of the necessary antenna and waveguide modules. For these reasons, the high electron mobility transistor (HEMT) with its low noise figure and high output power level at very high frequencies is the most appropriate device for the realization of a SAR system for UAVs. 12 Kolumnentitel deutsch 1 Radarsysteme für unbemannte Luftfahrzeuge Unbemannte Luftfahrzeuge (unmanned aerial vehicles, UAV) werden bereits erfolgreich von der 1 AirRobot®, a quadcopter NATO in der Überwachung, Aufklärung und im Nachrichtendienst eingesetzt. Die Anwendung UAV from AirRobot® dieser auch als Drohnen bezeichneter Luftfahrzeuge für zivile und militärische Zwecke wächst GmbH & Co. KG. (With weltweit, wobei leichte und kleine Millimeterwellen-Module für Nutzlasten kleinster Flugplatt- permission of AirRobot®.) formen mit Aufgaben der Bildgebung und Kommunikation ideal geeignet sind. In Abhängigkeit AirRobot®, ein Quadcopter vom Einsatzgebiet sowie Ausrüstung variiert die Größe einer Drohne von unter einem Meter von AirRobot® GmbH & (Abb. 1) bis zur Größe eines Verkehrsflugzeuges. Kleine und mittelgroße UAVs wurden bereits Co. KG. erfolgreich von der Bundeswehr in KFOR- und ISAF-Missionen demonstriert. Aufgrund relativ niedriger Anschaffungs- und Betriebskosten, geringen Personalbedarfs sowie geringer Gefährdung des Personals finden mittelgroße Drohnen, wie die LUNAR- und ALADIN-Systeme von EMT (Abb. 2), einen wachsenden Einsatz. Im Vergleich zur Information die von Satelliten geliefert wird, sind die UAV-Daten aussagekräftiger. Ein verdächtiger Ort kann wiederholt überprüft werden und die erforderliche Information in sehr kurzen Zeitintervallen aktualisiert werden. Drohnen sind vorteilhafte Systeme, wenn es notwendig wird, schnell Informationen aus Bereichen hinter Gebäuden oder anderen Hindernissen zu erhalten, ohne sich dem Risiko eines Angriffs von Scharfschützen aussetzen zu müssen. Die programmierte Flugstrecke, auf der die Drohne mittels des globalen Navigationssatellitensystems (global positioning system, GPS) gesteuert wird, wird durch schlechte Sichtverhältnisse nicht beeinträchtigt. Was passiert aber, wenn Wolken, Nebel oder Rauch die freie Sicht behindern, so dass optische Aufklärungsbilder kaum zu erhalten sind? In diesem Fall ist ein kompaktes und leichtes bildgebendes System basierend auf einem Radar mit synthetischer Apertur (synthetic aperture radar, SAR), das bei hohen Frequenzen betrieben wird, die einzige Alternative, um geeignete Bilder zu erzielen. Je höher die Frequenz und die Bandbreite des SAR, desto besser ist die räumliche Auflösung. SAR-Systeme mit Frequenzen im X-Band (8,2 – 12,4 GHz), wie PicoSAR von SELEX GALILEO, haben bereits eindrucksvolle Bilder geliefert, es fehlt jedoch die notwendige Auflösung aufgrund von Bandbreitebeschränkungen. Anwendbare Frequenzen für hochauflösende SAR-Systeme liegen bei 94, 140, 220, 340 und 670 GHz, an denen die Transmission elektromagnetischer Wellen in der Atmosphäre lokale Minima zeigt. Diese Frequenzen sind schwer zu beherrschen. Die elektronischen Komponenten benötigen ultraschnelle Transistoren und monolithisch integrierte Millimeterwellen-Schaltungen (millimeter-wave monolithic integrated circuits, MMICs), wie sie am Fraunhofer IAF entwickelt werden. 13 M i l l i m e t e r - W av e Ra d a r S y s t e m s for Unmanned Aerial Vehicles The Fraunhofer IAF has a long-standing experience in the field spread of the doping atoms which define the electron density of HEMT technology for millimeter-wave monolithic integrated in the device, the granularity of the material can no longer be circuits (MMIC). For millimeter-wave frequencies, metamorphic neglected. Furthermore, quantum effects start to influence InAlAs/InGaAs HEMTs with high indium content in the tran- the transistor performance. The very low effective mass of sistor channel are used in order to enhance the mobility and the electrons in InAs compared to silicon will raise interesting velocity of electrons. The compound semiconductor layers are opportunities and challenges for nanoscale HEMTs. grown by molecular beam epitaxy (MBE) on 4“ semi-insulating GaAs substrates. Using the e-beam lithography, the transistor The MMICs developed and manufactured at Fraunhofer has been scaled over the years down to a gate length of IAF combine high functionality with small chip size and currently 35 nm and the development of 20 nm gates has cost-effective production. As a leading institution in Europe, already been started. MMICs for the 94 GHz SAR are based on we possess the complete MMIC technology chain and offer the 100 nm gate length technology, whereas the shorter gate fast and flexible solutions to our partners and customers. We length devices will be used for the atmospheric windows with support them with design, characterization, as well as small low absorption at 220, 340, and 670 GHz. The main focus in volume production of integrated circuits and modules for the technology development is the reproducibility of the de- millimeter-wave applications. The MMICs are processed in vice parameters as this is the fundamental requirement for the multi-project wafer runs, allowing the simultaneous manufac- optimization of the circuit designs. Another requirement is the turing of circuits designed for different projects. Furthermore, long-term stability of the MMICs which is necessary for their for direct integration in millimeter-wave systems, the MMICs application in systems. A median lifetime of more than 10 h are packaged into waveguide modules. 6 was demonstrated for our 100 and 50 nm HEMT technology. Advanced tools are used for MMIC design, including commerThe downscaling of transistors not only implies the reduction cial and proprietary parameter extraction software for accurate of the gate length but also requires an appropriate scaling of linear and non-linear device modeling, libraries of active and every device parameter (Figs. 3, 4). Beside the Fraunhofer IAF, passive elements for microstrip and coplanar waveguide circuit only the US-based company Northrop Grumman Aerospace environment, IC simulation and layout software including a Systems (NGAS) has demonstrated HEMT amplifiers featuring 3-dimensional electromagnetic field simulation. gain beyond 300 GHz. In contrast to state-of-the art silicon circuits, the availability of this key technology is limited by The characterization facilities for millimeter-wave components US export restrictions. at Fraunhofer IAF are unique in Europe. They include on-wafer S-parameter measurement systems for all frequency bands With reduced gate lengths, the transistor is approaching the up to 500 GHz. Power, noise figure, and phase noise can be atomic dimension of the semiconductor crystal. The gate measured up to 220 GHz. Furthermore, a load-pull measure- length of 20 nm corresponds to 35 lattice constants of the ment system allows the characterization of power devices up underlying semiconductor material. Considering the statistical to 94 GHz. 14 2 HEMT-Technologie für SAR-MMICs 2 ALADIN, a reconnaissance Die Wahl der für die jeweilige Anwendung am besten geeigneten Halbleitertechnologie hängt system of EMT. (With permission von den geforderten Systemspezifikationen ab. Wichtige Parameter eines Radarsystems mit of EMT Ingenieurgesellschaft synthetischer Apertur für unbemannte Luftfahrzeuge sind Gewicht, Größe, Reichweite und Auf- Dipl.-Ing. Hartmut Euer mbH.) lösung. Übertragen auf die Bauelementebene impliziert das die Notwendigkeit von Transistoren ALADIN, ein Aufklärungs- mit geringem Rauschen und hoher Leistung bei Millimeterwellen-Frequenzen. Eine niedrige system von EMT. Rauschzahl der Eingangsstufe des Empfängers und eine hohe Ausgangsleistung des Senders verbessern die Reichweite des Radars. Die Auflösung des SAR ist durch die Frequenzbandbreite des Systems sowie die Genauigkeit der Positionsangabe für die Datenverarbeitung begrenzt. Mit steigender Frequenz ist eine größere Bandbreite leichter zu realisieren und der Einfluss der Instabilität der Flughöhe unkritischer. Weitere Vorteile höherer Frequenzen sind kleinere Größe sowie niedrigeres Gewicht der notwendigen Antennen und Wellenleitermodule. Aus diesem Grund ist der Feldeffekttransistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (high electron mobility transistor, HEMT), der eine niedrige Rauschzahl und eine hohe Ausgangsleistung bei sehr hohen Frequenzen erreicht, das am besten geeignete Bauelement zur Realisierung von SAR-Systemen für unbemannte Luftfahrzeuge. Das Fraunhofer IAF hat eine langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der HEMT-Technologie für MMICs. Für Millimeterwellen-Frequenzen werden metamorphe InAlAs/InGaAs-HEMTs mit hohem Indiumgehalt im Transistorkanal verwendet, um die Beweglichkeit und Geschwindigkeit der Elektronen zu erhöhen. Die Schichten von Verbindungshalbleitern werden mittels Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy, MBE) auf semi-isolierenden 4“-GaAs-Substraten gewachsen. Im Laufe der Jahre wurde der Transistor mittels Elektronenstrahl-Lithographie bis auf eine Gatelänge von gegenwärtig 35 nm herunterskaliert und mit der Entwicklung von 20-nm-Gates wurde bereits begonnen. MMICs für das 94-GHz-SAR-System basieren auf der 100-nm-Gatetechnologie, während Bauelemente mit kürzeren Gatelängen für atmosphärische Fenster mit geringer Absorption bei 220, 340 und 670 GHz verwendet werden. Der Schwerpunkt der Technologieentwicklung liegt auf der Reproduzierbarkeit der Bauelementparameter, was eine fundamentale Voraussetzung für die Optimierung von Schaltungsdesigns darstellt. Eine weitere Anforderung stellt die Langzeitstabilität der MMICs dar, die für Anwendung in Systemen unabdingbar ist. Für unsere 100- und 50-nm-HEMT-Technologie wurde eine mittlere Lebensdauer von über 106 Stunden demonstriert. 15 100 nm 50 nm 35 nm 20 nm 3 Multi-Functional MMICs for High-Resolution Radar Systems in Unmanned Aerial Vehicles 3 Gate modules of The major functional building blocks of analog frontends for InAlAs/InGaAs HEMTs millimeter-wave radar applications comprise: the frequency with decreasing gate generation of the radar signal, power amplification of the length. transmit signal, low-noise amplification and frequency down- Gate-Module von conversion of the receive signal. The main figures of merit InAlAs/InGaAs-HEMTs defining the performance of the radar are bandwidth and fre- mit abnehmender quency stability of the oscillator signal. While the bandwidth Gatelänge. defines radar‘s geometrical resolution, frequency stability, typically assessed in terms of the phase noise of the signal source, defines the achievable range accuracy. Additional 800 0.8 700 0.7 600 0.6 500 0.5 400 0.4 300 0.3 200 0.2 100 0.1 0 0.0 120 0 20 40 60 80 100 sensitivity for maximizing the radar‘s detection range. Contact Resistance (Ωmm) fT (GHz) performance factors are the transmit power and the receiver Besides these performance criteria, factors relating to ease of handling as well as cost are a key to the successful deployment of radar systems and their application to new use cases, both, in military and civilian scenarios. Particularly in the case of remote platform-borne systems such as UAVs, a small form factor and low weight are crucial requirements. What‘s more, an optimum trade-off between the performance of the analog frontend electronics and the required power consumption to deliver this performance has to be found. Gate Length (nm) All of the above mentioned requirements can be advantage- 16 4 Transit frequency fT and contact ously addressed by the millimeter-wave monolithic integrated resistance versus gate length of circuit technologies developed at the Fraunhofer IAF. Besides InAlAs/InGaAs HEMTs for proper the unique combination of providing power and low-noise scaling of fT , a reduction of the amplification even at highest millimeter-wave frequencies, contact resistance is necessary. our MMICs based on the concept of the metamorphic high Transitfrequenz fT und Kontaktwider- electron mobility transistor offer the possibility to combine stand in Abhängigkeit von der Gate- multiple functionalities on a single chip, thereby dramatically länge von InAlAs-HEMTs. Zur reducing the packaging effort and system size compared to Erhöhung von fT ist eine Reduzierung the conventional technologies which are currently employed at des Kontaktwiderstands erforderlich. such elevated frequencies. LN A mixer buffer x2 M PA RF LO IF 5 Das Skalieren von Transistoren bedeutet nicht nur eine Reduzierung der Gatelänge, sondern 5 200 GHz single-chip hetero- auch eine entsprechende Skalierung aller Bauelementparameter (Abb. 3, 4). Außer dem dyne receiver MMIC with in- Fraunhofer IAF hat nur die US-amerikanische Firma Northrop Grumman Aerospace Systems tegrated LO driver amplifier. (NGAS) HEMT-basierende Verstärker vorgestellt, die eine Verstärkung oberhalb von 300 GHz Chip size is 1 X 4 mm2. aufweisen. Im Gegensatz zu den dem Stand der Technik entsprechenden Silizium-Schaltungen, 200 GHz-Einzelchip-Heterodyn- ist die Verfügbarkeit dieser Technologie durch Exportrestriktionen der USA beschränkt. empfänger-MMIC mit integriertem LO Treiberverstärker. Die Mit verringerten Gatelängen nähert sich der Transistor der atomaren Dimension des Halblei- Chipgröße ist 1 x 4 mm2. terkristalls. Eine Gatelänge von 20 nm entspricht 35 Gitterkonstanten des darunterliegenden Halbleitermaterials. Wenn die statistische Streuung der die Elektronendichte im Bauelement bestimmenden Dotierungsatome berücksichtigt wird, kann die Granularität des Materials nicht mehr vernachlässigt werden. Ferner beeinflussen Quanteneffekte die Leistungsfähigkeit des Transistors. Außerdem wird die äußerst niedrige effektive Masse der Elektronen im InAs interessante Möglichkeiten für nanoskalierte HEMTs schaffen. Die am Fraunhofer IAF entwickelten MMICs vereinen hohe Funktionalität mit kleiner Chip­­größe. Als eine führende Institution in Europa verfügt das IAF über die komplette MMICTechnologiekette und bietet den Partnern und Kunden schnelle sowie flexible Lösungen an. Wir unterstützen diese mit Design, Charakterisierung sowie Kleinserienherstellung von integrierten Schaltungen und Modulen für Millimeterwellen-Anwendungen. Um eine gleichzeitige Herstellung von Schaltungen zu ermöglichen, die für unterschiedliche Projekte entworfen sind, werden die MMICs in Multiprojekt-Wafer-Prozessläufen hergestellt. Für eine direkte Integration in Millimeterwellen-Systeme werden die MMICs darüber hinaus in Wellenleitermodule eingebaut. Für das Design von MMICs wird eine Reihe fortschrittlicher Werkzeuge verwendet: kommerzielle und eigene Parameterextraktions-Software für genaue lineare und nichtlineare Bauelementmodellierung, Bibliotheken aktiver und passiver Elemente für Mikrostreifen- und Koplanarwellenleiter-Umgebung, Simulations- und Layoutsoftware für ICs einschließlich 3-dimensionaler elektromagnetischer Feldsimulation. Die Einrichtungen zur Charakterisierung von Millimeterwellen-Komponenten am Fraunhofer IAF sind einzigartig in Europa. Sie schließen On-Wafer-S-Parameter-Messsysteme für alle Frequenzbänder bis 500 GHz ein. Leistung, Rauschzahl und Phasenrauschen können bis 220 GHz gemessen werden. Darüber hinaus ermöglicht ein Load-Pull-Messsystem die Charakterisierung von Leistungsbauelementen bis 94 GHz. 17 M i l l i m e t e r - W av e Ra d a r S y s t e m s for Unmanned Aerial Vehicles In the past, Fraunhofer IAF has already demonstrated a singlechip FMCW (frequency modulated continuous wave) radar operating at 94 GHz. This ultra-compact, high-resolution radar is currently being introduced into a variety of applications, ranging from helicopter landing aids to material inspection. The next generation of millimeter-wave radars at Fraunhofer IAF is operating in the atmospheric transmission window located around 200 GHz, offering an even larger absolute bandwidth for resolution enhancement, and the further shrinking of the dimensions of the analog frontend components such as antennas. Moreover, the frontend architecture of 15 10 10 5 5 Gc 0 0 NF -5 -5 fIF = 40 MHz -10 -15 180 190 195 200 signals are obtained from a highly stable frequency source at a sub-harmonic frequency in the microwave range, which is -10 PLO = -12 dBm 185 multiplication to provide low-phase-noise radar signals. These Noise Figure NF (dB) Conversion Gain Gc (dB) the new radar generation employs the concept of frequency 15 205 -15 210 Frequency fRF (GHz) 18 frequency-multiplied to the desired millimeter-wave operation range, in our case to around 200 GHz. We have developed a chip set for an all-MMIC-based, high performance 200 GHz FMCW radar frontend. The solution comprises an active broadband frequency multiplier by 12 for the W band (75 to 110 GHz), a multi-functional sub-harmonic heterodyne receiver operating at 200 GHz, and, optionally, a 200 GHz power amplifier. 6 Measured conversion gain The receiver MMIC is shown in Fig. 5. This multi-functional (Gc ) and noise figure (NF) of the chip combines a 4-stage low-noise amplifier (LNA) with a single-chip 200 GHz receiver down-conversion stage consisting of a resistive mixer and a MMIC, driven with as low as frequency doubler (x 2). The doubler provides the local oscilla- -12 dBm of LO power. tor (LO) signal to the mixer and takes its input signal at around Gemessener Konversionsgewinn 100 GHz from an integrated medium power amplifier (MPA) (Gc ) und Rauschzahl (NF) des stage. Thus, the receiver MMIC is able to operate with a low 200-GHz-Einzelchip-Empfänger- sub-harmonic input power at its LO port, making it suitable, MMIC im Betrieb mit niedriger among others, for coherent multi-pixel imaging architectures LO-Leistung von nur -12 dBm. based on LO distribution networks. x2 x3 0° 0° 180° 180° x2 out in 7 Multifunktionale MMICs für hochauflösende Radarsysteme in unbemannten Luftfahrzeugen Zu den wichtigsten Funktionsbausteinen analoger Frontends für Millimeterwellen-Radaran- 7 Active broadband wendungen gehören: die Frequenzgeneration des Radarsignals, die Leistungsverstärkung des frequency multiplier by 12 Sendesignals sowie die rauscharme Verstärkung und Abwärtsmischung des Empfangssignals. MMIC, covering the output Die Leistungsfähigkeit eines Radars wird durch die Hauptgütezahlen Bandbreite und Stabilität frequency range from 75 to des Oszillator-Signals bestimmt. Während die Bandbreite die geometrische Auflösung eines 105 GHz with a maximum Radars bestimmt, legt die Frequenzstabilität, gewöhnlich als Phasenrauschen der Signalquelle output power of 5 dBm and beschrieben, die erzielbare Reichweitengenauigkeit fest. Zusätzliche Faktoren wie Sendeleistung a conversion gain of 7 dB. und Empfangsempfindlichkeit sind für die Maximierung der Detektionsreichweite des Radars Aktiver Breitband- wichtig. FrequenzverzwölffacherMMIC, der einen Ausgangs- Neben diesen Kriterien der Leistungsfähigkeit sind Faktoren wie Einfachheit in der Handhabung frequenzbereich von 75 bis sowie Herstellungskosten der Schlüssel zum erfolgreichen Einsatz von Radarsystemen und 105 GHz abdeckt, mit einer deren Anwendung in neuen militärischen und zivilen Bereichen. Insbesondere im Fall von maximalen Ausgangsleis- ferngesteuerten, plattformgetragenen Systemen wie UVAs, sind kleine Dimensionen und tung von 5 dBm und einem niedriges Gesamtgewicht entscheidende Anforderungen. Darüber hinaus muss ein optimaler Konversionsgewinn von Kompromiss zwischen der Leistungsfähigkeit der analogen Frontend-Elektronik und dem 7 dB. Energieverbrauch gefunden werden, der notwendig ist, um diese Leistungsfähigkeit zu liefern. Alle oben erwähnten Anforderungen können vorteilhaft mittels der am Fraunhofer IAF entwickelten MMIC-Technologien erfüllt werden. Neben der einzigartigen Kombination von hoher Ausgangsleistung und rauscharmer Verstärkung auch bei höchsten MillimeterwellenFrequenzen, bieten unsere, auf dem Konzept des metamorphen HEMT basierende MMICs die Möglichkeit, mehrere Funktionen auf einem Einzelchip zu kombinieren, womit sich der Aufbauaufwand und die Systemgröße im Vergleich zu konventionellen Technologien, die gegenwärtig bei solch hohen Frequenzen verwendet werden, drastisch reduzieren lässt. In der Vergangenheit hat das Fraunhofer IAF bereits ein Einzelchip-FMCW-Radar (frequenzmoduliertes Dauerstrichradar, frequency modulated continuous wave radar, FMCW) für 94 GHz demonstriert. Dieses ultrakompakte, hochauflösende Radar wird zur Zeit in einer Vielzahl von Anwendungen implementiert, angefangen von Hubschrauber-Landehilfen bis zur Materialinspektion. Die zukünftige Generation von Millimeterwellen-Radaren am Fraunhofer IAF wird im atmosphärischen Transmissionsfenster um 200 GHz betrieben werden, wodurch eine noch größere absolute Bandbreite zur Auflösungsverbesserung und eine weitere Verkleinerung der Dimensionen analoger Frontend-Komponenten und Antennen ermöglicht wird. 19 M i l l i m e t e r - W av e Ra d a r S y s t e m s for Unmanned Aerial Vehicles The receiver shows a conversion gain of 7.7 dB in a 3 dB bandwidth of 8 GHz in the range from 196 to 204 GHz (Fig. 6), when driven with as low as -12 dBm of sub-harmonic LO power. The noise figure of 6.9 dB is defined by the 200 GHz LNA stage, which provides enough gain to effectively suppress the noise contributions of the subsequent mixer stage. The frequency multiplier by 12 is carried out as a cascade of balanced frequency doubler and tripler stages. A chip photograph and block diagram of the MMIC is shown in Fig. 7. It has a chip size of 1.5 x 4 mm2. The use of balanced stages in combination with broadband inter-stage matching networks allows for broadband operation of the multiplier across the entire W-band. The frequency doubler stages are designed in a push-push cir- Input Frequency (GHz) 7 10 8 cuit topology. The frequency tripler extracts the third harmonic 9 from an amplifier operated under compressed and, hence, non-linear condition. At the input of the first doubler and the Output Power (dBm) 8 tripler stage, the signal needs to be transformed from a single- 6 ended to differential or balanced type. This is achieved using active unbalanced to balanced transformers (UNBAL), which at 4 the same time act as amplifiers. All circuit stages being active topologies, the overall multiplier chain provides conversion 2 gain: at its input, the multiplier by 12 requires less RF power 0 -4 75 than what it produces at its frequency-multiplied output. Input Power = -2 dBm -2 The measurement of output power versus frequency (Fig. 8) 80 85 90 95 100 105 110 Output Frequency (GHz) shows a maximum of 5 dBm at the output frequency of 85 GHz. The 3 dB bandwidth exceeds 30 GHz and ranges from less than 75 GHz to 105 GHz. The multiplier achieves 8 Frequency multiplier saturated operation with only -2 dBm of input power and, by 12: measurement of out- hence, provides a maximum of 7 dB conversion gain. put power versus frequency. 20 Gemessene Ausgangsleistung The 200 GHz receiver in combination with the frequency des Frequenzverzwölffachers multiplier by 12 and an additional stand-alone frequency als Funktion der Ausgangs- doubler in the transmit path would alone be able to form the und Eingangsfrequenz. analog frontend of a high-performance FMCW radar capable out in 9 Die Frontend-Architektur der neuen Radargeneration basiert auf der Frequenzvervielfachung, 9 200 GHz power ampli- um das Phasenrauschen der Radarsignale zu reduzieren. Die Signale werden einer frequenzsta­ fier MMIC with more than bilisierten Quelle bei subharmonischer Frequenz im Mikrowellenbereich entnommen und bis in 5 mW output power. Chip den gewünschten Millimeterwellenbereich frequenzvervielfacht, in unserem Fall bis zu 200 GHz. size is 1 x 2.25 mm2. 200-GHz-Leistungsverstär- Wir haben einen Chipsatz für ein vollständig MMIC-basierendes, hochleistungsfähiges ker-MMIC mit über 5 mW 200-GHz-FMCW-Radar-Frontend entwickelt. Dieser besteht aus einem aktiven breitbandigen Ausgangsleistung. Die Chip- Frequenzverzwölffacher für das W-Band (75 bis 110 GHz), einem multifunktionalen subharmo- größe ist 1 x 2,25 mm2. nischen Heterodynempfänger für 200 GHz und optional einem 200-GHz-LeistungsverstärkerSchaltkreis. Der multifunktionale Empfänger-MMIC (Abb. 5) vereint einen 4-stufigen rauscharmen Verstärker (low-noise amplifier, LNA) mit einer Abwärtskonversionsstufe, die aus einem resistiven Mischer (mixer) und einem Frequenzverdoppler (×2) besteht. Der Verdoppler liefert das Lokaloszillatorsignal (LO) für den Mischer und entnimmt das Eingangssignal bei 100 GHz einer integrierten Verstärkerstufe mittlerer Leistung (medium-power amplifier, MPA). Der EmpfängerMMIC kommt daher mit einer niedrigen subharmonischen Eingangsleistung am LO-Eingang aus und ist dadurch auch für kohärente bildgebende Multi-Pixel-Architekturen geeignet, die auf LO-Verteilungsnetzwerken basieren. Der Empfänger demonstriert eine 3-dB-Bandbreite von 8 GHz zwischen 196 und 204 GHz und einen Konversionsgewinn von 7,7 dB (Abb. 6) bei einer subharmonischen LO-Leistung von lediglich -12 dBm. Die Rauschzahl von 6,9 dB ist durch die 200-GHz-LNA-Stufe bestimmt, die genügend Verstärkung liefert, um Rauschbeiträge der nachfolgenden Mischerstufe zu unterdrücken. Der Frequenzverzwölffacher ist eine Serienschaltung von symmetrischen Verdoppler- und Verdreifacher-Stufen (Abb. 7). Die Chipgröße beträgt 1,5 × 4 mm2. Die Verwendung von symmetrischen Stufen in Kombination mit Breitband-Anpassnetzwerken zwischen den Stufen ermöglicht den breitbandigen Betrieb des Vervielfachers im gesamten W-Band. Die Frequenzverdoppler-Stufen sind in Push-Push-Schaltungstopologie entworfen. Der Frequenzverdreifacher extrahiert die dritte Harmonische von einem Verstärker, der in Kompression und daher unter nichtlinearen Bedingungen betrieben wird. Am Eingang der ersten Verdoppler- sowie der Verdreifacher-Stufe wird das unsymmetrische Signal in ein symmetrisches (differenzielles) mittels aktiver Unbalanced-to-Balanced-(UNBAL)-Konverter umgewandelt, die gleichzeitig als Verstärker fungieren. Da alle Schaltungsstufen in aktiver Topologie entworfen sind, liefert die gesamte Vervielfacherkette einen Konversionsgewinn: am Eingang benötigt der Verzwölffacher weniger HF-Leistung als er an seinem frequenzvervielfachten Ausgang liefert. Die gemessene Ausgangsleistung als Funktion der Ausgangsfrequenz zeigt ein Maximum von 5 dBm bei einer 21 10 1 0 Photograph of the of meeting the stringent requirements of a high-resolution 94 GHz SUMATRA radar. millimeter-wave radar mounted onto an UAV. Optionally, in 94-GHz-SUMATRA-Radar. order to increase the detection range, the transmit power may be boosted by a 200 GHz power amplifier MMIC (Fig. 9). The circuit uses the conventional approach of parallelization of individual amplification stages to obtain a high output power. The last stage uses four parallel transistors in conjunction with power splitter and combiner networks. For sufficient gain, the MMIC integrates a cascade of three amplification stages. This amplifier achieves a small-signal gain of more than 12 dB in the frequency range from 186 to 212 GHz. At 200 GHz, the saturated output power is 7.4 dBm, or in linear terms, more than 5 mW. For many years, Fraunhofer IAF is cooperating with Fraunhofer FHR (formerly FGAN FHR) to develop innovative radar and radiometer imaging systems. To investigate compact UAV-based SAR systems, FHR has developed SUMATRA (synthetic aperture unmanned millimeter-wave airborne test radar), a remote and autonomous controlled UAV test platform as shown in Fig. 11. Fig. 10 shows the photograph and Fig. 12 the block diagram of the experimental radar. The 94 GHz analog frontend components of the SAR system have been designed and fab- 215 ... 380 MHz IAF Components DDS 94 GHz -23 dB MPA the frequency multiplier by 6 (x 6), medium-power amplifier (MPA), and high-power amplifier (HPA); for the receiver line: Tx x6 × 6 OSC Up-Converter ricated by Fraunhofer IAF. These are, for the transmitter line: the low-noise amplifier (LNA) and mixer (MIXER). The 94 GHz SUMATRA radar achieves an output power of 100 mW, a HPA bandwidth of 1 GHz and an excellent spacial resolution of Rx IF Mixer LNA 15 cm. The discussed examples of millimeter-wave components developed for FMCW radar frontends demonstrate the capability 1 2 Block diagram of of Fraunhofer IAF to exploit the high-performance benefits of 94 GHz SUMATRA radar. active electronics even at high millimeter-wave frequencies. Blockschaltbild des 94-GHz- With its millimeter-wave HEMT-based MMIC technologies, SUMATRA-Radars. Fraunhofer IAF is contributing to the very forefront of today‘s state-of-the-art. It ranges among the two leading institutions worldwide in terms of frequency coverage by state-of-the-art transistor electronics, rivaled only by NGAS. 22 11 Ausgangsfrequenz von 85 GHz (Abb. 8). Die 3-dB-Bandbreite ist größer als 30 GHz und deckt 1 1 SUMATRA, an UAV test den Bereich von 75 bis 105 GHz ab. Der Vervielfacher erzielt einen Sättigungsbetrieb bei einer platform from Fraunhofer Eingangsleistung von lediglich -2 dBm und erreicht folglich einen maximalen Konversionsge- FHR. winn von 7 dB. SUMATRA, eine UAV-Testplattform vom Fraunhofer In Kombination mit dem Frequenzverzwölffacher und einem zusätzlichen separaten Fre- FHR. quenzverdoppler im Sendezweig wäre der 200-GHz-Empfänger bereits alleine imstande, das analoge Frontend eines hochleistungsfähigen FMCW-Radars darzustellen, das die strengen Anforderungen eines hochauflösenden Millimeterwellen-Radars zum Einbau in ein UAV erfüllt. Um die Detektionsreichweite zu erhöhen, kann die Sendeleistung optional, mittels eines 200-GHz-Leistungsverstärker-MMIC (Abb. 9) erhöht werden. Die Schaltung basiert auf dem konventionellen Ansatz einer Parallelisierung einzelner Verstärkerstufen, um eine hohe Ausgangsleistung zu erreichen. Die letzte Stufe verwendet vier parallele Transistoren in Verbindung mit Leistungsteiler- und Leistungsaddierer-Netzwerken. Um eine ausreichende Verstärkung zu erreichen, ist im MMIC eine Kaskade von drei Verstärkungsstufen integriert. Dieser Verstärker erreicht eine Kleinsignalverstärkung von über 12 dB im Frequenzbereich von 186 bis 212 GHz. Bei 200 GHz beträgt die Sättigungs-Ausgangsleistung 7,4 dBm entsprechend über 5 mW in linearen Einheiten. Seit mehreren Jahren kooperiert das Fraunhofer IAF mit dem Fraunhofer FHR (früher FGAN FHR) mit dem Ziel, innovative bildgebende Radar- und Radiometer-Systeme zu entwickeln. Um kompakte, UAV-basierende SAR-Systeme zu untersuchen, hat das FHR das SUMATRA (synthetic aperture unmanned millimeter-wave airborne test radar) entwickelt, eine ferngesteuerte und autonome UAV-Testplattform, die in Abb. 11 gezeigt ist. Abb. 10 zeigt das Foto und Abb. 12 das Blockschaltbild des Experimentalradars. Die analogen 94-GHz-Frontend-Komponenten wurden vom Fraunhofer IAF entwickelt und hergestellt. Im Sendezweig sind es: ein Frequenzversechsfacher (× 6), ein Verstärker mittlerer Leistung (MPA) und ein Verstärker hoher Leistung (HPA); im Empfangszweig: ein rauscharmer Verstärker (LNA) und ein Mischer (MIXER). Das 94-GHz-SUMATRA-Radar erreicht eine Ausgangsleistung von 100 mW, eine Bandbreite von 1 GHz und eine exzellente räumliche Auflösung von 15 cm. Die beschriebenen Beispiele der für FMCW-Radar-Frontends entwickelten MillimeterwellenKom­ponenten demonstrieren die Fähigkeit des Fraunhofer IAF, Vorteile aktiver Elektronik mit hoher Leistungsfähigkeit auch bei hohen Millimeterwellen-Frequenzen auszuschöpfen. Mit seinen HEMT-basierenden MMIC-Technologien trägt das Fraunhofer IAF zur vordersten Spitze des heutigen Stands der Technik bei. Zusammen mit dem einzigen Wettbewerber, der Firma NGAS, gehört das Fraunhofer IAF zu den zwei weltweit führenden Institutionen, die einen derart großen Frequenzbereich mittels modernster Transistorelektronik abdecken können. 23 R ü d i g e r Q u ay Tel. +49 761 5159-843 r u e d i g e r . q u ay @ i a f. f r a u n h o f e r . d e M i c h a e l D a mm a n n Tel. +49 761 5159-517 m i c h a e l . d a mm a n n @ i a f . f r a u n h o f e r . d e 24 GaN Power Transistors for Mobile Communication Applications: From Simulation to Systems GaN-Leistungstransistoren für Anwendung im Mobilfunk: Von der Simulation zum System GaN-based power amplifier processed at Fraunhofer IAF. Prozessierte GaN-basierte Verstärkerschaltungen. 25 G a N P o w e r T r a n s i s t o r s f o r M o b i l e C o mm u n i c a t i o n App l i c a t i o n s : Fr o m S i m u l a t i o n t o S y s t e m s Application Power transistors operating in the GHz frequency regime are key devices in base stations for mobile communication systems. It is expected that GaN-based transistors will replace the so far used Si transistors in the near future mainly due to their larger bandwidth capabilities, their higher operating voltages as well as their higher linear efficiencies. In a longterm cooperation with NXP in Nijmegen/NL and UMS in Ulm, the Fraunhofer IAF is developing the technology for these GaN transistors aiming at output powers of more than 100 W per device. In 2009 remarkable progress could be achieved regarding reliable and efficient operation at high supply voltages and device robustness under strongly mismatched operating conditions. Furthermore, linear efficiencies surpassing Si-based transistors could be demonstrated with our GaN transistors for the first time. These recent achievements will be discussed in more detail as part of this report which is covering the chain from device simulation over wafer technology and reliability investigations to device characterization under operating conditions relevant for mobile communication systems. 26 1 Stability analysis of a power New power bar concepts for the frequency range from 2 GHz bar by EM simulation. Different to 6 GHz and output power ranges from 50 W – 280 W have colors represent different gate been pursued. Broadband matching of the power bars is a fingers of the power bar. The two challenge for any packaged device and requires improved figures are representative for an models especially for stability investigations of the power bar. unoptimized (top) and an optimized Packaged power bars are complex micro systems due to their (bottom) power bar. high amplification and the distributed nature of the field effect Stabilitätsanalyse eines Leistungs- transistor regarding its lateral extension with respect to the transistors durch EM-Simulation. wave length. GaN-based transistors at the same time provide Verschieden farbige Kurven repräsen- high gain, which needs to be carefully investigated to avoid tieren unterschiedliche Gate-Finger undesired feedback loops leading to destructive oscillations. des Leistungsverstärkers. Die beiden Fig. 3 shows the realization of a hybrid power bar in a three Abbildungen repräsentieren einen dimensional electro-magnetic simulator in the full assembly nicht optimierten (oben) und einen situation. It depicts the power bar and a variety of bond wires optimierten (unten) Verstärker. and substrates. 2 Anwendungen 2 Evolution of the GaN Leistungstransistoren mit Betriebsfrequenzen im GHz-Bereich sind Schlüssel-Bauelemente in on SiC wafer diameter. den Basisstationen der Mobilfunk-Netzwerke. Man erwartet, dass in naher Zukunft die bislang Entwicklung der Wafer- verwendeten Silizium-Transistoren durch Transistoren auf Basis des Verbindungshalbleiters durchmesser. Gallium-Nitrid (GaN) ersetzt werden, da diese bei höheren Spannungen betrieben werden können sowie hinsichtlich Frequenz-Bandbreite und linearer Effizienz überlegen sind. In einer mehrjährigen Kooperation mit den Firmen NXP in Nijmegen/NL und UMS in Ulm entwickelt das Fraunhofer IAF die Technologie für GaN-Transistoren mit Ausgangsleistungen von über 100 W pro Bauelement. In dieser Entwicklung konnte 2009 ein bemerkenswerter Fortschritt hinsichtlich dem effizienten und zuverlässigen Betrieb bei hohen Versorgungsspannungen erzielt werden und eine hohe Robustheit gegenüber starker elektrischer Fehlanpassung nachgewiesen werden. Des Weiteren konnte erstmals gezeigt werden, dass GaN-Transistoren eine höhere lineare Effizienz aufweisen als Si-basierende Transistoren. Diese neuen Resultate werden im Folgenden detailliert beschrieben. Dabei wird die gesamte Herstellungskette von der Bauelemente-Simulation über die Chip-Technologie bis zu Zuverlässigkeitsuntersuchungen unter Betriebsbedingungen, wie sie für Mobilfunk Anwendungen relevant sind, betrachtet. Simulation Neue Konzepte für Leistungstransistor-Barren für Anwendungen im Frequenzbereich zwischen 2 GHz und 6 GHz und Ausgangsleistungen zwischen 50 W und 280 W wurden verfolgt. Besonders anspruchsvoll ist die breitbandige elektrische Anpassung der aufgebauten LeistungsTransistoren im Gehäuse, so dass hierfür verbesserte theoretische Modelle notwendig sind, um die Schwingungsanfälligkeit der Transistoren zu kontrollieren. Montierte Leistungstransistor-Barren sind aufgrund ihrer hohen Verstärkung und ihrer im Vergleich zur elektrischen Wellenlänge ausgedehnten Natur komplexe Mikrosysteme. Gleichzeitig liefern GaN-basierende Transistoren einen hohen elektrischen Gewinn, der sorgfältig kontrolliert werden muss, um unerwünschte Rückkopplungsschleifen zu vermeiden, die zu zerstörenden Oszillationen führen können. Abb. 3 zeigt in einem dreidimensionalen elektromagnetischen Simulator die Realisierung eines hybriden Leitungstransistor-Barrens in einer vollständigen Montage-Situation. Es zeigt den Leistungstransistor, die Anordnung der verschiedenen Verbindungsdrähte sowie verschiedene Substrate. 27 G a N P o w e r T r a n s i s t o r s f o r M o b i l e C o mm u n i c a t i o n App l i c a t i o n s : Fr o m S i m u l a t i o n t o S y s t e m s Simulation Our main effort was to improve the model for stability Thus, we have successfully improved our model, so that we analysis in different hybrid assembly situations for broadband and our customers are able to verify the stability of our power applications. For the small signal stability analysis we use the bars in different environments for small and large signal Zkk-method and Nyquist criteria. The Zkk-method is an easy analysis in various package situations. tool to use and gives us the possibility to look at different positions in the power bar at the same time. Technology In principle a power bar is a parallel connection of several individual FETs. From the theoretical point of view you can have Regarding the wafer technology the basis for our results is a n-1 odd mode- and one even mode oscillation in a n-finger continuously optimized GaN technology for transistors and power bar. In order to describe this micro system correctly integrated circuits with good wafer-to-wafer homogeneity and we divided our power bar in a distributed model. Each finger reproducibility. The realization of highly insulating materials is modeled separately and the fingers are combined with with low trap densities is absolutely necessary to reach these lumped element bus structures. With this distributed model goals: high resistances lead to low leakage currents at high it is possible to investigate the stability at each finger. We can supply voltages and low trap densities avoid losses due to also check the stability in the interconnection paths. Another electron trapping. Important steps in order to achieve this goal advantage of such a model is that we easily can change the were further optimizations of our epitaxial growth procedure bus structure for further improvement of the power bar with on highly insulating SiC substrates as well as of the processing respect to gain and area consumption. A further benefit of our technology for the surface passivation and gate process. The distributed model is that we can use large signal FET models in complete process now features low ohmic contact resistances, the finger structure. This allows us to investigate the injection an implantation isolation and a Schottky gate contact with of disturbing signals at different points in the power bar under integrated field plates for reduction of electric field spikes. large signal condition. Fig. 1 shows an example of the results Furthermore, we use two levels of interconnect metalizations of a stability simulation of a power bar in a polar chart. The for large gate width devices, passive elements for impedance colors represent different gate fingers. According to the type matching in integrated circuits as well as a state-of-the-art of analysis, the simulated Zkk must not cross the y axis for all backside process for devices in micro strip line technology like frequencies but for the chosen power bar configuration Fig. 1 monolithic microwave integrated circuits (MMICs). The devices (top) clearly depicts an instability visible for various fingers at are now characterized by a ratio between on-stage and 3.15 GHz. Fig. 1 (bottom) gives again results of the stabiliza- off-state current as large as 106 at supply voltages of 50 V, tion simulations after changes in the layout of the power bar. they convert close to 70 % of DC input power into RF output No instability is visible and sufficient margin is available with power and demonstrate stable operation for several thousand respect to process variations. hours under operating conditions. 28 3 3 Three-dimensional model Unser wichtigstes Anliegen war es, das Modell für die Stabilitätsanalyse in verschiedenen for electro-magnetic simu- Aufbau-Situationen und unter breitbandiger Anpassung zu verbessern. Für die Kleinsignal- lation of a hybrid power Stabilitätsanalyse benutzen wir den Zkk-Ansatz und die Nyquist-Kriterien. Der Zkk-Ansatz bar assembly. ermöglicht die gleichzeitige Untersuchung eines Leistungs-Transistors an verschiedenen Stellen Dreidimensionales elektro- und ist in der Handhabung relativ einfach. magnetisches Modell eines hybrid aufgebauten Leistungs- Grundsätzlich ist ein Leistungstransistor-Barren eine parallele Verbindung von verschiedenen transistor-Barrens. Einzeltransistoren. Theoretisch sind n-1 ungerade Oszillationen und eine gerade Oszillation in einem Transistor mit n Gate-Fingern möglich. Um diese Mikrosysteme korrekt zu beschreiben, benutzen wir die Leistungstransistor-Barren mit einem verteilten Modell. Jeder Gate-Finger wird getrennt modelliert und die einzelnen Finger werden über Bus-Strukturen, die aus diskreten Elementen bestehen, verbunden. Mit diesem verteilten Modell ist es möglich, die Stabilität des Bauelements sowohl an jedem Finger als auch an den Verbindungsleitungen zu untersuchen. Ein weiterer Vorteil des Modells ist, dass die Bus-Strukturen leicht zu verändern sind, um Verbesserungen der Leistungstransistor-Barren hinsichtlich elektrischem Gewinn und dem Flächenverbrauch zu erzielen. Das verteilte Modell eröffnet darüber hinaus die Möglichkeit, Großsignal-Modelle des Transistors für die Finger-Strukturen benutzen zu können. Dies erlaubt es, unter Großsignal-Betriebsbedingungen, die Injektion von Störsignalen an verschiedenen Stellen des Leistungstransistors untersuchen zu können. In Abb. 1 wird in einem Polar-Diagramm ein Beispiel für die Resultate der Stabilitäts-Simulationen gezeigt. Darin repräsentieren die verschiedenen Farben die einzelnen Gate-Finger. Gemäß dem gewählten Analysemodell darf in diesem Diagramm der simulierte Zkk-Wert für alle Frequenzen die y-Achse nicht schneiden. Im gewählten Beispiel der Abb. 1 (oben) ist dies aber für verschiedene Finger bei der Frequenz von 3,15 GHz der Fall, so dass der Transistor instabil ist. Abb. 1 (unten) zeigt die Analyse des gleichen Transistors nach der Verbesserung des Layouts der Leistungszellen. Das Bauelement ist stabil und zeigt im gewählten Frequenzband genügend Spielraum gegenüber eventuellen Prozess-Schwankungen. Mit diesem verbesserten Model sind wir nun in der Lage, die Stabilität von Leistungstransistor-Barren unter Berücksichtigung von Layout, Groß- und KleinsignalAnsteuerung und in verschiedenen Aufbau-Situationen zu beschreiben und vorherzusagen. 29 G a N P o w e r T r a n s i s t o r s f o r M o b i l e C o mm u n i c a t i o n App l i c a t i o n s : Fr o m S i m u l a t i o n t o S y s t e m s All of these developments were carried out on 3“ wafers. However, the standard wafer diameter for SiC substrates will be 100 mm in the future and will also be employed by our industrial partner UMS. Therefore, we transferred the entire process to this larger wafer diameter. All manufacturing steps were performed in the same tools as for the 3“ wafers such 0.4 140 Ig expected. Device definition for structures of at least 500 nm is 120 based on optical lithography utilizing our i-line stepper which Id 0.3 can handle both 3“ and 100 mm wafer diameters. Only shor- 100 80 0.2 60 ter gate structures for higher frequency applications starting U (V) I (mA/mm) that a smooth transition to 100 mm substrate diameter was 40 0.1 from 10 GHz are written by electron beam lithography. Characterization 20 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 Time (h) 16 18 20 0 22 Two-finger power transistors with 800 µm gate width were characterized by load pull mappings. The result of this investigation was a uniformly distributed power sweep across all of the 37 measured transistors on a 100 mm GaN on 30 4 Gate and drain current SiC wafer with a yield of 100 %. All cells were characterized densities during drain voltage using identical conditions at a frequency of 2 GHz and a step-stress test of two devices at supply voltage of 50 V yielding mean values in power added Tch = 150 °C. DUT: W = 480 µm, efficiency, output power density and gain beyond 60 %, L = 0.5 µm. 6 W/mm and 24 dB for a sample having an Al-content of Zeitlicher Verlauf der Gate- und about 18 %. The homogeneity of the data is very good Drain-Strom-Dichten von zwei with standard deviations around 1 % in all three parameters Bauelementen während eines evidencing the excellent homogeneity in epitaxial growth and Drain-Spannungs-Stufentests processing technology. The performance and reliability of the bei einer Kanaltemperatur von devices already approaches that realized on 3“ wafers and we Tch = 150 °C. DUT: W = 480 µm, expect an overall transfer to 100 mm diameter wafers during L = 0,5 µm. 2010. 5 Technologie 5 GaN demonstrator Die Basis unserer Wafer-Technologie bildet ein kontinuierlich verbesserter Halbleiter-Prozess für board by Alcatel-Lucent. Transistoren und integrierte Schaltungen mit guter Homogenität und Reproduzierbarkeit von GaN-Demonstrations- Wafer zu Wafer. Diese Ziele erfordern unter anderem die Herstellung von hochisolierenden Modul von Alcatel-Lucent Halbleitermaterialien. Hohe Materialwiderstände führen zu niedrigen Leckströmen bei hohen mit IAF-Leistungstransis- Betriebsspannungen, und niedrige Dichten von Störstellen verhindern Verluste durch den toren. Einfang von Ladungsträgern. Wichtige Teilschritte, um dieses Ziel zu erreichen, war eine weitere Optimierung der epitaktischen Wachstums-Prozesse sowie eine Verbesserung der PassivierungsTechnologie und des Gate-Prozesses. Der komplette Prozess umfasst nun niedrige Widerstände der Source- und Drain-Kontakte, eine Implantations-Isolierung und einen Schottky-Gate-Kontakt mit integrierten Feldplatten, um elektrische Feldspitzen zu reduzieren. Weiterhin benutzen wir zwei Ebenen von Verbindungsmetallen für Bauelemente mit großer Gate-Weite, passive Elemente für die Impedanz-Anpassung und einen State-of-the-art-Rückseiten-Prozess für Bauelemente in Mikrostreifen-Technologie, wie monolithisch integrierte Mikrowellen-Schaltungen (MMICs). Die Bauelemente zeigen ein Strom-Verhältnis von 106 zwischen eingeschaltetem und ausgeschaltetem Betriebszustand bei 50 V Versorgungsspannung. Sie setzen nahezu 70 % der zugeführten Gleichspannungs-Leistung in hochfrequente Ausgangsleistung um und zeigen einen stabilen Betrieb über einige tausend Stunden unter relevanten Betriebsbedingungen. Diese Entwicklungen wurden auf Wafern mit einem Durchmesser von 3“ durchgeführt, jedoch wird in Zukunft der Standard-Durchmesser für SiC-Substrate 100 mm betragen. Da auch unser industrieller Partner UMS 100 mm-Substrate verwendet, haben wir unseren kompletten Prozess auf diesen größeren Wafer-Durchmesser übertragen. Alle Prozess-Schritte wurden auf den gleichen Maschinen durchgeführt wie für die 3“-Wafer, so dass ein reibungsloser Übergang zu 100 mm-Substraten erwartet werden konnte. Strukturen mit Abmessungen von mindestens 500 nm werden mit Hilfe der optischen Lithographie und einem i-Line-Stepper hergestellt, der beide Wafer-Durchmesser bearbeiten kann. Lediglich kürzere Gate-Strukturen für höhere Frequenzen ab 10 GHz werden mit Hilfe der Elektronenstrahl-Lithographie definiert. 31 G a N P o w e r T r a n s i s t o r s f o r M o b i l e C o mm u n i c a t i o n App l i c a t i o n s : Fr o m S i m u l a t i o n t o S y s t e m s Devices In order to characterize the stability of our power transistors wafer level DC-voltage step-stress-tests have been performed to determine the short term robustness and the maximum stable drain voltage. During this test, the drain voltage under off-state condition (Vg = -7 V) has been increased by 5 V every hour at Tch = 150 °C. As shown in Fig. 4, the gate and drain 20 0.5 10 0.4 0 0.3 -10 0.2 -20 0.1 -30 -1 10 10 0 1 10 10 Time (h) 2 10 3 increase during the plateau phase even at the highest stress voltage of 130 V. Therefore, no indication of the onset of irreversible gate current increase was observed which may be caused by the inverse piezoelectric field effect at high drain voltages. Gate and drain currents are approximately the same Ig (mA/mm) ∆Id / I d (%) current densities are always below 0.1 mA/mm and do not 0.0 4 10 indicating that there is no buffer leakage current flowing between source and drain. First aging tests of packaged power transistors with a gate width of 7.2 mm also show promising long-term stability. Fig. 6 shows the relative change of the drain current and the absolute gate current during a DC-stress test with a supply voltage of 50 V at room temperature. The relative change after 5.000 h of operation is less than 10 % indicating a maturity of the technology which is close to the requirements of mobile communication systems. 6 Relative change of drain and 32 absolute gate current during Based on the various optimization steps a variety of power DC-stress test of a GaN power bars have been fabricated and attached to heat sinks for the transistor with a gate width of frequency range between 2 and 6 GHz. Thermal management 7.2 mm stressed at a drain volta- is another key for the long-term stability of optimized power ge of 50 V at room temperature. bars. A verification of their simulated thermal behavior by Relative Änderung des Drain- various means is absolutely necessary in order to control the Stroms und des absoluten quality of the assembly. For this purpose an infrascope was Gate-Stroms während des procured for thermal analysis of power bars under operation. Zuverlässigkeitstests eines GaN- Fig. 7 shows the measured temperature distribution along Leistungstransistors mit 7,2 mm a power bar taken by the infrascope. The image confirms Gate-Weite bei einer Gleich- a good die attach with low thermal resistance, a balanced spannung von 50 V und Raum- temperature distribution with the peak in the center of the temperatur. power bar, and a maximum device temperature of 212 °C. 200 T e mp e r a t u r e ° C 175 150 125 100 75 35 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 Position Across Power Bar (mm) 7 Charakterisierung 7 Temperature distri- Zwei-Finger-Transistoren mit einer Gate-Weite von 800 µm wurden mit Hilfe von Load-Pull- bution for the power Messungen charakterisiert, und als Ergebnis dieser Untersuchungen konnten gleichförmige bar in cw-operation. Leistungsdaten aller 37 vermessenen Transistoren auf einem 100 mm-SiC-Wafer mit einer Temperaturverteilung Ausbeute von 100 % nachgewiesen werden. Alle Zellen wurden unter identischen elektrischen über den Leistungstransis- Messbedingungen bei einer Frequenz von 2 GHz und einer Betriebsspannung von 50 V tor-Barren im charakterisiert. Mittelwerte für die Leistungseffizienz betrugen 60 % bei einer Leistungsdichte cw-Betrieb. von 6 W/mm und einem elektrischen Kleinsignal Gewinn von 24 dB. Der Aluminium-Gehalt in der Barriere der Transistorstruktur lag bei etwa 18 %. Standardabweichungen von lediglich 1 % in allen drei Messgrößen belegen eindrucksvoll die Homogenität des epitaktischen Wachstums und der Prozess-Technologie. Die Leistungsdaten und die Zuverlässigkeit dieser auf 100 mm-Substraten hergestellten Transistoren ist schon jetzt vergleichbar mit Transistoren, die auf 3“-Substraten hergestellt wurden, und wir erwarten während des Jahres 2010 einen kompletten Transfer zu Wafern mit 100 mm Durchmesser. Bauelemente Um die Spannungsfestigkeit unserer Leistungstransistoren zu beurteilen, wurden Gleichspannungs-Stufentests bei hohen Temperaturen (Tch = 150 °C) durchgeführt. In diesem Test wurde, bei abgeschnürtem Kanal des Transistors (Vg = -7 V), die Drain-Spannung je Stunde um 5 V erhöht. Wie in Abb. 4 dargestellt, blieben die Gate- und Drain-Ströme während dieses Tests unter 0,1 mA/mm, sogar bei der höchsten Spannung von 130 V. Es gibt also kein Anzeichen eines irreversibel ansteigenden Gate-Stroms, der durch den inversen piezoelektrischen Effekt bei hohen Drain-Spannungen verursacht sein könnte. Gate- und Drain-Ströme sind annähernd gleich und zeigen, dass kein Leckstrom zwischen Source und Drain durch die epitaktisch gewachsene Puffer-Schicht fließt. Erste Zuverlässigkeitstests von montierten Leistungstransistoren mit 7,2 mm Gate-Weite zeigen vielversprechende Resultate hinsichtlich ihrer Langzeit-Stabilität. Abb. 6 zeigt die relative Änderung des Drain-Stroms und den Gate-Strom während des Tests bei 50 V Betriebsspannung und Raumtemperatur. Die relative Stromänderung beträgt nach 5000 h weniger als 10 % und zeigt damit, dass die Reife der Technologie bereits nahe an den Anforderungen von Mobilfunk-Systemen liegt. Basierend auf einer Reihe von Optimierungs-Schritten wurde eine Vielzahl verschiedener Leistungstransistor-Barren für den Frequenzbereich zwischen 2 GHz und 6 GHz hergestellt und auf Wärmesenken montiert. Thermisches Management ist ein weiterer Schlüsselfaktor für die 33 8 Performance in Systems System-relevant measurements were performed by our partner NXP Semiconductors, Nijmegen/NL, in order to compare our results under realistic operating conditions to state-of-the-art silicon technologies currently on the market. Base station 60 power bars are typically operated with multi-carrier wideband GaN Efficiency (%) 50 CDMA (WCDMA) signals or even more complicated signals for Si the upcoming long-term evolution (LTE) operation. 40 Fig. 9 gives the crucial dependence of drain-efficiency as a function of back-off power relative to the maximum achiev- 30 able peak output power of 170 W at 2.14 GHz. It compares 20 the performances of a GaN transistor with a gate width of 36 mm (blue) with a LDMOS transistor of 150 mm gate width 10 0 -14 (red). Both devices deliver the same peak power of about 170 W clearly showing the higher power density capabilities -12 -10 -8 -6 -4 -2 Relative Output Power (dB) of our GaN technology. The operating conditions are very realistic to application with respect to signal clipping, channel spacing, frequency off-set from the carrier (5 MHz), and two- 9 Comparison of the efficiency carrier operation. As shown in Fig. 9, gallium nitride power vs. power-back-off in a two- bars compare very well to the latest silicon LDMOS generation carrier wideband CDMA measu- (generation 7) from NXP for the same power range. rement at 2.14 GHz for gallium 34 nitride and silicon. We observe an improvement of about 4 % in efficiency for Vergleich der Effizienzen zweier the gallium nitride power bars as compared to the silicon Transistoren aus Gallium-Nitrid LDMOS power bar for the same output power and linearity und Silizium in einer Zwei- (not shown). At the classical WCDMA 8 dB back-off point the Träger-CDMA-Messung bei results provide 35 % drain efficiency for the GaN-based 2,14 GHz in Abhängigkeit von transistor, as com­pared to 31.2 % for the silicon LDMOS der Leistungskompression. transistor. G a N - L e i s t u n g s tr a n s i s t o r e n f ü r A n w e n d u n g i m M o b i l f u n k : V o n d e r S i m u l at i o n z u m S y s t e m 8 GaN demonstrator from Langzeit-Stabilität dieser Transistoren. Eine Bestätigung des simulierten Temperaturverhaltens the BMBF class-S project durch verschiedene Messmethoden ist unbedingt notwendig, um die Qualität des Montagepro- GaMoKOM (01BU0606). zesses zu kontrollieren. Für diesen Zweck wurde ein Infrascope angeschafft, um die thermische Copyright: EADS DE, Ulm. Analyse von Leistungstransistoren durchzuführen. Abb. 7 zeigt die mit Hilfe des Infrascopes GaN-Demonstrator aus gemessene Temperaturverteilung entlang eines Leistungs-Barrens. Das Bild bestätigt durch dem BMBF-class-S-Projekt den geringen thermischen Widerstand und die symmetrische Temperaturverteilung mit dem GaMoKOM (01BU0606). Maximum von 221 °C in der Barren-Mitte die gute Qualität der Montagetechnik. Copyright: EADS DE, Ulm. Leistungsdaten im System Von unserem Partner NXP, Nijmegen/NL, wurden systemrelevante Messungen durchgeführt, um unsere Transistoren unter realistischen Betriebsbedingungen mit der neuesten Generation von Si-basierenden Transistoren zu vergleichen. Transistoren für Basisstationen werden entweder mit Multi-Carrier-Wideband-CDMA (WCDMA)-Signalen oder sogar noch komplizierteren Signalen für den zukünftigen Long-Term-Evolution (LTE)-Übertragungsstandard betrieben. Abb. 9 zeigt die wichtige Abhängigkeit der Drain-Effizienz als Funktion der Kompressionsleistung relativ zur maximal möglichen Spitzenleistung von 170 W bei 2,14 GHz. Es vergleicht die Leistungsfähigkeit eines GaN-Transistors mit einer Gate-Weite von 36 mm (blau) mit einem LDMOS-Transistor von 150 mm Gate-Weite (rot). Da beide Bauelemente die gleiche Spitzenleistung von 170 W liefern, zeigt dies eindruckvoll die deutlich höheren Leistungsdichten der GaN-Technologie. Die Betriebsbedingungen sind mit Hinblick auf das Clipping-Niveau, den Kanal-Abstand, den Frequenz-Abstand vom Träger (5 MHz) und die Verwendung von zwei Trägerfrequenzen sehr realistisch. Wie Abb. 9 zeigt, sind Gallium-Nitrid-Leistungstransistor-Barren durchaus konkurrenzfähig zur neuesten Generation 7 der Si-basierenden LDMOS-Transistoren von NXP. Verglichen mit LDMOS-Leistungstransistoren beobachten wir für die GaN-Transistoren eine Verbesserung der Effizienz um 4 % bei gleicher Ausgangsleistung und Linearität (nicht gezeigt in Abb. 9). Im typischen WCDMA-Arbeitspunkt 8 dB unterhalb der maximalen Spitzenleistung erzielt der GaN-Transistor eine Drain-Effizienz von 35 % im Vergleich zu 31,2 %, die mit dem LDMOS-Transistor erzielt werden. 35 G a N P o w e r T r a n s i s t o r s f o r M o b i l e C o mm u n i c a t i o n App l i c a t i o n s : Fr o m S i m u l a t i o n t o S y s t e m s Relevance of the Development In Germany, about 70 million people are using mobile communication (e. g. 0.7 GHz to 2.6 GHz and 2.9 GHz to communication and are additionally sending 35 billion SMS 3.6 GHz) and also between different data transmission messages per year. In today‘s knowledge-based society people standards. This is not possible with conventional Silicon-based depend on a modern and efficient infrastructure for mobile transistors due to their limited bandwidth. communication. Meanwhile the networks of the German mobile communication suppliers comprise a number of With the migration to switch mode amplifiers architectures 70,000 base stations which are needed to provide a nation- which is expected to happen about 2012 the GaN-based wide access to mobile services. In each of these base stations, transistors will show their full bandwidth potential because in the consumption of electric energy is in the order of some these types of architectures the switch mode amplifiers have kilowatt. In total the electrical energy of a mid-size power to be operated at frequencies that are one order of magnitude plant is needed to operate these networks. Up to two third of higher than the data signals bit rate. the energy consumption of a typical base station is used for the operation of the power amplifier modules. Therefore it is Compared to conventional approaches the concept of switch obvious that an improved energy efficiency of the power mode power amplifiers offers the advantage of extremely amplifiers leads to reduced energy consumption and energy increased electrical efficiencies under linear operation condi- costs. tions of base stations. Realistic assessments of the electrical energy consumption of base stations show that depending on Furthermore, the implementation of new data transmission the application the energy consumption can be decreased by standards like the third generation of UMTS or Long-Term up to 75 %. This would result in a reduction of the electrical Evolution (LTE) leads to an increased demand of bandwidth energy consumption of some 100 million watt for the mobile and linearity of the power amplifier modules in order to communication networks in Germany and would be also provide higher data rates. Only with these highly sophisticated accompanied by an enormous reduction of CO2 emission. data transmission standards applications like video transmissi- Energy costs are direct operating costs for the network on via mobile internet are made possible at a reasonable price. suppliers and therefore it can be accepted that an improved A further demand for the amplifiers is the capability to switch energy efficiency will directly lead to reduced prices for between the frequency bands which are used for mobile consumers. 36 10 Relevanz der Entwicklung 1 0 Alcatel-Lucent base In Deutschland telefonieren etwa 70 Mio. Menschen mobil und verschicken jährlich zusätzlich station. 35 Milliarden SMS-Nachrichten. Sie sind damit in der heutigen Wissensgesellschaft auf eine Basisstation von Alcatel- moderne und leistungsfähige Infrastruktur für die mobile Kommunikation angewiesen. Mittler- Lucent. weile beinhalten die Netze der verschiedenen Mobilfunk-Anbieter allein in Deutschland 70 000 Basisstationen. Der Verbrauch an elektrischer Leistung in jeder dieser Basisstationen liegt im Bereich von einigen Kilowatt, so dass der Gesamtverbrauch an elektrischer Energie ein größeres Kraftwerk in Deutschland erfordert. Gleichzeitig wird ein erheblicher Teil, d. h. bis zu zwei Drittel des Energieumsatzes einer Basisstation durch das Leistungsverstärker-Modul verursacht, so dass sich eine Verbesserung der Leistungseffizienz an dieser Stelle sofort in niedrigerem Energieverbrauch und niedrigeren Energiekosten niederschlägt. Zudem werden durch neue Standards in der Datenübertragung (z. B. UMTS der dritten Generation und ihr Nachfolger Long-Term Evolution, LTE), immer höhere Anforderungen an Bandbreite und Linearität der in den Basisstationen eingesetzten Hochfrequenz-Verstärkermodule gestellt, um höhere Datenraten zu ermöglichen. Anwendungen wie das mobile Internet mit Fernsehübertragung oder Videoanwendungen werden erst durch diese Entwicklungen ermöglicht oder in ihrer Qualität derartig verbessert, dass sie zu erschwinglichen Preisen eine breite Verwendung finden. Damit verbunden ist auch die Forderung, diese Verstärker sowohl zwischen den für den Mobilfunk zugelassenen Frequenzbändern (0,7 GHz bis 2,6 GHz und 2,9 GHz bis 3,5 GHz) als auch zwischen den jeweiligen Übertragungsstandards umschalten zu können. Dies ist mit konventionellen Silizium-Transistoren aufgrund ihrer mangelnden Bandbreite nicht möglich. Insbesondere bei dem in einigen Jahren zu erwartenden Übergang der Schaltungsarchitekturen auf Schaltverstärker, die mit etwa der zehnfachen Frequenz der Signalnutzfrequenz arbeiten müssen, wird die extrem hohe Arbeitsfrequenz, die GaN-basierende Transistoren aufgrund ihrer Materialeigenschaften aufweisen, voll zum Tragen kommen. Das Konzept der Schaltverstärker bietet gegenüber den bislang gängigen Verstärker-Architekturen den Vorteil eines extrem hohen elektrischen Wirkungsgrads für den linearen Betrieb der Basisstation. Realistische Abschätzungen zeigen, dass der elektrische Energieverbrauch von Basisstationen deutlich, d. h. je nach Anwendung um bis zu 75 % reduziert werden kann. Allein für die Bundesrepublik Deutschland könnte auf diese Weise der elektrische Leistungsbedarf der Mobilfunknetze um mehrere 100 Millionen Watt reduziert werden. Dieses ist verbunden mit einer entsprechenden Reduktion in der CO2-Emission und der negativen Auswirkung auf Umwelt und Klima. Ferner sind die damit verbundenen Energiekosten direkte Betriebskosten für die Betreiber der Mobilfunk-Netze, die sich unmittelbar auf die Preise für die Verbraucher auswirken. 37 Frank Rutz Tel. +49 761 5159-454 F r a n k . R u t z @ i a f. f r a u n h o f e r . d e 38 Third Generation IR Photodetectors IR-Photodetektoren der dritten Generation Completely processed dual-color superlattices on 3“-wafers, each containing eleven FPAs surrounded by smaller test structures. Fertig prozessierte ZweiFarben-Übergitter auf 3“-Wafern mit jeweils elf Bildfeldmatrizen, umgeben von kleineren Teststrukturen 39 T h i r d G e n e r at i o n IR P h o t o d e t e c t o r s Bispectral Thermal Imagers The 50-year long history of infrared (IR) photodetector development for imaging can be divided into three phases. In the beginning, only few single detector elements were individually contacted and arranged in a one-dimensional line array. These first generation thermal imagers depend on optical scanners which project the observed scene onto the detector array line. Almost 20 years later, second generation devices, comprising two-dimensional starring focal plane arrays (FPAs) with hybridized read-out integrated circuits (ROICs) emerged. At present, third generation IR cameras are developed featuring a considerably higher spatial resolution (»megapixel cameras«), an extended functionality and the ability to simultaneously detect different spectral ranges. -1 Multispectral IR cameras are able to discern the spectral signa- 2 2 O H 2 CO H 2 2O CO LWIR ture of an object in contrast to monospectral devices, which 100 10 22 80 10 20 60 10 18 40 20 10 16 0 10 14 1 Atmospheric Transmission (%) Photon Flux (ph cm-2 s -1 µm ) H 2 O MWIR CO Visible 10 Wavelength (µm) merely measure the integrated intensity of IR emitters. The transition from monospectral to multispectral IR cameras is comparable with the transition from black-and-white to color photography in the visible. The additional spectral information is of great benefit for image processing. Relative temperature differences can be distinguished very accurately by measuring the integrated (monospectral) intensity if the emissivity of the examined object is known. However, objects with identical temperature but dissimilar emissivity 1 Planck‘s law for black-body radiation for different temperatures show different intensities in monospectral IR images. In Fig. 1, (yellow: 5500 °C, red: 1500 °C, green: 30 °C) and the atmospheric the spectral radiance according to Planck‘s law is shown for transmission as a function of the wavelength. The atmospheric win- black bodies (emissivity = 1) with typical surface temperatures dow at 3 – 5 µm is divided into two ranges colorized in blue and red of the sun (5500 °C), red-hot iron (1500 °C), and a person while the window at 8 – 12 µm is high-lighted in orange. (30 °C) as a function of the wavelength. For the large category Planck‘sche Strahlungsverteilung für Schwarzkörperstrahler mit of so-called gray bodies, characterized by a wavelength unterschiedlicher Temperatur als Funktion der Wellenlänge (gelb: independent emissivity < 1, bispectral imaging systems can 5500 °C, rot: 1500 °C, grün: 30 °C). Gesondert markiert sind die at- be used to determine the temperature by comparing the mosphärischen Fenster bei 3 – 5 µm, unterteilt in zwei Farben, die signal ratio of both spectral channels. For thermographic durch blaue bzw. rote Bereiche gekennzeichnet sind, sowie das Fens- applications, the important spectral ranges are the transparent ter bei 8 – 12 µm (orange). atmospheric windows in the mid-wavelength infrared (MWIR) 40 IR - P h o t o d e t e k t o r e n d e r d r i t t e n G e n e r at i o n Bispektrale Wärmebildgeräte Die mittlerweile 50-jährige Entwicklungsgeschichte bildgebender Photodetektoren für den Infrarot (IR)-Bereich lässt sich in drei Abschnitte einteilen. Anfangs wurden relativ wenige Detektorelemente einzeln kontaktiert und zu einer eindimensionalen Zeile angeordnet. Die Wärmebildgeräte dieser ersten Generation sind auf einen optischen Scanner angewiesen, der die zu beobachtende Szene auf die Detektorzeile projiziert. Knapp 20 Jahre später kamen zweidimensionale, starrende Bildfeldmatrizen (FPAs) mit hybridisierten Ausleseschaltkreisen (ROICs) in Geräten der zweiten Generation zum Einsatz. Aktuell werden IR-Kameras der dritten Generation entwickelt, die sich durch eine wesentlich höhere räumliche Auflösung (»Megapixel-Kameras«), größere Funktionalität und die Fähigkeit zur zeitgleichen Detektion in getrennten Spektralbereichen auszeichnen. Im Gegensatz zu monospektralen Geräten, welche die Gesamtstrahlungsintensität von IR-Strahlern messen, erfassen multispektrale IR-Kameras die Farbsignatur eines Objektes im Infraroten. Der Übergang von mono- zu multispektralen IR-Kameras ist damit dem Übergang von der Schwarzweiß- zur Farbfotografie im sichtbaren Spektrum vergleichbar. Der große Vorteil ergibt sich aus der spektralen Zusatzinformation für die Bildauswertung. Relative Temperaturunterschiede lassen sich bei integraler (monospektraler) Intensitätsmessung sehr genau ermitteln, wenn von einer bekannten Emissivität des Messobjekts ausgegangen werden kann. Weisen verschiedene Messobjekte hingegen unterschiedliche Emissivitäten auf, erscheinen sie im monospektralen IR-Bild trotz gleicher Temperatur unterschiedlich hell. In Abb. 1 sind die Planck’schen Strahlungskurven für schwarze Körper (Emissivität = 1) mit typischen Oberflächentemperaturen für die Sonne (5500 °C), rotglühendes Eisen (1500 °C) und eine Person (30 °C) über der Wellenlänge aufgetragen. Für die große Klasse sogenannter grauer Strahler mit einer wellenlängenunabhängigen Emission < 1, kann mit einer bispektralen IR-Kamera über das Signalverhältnis in zwei unterschiedlichen Spektralbereichen die absolute Temperatur des Messobjekts bestimmt werden. Interessant für thermographische Anwendungen sind vor allem die atmosphärisch weitgehend transparenten Spektralbänder im mittleren Infrarot (MWIR) von 3 – 5 µm und im langwelligen Infrarot (LWIR) von 8 – 12 µm. Bislang wurden zur Bestimmung der Spektralverteilung in IR-Kameras Filter eingesetzt, um die Intensitätsverteilung in verschiedenen Spektralbereichen (»Farben«) zu bestimmen. Dies hat allerdings den großen Nachteil, dass immer nur eine Farbe gleichzeitig betrachtet werden kann, die synchrone, pixelgenaue Bildaufnahme bei unterschiedlichen Wellenlängen ist nicht möglich. Die Entwicklung von hochauflösenden Wärmebildkameras, die mit einem Detektor gleichzeitig in zwei Wellenlängenbereichen IR-Strahlung detektieren, ist weltweit Gegenstand von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten und gelang am Fraunhofer IAF erstmals 2004. 41 T h i r d G e n e r at i o n IR P h o t o d e t e c t o r s between 3 – 5 µm and the long-wavelength infrared (LWIR) Ec from 8 – 14 µm. The determination of the intensity distribution in various Eg spectral ranges (»colors«) is usually realized by implementing EF filters. The main disadvantage of this method is that only one color is observed at a time, i. e. simultaneous image acqui- EV sition in various wavelength ranges on the same pixel is not possible. The development of high-resolution thermal imagers for simultaneous detection of IR radiation in two spectral ranges on a single detector chip is topic of R&D activities worldwide and was successfully demonstrated for AlGaAs the first time at Fraunhofer IAF in 2004. We follow three different approaches for the choice of a AlGaAs GaAs AlGaAs GaAs Materials and Technologies suitable material system for our third generation IR detectors. Cadmium mercury telluride (CdHgTe) is the classical p-i-n photodetector for IR sensors (Fig. 2, top). The bandgap of the ternary compound semiconductor CdxHg1-xTe can be adjusted by varying the Cd mole fraction x. A detector sensitive in the MWIR is achieved for x = 0.30, while x = 0.24 results in a LWIR detector. 2 Band diagram of bulk The photodiode, which converts absorbed photons in a HgCdTe (top), photocon- photocurrent, is realized by appropriate p and n doping. The ductive QWIPs (center), p type region of the diode can be fabricated by Hg vacancies or doping with arsenic. In order to get a bispectral detector, and InAs/GaSb superlattice (bottom). two p-i-n diodes are stacked on top of each other in back to Ec Bänderschemata des Volumenhalbleiters CdHgTe (oben), des photoleitenden Eg EV back configuration. Thus, depending on the polarity, either the upper or the lower diode is under reverse bias for IR detection. The two diodes are separated by a barrier layer 42 InAs GaSb InAs GaSb InAs InAs (unten). GaSb bispectral detector layers cannot be grown by liquid phase GaSb with higher bandgap, i. e. a higher Cd mole fraction. Such InAs/GaSb-Übergitters InAs QWIPs (Mitte) und des epitaxy, which is commonly used in CdHgTe production. IR - P h o t o d e t e k t o r e n d e r d r i t t e n G e n e r at i o n Materialien und Technologien Bei der Auswahl eines geeigneten Materialsystems für IR-Detektoren der dritten Generation verfolgen wir drei Ansätze. Cadmiumquecksilbertellurid (CdHgTe) stellt hierbei den klassischen pin-Photodetektor für die IR-Sensorik dar (Abb. 2, oben). Im ternären Verbindungshalbleiter lässt sich die Bandlücke von CdxHg1-xTe über die Variation des Cadmiumgehalts x einstellen. Für einen im MWIR sensitiven Detektor beträgt der Anteil x = 0,30 und für LWIR x = 0,24. Durch p- und n-Dotierung wird eine Photodiode erzielt, welche absorbierte Photonen geeigneter Wellenlänge in ein Photostromsignal umwandelt. Die p-Gebiete der Dioden können durch Hg-Fehlstellen oder die Dotierung mit Arsen realisiert werden. Für bispektrale Detektoren können zwei pin-Dioden mit gegensätzlicher Polung aufeinander aufgebracht werden, so dass je nach Polarität die obere oder die untere Diode in Sperrrichtung betrieben wird und IR-Strahlung detektiert. Als Sperrschicht zwischen den beiden Dioden wird eine Barriere mit höherer Bandlücke, d. h. höherem Cd-Gehalt, verwendet. Für bispektrale Detektorschichten kann die häufig für die Epitaxie von CdHgTe verwendete Flüssigphasenepitaxie nicht verwendet werden. Stattdessen wird auf die Molekularstrahlepitaxie (MBE) zurückgegriffen, die darüber hinaus das Wachstum deutlich homogenerer Schichten ermöglicht. Zusätzlich zum sehr engen Parameterfenster für das MBE-Wachstum von CdHgTe weisen Epitaxieschichten mit unterschiedlichem Cd-Gehalt geringfügig verschiedene Gitterkonstanten auf, so dass für das gitterangepasste Wachstum des kompletten Schichtenstapels die Zugabe von Zn in einzelne Teilschichten erforderlich wird. Durch die Feinabstimmung der Wachstumsparameter und die Verwendung von Substraten mit einer auf die jeweilige Bauelementstruktur angepassten Gitterkonstante gelang es am Fraunhofer IAF, Zwei-Band-Strukturen mit spiegelnder Oberfläche und weniger als 1500 Defekten/cm2 herzustellen. Die Defektdichte ist dabei nur geringfügig höher als bei monospektralen Detektoren. Als zweites Detektorsystem für bispektrale IR-Photodetektoren werden GaAs-basierende Quantentopfstrukturen (QWIPs) am Institut untersucht. Deren Funktionsweise beruht auf Quanteneffekten in Potentialfilmen, die eine energetische Aufspaltung des Leitungsbandes in Subbänder bewirken (siehe Abb. 2, Mitte). IR-Strahlung wird in diesen Strukturen durch resonante Intersubbandanregung absorbiert und über Photoleitung nachgewiesen. Zur Er­höhung der Temperaturauflösung wurde am Fraunhofer IAF eine spezielle und patentierte Klasse von QWIPs mit reduziertem Detektorrauschen, sogenannte »low-noise«-QWIPs entwickelt. In diesen Strukturen führt der Einsatz von zusätzlichen Quantenfilmen und Tunnelbarrieren zu einer Modifikation der Transportprozesse und somit zu einer Reduktion des Rauschstromes. QWIP-Detektoren weisen wegen der resonanten Intersubbandabsorption einen relativ schmalbandigen Absorptionsverlauf auf und neigen nur zu sehr geringem Übersprechen zwischen den beiden Spektralbereichen. Für bispektrale Anwendungen sind QWIP-Sensoren daher besonders gut geeignet. 43 T h i r d G e n e r at i o n IR P h o t o d e t e c t o r s Instead, molecular beam epitaxy (MBE) is utilized which allows growth of considerably more homogeneous layers. Epitaxial layers of CdHgTe with different Cd contents slightly differ in lattice constants. Besides the narrow parameter window for MBE growth of CdHgTe, the addition of Zn is required to obtain lattice-matched growth of the entire layer stack. With a fine adjustment of the growth parameters and the selection of substrates with a lattice constant matching those of the designated detector structure, Fraunhofer IAF managed to fabricate dual-band structures with mirror-like surface and less than 1500 defects/cm2. The defect density is only slightly higher as compared to monospectral devices. GaSb M 6 8 204 14 16 18 10 12 The second material system explored at the institute for bispectral IR detection is based on quantum well IR photodetec- 5 7 8 9 0.3 ola on sM 0.4 rs: ye 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1920 0.2 0.1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 5 10 15 13 Period (nm) Wavelength (µm) 6 InA Transition Energy (eV) 2 o 0.6 0.5 rs: nolaye tors (QWIPs). The working principle relies on quantum effects in potential wells causing a splitting of the conduction band into subbands (Fig. 2, center). In such structures, IR radiation is absorbed by resonant intersubband excitation and detected as photocurrent. In order to improve the thermal resolution, a special class of QWIPs with reduced detector noise was developed and patented at Fraunhofer IAF. Additional quantum wells and tunnel barriers modify the transport process and lead to a reduced detector noise current. Due to the resonant intersubband absorption, QWIPs provide relatively narrow 3 Transition energies spectral absorption characteristics and a low optical crosstalk and cut-off wavelengths between the two spectral ranges. Therefore, QWIPs are depend on the number of particularly well suited for bispectral applications. GaSb and InAs monolayers 44 within a single superlattice The dual-band QWIPs for MWIR and LWIR consist of two period. stacked QWIP structures between n-type contact layers. The Übergangsenergie bzw. quantum well structures are realized in the technological well Detektionswellenlänge controlled material system (AlGaIn)As. A photovoltaic »low in Abhängigkeit von der noise« QWIP is used for the LWIR and a photoconductive Anzahl der GaSb- und InAs- QWIP for the MWIR. Both active zones are separated by a Monolagen innerhalb einer common contact layer. The entire stack of layers is grown by Übergitterperiode. MBE on 3“ GaAs substrates. IR - P h o t o d e t e k t o r e n d e r d r i t t e n G e n e r at i o n 4 4 Die Zwei-Band-QWIPs für MWIR und LWIR beruhen auf zwei übereinander angeordneten 4 Substrate platen for QWIP-Strukturen, die zwischen n-leitende Kontaktschichten eingebettet sind. Verwendet simultaneous epitaxy of werden Potentialtopfstrukturen im technologisch gut beherrschten Materialsystem (AlGaIn)As. superlattices on five Als aktive Zone für den LWIR-Bereich wird ein photovoltaischer »low-noise«-QWIP verwendet, 3“-wafers and one für das MWIR ein photoleitender QWIP, die durch einen gemeinsamen Massekontakt getrennt 2“-wafer for charac- sind. Der gesamte Schichtenstapel wird mittels Molekularstrahlepitaxie auf 3“-GaAs-Substraten terization. aufgewachsen. Substrathalter für die simultane Epitaxie von Die dritte Variante bispektraler IR-Detektoren basiert auf InAs/GaSb-Übergittern. In den optisch fünf 3“-Übergittern und aktiven Schichten dieser Übergitter-Detektoren werden jeweils nur wenige Monolagen dicke, eines 2“-Wafers für die sich abwechselnde InAs- und GaSb-Teilschichten periodisch wiederholt. Der Überlapp der begleitende Analytik. Wellenfunktionen führt zur Ausbildung eines Minibandes für die Elektronen und ermöglicht optische Übergänge zwischen den Löchern im GaSb und den Elektronen im InAs, die zur Detektion der IR-Strahlung verwendet werden. Die besondere Anordnung von Valenz- und Leitungsbändern in InAs/GaSb wird als gebrochene Typ-II-Anordnung bezeichnet und ist in Abb. 2 (unten) skizziert. Der effektive Bandabstand dieser Übergitterstruktur ist kleiner als der Bandabstand der beiden beteiligten Materialien InAs und GaSb. In dünnen Einzelschichten (Quantenfilmen) können die Ladungsträger auf Grund der Quantenmechanik nur bestimmte Eigenzustände besetzten, deren energetische Lage durch die Dicke der Einzelschichten und die Höhe der Potentialbarrieren vorgegeben ist. Durch geeignete Wahl der Einzelschichtdicken, typischerweise im Bereich von 5 – 15 atomarer Monolagen, können Grenzwellenlängen von 3 – 20 µm gezielt eingestellt werden. Abb. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der effektiven Bandlücke des Übergitters bzw. der Detektor-cut-off-Wellenlänge und der Anzahl der atomaren Monolagen der GaSb- sowie der InAs-Teilschichten innerhalb einer Übergitterperiode. Dieses so genannte »bandstructure engineering« im atomaren Bereich wurde erst durch die Entwicklung von sehr präzisen Epitaxieverfahren möglich, mit denen unterschiedliche Materialien mit Schichtdicken von wenigen Atomlagen in atomarer Genauigkeit und mit scharf definierten Grenzflächen aufeinander aufgebracht werden können. Eine MBE-Anlage für die simultane Epitaxie auf fünf 3“-GaSb-Wafern und einem 2“-Wafer (Abb. 4) ermöglicht die Herstellung von InAs/GaSb-Übergitterschichten mit hervorragender Homogenität. Die Schichtstruktur des Zwei-Farben-Detektors besteht aus zwei getrennten Übergitterstapeln für etwa 4 µm bzw. 5 µm Grenzwellenlänge. In jedem dieser beiden Stapel ist durch geeignete p- bzw. n-Dotierung eine pin-Photodiode realisiert. Um das simultane Auslesen der beiden pin-Dioden zu ermöglichen, sind diese im so genannten »back-to-back«-Design ausgelegt mit einem gemeinsamen p-Typ-Massekontakt. 45 5 The third type of bispectral IR detectors is based on InAs/GaSb each stack, a p-i-n photodiode is realized by appropriate p superlattices. These superlattices consist of a periodic series and n doping. Both p-i-n diodes are placed back-to-back with of alternating InAs and GaSb layers with a thickness of only a common p-type mass contact enabling the synchronous a few atomic monolayers. The overlap of the wave functions read-out of both diodes. form a miniband for the electrons and enable optical transitions between the holes in GaSb and the electrons in InAs, Bispectral FPAs are fabricated with 288 x 384 pixels at 40 µm which are used for the detection of IR radiation. The special pitch. FPA processing starts with the etching of contact via alignment of the valence and conduction bands in InAs/GaSb holes to the lower contact layers, followed by trench etching is called broken type-II alignment and is depicted in Fig. 2 for pixel isolation. Further process steps include the deposition (bottom). The effective bandgap of this superlattice structure of a dielectric passivation and several contact metalization is lower than the bandgap of the constituting materials InAs layers. Each pixel features three electrical contacts for and GaSb. Due to quantum confinement effects in thin layers simultaneous detection of both colors. A part of a bispectral (quantum films), carriers can only occupy well defined eigen- superlattice FPA is shown in the scanning electron micrograph states with discrete energy levels, defined by layer thickness (SEM) in Fig. 5. After hybridizing with the silicon ROIC, the and barrier height. Choosing adapted layer thickness values, substrate side is thinned to a remaining thickness of around typically between 5 – 15 monolayers, the cut-off wavelength 20 µm in order to reduce free carrier absorption and to can be adjusted in the range of 3 – 20 µm. Fig. 3 shows the minimize strain effects during cool down to the operation influence of the number of atomic monolayers of GaSb and temperature of about 80 K. InAs within a superlattice period on the effective bandgap and the detector cut-off wavelength, respectively. The so-called In 2005, the worldwide first bispectral InAs/GaSb superlattice »bandstructure engineering« on the atomic scale got real after IR camera has been demonstrated in cooperation with AIM the development of very precise epitaxial growth techniques, Infrarot-Module GmbH, Heilbronn, Germany. Manufacture of which allow growth of different materials with a few atomic dual-color and dual-band detectors via MBE and subsequent monolayer thickness and well defined interfaces. An MBE processing of FPAs were accomplished by Fraunhofer IAF. FPA machine for simultaneous growth on five 3“ GaSb wafers and hybridization and integration into a Stirling cooler was carried one 2“ wafer (Fig. 4) enables the fabrication of InAs/GaSb out at AIM. The characterization of the »blue« and »red« superlattices with excellent homogeneity. detector channels results in thermal resolution (NETD) values of 26 mK and 14 mK, respectively. A histogram of the NETD The layer structure of the dual-color detector comprises two distribution of both channels is shown in Fig. 7. Finally, the in- separate superlattice stacks for cut-off wavelengths around tegrated detector cooler assembly is the core of the complete 4 µm (»blue color«) and 5 µm (»red color«), respectively. In IR camera system (Fig. 6). 46 IR - P h o t o d e t e k t o r e n d e r d r i t t e n G e n e r at i o n 6 Hergestellt werden bispektrale Bildfeldmatrizen mit 288 x 384 Bildpunkten und 40 µm Raster- 5 SEM image of a part of maß. Die Strukturierung der Bildfeldmatrizen beginnt mit der Ätzung der Kontaktlöcher zu den an InAs/GaSb superlattice unteren Kontaktschichten. Anschließend erfolgt die Ätzung der Trenngräben zur elektrischen FPA. The pixel pitch is Isolation der Mesadioden. Weitere Herstellungsschritte beinhalten die Abscheidung einer 40 µm. dielektrischen Passivierung und mehrerer Kontaktmetallschichten. Jeder Bildpunkt besitzt drei REM-Aufnahme eines elektrische Kontakte zur zeit- und ortsgleichen Erfassung beider Farben. In Abb. 5 ist eine Ausschnitts aus einer Bild- Rasterelektronenaufnahme (REM) eines Teils einer bispektralen Bildfeldmatrix auf Übergitter- feldmatrix auf Basis von basis gezeigt. Nach Hybridisierung mit dem Silizium-Ausleseschaltkreis wird die Substratseite InAs/GaSb-Übergitter. auf eine Restdicke von etwa 20 µm abgedünnt, um die Absorption freier Ladungsträger zu Die Pixel liegen in einem verringern und die thermischen Verspannungen beim Abkühlen auf eine Betriebstemperatur 40 µm-Rastermaß vor. von etwa 80 K zu minimieren. 6 Fully integrated dualband IR camera. In Kooperation mit AIM Infrarot-Module GmbH, Heilbronn, wurde im Jahr 2005 die weltweit Vollintegrierte Zwei-Band- erste bispektrale InAs/GaSb-Übergitter-IR-Kamera realisiert. Die Herstellung der Zwei- Infrarotkamera. Farben- und Zwei-Band-Detektoren mittels MBE und die anschließende Prozessierung von (© IRCAM GmbH) Bildfeld­matrizen werden am Fraunhofer IAF durchgeführt. Bei AIM erfolgt die Hybridisierung der Bildfeldmatrizen mit dem Silizium-Ausleseschaltkreis. Nach Integration in einen StirlingKühler erfolgt die Charakterisierung der beiden Kanäle. Der blaue Kanal zeigt eine thermische Auflösung (NETD) von 26 mK, der rote Kanal 14 mK. Das Histogramm der NETD-Verteilungen beider Kanäle ist in Abb. 7 dargestellt. Die integrierte Detektor-Kühler-Einheit bildet schließlich das Herzstück des vollständigen Kamerasystems (Abb. 6). 47 T h i r d G e n e r at i o n IR P h o t o d e t e c t o r s System Properties and Applications 10 Bispectral IR cameras reveal their specific features, if the 8 individual images of both channels are superimposed by a special software, developed by IRCAM GmbH, Erlangen, Pixel (%) 6 Germany. Differences in the images are visualized in real-time by superposition of both channels in complementary colors. 4 Fig. 8 shows two bispectral IR images of an industrial area. The upper image is obtained with a dual-band QWIP camera, 2 with the MWIR channel coded in red and the LWIR channel coded in cyan. The hot plumes appear red in this picture due 0 15 20 25 30 35 40 to a higher signal level in the MWIR compared to the LWIR. In 45 the lower image, the two channels of a dual-color superlattice NETD (mK) IR camera are displayed in a similar way. Here, the shorterwavelength MWIR channel (3 – 4 µm) is colorized in cyan and 8 the longer-wavelength MWIR channel (4 – 5 µm) in red. The IR intensities of most objects are comparable in both channels and the overall scene appears in gray tones. However, steam 6 Pixel (%) emissions and clouds in the sky show a cyan hue accounting for higher emission intensities in the shorter-wavelength 4 range. On the other hand, CO2 containing plumes are indicated in red due to the emission of CO2 at 4.3 µm (Fig. 1) in the longer-wavelength channel. 2 Applications of bispectral IR cameras span a wide range. Dual0 band systems provide more realistic images for surveillance 10 15 20 NETD (mK) 25 purposes and a better discrimination between objects with different spectral emission features. QWIP cameras are ideally suited for the purpose of high-precision temperature 48 7 NETD histogram of measurements. HgCdTe systems are privileged for applications the red (top) and the blue where high quantum efficiencies are crucial to allow high channel (bottom) of the frame rates. The demonstrated dual-color superlattice camera dual-color superlattice captivates with the ability to selectively detect CO2 emissions camera. and is therefore ideally suited in aviation for the recognition NETD-Histogramme des ro- of approaching missiles. Further applications of bispectral IR ten (oben) und des blauen cameras arise in environmental technologies, inspection of Kanals (unten) der Zwei- factories and power plants as well as for leakage detection in Farben-Übergitterkamera. refineries and the chemical industry. IR - P h o t o d e t e k t o r e n d e r d r i t t e n G e n e r at i o n 8 Systemeigenschaften und Anwendungen Ihre besondere Leistung entfalten bispektrale IR-Kameras, wenn die Bilder beider Kanäle 8 Bispectral IR images of durch eine spezielle Software überlagert werden, die von der Firma IRCAM GmbH, Erlangen, an industrial area in com- entwickelt wurde. Die Unterschiede in den Bildern werden in Echtzeit durch Überlagerung in plementary color super- Komplementärfarben optisch visualisiert, was in einer Verbesserung des optischen Bildeindrucks position, taken with a dual- und einem Informationsgewinn resultiert. Abb. 8 zeigt zwei bispektrale IR-Bilder eines Indust- band QWIP camera (top) riegebiets. Das obere Bild stammt von einer Zwei-Band-QWIP-Kamera, wobei der MWIR-Kanal and a dual color super- auf einer roten und der LWIR-Kanal auf einer Cyan-Farbskala kodiert wurden. Diese Darstellung lattice camera (bottom). lässt heiße Abgasfahnen aufgrund ihrer höheren Signale im MWIR im Vergleich zu LWIR rot er- Infrarotbilder eines In- scheinen. Da die thermische Strahlung der Umgebung im LWIR dominiert, erscheint diese eher dustriegebiets in Komple- cyan. Im unteren Bild sind die beiden Kanäle einer Zwei-Farben-Übergitterkamera in ähnlicher mentärfarbendarstellung, Weise dargestellt. Hier ist der kurzwelligere MWIR-Kanal (3 – 4 µm) in cyan, der längerwelligere aufgenommen mit Zwei- MWIR-Kanal (4 – 5 µm) in rot dargestellt. Die IR-Intensitäten der Objekte ist in beiden Kanälen Band-QWIP-Wärme- vergleichbar, weswegen der Großteil der Szene in neutralen Grautönen erscheint. Ausnahmen bildkamera (oben) und bilden einerseits Wasserdampfemissionen und die Bewölkung des Himmels, die im kurzwelligen Zwei-Farben-Übergitter- Bereich stärker emittieren und daher cyan eingefärbt sind, sowie andererseits CO2-haltige Thermographiekamera Abgasfahnen, die sich aufgrund der Emissionslinie von CO2 bei 4,3 µm (vgl. Abb. 1) im »roten« (unten). Kanal deutlich abheben. Die Anwendungsmöglichkeiten bispektraler IR-Kameras erstrecken sich über weite Bereiche. Zwei-Band-Systeme liefern realitätstreuere Bilder für Überwachungszwecke und ermöglichen eine differenziertere Darstellung zwischen Objekten mit unterschiedlich spektralen Emissions­ eigenschaften. QWIP-Kameras sind hierbei prädestiniert für hoch präzise Temperaturbestimmungen. CdHgTe-Systeme sind für Einsatzgebiete vorteilhaft, bei denen hohe Quanteneffizienzen notwendig sind, um hohe Bildwiederholraten zur ermöglichen. Die hier vorgestellte Zwei-Farben-Übergitterkamera besticht durch ihre Fähigkeit, selektiv CO2-Emissionen nachzuweisen und ist daher für die Erkennung anfliegender Flugkörper in der Luftfahrt in idealer Weise geeignet. Weitere Anwendungen von bispektralen Wärmebildgeräten liegen in der Umwelttechnik, der Inspektion von Fabriken und Kraftwerken sowie in der Detektion von Leckagen in Raffinerien und der chemischen Industrie. 49 Joachim Wagner Tel. +49 761 5159-352 J o a c h i m . W a g n e r @ i a f. f r a u n h o f e r . d e 50 INFRARED SEMICONDUCTOR LASERS – PROTECTING AIRCRAFTS AGAINST TERRORIST ATTACKS INFRAROT-HALBLEITERLASER ZUM SCHUTZ VON FLUGZEUGEN VOR TERRORISTISCHEN Anschlägen Lab bench set-up of an external cavity quantum cascade laser. Laboraufbau eines Quantenkaskadenlasers mit externem Resonator. 51 INFRARED S EMICONDUC T OR LA S ER S – P RO T EC T ING AIRCRAF T S AGAIN S T T ERRORI S T A T T AC K S Applications There is an increasing threat to not only military but also civi- Starting out in the near-IR 1 µm wavelength range, semi­ lian aviation arising from so-called »Man Portable Air Defence conductor diode lasers have begun to revolutionize the laser Systems« (MANPADS), i. e. shoulder-launched ground-to-air business, being now the most power efficient laser source missiles with infrared (IR) seekers. Such missiles are proliferated in that wavelength range, converting directly electrical into worldwide including militias and terrorist groups like Al-Qaeda optical power. Recent advances in longer wavelength semicon- and the Taleban fighters. In particular civil aircrafts as well ductor laser technology made it possible to reach also in the as military cargo planes and transport helicopters are highly above mentioned 2-to-5 µm mid-IR wavelength range output vulnerable to attacks by IR-MANPADS, in particular during powers exceeding the 1 W margin, the power level required landing and take-off. for DIRCM applications, while maintaining a high enough beam quality. This calls for effective countermeasures to defeat the IR seeker head which will cause the missile to miss the targeted aircraft. In 2008/2009 IR laser modules satisfying the above require- Apart from dispensable pyrotechnic flares, acting as a decoy ments have been developed at Fraunhofer IAF, building on to the IR seeker, and flashlamp-based infrared countermeasure its proprietary OPSDL technology (OPSDL stands for Optically systems, both not suitable for civil aircrafts, IR laser-based Pumped Semiconductor Disk Laser) to cover the 2-to-2.5 µm directed infrared countermeasure (DIRCM) systems have been wavelength band and using quantum cascade laser technolo- developed in recent years, protecting now also non-military gy for the 4.5-to-5 µm band. In the following we will describe aircrafts. Such a DIRCM system is currently based on solid- the different steps required to design and fabricate such state lasers in combination with non-linear optical systems mid-IR semiconductor lasers as well as to integrate them into to convert the primary near-IR radiation emitted by the laser laser modules to be used in an experimental DIRCM system. source into the required mid-IR emission covering the 2-to5 µm wavelength band. (A) 3 2 1 (B) 3 2 1 1 Part of the conduction-band profile of two QC laser active regions connected by an injector and the squared moduli of the wave functions involved in the lasing transition (labelled as 3, 2, and 1) for two different QC laser active region designs: (A) conventional vertical design; (B) slightly diagonal design. The lasing transition is indicated by wavy arrows. 3 Räumlicher Verlauf des Leitungsbandes in einem QC-Laser mit (A) konventionel2 1 3 2 1 lem »vertikalen« Design sowie (B) dem hier entwickelten diagonalen Design. Die zu den einzelnen Subbändern gehörenden Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Elektronen sind ebenfalls dargestellt. Elektronische Übergänge zur Erzeugung des Laserlichts sind durch rote Pfeile gekennzeichnet. 52 [001] 20 nm 5 µm D e u ts c h e r K o l u m n e n t i t e l gold Trench movpe mbe Trench InP Active Region I n P s u b st r at e active injector 2 3 2 3 Anwendung 2 Cross sectional TEM Sowohl militärische als auch zivile Flugzeuge werden zunehmend durch schultergestützte micrograph of a MBE Boden-Luft-Raketen, sogenannte MANPADS (Man Portable Air Defence Systems), bedroht, die grown QC laser structure. mit einem auf Wärmequellen ansprechenden Infrarot-Zielsuchkopf ausgerüstet sind. Derartige Querschnitts-TEM-Auf- Raketen sind inzwischen weltweit verbreitet und befinden sich auch in den Händen von Milizen nahme einer mittels MBE und Terroristengruppen wie Al-Quaida und den Taliban. Vor allem zivile Verkehrsflugzeuge so- hergestellten QC-Laser- wie militärische Frachtflugzeuge und Transporthubschrauber sind bei Angriffen mit MANPADS schichtenfolge. insbesondere bei Start und Landung äußerst verwundbar. 3 Cross sectional SEM micrograph of a double- Um dieser Bedrohung zu begegnen, sind effektive Gegenmaßnahmen zur Störung des Infrarot- trench mesa-waveguide Zielsuchkopfs bereit zu stellen, die bewirken, dass die angreifende Rakete ihr Ziel verfehlt. Ne- QC laser. ben Leuchtfackeln, sogenannten »flares«, und auf lichtstarken Lampen basierenden Systemen Querschnitts-REM-Auf- für Infrarot-Gegenmaßnahmen, die beide nicht zum Schutz von Zivilflugzeugen geeignet sind, nahme eines QC-Lasers wurden inzwischen auch Systeme für gerichtete optische Gegenmaßnahmen (DIRCM – mit Mesa-Wellenleiter. Directed Infrared Countermeasures) auf der Basis von Infrarot-Lasern entwickelt und eingesetzt. Derartige DIRCM-Systeme basieren gegenwärtig auf Festkörperlasern mit nachgeschalteten nichtlinear-optischen Systemen zur Konversion der Nahinfrarot-Strahlung des Primärlasers in die erforderliche Strahlung im mittleren Infrarot bei Wellenlängen im Bereich von 2 bis 5 µm. Ausgehend von dem Nahinfrarot-Wellenlängenbereich um 1 µm haben Halbleiterdiodenlaser in den letzten Jahren die Laserszene drastisch verändert. Halbleiterdiodenlaser sind inzwischen in diesem Wellenlängenbereich die effizientesten Laserquellen, die erlauben, elektrische Leistung direkt in Lichtleistung umzusetzen. In jüngster Zeit erzielte Fortschritte auf dem Gebiet der Halbleiterlaser ermöglichen nun auch in dem hier interessierenden 2 bis 5 µm Wellenlängenbereich Ausgangsleistungen von mehr als 1 W bei gleichzeitig guter Strahlqualität. D. h., dass inzwischen auch Infrarot-Halbleiterlaser als Laserquellen für DIRCM-Systeme in Betracht kommen. In den Jahren 2008 und 2009 wurden am Fraunhofer IAF Infrarot-Halbleiterlasermodule gemäß den obigen Anforderungen entwickelt. Hierzu wurde für den Wellenlängenbereich 2 bis 2,5 µm die am Fraunhofer IAF entwickelte Technologie der optisch gepumpten Halbleiterscheiben­laser (OPSDL – Optically Pumped Semiconductor Disk Laser) und für den 4 bis 4,5 µm-Bereich die der Quantenkaskaden-Laser eingesetzt. In den folgenden Abschnitten wird auf die einzelnen Schritte zur Herstellung solcher Infrarot-Halbleiterlaser sowie deren Integration in komplette Module für ein DIRCM-Experimentalsystem eingegangen. 53 INFRARED S EMICONDUC T OR LA S ER S – P RO T EC T ING AIRCRAF T S AGAIN S T T ERRORI S T A T T AC K S Design and Fabrication of IR Semiconductor Laser Chips Quantum cascade (QC) lasers are unipolar devices based on optical transitions between electron subbands in a sequence of multiple quantum well (QW) active regions, which are connected in a cascading scheme by so-called injector regions. This way, one electron injected into this stack of alternating active and injector regions has multiple chances to generate a lasing photon. For the present purpose a QC laser structure 5 20 4 16 based on the strain-compensated Ga0.38In0.62As/Al0.6In0.4As-on- 300 K high operating current and thus high output power. 270 K 3 12 300 K 300 K 2 8 Voltage (V) Peak Power / Facet (W) InP materials combination has been designed, optimized for a Fig. 1 (B) shows part of the conduction band profile containing two active regions connected by an injector region. A cha­ rac­teristic feature of the present design is that the actual lasing transition, indicated by a wavy arrow in Fig. 1 (B), is 360 K 1 4 0 0 slightly diagonal in real space. In this active region design, the maximum of the wavefunction modulus in the upper laser 0 1 2 3 Current (A) 4 5 6 level (level 3) is located in a narrow quantum well (1.0 nm well width) adjacent to the injector region. By carefully arranging the electron wavefunctions in the active region, we were 54 4 Temperature-dependent output able to design the lasing transition at a target wavelength of power-vs.-current characteristics of a 4.6 µm to be slightly diagonal, while simultaneously maintai- 4.8 µm emitting QC laser in pulsed mode ning a strong wavefunction overlap between the upper and operation. The 300 K voltage-current lower laser states. A specific feature of the slightly diagonal characteristic is also shown. Ridge width active region concept is that the coupling between the injector and cavity length are 15 µm and 3 mm, region and the upper laser level of the active region is sub­ respectively. stantially enhanced compared to conventional vertical designs Ausgangsleistungs-Strom-Kennlinien eines (Fig. 1 (A)), resulting in a much larger dynamic current range, bei 4,8 µm emittierenden QC-Lasers als i. e. difference between threshold current and maximum Funktion der Temperatur. Der Laser mit operating current, and thus substantially higher output power. einer Rippenbreite von 15 µm und einer At the same time a large dipole matrix element for the lasing Resonatorlänge von 3 mm wurde mit kur- transition between the upper and the lower laser level (levels zen Pulsen und niedriger Wiederholrate 3 and 2) is maintained, being reduced by only 15 % compared betrieben. to the vertical design. INFRARO T - HALBLEI T ERLA S ER Z UM S CHU T Z VON FLUG Z EUGEN VOR T ERRORI S T I S CHEN A n s c h l ä g e n Entwurf und Herstellung von Infrarot-Halbleiterlasern Quantenkaskaden-(QC-)Laser sind Infrarot-Halbleiterlaser, bei welchen der Laserübergang zwischen elektronischen Subbändern stattfindet, die sich in extrem dünnen Halbleiterschichten, sogenannten Quantenfilmen, ausbilden. Mehrerer solcher aus Vielfach-Quantenfilmen bestehenden aktiven Bereiche werden, durch sogenannte Injektorbereiche miteinander verbunden, hintereinander geschaltet und ermöglichen so die Erzeugung mehrerer Laserphotonen durch ein Elektron, welches diese Kaskade durchläuft. Für die hier vorliegende Anwendung wurde eine speziell für hohe Betriebsströme und Ausgangsleistungen ausgelegte QC-Laserstruktur auf der Basis des auf InP gitterangepassten Ga0.38In0.62As/Al0.6In0.4As-Materialsystems entworfen. Abb. 1 (B) zeigt für diese Struktur den räumlichen Verlauf der Leitungsbandkante entlang der Wachstumsrichtung für zwei aktive Bereiche, welche durch einen Injektorbereich miteinander verbunden sind. Eine Besonderheit dieser Struktur ist, dass der eigentliche Laserübergang, angedeutet durch den gewellten Pfeil in Abb. 1 (B), im Ortsraum leicht diagonal verläuft. Durch sorgfältige Optimierung der einzelnen Wellenfunktionen konnte für den leicht diagonalen Laserübergang bei einer Zielwellenlänge von 4,6 µm ein genügend großer Überlapp der Wellenfunktion im oberen und unteren Laserniveau erzielt werden. Gleichzeitig wurde auch eine gute Ankopplung an den links liegenden Injektorbereich und, damit verbunden, eine hohe Stromtragfähigkeit der Laserstruktur erreicht. Daraus resultiert ein wesentlich größerer dynamischer Bereich für den Betriebstrom, d. h. Spanne zwischen Schwellstrom und maximalem Betriebsstrom, als bei einem konventionellen Design mit einem rein vertikalen Laserübergang (Abb. 1 (A)). QC-Laser wurden gemäß diesem Design in einer Multi-Wafer-Molekularstrahl-Epitaxieanlage (MBE) gewachsen. Die gesamte Laserstruktur besteht aus 35 Perioden mit alternierenden aktiven Bereichen und Injektorbereichen, die zwischen zwei mit Si dotierten 400 nm dicken GaInAs-Wellenführungsschichten eingebettet sind. Nach dem MBE-Wachstum wurden die Wafer in eine Anlage zur metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE – Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) transferiert, wo die aus InP bestehende obere Mantelschicht und Kontaktschicht aufgewachsen wurde. Abb. 2 zeigt den Querschnitt durch eine solche QC-Laserstruktur in einem hoch aufgelösten Transmissionselektronenmikroskopiebild. Die periodische Wiederholung der Abfolge aus aktiven und Injektorbereichen ist klar zu erkennen. Nach der Epitaxie wurden auf den 2“-Wafern Mesa-Wellenleiterstrukturen hergestellt, bei welchen die 15 µm breiten Wellenleiterrippen durch links und rechts angeordnete, tief geätzte Trenngräben definiert sind. 55 INFRARED S EMICONDUC T OR LA S ER S – P RO T EC T ING AIRCRAF T S AGAIN S T T ERRORI S T A T T AC K S QC laser structures according to the above design were grown For initial testing the laser facets were left uncoated and the in a multiple-wafer molecular-beam epitaxy (MBE) system. The chips were mounted epilayer-up onto gold-plated copper complete laser structure consists of 35 periods of alternating heat sinks. The mounted QC laser test chips were operated active regions and injection regions, sandwiched between two in low duty-cycle short-pulse mode (100 ns pulses at a Si-doped 400-nm separate confinement GaInAs layers. After repetition rate of 1 kHz) in order to minimize self-heating the MBE growth, the wafers were transferred into a metal- effects. Temperature-dependent output power vs. current and organic vapor phase epitaxy (MOVPE) system for overgrowth total power efficiency vs. current characteristics of a 4.8 µm of the upper InP waveguide and contact layers. Fig. 2 displays emitting GaInAs/AlInAs/InP QC laser, based on the above a cross-sectional TEM micrograph of a typical QC laser struc- design for high-power operation, are displayed in Figs. 4 and ture, showing clearly the periodically repeated active region 5, respectively. The maximum single-ended output power, and injector stages. After epitaxial growth, the 2“ wafers i. e. output power per facet emitted in a collimated beam, were processed into typically 15 µm wide mesa waveguide amounts to 3.6 W at a heat sink temperature of 270 K and lasers by etching double trenches to define the laser ridges. 3 W at 300 K. The corresponding total power efficiency, coun- To improve heat-extraction from the active region, the mesa ting the output power emitted from both facets, is 11.4 % at waveguides were covered with a thick electroplated gold layer. 270 K and still 9.5 % at 300 K. After front-side processing as well as backside thinning and contact formation, the wafers were cleaved into laser bars or The core of an OPSDL is a semiconductor chip consisting of individual laser chips with a typically cavity length of 3.0 mm. an epitaxially grown distributed Bragg reflector (DBR) as one Fig. 3 shows the SEM micrograph of a cleaved QC laser facet. of the cavity mirrors with a multiple QW gain region grown on top. For the 2-to-2.5 µm wavelength band the DBR mirrors consist of quarter-wavelength pairs of GaSb and AlAsSb lattice-matched to the GaSb substrate used, while the gain region is composed of compressively strained GaInAsSb QWs embedded between lattice-matched AlGaAsSb barrier and pump light absorbing layers. Epitaxial growth of the OPSDL structure is carried out in a MBE system. For further details on Total Wall-Plug Efficiency (%) 12.5 OPSDL chip design and fabrication see contribution on the VERTIGO R&D project. 270 K 10.0 300 K 7.5 330 K 5 Temperature-dependent total power efficiency-vs.-current cha- 5.0 360 K racteristics of a 4.8 µm emitting QC laser in pulsed mode operation. Ridge width and cavity length are 15 µm and 3 mm, respectively. 2.5 Gesamte Leistungseffizienz, aufgetragen über den Strom als Funkti- 0.0 on der Temperatur für einen bei 4,8 µm emittierenden QC-Laser. Der 0 1 2 3 Current (A) 56 4 5 6 Laser besitzt eine Rippenbreite von 15 µm und eine Resonatorlänge von 3 mm. Vecsel Chip Pump Laser L a s e r O u tp u t External Mirror H e at S i n k T r a n spa r e n t H e atsp r e a d e r 6 Um die Entwärmung des aktiven Bereichs zu verbessern, wurde auf den Mesa-Wellenleitern 6 Schematic of an OPSDL, eine dicke elektrochemisch abgeschiedene Goldschicht aufgebracht. Nach dem Vorderseiten- consisting of the actual prozess sowie dem Abdünnen des Wafers und Aufbringen des rückseitigen Kontaktmetalls OPSDL semiconductor chip, wurden die Wafer durch Spalten in Laserbarren bzw. einzelne Laserchips mit einer typischen which contains both the Resonatorlänge von 3,0 mm zerteilt. Abb. 3 zeigt die REM-Aufnahme einer solchen gespalte- gain region and a distri­ nen Laserfacette. buted Bragg reflector (DBR) as the end mirror, and a Für erste Tests wurden vereinzelte Laserchips ohne Facettenbeschichtung mit der Epitaxieschicht curved external out-coup- nach oben auf mit Gold beschichteten Kupferwärmesenken aufgelötet. Die so aufgebauten ling mirror. QC-Laser wurden mit kurzen Strompulsen bei kleiner Wiederholrate (100 ns, 1 kHz) betrieben, Prinzipieller Aufbau eines um eine Selbstaufheizung des Laserchips zu vermeiden. Typische Lichtleistungs-Strom- optisch gepumpten Halblei- Kennlinien sind in Abb. 4 als Funktion der Temperatur für einen bei 4,8 µm emittierenden ter-Scheibenlasers (OPSDL). QC-Laser dargestellt. Der QC-Laser wurde gemäß dem oben beschriebenen Design in dem GaInAs/AlInAs/InP-Materialsystem hergestellt. Die maximale kollimierte Ausgangsleistung beträgt pro Laserfacette bei 270 K 3,6 W und bei 300 K 3 W. Die entsprechende maximale Leistungseffizienz erreicht bei 270 K und 300 K 11,4 % und 9,5 % (Abb. 5). Ein optisch gepumpter Halbleiterscheibenlaser (OPSDL) besteht in seinem Kern aus einem Halbleiterchip mit einem epitaktisch gewachsenen Bragg-Spiegel (DBR – Distributed Bragg Reflector) als dem einen hoch reflektierenden Resonatorspiegel, sowie einem darauf aufgewachsenen aktiven Bereich bestehend aus mehreren Quantenfilmen. Für den Wellenlängenbereich 2 bis 2,5 µm ist der Bragg-Spiegel aus alternierenden GaSb- und AlAsSb-Schichten mit einer optischen Dicke von jeweils ¼ der Laserwellenlänge aufgebaut. Der aktive Bereich besteht aus kompressiv verspannten GaInAsSb-Quantenfilmen, die zwischen AlGaAsSb-Barrierenschichten eingebettet sind, welche gleichzeitig als Absorberschichten für das Pumplicht dienen. Die OPSDL-Struktur wird ebenfalls mit MBE hergestellt. Weitere Informationen zu dem Design und der Herstellung von OPSDL-Chips finden sich in dem Beitrag zu dem VERTIGO-Forschungsprojekt. 57 INFRARED S EMICONDUC T OR LA S ER S – P RO T EC T ING AIRCRAF T S AGAIN S T T ERRORI S T A T T AC K S IR Semiconductor Laser Modules The basic layout of an OPSDL is shown in Fig. 6. The linear limited this time by the available pump power rather than OPSDL cavity is formed by the epitaxial DBR mirror integrated by thermal effects. With the OPSDL module being a cw laser into the OPSDL chip on the one side and an external concave source, also any arbitrary pulse code with modulation frequen- output coupling mirror on the other. The active region is cies ≥ 10 kHz can be generated simply by on-off modulating optically pumped by a fiber-coupled 980 nm emitting diode the drive current of the 980 nm pump diode lasers. laser module. The pump light transmitted through the fiber is focused onto the OPSDL chip by appropriate focusing optics, For QC lasers, in spite of the multiple watt peak output power resulting in a pump spot on the chip surface with a diameter achieved in low duty cycle pulsed mode operation (Fig. 4), of a few hundreds of microns. The transversal mode pattern maximum average output power in high duty cycle pulsed of the OPSDL is determined by the interplay of the pump spot mode operation and, even more so, maximum cw output diameter and the cavity mode diameter on the OPSDL chip. If power are still severely limited by thermal effects. Therefore, both are properly matched, a nearly diffraction-limited output to serve applications like DIRCM which require a high average beam is achieved. output power in high duty cycle operation mode, the output beams of several individual QC lasers have to be combined Fig. 7 displays a 3D CAD drawing of the portable OPSDL mo- while preserving the high beam quality delivered by a single dule, containing as its core the above described OPSDL cavity narrow mesa waveguide QC laser. To that end, we employed (Fig. 6) as well as a beam splitter and photo detector for in-line at Fraunhofer IAF the concept of spectral beam combining power monitoring. A large finned heat sink for forced air using an external cavity (EC) configuration. Applying this cooling is attached to the rear right of the hermetically sealed concept to QC lasers, we demonstrated the coupling of the inner housing. The OPSDL output beam is emitted towards output beams of up to 8 individual QC laser ridges, located the front left. Fig. 8 shows a photograph of the completed side-by-side on a single semiconductor chip. OPSDL module enclosed by an outer housing for increased robustness and ruggedness. Electrical connections as well as Fig. 10 shows the schematic of the EC-QC laser configuration the optical fiber delivering the 980 nm pump light are fed into employed here for spectral beam combining of 4.5-to-5 µm the module via the corrugated tube seen in the foreground. emitting QC lasers. The parallel output beams emitted by Laser emission is towards the front. the individual QC lasers are collimated by a single custom made aspheric lens (transforming lens) and then directed The cw and pulsed mode output power vs. pump power onto a ruled grating with a blaze angle matched to the characteristics of the above OPSDL module are plotted in operating wavelength of the QC lasers. The different lateral Fig. 9, while the inset in Fig. 9 displays its multiple longitudinal positions of the different emitting apertures are converted mode lasing spectrum close to the intended wavelength of by the collimating lens into different angles of incidence on 2.25 µm. The maximum cw output power is 1.25 W at a heat the grating. Adding a partially reflecting planar out-coupling sink temperature of 20 °C, limited by thermal rollover. The mirror to the set-up spectrally selective feedback is provided, maximum low duty cycle pulsed output power exceeds 2.5 W, which translates the different angles of incidence into different 58 7 8 Infrarot-Halbleiterlasermodule Der prinzipielle Aufbau eines optisch gepumpten Halbleiterscheibenlasers (OPSDL) ist in Abb. 6 7 3D CAD drawing of dargestellt. Der lineare Resonator wird durch den im OPSDL-Chip integrierten Bragg-Spiegel auf the portable OPSDL der einen Seite und durch einen externen konkaven Auskoppelspiegel auf der anderen gebildet. module. Der aktive Bereich wird durch ein mit einem Lichtleitfaserausgang versehenes Diodenlasermodul 3D-CAD-Zeichnung eines mit einer Emissionswellenlänge von 980 nm optisch gepumpt. Das durch die Lichtleitfaser über- Halbleiterscheibenlaser- tragene Pumplicht wird durch ein entsprechendes Linsensystem auf den OPSDL-Chip fokussiert, Moduls. wobei der Durchmesser des resultierenden gepumpten Bereichs bei wenigen hundert µm liegt. 8 Portable OPSDL Die transversale Modenstruktur des OPSDL wird durch das Verhältnis der Größen des gepump- module enclosed by ten Bereichs und der Resonatormode auf dem OPSDL-Chip bestimmt. Wenn beide aufeinander an outer housing. angepasst sind, wird ein nahezu beugungsbegrenzter Laserstrahl vom OPSDL emittiert. HalbleiterscheibenlaserModul mit Gehäuse. Abb. 7 zeigt eine 3D-CAD-Zeichnung des portablen OPSDL-Moduls, welches im Kern den oben beschriebenen OPSDL-Resonator (Abb. 6) enthält. Ferner sind in dem Modul ein Strahlteiler und ein Photodetektor zur Leistungsmessung während des Betriebs integriert. Ein großer Kühlkörper mit Kühlrippen für eine Gebläsekühlung ist auf der Rückseite des hermetisch abgeschlossenen inneren Gehäuses des Moduls angebracht. Die Laseremission aus dem Modul erfolgt nach vorne in halblinker Richtung. Ein Foto des fertigen Moduls, versehen mit einem äußeren Gehäuse ist in Abb. 8 dargestellt. Die elektrischen Anschlüsse sowie die Lichtleitfaser für die 980 nm Pumpstrahlung verlaufen in dem vorne sichtbaren Wellschlauch. Die Laseremission erfolgt durch die vordere runde Gehäuseöffnung. Kennlinien der Ausgangsleistung als Funktion der Pumpleistung sind in Abb. 9 sowohl für Dauerstrichbetrieb als auch für gepulsten Betrieb dargestellt. Der Einschub in Abb. 9 zeigt das aus mehreren longitudinalen Moden bestehende Laserspektrum mit einer Zentralwellenlänge nahe dem Zielwert von 2,25 µm. Die maximale Ausgangsleistung liegt im Dauerstrichbetrieb und bei einer Temperatur der Wärmesenke von 20 °C bei 1,25 W, begrenzt durch thermisches Überrollen. Die maximale Ausgangsleistung im gepulsten Betrieb mit geringer Wiederholrate liegt jenseits von 2,5 W, in diesem Fall begrenzt durch die verfügbare Pumpleistung und nicht durch thermische Effekte. Da das OPSDL-Modul im Dauerstrichmodus betrieben werden kann, lassen sich auch beliebige Pulszüge und Kodierungen mit einer Modulationsfrequenz von bis zu ≥ 10 kHz durch eine einfache Ein/Aus-Modulation des Treiberstroms der Pumpdioden erzeugen. 59 INFRARED S EMICONDUC T OR LA S ER S – P RO T EC T ING AIRCRAF T S AGAIN S T T ERRORI S T A T T AC K S lasing wavelengths for each emitter. On the other hand, the output beam emitted through the planar cavity end mirror is a co­llinear superposition of the output beams of all emitters, with each emitter lasing at its specific wavelength defined by its lateral position on the chip, the focal length of the transforming lens, as well as the dispersion and angular position of the grating. Fig. 11 shows the lasing spectrum of such a multiple-emitter EC-QC laser set-up, coupling the output of in total 6 individual emitters into a single collimated output beam. The 2.0 spectrum consists of 6 single lasing modes, equally spaced in Intensity (a.u.) 1.5 Output Power (W) wavelength, which proves that all 6 QC lasers are coupled to the external cavity. The combined output beam, on the other hand, is indeed collinear with the original beam quality of a single QC laser well preserved (see the two-dimensional farfield intensity plot in the left portion of Fig. 11). Actual beam 1.0 2.22 2.24 2.26 2.28 propagation measurements of the slightly elliptical output Wavelength (µm) beam yield for both the fast and the slow axis M2 values of CW Operation Pulsed Operation 0.5 < 2. Fig. 12 displays the output power vs. current per emitter characteristics of the multiple-emitter EC-QC laser set-up and, T = 20°C for reference purposes, the power vs. current characteristic for 0.0 0 2 4 6 8 10 Incident Pump Power (W) 12 14 16 a single uncoated Fabry-Perot laser. Both the EC-QC laser and the single device were operated in short-pulse high duty cycle mode, optimized for maximum average output power of the 60 9 Continuous wave (cw) and low duty cycle EC-QC laser. There is a threefold increase in average power pulsed mode output power vs. absorbed pump for the collimated output beam of the EC-QC laser module power recorded from the portable 2.25 µm as compared to the output of the single emitter (summing emitting OPSDL module shown in Figs. 7 and 8. up the output power emitted from both facets for the latter). Inset: Continuous wave (cw) lasing spectrum of Taking into account the total number of emitters coupled, the portable OPSDL module. the coupling efficiency amounts to 50 %. The resulting Ausgangsleistung als Funktion der absorbierten coupling losses of also 50 % are due to cavity losses caused Pumpleistung sowohl im Dauerstrichbetrieb by the finite efficiency of the grating and optical feedback als auch im gepulsten Betrieb mit kleiner Wie- into the emitters via the transforming lens, enforced lasing derholrate für das in Abb. 7 und 8 gezeigte at wavelengths away from the gain maximum in particular Halbleiterscheibenlaser-Modul mit einer Emis- for the emitters located towards both ends of the array, as sionswellenlänge von 2,25 µm. Einschub: Laser- well as the detrimental effect of increased self-heating due spektrum im Dauerstrichbetrieb des Halbleiter- to thermal crosstalk in the multiple emitter chip in the EC-QC scheibenlaser-Moduls. laser set-up. INFRARO T - HALBLEI T ERLA S ER Z UM S CHU T Z VON FLUG Z EUGEN VOR T ERRORI S T I S CHEN A n s c h l ä g e n f Q CL s 1 2 3 l/2 T r a n s f o r m i n g LEN S 10 Bei den QC-Lasern ist trotz der hohen Pulsspitzenleistung bei kleinen Wiederholraten von 1 0 Schematic of the multi- mehreren Watt (Abb. 4) die maximale mittlere Leistung bei hohen Pulswiderholraten, und ple-emitter EC-QC laser set- noch stärker die Ausgangsleistung im Dauerstrichbetrieb, durch die Selbstaufheizung des up employed for spectral aktiven Bereichs des QC-Lasers begrenzt. Daher muss für Anwendungen wie DIRCM, die eine beam combining. hohe mittlere Leistung im Betrieb mit kurzen Pulsen und hoher Pulswiederholrate erfordern, Prinzipieller Aufbau des die Ausgangsleistung mehrerer einzelner QC-Laser unter Erhaltung der guten Strahlqualität zur spektralen Strahlüber- des Einzellasers in einem Strahl vereinigt werden. Zu diesem Zweck wurde am Fraunhofer IAF lagerung von QC-Lasern das Konzept der spektralen Strahlüberlagerung unter Verwendung eines externen Resonators verwendeten Aufbaus mit erstmals auf QC-Laser angewandt. externem Resonator. Der prinzipielle Aufbau der hier für die spektrale Strahlüberlagerung von QC-Lasern mit einer Emissionswellenlänge im Bereich von 4,5 – 5 µm verwendeten externen Resonator-Anordnung ist in Abb. 10 dargestellt. Die von den nebeneinander auf einem Mini-Barren angeordneten QC-Lasern emittierten divergenten Strahlen werden von einer speziell hergestellten asphärischen Linse kollimiert und dann auf ein geritztes Beugungsgitter mit einer an die Emissionswellenlänge der QC-Laser angepassten Blaze-Wellenlänge gerichtet. Die verschiedenen lateralen Positionen der einzelnen QC-Laser auf dem Mini-Barren werden durch die Kollimationslinse in verschiedene Einfallswinkel auf dem Gitter umgesetzt. Andererseits sind die durch den planen Auskoppelspiegel emittierten Strahlen auf Grund der aktiven Rückkopplung durch den externen Resonator in die einzelnen Laser einander deckungsgleich und kollinear überlagert. Die von jedem der einzelnen QC-Laser emittierte individuelle Laserwellenlänge wird durch dessen Position auf dem Mini-Barren, der Brennweite der Kollimationslinse sowie der Dispersion und Winkelstellung des Gitters bestimmt. Abb. 11 zeigt das Emissionsspektrum eines mit einem Mini-Barren mit 6 Einzelemittern bestückten QC-Lasermoduls mit dem oben beschriebenen externen Resonator-Aufbau. Das Spektrum zeigt 6 äquidistante Laserlinien, was beweist, dass in der Tat alle 6 Einzelemitter an den externen Resonator koppeln. Dass die überlagerten Ausgangsstrahlen kollinear sind, zeigt die zweidimensionale Intensitätsverteilung des überlagerten Strahls senkrecht zu dessen Ausbreitungsrichtung. Die Strahlqualität ist mit einer Beugungsmaßzahl von M2 < 2 gleich der eines einzelnen QC-Lasers. In Abb. 12 ist die Lichtleistungs-Strom-Kennlinie, aufgetragen über den Strom pro Emitter, dargestellt. Zum Vergleich ist auch die entsprechende Kennlinie eines einzelnen Emitters gezeigt. Sowohl das QC-Lasermodul zur Strahlüberlagerung als auch der Einzelemitter wurden mit kurzen Pulsen und einer auf maximale mittlere Ausgangsleistung des Moduls optimierten hohen Pulswiederholrate betrieben. Die Ausgangsleistung liegt für das Modul um den Faktor 3 höher als für den Einzelemitter, was unter Berücksichtigung der Anzahl der gekoppelten Emitter einer Kopplungseffizienz von 50 % entspricht. Diese Effizienz wird u. a. durch den Rückkoppelgrad des externen Resonators sowie die Tatsache, dass vor allem die am Rande des Mini-Barrens liegenden Laser nicht bei dem Maximum ihres optischen 61 1.00 Intensity (norm) 0.75 0.50 0.25 0.00 4.45 4.50 4.55 4.60 4.65 4.70 Wavelength (µm) 11 1 1 Lasing spectrum of the Based on the above concept, a compact beam-combining multiple-emitter EC-QC laser EC-QC laser module has been designed and fabricated, set-up with the power output including all necessary drive and control electronics for short- of 6 QC lasers combined (right) pulse high duty cycle (≥ 1 MHz repetition rate) operation of a and two-dimensional far-field multiple-emitter QC laser chip. Fig. 13 shows a photograph of intensity plot (left). the EC-QC laser head, which contains also the high frequency Laserspektrum des QC-Lasermo- drive electronics for the QC lasers. Pulse code modulation duls mit externem Resonator zur at frequencies ≥ 10 kHz is readily achieved by electronically spektralen Überlagerung der gating the high frequency pulse drain. Due to the high Ausgangsstrahlen von 6 Einzel- oversampling rate (1 MHz vs. 10 kHz) any pulse shape and emittern (rechts) sowie Intensi- sequence can be synthesized with high fidelity. This EC-QC tätsverteilung im Fernfeld des laser module in combination with the above described OPSDL überlagerten Strahls (links). module, both fabricated at Fraunhofer IAF including all driving and control electronics, serve currently as the IR-laser subsystem in an experimental DIRCM system which has already been used successfully in outdoor field trials. Future R&D Strands of future R&D will include a further increase in output power and power efficiency for both OPSDL and (EC-) QC laser technology, which requires among other a further optimization of the overall thermal management, as well as increasing the wavelength coverage by closing the 3-to-4 µm wavelength gap. On the application side, the present modules 3.5 and subsystems will also find its use in various kinds of Power (rel. units) 3.0 (a) 6 Lasers Combined spectroscopic sensing and diagnostics. 2.5 2.0 1 2 Output power vs. current per laser characteristics of (a) the 1.5 multiple-emitter EC-QC laser set-up and (b), for reference purposes, (b) Single FP Laser 1.0 the total power emitted from both facets of a nominally identical, uncoated single Fabry-Perot QC laser. 0.5 Ausgangsleistung als Funktion des Stroms pro Emitter (a) für den 1.0 1.5 2.0 2.5 Current / Laser (A) 62 3.0 3.5 spektral überlagerten Ausgangsstrahl von 6 Emittern sowie (b) für einen Einzelemitter. IR - P h o t o d e t e kt o r e n d e r d r i tt e n G e n e r a t i o n 13 Verstärkungsspektrums betrieben werden, bestimmt. Ferner ist auch eine gewisse gegenseitige 1 3 Spectral beam com- Aufheizung der einzelnen Emitter, d. h. ein thermisches Übersprechen, zu beobachten. bining EC-QC laser module employing a multiple- Aufbauend auf dem oben beschriebenen Konzept wurde ein kompaktes QC-Lasermodul mit emitter laser chip as the spektraler Strahlüberlagerung im externen Resonator entworfen und hergestellt (Abb. 13), light engine. einschließlich aller zum Betrieb erforderlichen Elektronikkomponenten. Das Modul wird mit QC-Lasermodul mit exter- kurzen Pulsen und einer hohen Pulswiederholrate von ≥ 1 MHz betrieben. Die Aufmodulation nem Resonator zur spek- von Pulsfolgen mit Frequenzen ≥ 10 kHz ist durch einfaches Schalten des hochfrequenten tralen Strahlüberlagerung. Pulszuges möglich. Aufgrund der im Vergleich zur Modulationsfrequenz hohen Trägerfrequenz (1 kHz verglichen zu 1 MHz) lassen sich auch komplexe Pulsfolgen mit einer hohen Wiedergabequalität darstellen. Dieses QC-Lasermodul wurde zusammen mit dem weiter oben beschriebenen OPSDL-Modul als Lasersubsystem von der Firma Diehl-BGT-Defence in ein DIRCM-Experimentalsystem integriert und erfolgreich bei Feldversuchen eingesetzt. Ausblick Ziel weiterführender FuE-Arbeiten wird die weitere Steigerung der Ausgangsleistung und der Leistungseffizienz beider Arten von Lasermodulen sein. Hierzu ist u. a. eine weitere Optimierung des thermischen Managements in den Modulen erforderlich. Weiterhin wird an der Schließung der Lücke im Wellenlängenbereich zwischen 3 und 4 µm gearbeitet. Die hier vorgestellten Module werden neben optischen Gegenmaßnahmen zum Schutz von Flugzeugen auch in der spektroskopischen Sensorik und Diagnostik Anwendung finden. 63 Volker Cimalla Tel. +49 761 5159-304 v o l k e r . c i m a l l a @ i a f. f r a u n h o f e r . d e Chunyu Wang Tel. +49 761 5159-335 c h u n y u . w a n g @ i a f. f r a u n h o f e r . d e 64 Photo-Stimulated Detection of Ozone Photo-stimulierte Detektion von Ozon 65 O3 O2 O O In In e A B 2 Applications Ozone (O3) is a strong oxidizing agent, which affects human beings and animals already at low concentrations, causing irritation of respiratory system and burning eyes. Continuing exposure to ozone increases the risk of respiratory diseases and at high concentration, ozone has lethal effect. In areas of clean air, ozone concentration can be higher than in cities, where high particle and NO pollution effectively decompose ozone. This can cause damages in agriculture and forestry. Alarm Level On the other hand, ozone exhibits high application potential. Information Level Harmless for In water treatment (waste water, chilling water, swimming Human Health pools), ozone is ecologically friendly oxidizing Fe, Mn, and 100 % Waste Water Treatment Control of Humidity Ambient Air Sterilization/Disinfection organic species. In most »chlorine-free« products and Control of Ozone methods, ozone is used, e. g. for bleaching of paper. Further Generators applications are disinfection (e. g. in food industry) or to avoid odor nuisance (automotive industry, refrigerated warehouses). Due to its instability, ozone cannot be stored and must be pro- 50 % Agriculture duced locally. For all applications, ozone has to be monitored; Forestry on the one hand to control the concentration required for the Control of Ozone Generators application, on the other hand to protect human beings from harmful impact. This requires sensing systems with a high range of sensitivity (Fig. 1). 0% 1 ppb 10 100 1 ppm 10 100 1000 1 % 10 % Ozone Concentration Currently common ozone sensors exhibit high tolerances and signal drift, operate in limited concentration ranges and/or under limited operating and environmental conditions (e. g. 1 Typical application fields for ozone regarding humidity and cross sensitivity to other gases). sensing in dependence on the ozone concentration and the humidity in air. The most accurate ozone analyzers are based on UV- Vertical lines represent critical values absorption and chemo-luminescence. UV-photometry employs for health protection. the absorption maximum of ozone close to a strong Hg Typische Einsatzfelder für Ozonsenso- emission line (253.7 nm), while for the chemo-luminescent rik in Gasen in Abhängigkeit von der reaction of ozone with ethylene in gases with excess ethylene Ozonkonzentration und der Umge- the photon emission (λ = 435 nm) is measured. Both methods bungsfeuchte. Vertikale Linien geben are complex and cost-intensive. In particular they cannot be gesetzlich verankerte Grenzwerte für used in portable applications. den Schutz der Gesundheit an. 66 O2 O O O In In Lig ht e C D Anwendung Ozon (O3) ist ein starkes Oxidationsmittel, das bei Menschen und Tieren bereits in sehr niedri- 2 Schematic mechanism of gen Konzentrationen u. a. zu Reizungen der Atemwege, Kopfschmerzen und Tränenreiz führen photo-stimulated ozone detec- kann. Lang anhaltender Einfluss von Ozon in der Atemluft führt zu einem erhöhten Risiko, an tion: A) Ozone is reacting with Atemwegserkrankungen zu sterben. In höheren Konzentrationen ist Ozon toxisch und tödlich. oxygen vacancies at the surface of InOx and B) dissociates by In Reinluftgebieten sind die Ozon-Konzentrationen im Sommer oft höher als in Städten, wo releasing an oxygen molecule durch die höhere Partikel- und NO-Belastung der Luft Ozon schneller abgebaut wird. Dadurch as well as compensating the kann es zu Schäden in der Agrar- und Forstwirtschaft kommen. vacancy and trapping one electron. Thus, the resistance incre- Andererseits hat Ozon ein hohes Anwendungspotenzial. Bei der Wasseraufbereitung (Abwäs- ases. C) After UV-irradiation, D) ser, Kühlwasserkreise, Schwimmbäder) dient Ozon unter anderem zur umweltfreundlichen oxygen vacancies are generated Oxidation von Eisen, Mangan und organischen Substanzen (einschließlich schlecht abbaubarer again and oxygen as well as a Spurenstoffe wie Medikamentenrückstände) sowie zur Entkeimung. Bei den meisten »chlorfrei« free electron are released. This benannten Produkten oder Verfahren wird Ozon eingesetzt, so zum Beispiel beim Bleichen von decreases the resistance. Papier. Weitere Einsatzgebiete sind Desinfektion (z. B. in der Lebensmittelindustrie) und die Schematischer Mechanismus der Unterdrückung von Geruchsbelästigung (z. B. in der Fahrzeugindustrie und in Kühlhäusern). photo-stimulierten Ozondetek- Aufgrund seiner Instabilität kann Ozon nicht über längere Zeit gelagert oder, wie andere indust- tion: A) Durch Wechselwirkung riell verwendete Gase, in Druckflaschen gekauft werden. Es muss also an Ort und Stelle erzeugt von Ozon mit Sauerstoffvakan- werden. In allen Anwendungen muss die Ozonkonzentration überwacht werden, einerseits, zen in der Oberfläche von InOx um die für die Nutzung notwendige Konzentration zu kontrollieren, andererseits, um die für B) dissoziert Ozon, wodurch ein Menschen schädlichen Maximalwerte nicht zu überschreiten. Das erfordert eine Sensorik über Sauerstoffmolekül freigesetzt einen sehr weiten Dynamikbereich (Abb. 1). sowie die Vakanz gefüllt wird. Dadurch wird ein freies Elektron Gebräuchliche Sensoren zur Ozonmessung arbeiten derzeit nur ungenau (hohe Toleranzen, eingefangen und der elektrische hohe Driften), mit begrenzten Konzentrationsmessbereichen und/oder unter eingeschränkten Widerstand steigt an. C) Durch Betriebs- und Umgebungsbedingungen (z. B. Feuchte und Querempfindlichkeit auf andere UV-Bestrahlung D) werden an Gase). der Oberfläche Vakanzen gebildet, die ein Sauerstoffatom frei- Die genauesten und gegenwärtig am häufigsten eingesetzten Ozonanalysatoren basieren auf setzen und ein freies Elektron UV-Absorption und Chemolumineszenz. Die UV-Photometrie nutzt ein Absorptionsmaximum in die Schicht abgeben. Dadurch von Ozon in der Nähe der Quecksilber-Resonanzlinie bei 253,7 nm, während bei der Chemilu- sinkt der Widerstand wieder ab. mineszenzreaktion von Ozon mit Ethen in der Gasphase eine Photonenemission (λ = 435 nm) bei Ethenüberschuss als Maß für Ozonkonzentration nachgewiesen wird. Beide Verfahren benötigen sehr aufwändige, kostenintensive Aufbauten, so dass sie nicht an allen Orten und insbesondere nicht portabel einsetzbar sind. 67 glue P h o t o - S t i m u l at e d D e t e c t i o n of Ozone I n 2o 3 A l 2o 3 3A Sensor Functionality For reliable and efficient control of processes where ozone is used or generated as well as for the corresponding safetyrelated monitoring of the environment, innovative sensor systems with considerably improved performance and broader range of application are required. Semiconducting sensors, which have the potential for continuous, cost-efficient and space-saving ozone monitoring, are based on metal oxides with chemically reactive surfaces. Here, reversible oxidation and reduction processes take place. Gas molecules interact electronically with the semiconductor Photon Energy (eV) 8 3.9 3.6 3.3 3 2.7 2.4 surface and generate depletion or enhancement of mobile 8 carriers at the surface depending on the gas species. This ef- 6 4 4 2 2 0 300 350 400 450 500 EL Power at 40 mA (mW) Response (R O3 /R UV) fect alters the electrical resistance, which is directly correlated 6 0 550 Wavelength (nm) to the gas concentration and can easily be transformed into an electronic signal. To enable the reaction of gases with the semiconductor surface, the sensors have to be heated. In dependence on the used materials and gases, temperatures between 300 °C und 900 °C are required, in the case of ozone, 350 – 500 °C. However, a promising effect is the observed control of the reaction between ozone and In2O3based sensors by UV radiation at room temperature. This enables new applications for ozone sensors with respect to miniaturization, the use of plastic packages, reduced energy 4 Working range of the photo- consumption in portable devices, and the application in stimulated ozone sensors (blue) explosive gases. and the conventional UV LEDs 68 grown on sapphire (red). The Reducing gases lead to a resistance decrease, while oxidizing optimal working range for both gases induce a resistance increase. This is caused by a reaction components is shown in grey. between oxygen atoms and the surface of semiconducting Arbeitsbereiche der photo- metal oxides due to oxygen vacancies on the surface, acting stimulierten Ozonsensorik (blau) as donators. In the contrast, free electrons localize on the und konventioneller UV-LEDs adsorbed oxygen atoms acting as acceptors on the surface, auf Saphir (rot). Der optimale leading to a resistance increase. This principle is used to detect Arbeitsbereich für den integrier- different gases. The adsorption and desorption of the oxygen ten Sensor ist grau unterlegt. atoms on the surface can be influenced by UV-light irradiation, Ozonsensor 3B Funktionsweise 3 Components of the Für die zuverlässige und effiziente Steuerung und Kontrolle von Prozessen, in denen Ozon photo-stimulated ozone verwendet oder erzeugt wird sowie für diesbezüglich notwendige sicherheitstechnische Über- sensor: (A) cross sectional wachungssysteme, sind innovative Sensorsysteme mit deutlich verbesserten Messeigenschaften electron microscopy image und breiterem Einsatzspektrum erforderlich. of a nanocrystalline InOx film; (B) single contacted Halbleitersensoren, die das Potenzial zur kontinuierlichen, kostengünstigen, platzsparenden illuminating LED on a fully Ozonsensorik haben, basieren auf Metalloxiden, die chemisch reaktive Oberflächen besitzen, processed wafer. an denen reversibel Oxidations- und Reduktionsprozesse ablaufen können. Gasmoleküle treten Komponenten für ein kom- in elektronische Wechselwirkung mit der Halbleiteroberfläche und erzeugen, je nach Gasart, plettes Ozonsensorsystem: eine Anreicherung oder Verarmung an beweglichen Ladungsträgern. Die dadurch verursachte (A) Elektronenmikroskopie- Veränderung des elektrischen Widerstandes als Maß der Gaskonzentration ist einfach in ein aufnahme vom Querschnitt elektronisches Signal umwandelbar. Zum Ablauf der Gasreaktion an der Oberfläche müssen einer nanokristallinen InOx- die Sensoren im Betrieb beheizt werden. Abhängig von den verwendeten Materialien und den Schicht; (B) einzeln ange- zu detektierenden Gasen sind Temperaturen zwischen 300 °C und 900 °C üblich, im Falle der tastete, leuchtende LED auf Ozondetektion 350 – 500 °C. Vielversprechend ist der beobachtete Effekt, dass die Reaktion einem prozessierten Wafer. von Ozon mit In2O3-basierenden Sensoren auch durch ultraviolette Strahlung bei Raumtemperatur kontrolliert werden kann. Dadurch eröffnen sich innovative Möglichkeiten für Ozonsensoren hinsichtlich Miniaturisierung, Einbau in Kunststoffgehäuse, Reduzierung des Energieverbrauches für mobile Geräte und für Anwendungen in brennbaren Gasen. In der Sensorschicht führen oxidierende Gase zu einer Erhöhung des Widerstandes, reduzierende hingegen zu einer Abnahme. Grund hierfür ist die Reaktion von Sauerstoffatomen O mit der Oberfläche halbleitender Metalloxide. Die dort vorliegenden Sauerstoffvakanzen wirken als Donatoren und verursachen so eine elektrisch leitfähige Schicht. Adsorbierte Sauerstoffatome hingegen wirken als Akzeptor und verringern durch die Aufnahme eines Elektrons die Leitfähigkeit. Durch die Bestrahlung mit UV-Licht wird Einfluss auf die Ad- und Desorption der Sauerstoffatome an der Oberfläche genommen. Die Bindungen der chemisorbierten Sauerstoffatome mit dem Halbleiter werden durch UV-Licht aufgehoben und das Atom geht in den Gaszustand über. Dabei werden Elektronen im Halbleiter frei, die zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit führen. Dieser Vorgang wird Photoreduktion genannt. Diese Photoreduktion wird für die Reaktivierung des Sensors eingesetzt (Abb. 2). 69 P h o t o - S t i m u l at e d D e t e c t i o n of Ozone P which breaks the binding of the chemisorbed oxygen atoms to the surface and convert them to oxygen gases. In principle, electrons are released from each desorbed oxygen atom, inducing an increase of the layer conductivity. This is the so-called photo-reduction effect, which is used for reactivation of the sensors (Fig. 2). Devices Finger Contact Metalization Therefore, a metal oxide film as the ozone sensing material In2O3 Sensing Layer photo-stimulated ozone sensors based on this principle. For and a UV light source for reactivation are required for the real applications, further electronic circuitry is developed for Sapphire Substrate controlling the UV light and measuring the resistance change of the sensing material (Fig. 3). Nanocrystalline indium oxide films having a particle diameter of 3 – 30 nm and a film thickness of 5 – 50 nm are found to be very suitable to act as the GaN Nucleation Layer ozone sensing material due to their nanoporous structure with GaN Buffer Layer high surface-to-volume ratio, which leads to a quick ozone ad- GaN:Si n-Contact Layer and desorption even at room temperature in a high-humidity GaInN/GaN QW Layer AlGaN:Mg Electron Barrier environment. Thus, energy-saving ozone sensors operating LED-n+ GaN:Mg p-Contact Layer at room temperature can be realized. For photo-stimulation, a UV LED having a wavelength between 380 – 420 nm is found to be optimal as irradiation source (Fig. 4). The »classic« commercial UV LEDs grown on sapphire substrate, which are LED-p– well developed in the last decade, are very suitable for this application. 5 Schematic set-up of the photo-stimulated ozone sensor This sensor concept described above is realized by building integrated with an UV LED. up a compact portable sensor system. In particular, the gas Schematischer Querschnitt des sensing material is integrated with the UV LED, leading to a integrierten photostimulier- miniaturized sensor chip (Fig. 5). ten Ozonsensors aus sensitiver 70 Schicht (oben) und UV-LED At the first step, 8 UV LEDs were grown on a sapphire sub­ (unten). strate and used to test whether the light intensity is sufficient hn Photo-stimulierte Detektion hn von Ozon active area sapphire p-contact AlGaN n-contact Pt solder dam AlN sub-mount, 200 W/mK, 500 µm Ti/Pt/Au 6 Bauelement Basierend auf diesen Mechanismen sind für einen photo-stimulierten Ozonsensor eine 6 Integrated sensor chip ozon­empfindliche Metalloxidschicht und eine UV-Quelle notwendig. Für eine Anwendung ist bonded on an AlN sub- weiterhin eine Ansteuer- und Anzeigeelektronik zu implementieren. Als sensorisch aktive Kom- mount using flip-chip ponente zeigten nanokristalline Indiumoxidschichten (Abb. 3) mit Partikelgrößen von 3 – 30 nm bonding technique. und Dicken von 5 – 50 nm aufgrund ihrer großen Oberflächen die besten Eigenschaften. Sie Flip-chip-aufgebauter realisieren aufgrund ihrer nanoporösen Eigenschaften einen schnellen Gasaustausch selbst integrierter Ozonsensor bei Raumtemperatur. Dadurch eignen sie sich für die Verwirklichung sehr energieeffizienter auf AlN-Submount. Sensoren und unterdrücken den Einfluss der Umgebungsfeuchte. Für die zur Photostimulierung notwendige Lichtquelle hat sich eine UV-LED mit einer Wellenlänge im Bereich 380 – 420 nm als optimal erwiesen (Abb. 4). Dadurch ist eine Verwendung »klassischer« UV-LEDs auf Saphirsubstraten möglich, für die sich in den letzten zehn Jahren ein Massenmarkt entwickelt hat. Diese bislang nur diskret aufgebauten Komponenten wurden in einem kompakten Sensorsystem zusammengefasst. Insbesondere wurden die beiden Bestandteile »sensitive Schicht« und »UV-LED« in einem miniaturisierten Sensor auf einem Chip integriert (Abb. 5). In einem ersten, provisorischen Aufbau wurden Chips mit 8 UV-LEDs prozessiert und vereinzelt. Auf der Rückseite des Saphirsubstrates wird eine nanokristalline Indiumoxidschicht als ozonempfindliches Material mittels metallorganischer Gasphasenabscheidung aufgebracht. Eine metallische Fingerstruktur dient als Kontakt für die Widerstandsmessung der Sensorschicht. Diese Chips wurden in ein DIL8-Gehäuse eingeklebt und die Sensorschicht am Gehäuseboden durch ein eingefrästes Loch dem ozonhaltigen Gas ausgesetzt. Da diese Konfiguration wenig reproduzierbar und schwer handhabbar war sowie einen relativ hohen Energieverbrauch aufwies, wurde der Sensorchip weiter miniaturisiert. Die Indiumoxidschichten wurden dahingehend optimiert, dass eine einzelne LED zur Photostimulierung ausreichend ist. Diese Sensoren wurden auf Chipgrößen von 300 x 300 µm², 500 x 500 µm² und 800 x 800 µm² realisiert. Die Struktur mit einer Sensorschicht an der Oberfläche und einer LED an der Rückseite des Chips ist in Abb. 7 links zu sehen. Der Energieverbrauch des Sensors ist dadurch auf ca. 50 mW (weniger als ein Zehntel im Vergleich zur ersten Version des Chips) reduziert. Diese kleine Chipgröße erfordert eine neue Flip-chip-basierende Aufbau- und Verbindungstechnik. Der Chip, der die UV-LED und das sensitive Indiumoxid enthält, wird auf einem AlN-Submount montiert (Abb. 6). Dabei wird die UV-LED direkt auf die Kontaktfelder des Submounts gelötet, damit die sich an der Oberfläche befindliche sensitive Schicht dem 71 7 for reactivation. On the back side of the sapphire substrate, It is worth mentioning that the resistance change for different a nanocrystalline indium oxide film was grown by means of O3 concentrations from low ppb up to high ppm range is seve- metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). A metal ral orders of magnitude, which is very difficult to be measured finger structure acting as electrical contacts for the resistance by an electronic circuit. In particular, the energy consumption measurements was evaporated. This chip is further bonded of the electronics should remain low, so that the sensing into a DIL8 package having a hole in the center which enables system including the sensor chip and electronic circuit can be the exposure of the sensing film to ozone. ­powered just through a battery. Furthermore, the electronic part should be small for integration into portable devices and This set-up mentioned above is too complicated for mass have user-friendly interfaces for easy operation. These requi- production and the energy consumption of the 8 UV LEDs rements can be fulfilled by using modern microcontrollers. is relatively high. Thus, the sensor structure was further Nowadays, commercial microcontrollers having a very low miniaturized. The indium oxide film was optimized that only dimension are available in SMD technology. Furthermore, one UV LED is required to photo-stimulate the thin film. The different operation modes can be realized by programming miniaturized sensor chip has dimensions of 300 x 300 µm², the microcontrollers. Another typical electronic component, 500 x 500 µm², and 800 x 800 µm². The structure with an the EEPROM memory is also available on the market, which indium oxide film on the surface and a LED on the back side can store individual calibration curves for each ozone sensor. is shown in Fig. 7, left. The energy consumption is therefore reduced down to appr. 50 mW, which is just one tenth compared to first type. System Due to the very low dimension of the sensor chip, a new flip- The developed electronic circuit for signal analysis having a chip based assembly technique was established. The sensor similar dimension as a matchbox is shown in Fig. 8, right. The chip with UV LED und sensing material was mounted onto an ozone sensor is bonded onto a second board, which can be AlN-submount (Fig. 6). The UV LED is bonded face down to plugged onto the first one (Fig. 8, left). The measured data the contact areas of the submount so that the sensing mate- can be delivered to a computer through a serial interface for rial on top of the chip can be directly exposed to ozone gas. further analysis. Finally, the submount was glued onto a TO-package and both the sensing film and the UV LED were bonded to the leads on The analyzing electronics can be employed in a way that the the package through bonding wires (Fig. 7, right). user can get the experience of sensor operation by direct application of sensor and electronics for ozone detection. The sensing measurements were carried out by operating the In addition, the sensor can be further integrated into the UV LED in a pulsed mode in an ozone gas containing environ- user‘s own application field without the developed electronic ment. The UV LED was switched on and off regularly. Different component, for example in a sensor network for detection of film resistances after switching off (Roff: ozone oxidation) different exhaust gases. and on the UV LED (Ron: photo-stimulated ozone desorption) were obtained. The ratio between the two resistances For portable handheld devices, an LCD display is employed (Response = ROFF/RON) was used as the ozone sensing signal so that the ozone concentration can be monitored and read which is dependent on the ozone concentration. out everywhere (Fig. 10, right). The obtained data can also be transferred via serial interface. 72 8 ozonhaltigen Gas ausgesetzt werden kann. Schließlich wird das Submount auf ein TO-Gehäuse geklebt und die sensitive Schicht sowie die UV-LED durch Drahtbonden mit den Anschlüssen im Gehäuse verbunden (Abb. 7, rechts). 7 Sensor chips: Die Messung der Ozonkonzentration erfolgt durch einen gepulsten Betrieb der UV-LED. Dabei 500 x 500 µm² chip having werden zunächst aufeinanderfolgend die Widerstände der sensitiven Schicht im ozonhaltigen only one UV LED on the Gas gemessen ohne (Roff: Ozonbelegung) und mit (Ron: photo-stimulierte Ozondesorption) Licht back side with diagonal der LED. Aus dem Verhältnis der beiden Widerstandswerte (Response = ROFF/RON) ergibt sich ein contacts and a sensing film von der Ozonkonzentration abhängiges Signal. on the front side with a finger structure as the Die Auswertung der Sensorsignale erfordert das genaue Erfassen von Widerstandswerten electrical contact. über mehrere Zehnerpotenzen. Die Signalerfassung erfordert daher eine große Signaldynamik. Ozonsensor-Chip: Die hierfür benötigte Elektronik sollte dabei einen geringen Stromverbrauch haben, um auch 500 x 500 µm²-Chip mit batteriebetriebene Anwendungen zu ermöglichen; wenig Platz beanspruchen, um handliche einer UV-LED auf der Rück- Messgeräte zu realisieren, und für den Anwender eine bedienerfreundliche Schnittstelle bieten. seite (Diagonalkontakte) Diese Eigenschaften sind mit den heutigen modernen Mikrocontrollern gut zu erfüllen. Mik- und der Sensorschicht auf rocontroller sind in kleiner Bauweise (SMD-Technik) bei gleichzeitig großem Funktionsumfang der Vorderseite (Fingerkon- verfügbar. Durch die Programmierbarkeit können unterschiedlichste Messabläufe einfach und takte). schnell implementiert oder angepasst werden. Ein ebenfalls verfügbarer integrierter EEPROM- 8 Electronic circuit for sig- Datenspeicher ermöglicht das Hinterlegen einer individuellen Kalibrierkurve für den einzelnen nal analysis. The ozone sen- Sensor. sor is bonded to a second board (left) which can be plugged onto the analyzing System electronic (right). Auswerteelektronik (rechts) Die Entwicklung der Elektronik führte zu einer mit handelsüblichen Elektronikbausteinen be- mit Aufsteckplatine mit stückten Schaltung. Abb. 8 zeigt die vollständige Auswerteplatine in Streichholzschachtelgröße. dem Ozonsensor (links). Der Ozonsensor befindet sich hier auf einer zweiten Platine und kann in dieser Kombination auf die Auswerteplatine aufgesteckt werden. Die Messdaten werden über eine serielle Schnittstelle zur Verfügung gestellt und können durch einen Computer erfasst und weiterverarbeitet werden. Die Auswerteelektronik kann für Erstanwender genutzt werden, um Erfahrungen mit dem Ozonsensor zu sammeln. Der Anwender ist somit in der Lage, den Sensor sofort für eigene Applikationen einzusetzen. Darauf aufbauend kann später oder parallel zur ersten Erprobungsphase eine auf die eigenen Bedürfnisse ausgelegte Sensorauswerteelektronik entwickelt werden. 73 P h o t o - S t i m u l at e d D e t e c t i o n of Ozone The response of the sensor was recorded at different ozone 10 10 A concentrations in different gas mixtures. The sensor is 410 ppb 265 ppb 188 ppb 129 ppb 77 ppb 38 ppb 10 8 333 ppb comparison to a commercial ozone photometer. 10 9 13 ppb Resistance ( Ω ) calibrated by measuring the sensing signal in synthesized air in Apparently, the photo-stimulated ozone sensor can monitor an ozone concentration over several orders of magnitude. The detection limit of the ozone sensor is lower than 10 ppb, while the highest detectable ozone concentration is over 500 ppm, as can be seen in Fig. 9. The cross response to NOx and 120 240 360 Time (min) O2, CO2 were determined to be 3 and 8 orders of magnitude 480 lower than that to ozone gas. Furthermore, by using the nanoporous ultrathin film, the cross response to water is minimized. O3 Concentration (ppm) 3.0 0 50 100 150 200 The developed sensor was tested in a real environment having a high humidity level. The long-term stability and the sensor 12 B degradation were analyzed. An example was the ozone mea- 10 surements in real environment in the city of Freiburg (Fig. 10, 2.5 left). It has demonstrated that the ozone concentration obtai- 6 2.0 Response Response 8 4 1.5 1.0 10 100 1000 ned from the developed sensor is comparable to the reference values in spite of different high humidity levels (30 – 60 %). Furthermore, the sensor displays the temporarily changing values of the ozone concentration, while the reference measu- 2 ring station just showed one average value every hour. 0 In summary, a novel integrated ozone sensor can monitor an O3 Concentration (ppb) ozone concentration in a wide range and is suitable for a wide range of applications. As main advantages of the developed 9 Resistance change of the sensor exposed to ozone gas with sensor, the room temperature operation, the low energy con- different concentrations in synthesized air (A). The ozone response sumption, and the miniaturization have been demonstrated. is calculated and shown in (B) for low concentrations between Thus, the sensor is very suitable to be integrated in portable 10 and 1000 ppb (blue) and for high concentrations between devices or sensor networks. Furthermore, by varying the wave- 0.1 and 200 ppm (red). length of photo-stimulation as well as the sensing material, Gemessener Widerstandsverlauf für unterschiedliche Ozonkonzen­ selective sensors for different gases can also be developed. trationen (A) und die daraus erstellten Kalibrierkurven (B) für einen integrierten photo-stimulierten Ozonsensor in synthetischer Luft (blau: niedrige Konzentrationen 10 – 1000 ppb, rot: hohe Konzen­ trationen 0,1 – 200 ppm). 74 10 1 0 Left: large measuring Für die Verwendung des Sensors als Hand-Messgerät wurde die Elektronik mit einer LCD- station in the city of Freiburg Anzeige erweitert. Damit ist eine direkte Ozon-Messung vor Ort möglich. Abb. 10, rechts, zeigt used as reference; right: display das hierfür entwickelte Gerät. Die Daten können zusätzlich über eine serielle Schnittstelle zur unit for the ozone sensor device. weiteren Verarbeitung oder zur Protokollierung ausgegeben werden. Links: fest installierte Mess­ station in der Freiburger Innen- Der Reaktion des aufgebauten Ozonsensors wurde bei verschiedenen Konzentrationen und stadt für Referenzmessungen; unterschiedlichen Gaszusammensetzungen evaluiert. Die Kalibrierung erfolgte gegen ein auf rechts: LCD-Anzeigeeinheit des UV-Absorption basierendes Referenzgerät in trockener Luft. Ozonsensors. Offensichtlich ist der photo-stimulierte Sensor über mehrere Größenordnungen zur Bestimmung von Ozonkonzentrationen einsetzbar, wobei das untere Detektionslimit bei 10 ppb liegt, die höchste messbare Konzentration bei ca. 500 ppm (Abb. 9). Die Querempfindlichkeit zu anderen Gasen ist um 3 (NOx) bis 8 (O2, CO2) Größenordnungen niedriger. Weiterhin wurde durch die Verwendung ultradünner nanoporöser Schichten die Querempfindlichkeit zu Wasser minimiert. Diese Sensoren wurden in ersten anwendungsnahen Tests weiter charakterisiert (z. B. in hoher Feuchte) sowie die Langzeitstabilität und die Alterung detaillierter untersucht. Ein Beispiel war eine Messung in der Stadtluft von Freiburg (Abb. 10, links). Es zeigte sich, dass der Sensor bei unterschiedlicher Umgebungsfeuchte (30 – 60 %) nicht nur die Referenzwerte reproduziert, sondern im Gegensatz zur Messstation auch den zeitlichen Verlauf registrieren kann. Mit diesem neuartigen, integrierten Detektor steht ein Sensorsystem zur Verfügung, das selektiv Ozon in einem weiten Konzentrationsbereich nachweisen kann und deshalb flexibel für sehr unterschiedliche Anwendungen einsetzbar ist. Zu den Hauptvorteilen des Systems zählen der Betrieb bei Raumtemperatur, der geringe Energiebedarf und die sehr kleine Ausführung des eigentlichen Messkopfes. Dadurch werden insbesondere Ozonsensoren für verteilte Netze und in tragbaren Geräten möglich. In Zukunft wird durch Variation der Wellenlänge der anregenden Lichtquelle sowie der sensitiven Schicht untersucht, ob sich das Messprinzip auch für selektive Detektion weiterer Gase einsetzen lässt. 75 Projects Projekte 78 The »Falcon« – Sensing the World Through Millimeter-Wave Eyes D e r » F a l k e « – D i e W e lt d u r c h Millimeterwellenaugen erspüren 84 M o l e c u l a r B e a m E p i ta x y o f A l G a N / G a N HE M T S t r u c t u r e s o n 4 “ S i C M o l e k u l a r st r a h l e p i t a x i e v o n A l G a N / G a N - HE M T - S t r u k t u r a u f 4 “ - S i C 90 L a tt i c e - M a t c h e d Q u a t e r n a r y N i t r i d e H e t e r o st r u c t u r e s f o r E l e c t r o n i c A p p l i c a t i o n s G i tt e r a n g e p a sst e H e t e r o st r u k t u r e n a u s q u a t e r nären Nitriden für elektronische Anwendungen 94 F r e e - S t a n d i n g G a N S u bst r a t e s f o r B l u e D i o d e L a s e r s a n d LED s F r e i st e h e n d e G a N - S u bst r a t e f ü r b l a u e L a s e r u n d LED s 100 S e tt i n g N e w S t a n d a r d s f o r L o n g - W a v e l e n g t h Semiconductor Disk Lasers n e u e M a S S st ä b e f ü r l a n g w e l l i g e Halbleiter-Scheibenlaser 106 Fa c i n g t h e T h r e at: S t a n d - o ff D e t e c t i o n o f E x p l o s i v e s Der Bedrohung begegnen: F e r n d e t e k t i o n v o n E x p l o s i v st o ff e n 76 108 M a t r i x - A d d r e ss a b l e I n f r a r e d F i l t e r s F o r T h e P r o t e c t i o n o f H i g h ly S e n s i t i v e D e t e c t o r s M a t r i x - a d r e ss i e r b a r e I n f r a r o tf i l t e r f ü r d e n Schutz hochempfindlicher Detektoren 112 S u p e r l a tt i c e S t r u c t u r e s F r o m D i a m o n d 116 Tunable Optical Lenses From Diamond 120 Im p l a n t a b l e P i e z o - G e n e r a t o r s Üb e r g i tt e r st r u k t u r e n a u s D i a m a n t F o r mf l e x i b l e o p t i s c h e L i n s e n a u s D i a m a n t f o r O p h t h a l m i c A p p l i c at i o n s Im p l a n t i e r b a r e P i e z o g e n e r a t o r e n für Anwendungen im Auge 77 The »Falcon« – Sensing the World Through Millimeter-Wave Eyes I n g m a r K a l l f a ss Tel. +49 761 5159-486 i n g m a r . k a l l f a ss @ i a f . f r a u n h o f e r . d e The »Falcon« is a millimeter-wave monolithic integrated circuit (MMIC) dedicated to high performance remote sensing and imaging applications. Copying from its name giving wildlife counterpart, the chip provides a versatile, ultra-compact receiver platform for sensing applications requiring high geometrical resolution and high sensitivity. The »Falcon« is developed in the frame of a close and long standing cooperation with the Sensing Systems Laboratory (SSL) division of Sony Atmospheric Attenuation (dB/km) 1000 Deutschland GmbH in Stuttgart. The receiver chip addresses a variety of novel applications, 100 ranging from vision systems for safety and security to sensing systems in medical diagnostics and non-destructive testing in 10 material inspection. It operates in the »atmospheric window«, i. e. a region with low attenuation of the electro-magnetic 1 0.1 140 GHz waves in the atmosphere, around 140 GHz (Fig. 1), correspon- Atmospheric Window ding to a free-space wavelength of roughly 2.1 mm. 1 bar, 20°C, 43.4% RH 0.01 0 100 200 300 400 This choice of frequency is motivated by the ideal compro500 mise between the manifold advantages of sensing at high Frequency (GHz) millimeter-wave frequencies on one side, and the still adequate gain and noise performance of the underlying transistor 78 1 The frequency of operation technology as well as the manageable packaging effort on of the »Falcon« MMIC lies in the the other side. The high operating frequency makes for high atmospheric transmission win- geometrical resolution through high absolute bandwidths and dow around 140 GHz. small wavelengths as well as size reduction of components Die Arbeitsfrequenz des MMIC and antennas. A particular benefit of the high millimeter-wave »Falke» liegt im atmosphäri- frequency range for imaging and sensing applications is the schen Transmissionsfenster um signal penetration through adverse visibility conditions, like 140 GHz. e. g. fog, rain, and dust. Der »Falke« – Die Welt durch Millimeterwellenaugen erspüren Der »Falke« ist eine Millimeterwellen-monolithisch integrierte Schaltung (MMIC) für Fernerkundungs- und Bildgebungsanwendungen mit hohen Anforderungen. Kopiert von seinem namengebenden natürlichen Vorbild stellt der Chip eine vielseitige, hoch kompakte Empfängerplattform für Sensorikanwendungen, die eine hohe geometrische Auflösung und hohe Empfindlichkeit erfordern, zur Verfügung. Der »Falke« wurde im Rahmen einer engen und langjährigen Kooperation mit dem Sensing Systems Laboratory (SSL) der Sony Deutschland GmbH in Stuttgart entwickelt. Der Empfängerchip bedient eine Reihe neuartiger Anwendungen, von Sichtsystemen im Bereich Sicherheit bis hin zu Sensorsystemen in den Bereichen der medizinischen Diagnostik und der zerstörungsfreien Materialprüfung. Er arbeitet im »atmosphärischen Fenster«, d. h. einem Bereich geringer Dämpfung der elektro-magnetischen Welle durch die Atmosphäre, um 140 GHz (Abb. 1), was einer Freiraumwellenlänge von ca. 2,1 mm entspricht. Diese Frequenzwahl ist motiviert durch den idealen Kompromiss zwischen den vielfältigen Vorteilen hoher Millimeterwellenfrequenzen für die Sensorik einerseits, und dem noch ausreichend guten Verstärkungs- und Rauschverhalten der zugrundeliegenden Transistortechnologie sowie dem überschaubaren Integrationsaufwand andererseits. Die hohe Arbeitsfrequenz führt aufgrund der hohen absoluten Bandbreite und kleinen Wellenlänge zu hoher geometrischer Auflösung sowie einer Verringerung der Abmessungen bei Komponenten und Antennen. Ein besonderer Vorteil des hohen Millimeterwellenfrequenzbereichs für bildgebende und SensorikAnwendungen liegt in der Durchlässigkeit für die Signale auch unter widrigen Sichtbedingungen, wie Nebel, Regen oder Staub. Für die Realisierung des hoch empfindlichen Empfängers bei dieser hohen Frequenz ist eine schnelle und rauscharme Transistortechnologie erforderlich. Wir setzen hier metamorphe Transistoren mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit (mHEMT) mit 100 nm Gatelänge und typischen Grenzfrequenzen von 220 GHz fT (Kurzschlussstromverstärkung von eins) und 300 GHz fmax (maximale Schwingfrequenz) ein. 79 VCO LOMonitor VCO Bond Wire Buffer IF x2 Wilkinson Divider Multilier RFin Mixer VTune 2 2 Chip photograph and block To realize the high-sensitivity receiver at this elevated fre­ diagram of the »Falcon« receiver quency, a high-speed, low-noise transistor technology is MMIC with external oscillator. required. We employ our metamorphic high electron mobility Chipfoto und Blockdiagramm transistor (mHEMT) technology with 100 nm gate length and des Empfänger-MMIC »Falke« typical cut-off frequencies of 220 GHz fT (unity short-circuit mit externem Oszillator. current gain) and 300 GHz fmax (maximum frequency of oscillation). The »Falcon« MMIC incorporates a heterodyne receiver architecture, integrating a low-noise RF pre-amplifier with a resistive, sub-harmonic down-conversion mixer and a network for the local oscillator (LO) signal preparation on a single chip. The LO network consists of a frequency-multiplier-by-two and buffer amplifier stage, with an intermediate power 10 P = 0 dBm divider addressing a monitor output port for subsequent LO IF-Frequency = 100 MHz stabilization, e. g. in a phase-locked loop architecture (Fig. 2). LO Conversion Gain (dB) 5 The receiver chip is fed at its LO port by an external voltagecontrolled oscillator (VCO) chip operating around 35 GHz, i. e. at one-fourth of the desired RF frequency, facilitating the 0 combination of the two chips by conventional wire bonding. The heterodyne receiver MMIC has a size of 1 × 4.5 mm2, while the VCO chip occupies an area of 1.5 × 1 mm2. -5 The »Falcon« receiver features … -10 120 130 140 150 RF-Frequency (GHz) … broadband operation: Characterized in terms of its conversion gain when down-converting an incoming RF signal to a fixed intermediate frequency (IF) of 100 MHz, corresponding 80 3 Conversion gain characteris- to a typical frequency-selective sensing case (Fig. 3), the recei- tics of the »Falcon« MMIC. ver achieves a conversion gain of 2 dB in a 3 dB RF frequency Konversionsgewinn des MMIC range from 120 to 145 GHz, corresponding to a bandwidth of »Falke«. 25 GHz, or, in relative terms 19 %. D e r » F a l k e « – D i e W e lt d u r c h Millimeterwellenaugen erspüren Das »Falke«-MMIC beinhaltet eine heterodyne Empfängerarchitektur und integriert auf einem einzigen Chip einen rauscharmen RF-Vorverstärker mit einem resistiven, subharmonischen Abwärtsmischer und ein Netzwerk für die Aufbereitung des Lokaloszillatorsignals (LO). Das LO-Netzwerk besteht aus einer Frequenzverdoppler- und Pufferverstärkerstufe mit einem zwischengeschalteten Leistungsteiler, der einen Monitorausgang für eine nachfolgende LO-Frequenzstabilisierung bedient, z. B. in einer Phasenregelkreisarchitektur (Abb. 2). Der Empfängerchip wird an seinem LO-Anschluss von einem externen spannungsgesteuerten Oszillatorchip (VCO) gespeist, der bei 35 GHz arbeitet, also bei einem Viertel der gewünschten RF-Frequenz. Dies erleichtert die Kombination beider Chips mittels herkömmlicher Bondtechnik. Das Heterodynempfänger-MMIC hat Abmessungen von 1 × 4,5 mm2, während der VCO-Chip eine Fläche von 1,5 × 1 mm2 belegt. Der Empfänger »Falke« bietet … … breitbandiges Verhalten: Wenn er hinsichtlich seines Konversionsgewinns bei der Abwärtsmischung eines ankommenden RF-Signals auf eine feste Zwischenfrequenz (IF) von 100 MHz vermessen wird, was einer typischen frequenzselektiven Sensorikanwendung entspricht (Abb. 3), zeigt der Empfänger einen Konversionsgewinn von 2 dB innerhalb eines 3-dB-Frequenzbereiches von 120 bis 145 GHz, was einer Bandbreite von 25 GHz bzw. relativ ausgedrückt, von 19 % entspricht. … geringe, subharmonische LO-Leistungsanforderungen: Aufgrund des integrierten LO-Pufferverstärkers kann der Empfänger mit nur 0 dBm (1 mW) LO-Leistung bei 35 GHz auskommen, was sehr gut zur Ausgangsleistung des VCO-Chips passt. … breitbandiges VCO-Verhalten: Der VCO erreicht eine lineare Durchstimmbandbreite von 5 GHz im Frequenzbereich zwischen 31,5 und 36,5 GHz, bei einer Ausgangsleistung von -2 bis 1 dBm (Abb. 4). 81 The »Falcon« – Sensing the World Through Millimeter-Wave Eyes … low sub-harmonic LO power requirements: Due to … low-noise performance: The LNA stage shows a the on-chip LO buffer amplifier, the receiver is able to operate measured noise figure of only 5 dB (Fig. 5). It provides a gain with as low as 0 dBm (1 mW) of LO power at 35 GHz, which of 15 dB. The subsequent passive mixer stage has a conversion corresponds well to the output power generated in the VCO loss and corresponding approximate noise figure of 15 dB. chip. On the basis of the noise theory of cascaded stages, the overall noise figure of the »Falcon« receiver therefore can be … broadband VCO operation: The VCO achieves a linear estimated to lie at 6.2 dB. tuning bandwidth of 5 GHz in the frequency range between 31.5 and 36.5 GHz, with an output power of -2 to 1 dBm … multi-functional on-chip integration: The »Falcon« re- (Fig. 4). ceiver is one of today only few demonstrated multi-functional active MMICs operating at millimeter-wave frequencies beyond 100 GHz. Compared to conventional passive receiver technologies, it provides outstanding low-noise performance and a high RF bandwidth, which both constitute the capital performance parameters of the analog frontend for sensing 38 8 36 4 34 0 32 -4 suitable to form the basic building block of future real-time, video-rate millimeter-wave imaging systems. Output Power (dBm) Frequency (GHz) and imaging applications. As an ultra-compact solution it is 4 Output characteristics of the VCO driving the LO port of the »Falcon« receiver. 30 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 Tuning Voltage (V) 82 1.0 -8 1.5 Ausgangsverhalten des VCO, der den LO-Eingang des »Falke«Empfängers speist. D e r » F a l k e « – D i e W e lt d u r c h Millimeterwellenaugen erspüren … rauscharmes Verhalten: Die LNA-Stufe zeigt eine gemessene Rauschzahl von nur 5 dB (Abb. 5). Sie liefert eine Verstärkung von 15 dB. Die nachfolgende passive Mischerstufe hat einen Konversionsverlust und entsprechend eine ungefähre Rauschzahl von 15 dB. Auf der Basis der Rauschtheorie nachgeschalteter Stufen kann die Gesamtempfängerrauschzahl des »Falke« daher auf 6,2 dB geschätzt werden. … Multi-funktionale On-Chip-Integration: Der Empfänger »Falke« ist einer von bis heute nur wenigen demonstrierten multi-funktionalen, aktiven MMICs, die bei Millimeterwellenfrequenzen von mehr als 100 GHz arbeiten. Im Vergleich zu herkömmlichen passiven Empfängertechnologien bietet er hervorragendes rauscharmes Verhalten und eine große RF-Bandbreite. Die Kombination dieser Eigenschaften stellt die wesentlichen Leistungsmerkmale analoger Frontends für Sensorik und bildgebende Anwendungen dar. Als ultra-kompakte Lösung bietet er sich als grundlegender Baustein zukünftiger bildgebender Millimeterwellensysteme mit Echtzeit- und Videobildraten-Fähigkeit an. 25 20 5 Measured gain and noise figure of the low noise amplifier Gain, Noise (dB) Gain 15 10 Noise Figure 5 as stand-alone MMIC. Gemessene Verstärkung und Rauschzahl des rauscharmen Verstärkers als Einzel-MMIC. 0 110 120 130 140 150 Frequency (GHz) 83 Molecular Beam Epitaxy of AlGaN/GaN HEMT Structures on 4“ SiC Rolf Aidam Tel. +49 761 5159-487 R o l f . A i d a m @ i a f . f ra u n h o f e r . d e Plasma assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE) is an attractive method for epitaxial growth of III-N based high electron mobility transistors (HEMTs). In particular, the significant lower growth temperature in comparison to metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) enables epitaxy of In containing layers like InGaN, InAlN, and InAlGaN, which are very interesting for high power devices at high frequencies. Since PA-MBE growth is basically determined by the material Intensity (a. u.) 10 100 mW/mm² fluxes of impinging molecules on the substrate, precise control 1 W/mm² of layer thickness and composition is possible. This correlation 4 also leads to uniform layer structures across the wafer, which is essential for the realization of HEMT devices with high yield. The accurate control can also be exploited to improve material 10 quality. One example is the reduction of defect density by the 3 insertion of very thin layer sequences with smooth interfaces into the nucleation and active region of the heterostructure. 10 2 Another advantage of PA-MBE is the lower incorporation of 2.0 2.5 3.0 3.5 Energy (eV) hydrogen and carbon in the grown layers, resulting in a lower background doping level and better device reliability. The low impurity level is obtained by using elemental group-III metals 1 Room temperature photolumine- and rf-plasma excited nitrogen species in an ultra-high vacuum scence (PL) spectra of PA-MBE grown environment. GaN layer at different excitation 84 levels. The GaN related PL peak is Despite the advantages of the growth method, several chal- clearly seen and no impurity related lenges have to be overcome. The main difficulty is the small »yellow« PL is observed. parameter window for the substrate temperature and the Raumtemperatur-Photolumineszenz- material fluxes to obtain good material quality as well as good spektren, gemessen bei verschiede- morphological properties. Therefore, the development of a nen Anregungsleistungen an GaN- robust technique with good temperature uniformity and long- Schichten, die mit PA-MBE hergestellt term stability across large area wafers is mandatory. Good wurden. Neben dem GaN-zugeord- criterions to examine the quality of PA-MBE grown material neten PL-Peak ist keine »gelbe« PL are a low crystal defect density as well as high mobility values erkennbar, die Verunreinigungen of charge carriers in the two-dimensional electron gas (2DEG) zugeordnet werden könnte. of AlGaN/GaN HEMT structures. Molekularstrahlepitaxie von AlGaN/GaN-HEMT-Strukturen auf 4“-SiC Plasmaunterstützte Molekularstrahlepitaxie (PA-MBE) ist eine attraktive Methode zur Epitaxie III-N-basierender High Electron Mobility-Transistoren (HEMTs). Insbesondere ermöglicht die im Vergleich zur metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) deutlich geringere Wachstumstemperatur die Herstellung von Schichten, die Indium enthalten. Beispiele sind GaInN, AlInN oder AlGaInN. Diese Materialien sind sehr interessant für die Realisierung von Leistungsbauelementen bei hohen Frequenzen. Da das Wachstum mittels PA-MBE im wesentlichen durch die Materialflüsse der auftreffenden Moleküle auf das Substrat bestimmt wird, ist eine sehr genaue Kontrolle der Schichtdicke und Materialzusammensetzung möglich. Dieser Zusammenhang führt zu einer sehr homogenen Schichtstruktur über den Wafer, die unabdingbar für eine hohe Ausbeute bei der Herstellung der HEMT-Bauelemente ist. Die genaue Wachstumskontrolle kann zur Materialverbesserung genutzt werden. Ein Beispiel ist die Reduktion der Defektdichte durch Einfügen mehrerer sehr dünner, glatter Schichten im Bereich der Nukleation oder im aktiven Bereich der Struktur. Ein weiterer Vorteil der PA-MBE ist die geringere Verunreinigung der gewachsenen Schichten durch Wasserstoff oder Kohlenstoff, die zu einer geringeren Hintergrunddotierung und zu besserer Zuverlässigkeit der Bauelemente führen kann. Die geringe Konzentration an Fremdatomen wird in einer Ultrahochvakuumumgebung durch Verwendung elementarer Gruppe-III-Metalle und Stickstoff, der in einer HF-Plasmaquelle angeregt wird, erreicht. Trotz der Vorteile der Wachstumsmethode müssen einige Herausforderungen gelöst werden. Die größte Schwierigkeit resultiert aus einem kleinen Parameterfenster für Wachstumstemperatur und Materialflüsse, um gute Materialqualität und gute Morphologie zu erreichen. Daher war die Entwicklung einer robusten Technik, die langzeitstabil eine gute Temperaturhomogenität über den Wafer gewährleistet, erforderlich. Gute Kriterien zur Beurteilung der Materialqualität stellen eine geringe Defektdichte der Kristalle und eine hohe Beweglichkeit der Ladungsträger im zweidimensionalen Elektronengas der AlGaN/GaN-HEMT-Strukturen dar. 85 M o l e c u l ar B e a m E p i ta x y o f A l G a N / G a N HEM T S tr u c t u r e s o n 4 “ S i C In 2009, we successfully realized the growth of high quality AlGaN/GaN HEMTs on 4“ SiC substrate for the first time in Europe. The layer sequence consists of a thick GaN buffer layer, a high mobility GaN channel, an AlGaN-barrier and a thin GaN cap layer. Our activities focused on the development of high quality buffer layers with high resistivity, sharp pinchoff characteristics, and low defect density. The buffer leakage 10 10 is significantly affected by the growth conditions of the under- 7 GaN R = 0 mm 5 4H-SiC lying AlN nucleation layer. N-rich growth conditions (Al/N < 1) R = 30 mm resulted in buffer layers with high resistance without carry over R = 40 mm of Si from the SiC substrate into the grown layer. The surface (Al,Ga)N X-Ray Intensity (Counts) 10 structure of GaN is very sensitive to the Ga/N ratio during AlN growth. Optimal structural and electronic properties were 3 obtained in a very small process window under Ga rich growth conditions, just at the crossover to Ga droplet formation. To 10 broaden the process window, an interval growth technique 1 with short growth periods of GaN (10 – 50 nm) under Ga-rich conditions followed by growth interruptions for the desorption 15 16 17 18 19 of excess Ga was used. Θ (deg.) These heterostructures were characterized by photolumi- 86 2 HRXRD θ-2θ scans at different nescence (PL), high resolution x-ray diffraction (HRXRD) positions (0, 30, and 40 mm from and secondary ion mass spectroscopy (SIMS). The electrical wafer center) of a PA-MBE grown properties were determined by Hall and capacitance-voltage HEMT structure on 4“ SiC sub- (CV) measurements. As shown in Fig. 1, optimized undoped strate. GaN buffers are distinguished by the absence of »yellow« HRXRD-θ-2θ-Messungen an ver- photoluminescence, associated with impurities like carbon or schiedenen Stellen (0, 30 und hydrogen. SIMS measurements do not show unintentional 40 mm vom Waferzentrum) einer impurities within the detection limit. Depth profiles of the mit PA-MBE gewachsenen HEMT- charge carrier concentration reveal n-type background doping Struktur auf 4“-SiC-Substrat. with a low carrier concentration in the range of 2 × 1013 /cm3. 3 3 Plasma assisted molecular Im Jahr 2009 konnten wir erstmals in Europa qualitativ hochwertige AlGaN/GaN-HEMT- beam epitaxy equipment used Strukturen auf 4“-SiC-Substrat herstellen. Die Schichtfolge bestand aus einer dicken to grow 4“ AlGaN/GaN/SiC GaN-Pufferschicht, einem GaN-Kanal mit hoher Beweglichkeit, einer AlGaN-Barriere und heterostructures. einer dünnen GaN-Deckschicht. Unsere Entwicklungsarbeit konzentrierte sich dabei auf Plasmaunterstützte Mole­ das Wachstum hochqualitativer Zwischenschichten mit hohem Widerstand, scharfer pinch- kularstrahlepitaxie-Anlage off-Charakteristik und niedriger Defektdichte. Der Widerstand der Pufferschicht wird dabei zum Wachstum von 4“- wesentlich von den Wachstumsbedingungen der darunter liegenden AlN-Nukleationsschicht AlGaN/GaN/SiC-Hetero- beeinflusst. Stickstoffreiche Bedingungen (Al/N < 1) führen zu Zwischenschichten mit hohem strukturen. Widerstand, da eine Verschleppung von Silizium aus dem SiC-Substrat unterdrückt wird. Die Oberflächenstruktur des GaN ist sehr sensitiv auf das Ga/N-Verhältnis während des Wachstums. Optimale strukturelle und elektrische Eigenschaften werden nur in einem kleinen Prozessfenster unter leicht galliumreichen Bedingungen erreicht, bei denen es gerade noch nicht zur Bildung von Galliumtropfen kommt. Um dieses Prozessfenster zu vergrößern, wurde eine Intervalltechnik verwendet, bei der sich kurze GaN-Wachstumsperioden (10 – 50 nm) unter galliumreichen Bedingungen mit Wachstumsunterbrechungen zur Desorption überschüssigen Galliums abwechseln. Diese gewachsenen Heterostrukturen wurden mittels Photolumineszenz (PL), hochauflösender Röntgenbeugung (HRXRD) und Sekundärionenmassenspektroskopie (SIMS) untersucht. Elektrische Eigenschaften wurden mit Hall- und Kapazität-Spannungs-(CV)-Messungen bestimmt. Wie aus Abb. 1 ersichtlich ist, zeichnen sich optimierte undotierte GaN-Schichten durch das Fehlen einer »gelben« Lumineszenz aus, die üblicherweise mit Kohlenstoff- oder Wasserstoffverunreinigungen in Verbindung gebracht wird. Mit SIMS-Messungen konnten keine ungewollten Verunreinigungen innerhalb der Messauflösung nachgewiesen werden. Tiefenprofile der Ladungsträgerdichte zeigen eine n-leitende Hintergrunddotierung mit einer Ladungsträgerkonzentration von 2 × 1013 /cm3. 87 M o l e c u l ar B e a m E p i ta x y o f A l G a N / G a N HEM T S tr u c t u r e s o n 4 “ S i C 70 PAE , Pout , Gain 60 Hall measurements show mobility values of electrons in the PAE (%) 2DEG from 1250 to 1350 cm²/Vs at room temperature. Power (dBm) These measurements also indicate a lower sheet carrier Gain (dB) concentration of PA-MBE grown samples compared to MOVPE 50 samples with identical layer structure. This is explained with different surface potentials which are directly related to the 40 surface state density. The difference in measured sheet carrier 30 concentration of structures grown with these two techniques disappears after device fabrication when the surface potential 20 is defined by the Schottky gate metal. 10 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 P in (dB) A very good uniformity of the morphological properties was obtained on 4“ wafers. In Fig. 2, HRXRD θ-2θ scans taken at different positions on a 4“ wafer show almost identical 88 4 Power-added efficiency, gain, profiles, resulting in a thickness and composition variation of and output power at 2 GHz and the AlGaN barrier layers across the wafer less than ± 1 % and 50 V of all test transistors across ± 0.5 %, respectively. After processing the wafers with our a 4“ wafer show almost identi- standard process technology, excellent uniformity and yield cal characteristics. values are obtained. As shown in Fig. 4, all test transistors on Leistungseffizienz, Verstärkung a 4“ wafer reach power added efficiency (PAE) values of 60 % und Ausgangsleistung bei 2 GHz at 2 GHz and 50 V, gain values above 25 dB and an output und 50 V, gemessen an allen power of 36 dBm without the need of individual transistor Testtransistoren auf einem tuning. The buffer isolation resistance reaches values above 4“-Wafer, zeigen nahezu identi- 109 Ω/sq at 60 V and first reliability data from accelerated sche Charakteristiken. lifetime tests show very promising results. 5 5 Processed GaN-based Hall-Messungen ergaben Beweglichkeiten der Ladungsträger im zweidimensionalen Elek­ transistors for high frequency tronengas zwischen 1250 und 1350 cm²/Vs bei Raumtemperatur. Zusätzlich ergaben diese high power amplifiers. The 4“ Messungen eine niedrigere Ladungsträgerdichte der mit PA-MBE hergestellten Strukturen AlGaN/GaN/SiC heterostructure im Vergleich zu Proben, die mit MOCVD hergestellt wurden. Dieser Unterschied der beiden was grown by molecular beam Wachstumsmethoden kann mit unterschiedlichen Oberflächenpotentialen, die direkt mit der epitaxy (MBE). Oberflächenzustandsdichte korrelieren, erklärt werden. Er verschwindet nach Prozessierung der Prozessierte GaN-basierte Transistoren, da dabei das Oberflächenpotential durch das Schottky-Gate-Metall definiert wird. Transistoren für HochfrequenzLeistungsverstärker. Eine sehr gute Homogenität der morphologischen Eigenschaften wurde auf 4“-Substraten erreicht. Als Beispiel zeigen in Abb. 2 HRXRD-θ-2θ-Messungen, die an verschieden Stellen des Wafers aufgenommen wurden, nahezu identische Profile. Die berechneten Variationen der Dicke und Zusammensetzung von AlGaN-Schichten liegen bei ± 1 % bzw. ± 0,5 % über den Wafer. Nach Prozessierung der Wafer mit unserer Standard-Prozesstechnologie wurden exzellente Homogenität und Ausbeute erreicht. Wie in Abb. 4 gezeigt, erreichen alle Test-Transistoren auf einem 4“-Wafer eine Leistungseffizienz von 60 % bei 2 GHz und 50 V, eine Verstärkung über 25 dB und eine Ausgangsleistung von 36 dBm, wobei keine individuelle Anpassung für jeden einzelnen Transistor nötig war. Der Isolationswiderstand der Zwischenschicht erreichte Werte über 109 Ω/sq bei 60 V und erste Zuverlässigkeitsdaten aus beschleunigten Lebensdauertests zeigen sehr vielversprechende Ergebnisse. 89 Lattice-Matched Quaternary Nitride Heterostructures for Electronic Applications Ta e k L i m Tel. +49 761 5159-351 T a e k . L i m @ i a f . f ra u n h o f e r . d e High Electron Mobility Transistors (HEMTs) based on nitride semiconductors such as GaN and other III-N alloys are able to AlN 7700 provide a higher power density at microwave frequencies than most other contemporary semiconductor power-amplifying devices. Therefore, GaN-based HEMTs qualify well for use in RF Qy (10-4 r.l.u.) SiC 7600 power systems as required for communication and radar appli- AlGaInN cations. Most commonly, such transistors are fabricated using AlGaN/GaN heterostructures. Due to the favorable materialphysical properties of AlGaN and GaN, these structures can be 7500 grown in high quality. However, the AlGaN barrier layer in such heterostructures is permanently strained because the relaxed in-plane lattice 7400 GaN constant of AlGaN is always smaller than that of GaN. This inherent disadvantage of AlGaN has a particularly high impact 2600 2700 2800 2900 3000 Qx (10-4 r.l.u.) when transistors operating with high currents or at high frequencies above 20 – 30 GHz are desired. In these cases, the AlGaN layer must have a high aluminium content of around 1 A Reciprocal space map of a 40 nm thick AlGaInN layer with 50 % 20 % or above to achieve a high sheet electron density within Ga content grown on GaN. The other maxima originate from the SiC the heterostructure or to enable the use of thin barrier layers substrate and the AlN nucleation layer. with thicknesses of about 20 nm or below. Reziproke Gitterkarte einer 40 nm dicken AlGaInN-Schicht mit 50 % Ga-Gehalt, gewachsen auf GaN. Die weiteren Maxima werden durch To circumvent the disadvantages of AlGaN, the alternative das SiC-Substrat und die AlN-Nukleationsschicht erzeugt. barrier material AlInN has been a subject of intensive research in recent years. AlInN with an indium content of around 18 % is laterally lattice-matched to GaN and the high Al content of Barrier AlGaInN Spacer Electron Channel Buffer GaN around 82 % enables high sheet electron densities with thin barrier layers. One severe drawback of AlInN is its poor miscibility which limits the quality of epitaxial layers. Considering the miscibility of III-N alloys, one solution to improve material quality can be the addition of Ga to AlInN, that means using quaternary alloys. According to this concept, we have Substrate Al2O3 or 4H-SiC fabricated heterostructures comprising an AlGaInN barrier and investigated their structural and electrical properties. Plasmaassisted molecular beam epitaxy (PA-MBE) has been utilized 1 B Schematical layer sequence of the epitaxial heterostructure. for growth. This method enables a more direct adjustment of The triple-layer spacer comprises an AlN/GaN/AlN sequence. the composition compared to other growth techniques due Schematische Schichtfolge der epitaktischen Heterostruktur. Der to the proportionality of source flux and alloy concentration Dreifachschicht-Spacer besteht aus einer AlN/GaN/AlN-Sequenz. under suitable conditions. 90 Gitterangepasste Heterostrukturen aus quaternären Nitriden für elektronische Anwendungen Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs) aus nitridischen Halbleitern wie GaN und anderen III-N-Verbindungen erzielen eine größere Leistungsdichte bei Mikrowellenfrequenzen als die meisten anderen Halbleiter-Bauelemente zur Leistungsverstärkung. Daher eignen sich GaN-basierte HEMTs gut für Systeme der Hochfrequenz-Leistungselektronik, die für Kommunikations- und Radaranwendungen benötigt werden. Solche Transistoren werden meist aus AlGaN/GaN-Heterostrukturen hergestellt. Durch die günstigen materialphysikalischen Eigenschaften von AlGaN und GaN können diese Strukturen in guter Qualität gewachsen werden. Allerdings ist die AlGaN-Barrierenschicht in solchen Heterostrukturen verspannt, da die relaxierte laterale Gitterkonstante von AlGaN immer kleiner als die von GaN ist. Dieser inhärente Nachteil von AlGaN wird besonders deutlich, wenn Transistoren mit hohen Betriebsströmen oder Frequenzen über 20 – 30 GHz gewünscht sind. In diesen Fällen ist eine AlGaN-Schicht mit einem Aluminiumgehalt von 20 % oder mehr erforderlich, um eine hohe ElektronenFlächendichte bei einer dünnen Barriere von etwa 20 nm Dicke oder darunter zu ermöglichen. Um die Nachteile von AlGaN zu umgehen, wurde in den letzten Jahren intensiv am alternativen Barrierenmaterial AlInN geforscht. AlInN ist bei einem Indiumgehalt von etwa 18 % lateral gitterangepasst zu GaN, und der hohe Al-Gehalt von etwa 82 % ermöglicht hohe Elektronendichten mit dünnen Barrieren. Problematisch bei AlInN ist jedoch die schlechte Mischbarkeit, was die Qualität epitaktischer Schichten begrenzt. Aus Betrachtungen der Mischbarkeit im III-NSystem folgt, dass die Zugabe von Ga zu AlInN, also das Wachstum quaternärer Verbindungen, zur Verbesserung der Materialqualität beitragen kann. Auf diesem Ansatz aufbauend haben wir Heterostrukturen mit AlGaInN-Barriere hergestellt und ihre strukturellen und elektrischen Eigenschaften untersucht. Für das Wachstum wurde plasmaunterstützte Molekularstrahlepitaxie (PA-MBE) eingesetzt. Dieses Verfahren ermöglicht die unmittelbarere Einstellung der Zusammensetzung im Vergleich mit anderen Wachstumsmethoden, da Flüsse und Konzentrationen im Material unter geeigneten Bedingungen proportional zueinander sind. Die Charakterisierung mittels Röntgenbeugung zeigt einphasige AlGaInN-Schichten für alle untersuchten Proben. Durch ein Al/In-Verhältnis von etwa 4,8 sind die quaternären Schichten nahezu gitterangepasst. Wie in reziproken Gitterkarten demonstriert wird (Abb. 1A), sind die quaternären AlGaInN-Schichten pseudomorph zum darunterliegenden GaN. Alle Proben besitzen glatte Oberflächen mit Rauigkeitswerten (rms) von 0,5 – 0,8 nm, ermittelt durch Rasterkraftmikroskopie. Messungen der Röntgenreflektivität (Abb. 2) ergeben ähnliche Werte. Vergleicht man AlInN und AlGaInN mit 50 % Ga-Gehalt, zeigen sich deutliche Unterschiede im Wachstumsverhalten. Während AlInN bei einer Substrattemperatur deutlich unter 450 °C epitaxiert werden muss, um Phasenseparation zu vermeiden, sind auch Temperaturen über 570 °C geeignet, um einphasiges AlGaInN im Indium-Desorptionsregime zu wachsen. Unter 91 Latt i c e - Mat c h e d Q u at e r n ar y N i tr i d e H e t e r o str u c t u r e s f o r E l e c tr o n i c A p p l i c at i o n s Characterization using x-ray diffraction reveals the growth length of incident atoms is greatly increased which contributes of single-phase AlGaInN for all samples investigated. The to improve the material quality. Al/In-ratio has been adjusted to about 4.8 to obtain near lattice-matched quaternary films. As demonstrated in reciprocal A series of wafers investigating several epitaxial designs show- space maps (Fig. 1A), the quaternary AlGaInN layers are fully ed that a spacer between the GaN channel and the AlGaInN pseudomorphic to the underlying GaN. All samples exhibit barrier is necessary in order to obtain good electrical proper- smooth surfaces with root mean square roughness values ties, particularly a high electron mobility. The most simple of 0.5 – 0.8 nm as determined by atomic force microscopy. spacer is an AlN interlayer. While a larger separation between Similar values are obtained in X-ray reflectivity measurements channel and barrier is desirable, the AlN thickness is limited by (Fig. 2). Comparing ternary AlInN and AlGaInN with 50 % Ga strain relaxation so that an interlayer thickness in the range of content as two opposite compositions, significantly different 1 – 1.4 nm is optimal. For our heterostructures, we have there- epitaxial characteristics have been observed. While AlInN fore refined the spacer design using a triple-layer AlN/GaN/AlN has to be grown well below 450 °C substrate temperature sequence. This structure provides a channel/barrier-separation to avoid phase separation, temperatures above 570 °C are of more than 2 nm without additional strain compared to a still suitable to grow single-phase AlGaInN in the indium single AlN interlayer. Poisson-Schrödinger simulations have desorption regime. Under these conditions, the diffusion been employed to ensure that no second electron channel is formed in the middle GaN layer of the spacer. 8 10 7 Reflectivity (a. u.) 10 6 10 Measurement After finding suitable growth conditions for AlGaInN and Simulation selecting an epitaxial heterostructure design (Fig. 1B), a series for electrical characterization by Hall measurements has been 5 grown. To investigate the influence of AlGaInN composition, 10 the Ga content in the barrier has been varied from 0 % to 4 10 50 % including ternary AlInN. While the wafer with an AlInN 3 10 barrier achieves an electron mobility at room temperature 2 of only 570 cm2/Vs, the mobility value increases with Ga 10 content in the barrier to 1240 cm2/Vs for 50 % Ga content. 1 10 This AlGaInN-based HEMT structure also exhibits a high sheet 1° 2° 3° θ electron density of 2.1 × 1013 cm-2 with a barrier thickness of only 8 nm. 2 X-ray reflectivity measurement on a heterostructure with AlGaInN The combination of high sheet electron density, thin near barrier and triple-layer spacer. Experimental and simulated data lattice-matched barrier and good electron mobility within a show a good agreement indicating a smooth surface and sharp single heterostructure is expected to be well suited to realize interfaces. robust HEMTs for power applications up to millimeter-wave Messungen der Röntgenreflektivität an einer Heterostruktur mit frequencies. Our further research activities on near lattice- AlGaInN-Barriere und Dreifachschicht-Spacer. Experimen­telle und matched HEMT structures will concentrate on the growth of simulierte Daten stimmen gut überein und weisen auf eine glatte AlGaInN at increased temperatures and on the development Oberfläche sowie scharfe Grenzflächen hin. of a suitable device process for these heterostructures. 92 3 3 Series of PA-MBE grown diesen Bedingungen ist die Diffusionslänge ankommender Atome deutlich vergrößert, was zur GaN-based heterostructures. Verbesserung der Materialqualität beiträgt. Serie von mittels PA-MBE gewachsenen GaN-basierten Eine Versuchsserie mit verschiedenen epitaktischen Designs zeigte, dass ein Spacer zwischen Heterostrukturen. dem GaN-Kanal und der AlGaInN-Barriere notwendig ist, um gute elektrische Eigenschaften wie eine hohe Elektronenbeweglichkeit zu erreichen. Der einfachste mögliche Spacer ist eine AlN-Zwischenschicht. Obwohl ein größerer Abstand zwischen Kanal und Barriere wünschenswert ist, begrenzt die Verspannung die Dicke des AlN, so dass sich eine optimale AlN-Dicke im Bereich von 1 – 1,4 nm ergibt. Für unsere Heterostrukturen haben wir daher ein weiterentwickeltes Spacerdesign mit einer AlN/GaN/AlN-Dreifachschicht eingesetzt. Dieser ermöglicht einen Kanal/Barrieren-Abstand von über 2 nm ohne zusätzliche Verspannung im Vergleich zu einer einzelnen AlN-Zwischenschicht. Poisson-Schrödinger-Simulationen wurden eingesetzt, um sicherzustellen, dass sich kein zweiter Kanal in der GaN-Mittelschicht ausbildet. Nach Ermittlung geeigneter Wachstumsbedingungen für AlGaInN und Auswahl eines Epitaxiedesigns (Abb. 1B), wurde eine Serie zur elektrischen Charakterisierung mittels Hall-Messungen gewachsen. Um den Einfluss der Zusammensetzung von AlGaInN zu untersuchen, wurde der Ga-Gehalt in der Barriere von 0 % bis 50 % variiert, was ternäres AlInN einschließt. Während mit einer AlInN-Barriere eine Elektronenbeweglichkeit bei Raumtemperatur von nur 570 cm2/Vs erreicht wurde, stieg die Beweglichkeit mit dem Ga-Gehalt in der Barriere auf 1240 cm2/Vs für 50 % Ga-Gehalt. Diese AlGaInN-basierte HEMT-Struktur zeigt gleichzeitig eine hohe Elektronen-Flächendichte von 2,1 × 1013 cm-2 bei einer Barrierendicke von nur 8 nm. Die Kombination einer hohen Elektronen-Flächendichte, einer dünnen, nahezu gitterangepassten Barriere und guter Elektronenbeweglichkeit in derselben Heterostruktur ist prinzipiell gut geeignet, um robuste HEMTs für Leistungsanwendungen bis in den Millimeterwellenbereich zu realisieren. Unsere zukünftigen Forschungsaktivitäten zu nahezu gitterangepassten HEMTStrukturen werden sich auf das Wachstum von AlGaInN bei erhöhten Temperaturen und die Entwicklung eines geeigneten Prozesses zur Herstellung von Bauelementen konzentrieren. 93 Free-Standing GaN Substrates for Blue Diode Lasers and LEDs Klaus Köhler Tel. +49 761 5159-339 K l a u s . K o e h l e r @ i a f. f r a u n h o f e r . d e High-brightness light-emitting diodes (LEDs) and laser diodes based on wide bandgap group III-nitride semiconductors are currently gaining increasing importance for various applications including lighting and display as well as high-density optical data storage such as »blu-ray« disks. One of the technological challenges of the group III-nitride materials system FS-GaN FCM RIE FS-GaN Reference is the lack of large bulk crystals for the fabrication of suitable substrates. Thus, fabrication of group III-nitride devices has 600 to rely on heteroepitaxial growth on foreign substrates, such as sapphire, by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE), which results in high dislocation densities in the range of 400 108-to-1010 cm-2. In spite of the tremendous success of this heteroeptaxial growth process for the fabrication of 403 nm 200 385 nm Spectral Efficiency @ 20 mA (a. u.) 800 high-brightness LEDs, the performance and device lifetime of devices operating at high current densities, such as diode 0 lasers, are still severely limited by the resulting high defect 375 400 425 450 475 500 525 550 Wavelength (nm) density. One possibility to circumvent this problem is the growth of several hundred µm thick epitaxial layers by a technique allowing high growth rates, such as hydride vapor 94 1 EL-spectra of LEDs grown on phase epitaxy (HVPE), followed by the removal of this GaN two different FS GaN substrates. layer from its foreign substrate and subsequent use as a EL measurements were perfor- free-standing (FS GaN) substrate for the MOVPE growth of med on-wafer with the emitted device structures. An even further reduced defect density, as light collected from the epitaxial well as a commercially more viable fabrication process can be layer side of the wafer by means expected when even thicker GaN layers can be grown by the of an optical fiber. HVPE technique, up to thicknesses of several mm, so-called EL-Spektren von LEDs, gewach- »mini-boules«, which are then cut up into individual wafers sen auf zwei verschiedenen FS- very much like for conventional bulk crystals. The latter step GaN-Substraten. Die EL-Messun- requires classical wafer preparation techniques to produce gen wurden »on-wafer« mittels transparent substrates with reduced defect density and good Glasfaser von der Epitaxie-Seite cleavage properties well suited for the production of edge- aus aufgenommen. emitting laser diodes. Freistehende GaN-Substrate für blaue Laser und LEDs Laser- und Leuchtdioden der Gruppe III-Nitride haben durch diverse Anwendungen im Bereich Beleuchtung und Anzeige sowie der optischen Datenspeicherung auf»blu-ray disks« stark an Bedeutung gewonnen. Eine der technischen Herausforderungen des III-Nitrid-Systems ist das Fehlen großer Einkristalle zur Herstellung geeigneter Substrate. Deshalb ist man bei der Produktion von III-Nitrid-Bauelementen auf die Heteroepitaxie auf Fremdsubstraten wie Saphir mittels metallorganischer Gasphasen-Epitaxie (MOVPE) angewiesen; dies führt jedoch zu Versetzungsdichten im Bereich von 108 bis 1010 cm-2. Trotz des gewaltigen Erfolgs der MOVPE für die Fabrikation leistungsstarker LEDs bleibt die Güte und Lebensdauer von Laserdioden, wegen der durch die Heteroepitaxie resultierenden hohen Defektdichte immer noch stark begrenzt. Eine Möglichkeit, um dieses Problem zu umgehen, ist die Epitaxie von mehreren Hundert µm dicken Schichten mittels HVPE-Wachstum (hydride vapour phase epitaxy). Nach dem Entfernen des GaN vom Fremdsubstrat kann dieses als freistehendes GaN-Substrat (FS GaN) in der MOVPE eingesetzt werden. Eine noch stärker reduzierte Defektdichte wie auch ein kommerziell entwicklungsfähigerer Herstellungsprozess kann erwartet werden, wenn dickere GaN-Schichten von mehreren mm mittels HVPE gewachsen werden. Diese sogenannten »mini-boules« werden dann geschnitten und entsprechend konventioneller Einkristalle weiterverarbeitet. Dabei sind schließlich klassische Waferpräparationstechniken erforderlich, um transparente Substrate zu erhalten, die wegen reduzierter Defektdichte und guter Spalteigenschaften für die Herstellung von kantenemittiernden Lasern geeignet sind. Deshalb ist es das Ziel der im Teilförderschwerpunkt »CrysGaN« des BMBF zusammengefassten Vorhaben, die Entwicklung eines Basisprozesses zur Realisierung von (0001)-orientierten GaN-»Boules« und daraus präparierter freistehender 2“-GaN-Substrate mit Versetzungsdichten ≤ 5 x 106 cm-2 zu forcieren. Während sich die Projektpartner Freiberger Compound Materials (FCM), Ferdinand-Braun-Institut (FBH) und Universität Ulm schwerpunktmäßig der Entwicklung und Optimierung der HVPE-Prozesse und der zur Präparation von Wafern (FS GaN) erforderlichen Prozessschritte widmen, konzentrieren sich die Arbeiten des Fraunhofer IAF auf die Bewertung dieser Substrate. In einer ersten Stufe erfolgt dies mittels Epitaxie (MOVPE) und Analyse von bauelementtauglichen Schichtenfolgen sowie in einer zweiten Stufe durch Herstellung und Analyse kompletter Bauelementstrukturen. Ferner stellt das Fraunhofer IAF für den Partner FCM mittels MOVPE auf Saphir-Substraten abgeschiedene kundenspezifische GaN-Schichten als Keimschichten für den HVPE-»Boule«-Prozess in größerem Umfang zur 95 F r e e - St a n d i n g G a N S u b s t r a t e s f o r B l u e D i o d e L a s e r s a n d LED s Thus it is the aim of the collaborative project »CrysGaN«, funded by the German federal ministry of education and research (BMBF), to develop the growth of (0001)-oriented GaN-boules for the preparation of 2“ GaN substrates with defect densities ≤ 5 x 106 cm-2. While the focus of our project partners Freiberger Compound Materials (FCM), Ferdinand-BraunInstitut (FBH) and University of Ulm is on the development and optimization of the HVPE process as well as on the subsequent processing steps required for the preparation of free-standing (FS) GaN wafers, we at Fraunhofer IAF concentrate on the evaluation of these substrates. This is done in a first step by 30 9 25 8 20 7 15 6 10 5 5 4 means of MOVPE growth of layer sequences suitable for the 0 0.0 0.1 0.2 0.3 as in a second step through the fabrication and analysis of complete LEDs and diode lasers. Furthermore Fraunhofer IAF Voltage (V) Power (mW) fabrication of LEDs and their post growth analysis as well 3 Current (A) supplies customized MOVPE grown GaN template layers on sapphire substrates to our partner FCM for use as a seed in the HVPE boule growth process. In addition, SIMS and X-ray analysis as well as photoluminescence topography were carried out on GaN substrates fabricated by the project partners for a detailed assessment of the relevant material parameters. Responding to the specific needs of our project partner FCM, we developed at Fraunhofer IAF a dry-etching process for the removal of subsurface damage introduced by mechanical 2 Output power and applied polishing when preparing epi-ready FS GaN substrates. voltage as a function of current Furthermore, also in response to a request by FCM the supply of a 2.5 µm x 500 µm ridge of GaN-on-sapphire templates was extended to lower defect waveguide diode laser fabri- density templates employing an in-situ grown SiN-interlayer cated on a commercial FS GaN for defect reduction. substrate. 96 Ausgangsleistung und ange- For an initial characterization regarding spectral position legte Spannung in Abhängig- and intensity of the luminescence of LED structures on FS keit vom Strom eines 2,5 µm GaN photoluminescence (PL) studies were carried out. For a x 500 µm-Rippenwellenleiter- further evaluation of these LED structures on GaN or sapphire Diodenlasers, hergestellt auf substrates, structures with evaporated Pd contacts allow einem kommerziellem FS GaN- an examination of the electro-optical properties e. g. as a Substrat. function of their position on the wafer. 3 Verfügung. Darüber hinaus führt das Fraunhofer IAF SIMS- und Röntgenmessungen sowie 3 InGaN/GaN LEDs grown on topographische Photolumineszenz-Charakterisierung an GaN-Substraten der Projektpartner zur free-standing GaN substrates. eingehenden Charakterisierung der relevanten Materialeigenschaften durch. Dabei mussten InGaN/GaN-LEDs, gewachsen auf die Aufgaben des IAF bezüglich Epitaxie, Waferpräparation und Analysenmethoden an die Fra- freistehenden GaN-Substraten. gestellungen der Partner angepasst werden. So wurde in Absprache mit dem Verbundpartner FCM die Entwicklung eines trockenchemischen Ätzprozesses zur Entfernung von Polierschäden als Vorbereitung für eine Antestung der GaN-Substrate mittels MOVPE begonnen. Weiterhin wurde, aufgrund erhöhter Anforderungen von FCM an die Defektdichte der GaN/SaphirTemplates, die Bereitstellung von Templates mit reduzierter Versetzungsdichte durch den Einsatz einer SiN-Zwischenschicht erweitert. Zur Vorcharakterisierung von Lage und Intensität der Emission der LED-Strukturen wurden spektral aufgelöste Photolumineszenz (PL)-Untersuchungen durchgeführt. Zur weiteren Bewertung dieser LED-Strukturen auf GaN- oder Saphir-Substraten und deren Eigenschaften in Abhängigkeit vom Waferradius, wird die Elektrolumineszenz (EL) mittels gedampfter Pd-Kontakte gemessen. Das Beispiel in Abb. 1 zeigt EL-Spektren von LED-Strukturen, zum einen gewachsen auf FS-GaN-Substrat und hergestellt innerhalb des CrysGaN-Konsortiums, zum anderen auf einem kommerziell erhältlichen HVPE-FS-GaN-Substrat. Das Maximum des EL-Spektrums der auf CrysGaN-Substrat gewachsenen LED-Struktur ist bei etwas kürzerer Wellenlänge als die auf dem Referenzsubstrat gewachsene LED. Dies deutet auf einen Unterschied des In-Einbaus im aktiven GaInN-Bereich hin. Gleichzeitig ist die integrierte EL-Intensität der ersten LED um etwa 30 % im Vergleich zur zweiten LED reduziert. Es ist bekannt, dies zeigen ausführliche Untersuchungen der Wellenlängenabhängigkeit der EL-Effizienz von GaInN/GaN-Quantenfilm-LEDs, dass für qualitativ gleichwertige Schichten die EL-Intensität mit kürzerer Wellenlänge aufgrund abnehmender Barrierenhöhe und lateraler Lokalisierung abnimmt. Dies bedeutet, dass die EL von Strukturen auf CrysGaN-Substrat und kommerziellem FS-GaN-Substrat, berücksichtigt man die Wellenlängenabhängigkeit, vergleichbare Elektrolumineszenzeffizienz besitzen. 97 F r e e - St a n d i n g G a N S u b s t r a t e s f o r B l u e D i o d e L a s e r s a n d LED s As an example, Fig. 1 shows EL-spectra recorded from LED narrow ridge-waveguides with a minimum width of 2 µm, structures grown on a FS GaN substrate fabricated within the followed by a subsequent planarization step. To test the CrysGaN consortium and on a commercially available HVPE FS fabrication process, ridge-waveguide diode lasers emitting at GaN substrate for reference purposes. The maximum of the 405 nm were fabricated on commercially by available FS GaN EL spectrum from the LED structure grown on the CrysGaN substrates. Fig. 2 shows the output power-vs.-current and sub­strate is at somewhat shorter wavelength than that of the voltage-vs.-current characteristics of a 2.5 µm x 500 µm diode LED grown on the reference substrate, indicating subtile laser with a high-reflectivity and partially reflecting coating differences of In incorporation in the GaInN active region. At applied to the cleaved rear and front facets, respectively. The the same time the integrated EL intensity of the former is re- threshold current density is 4.2 kA/cm2 at a heatsink tem- duced by about 30 % compared to the latter. It is known from perature of 20 °C, while the operating voltage at threshold extensive studies of the wavelength dependent EL efficiency amounts to 7 V. The maximum continuous wave output of GaInN/GaN quantum well LEDs that for the same epitaxial power amounts to 25 mW, limited by thermal roll-over of the layer quality the EL intensity decreases for shorter-wavelength epitaxial side up mounted device. Preliminary device lifetime LEDs due to decreasing barrier height and lateral carrier tests show an increase in threshold current by 50 % over a localization. This means that the EL intensity of both LED struc- period of time of 50 h. Both device performance and reliability tures, grown of the CrysGaN and on the commercial FS GaN are quite acceptable for the present purpose of testing of substrate, is very much comparable when taking into account substrate material, in particular when taking into account that the known wavelength dependence of the LED efficiency. so far no special effort has been made to optimize the device lifetime. As an even more stringent ultimate of FS GaN substrate quality, it is planned to fabricate complete ridge-waveguide Until the completion of the project in mid 2010, the above diode lasers on the basis of the FS GaN substrates to be described fabrication process for ridge-waveguide diode lasers de­­­­veloped by the CrysGaN consortium. For that purpose, a will be applied also to substrates fabricated by the CrysGaN simple and thus cost-effective fabrication process for such consortium partner FCM as a definitive test of both the bulk devices has been developed at Fraunhofer IAF. A self-aligned material quality and the quality of the substrate surface processing step has been implemented for the fabrication of preparation. 98 4 4 Far field of a blue laser Als weitere, deutlich strengere Prüfung der FS-GaN-Substrate ist geplant, komplette Rippen­ diode. wellenleiter-Diodenlaser zu fertigen. Zu diesem Zweck wurde am Fraunhofer IAF ein einfacher Fernfeld einer blauen und damit kostengünstiger Prozess zur Herstellung von Laserdioden mit gespaltenen Facetten Laserdiode. entwickelt. Ein selbstjustierender Prozessschritt wurde für die Herstellung von Rippenwellenleitern mit einer minimalen Weite von 2 µm implementiert, gefolgt von einem Planarisierungsschritt. Um diesen Herstellungsprozess zu prüfen, wurden Rippenwellenleiter-Diodenlaser, die bei einer Wellenlänge von etwa 405 nm emittieren, auf kommerziellen FS-GaN-Substraten hergestellt. In Abb. 2 ist die stromabhängige Ausgangsleistung und Spannung eines 2,5 µm x 500 µm-Diodenlasers gezeigt, auf dessen gespaltene Rück- bzw. Frontseiten-Facetten hochreflektive bzw. partiell-reflektive Beschichtungen aufgebracht sind. Die Schwellstromdichte ist 4,2 kA/cm² bei einer Wärmesenkentemperatur von 20 °C und einer angelegten Spannung von 7 V. Die maximale Ausgangsleistung von 25 mW wird begrenzt durch thermisches Überrollen des auf der Substratseite montierten Lasers. Vorläufige Alterungstests zeigen einen Anstieg des Schwellstroms um 50 % innerhalb von 50 h. Sowohl Leistung als auch Zuverlässigkeit sind hinreichend für den jetzigen Zweck, die Substrate zu testen, so dass kein zusätzlicher Aufwand zur Optimierung der Lebensdauer notwendig ist. Bis zum Ende der Projektlaufzeit Mitte 2010 wird der oben beschriebene Prozess für Rippenwellenleiter-Diodenlaser auch für Substrate angewendet werden, die vom CrysGaNKonsortium-Partner FCM hergestellt werden. Dies ist dann der maßgebliche Test für die Qualität des Volumenmaterials wie auch der Oberflächenpräparation. 99 Setting New Standards for Long-Wavelength Semiconductor Disk Lasers M a r c e l R a tt u n d e Tel. +49 761 5159-643 M a r c e l . R a tt u n d e @ i a f . f r a u n h o f e r . d e The development of a mature long-wavelength semicon- Fraunhofer IAF using the III-Sb material system. This OPSDL ductor disk laser technology together with the realization of structure is composed of a distributed Bragg reflector (DBR) application-specific laser modules – these were the two major acting as cavity mirror, a quantum well containing active goals of the European project VERTIGO (Versatile Two Micron region where the pump light is absorbed and the laser light Light Source, www.2micron-laser.eu) that started three years generated, and a window layer preventing carrier recombinat­ ago in 2006. This Specific Target Research Project within the ion at the semiconductor surface. In order to reach high 6 Framework Program was coordinated by Fraunhofer IAF output powers an efficient heat removal from the active and finished by the end of 2009. All major technical goals of region had to be ensured. To that end, small pieces of the the project have been achieved, even exceeding several times grown heterostructure were bonded to a transparent heat- the original specifications significantly. The laser modules de- spreader (SiC or diamond) using the liquid capillarity bonding veloped within VERTIGO are now ready for system integration technique. The bonded samples were then mounted into a and commercial exploitation by the companies participating in submount developed within the VERTIGO consortium (Fig. 1). the multinational project consortium. This mounted semiconductor structure was then the basis for th all further laser resonator and module development. The research within VERTIGO was focused on high brightness GaSb-based optically pumped semiconductor disk lasers By optimizing the heterostructure design, the MBE growth as (OPSDL), also referred to as vertical-external-cavity surface- well as the bonding technology, the semiconductor OPSDL emitting lasers (VECSEL). The OPSDL emerged recently as structures developed within VERTIGO at Fraunhofer IAF were new category of semiconductor laser, and within VERTIGO able to set new international standards for high-power and the wavelength boundary for these lasers was extended to high-efficiency semiconductor disk lasers in the wavelength the application-rich infrared regime from 2 µm to 3 µm. The range above 2 µm. An output power of 3 W in continuous- concept of the OPSDL is unique in the way, that it combines wave (CW) operation was demonstrated at 2.0 µm emission advantageous features of classical semiconductor diode lasers, wavelength for a heatsink temperature of 20 °C, and up to such as the wavelength versatility of the semiconductor gain 6 W when thermoelectrically cooling the sample to -15° C. medium, with attractive properties of conventional solid state In pulsed operation (100 ns pulse length), over 16 W of peak lasers, which are a high quality output beam and the capability output power were demonstrated at room temperature. The to accommodate active or passive components within the optical quantum efficiency of the devices reaches very high cavity. values of 45 % at room temperature and 55 % at -15 °C heatsink temperature. Within this EU-project, all aspects from basic semiconductor heterostructure design and fabrication up to application-ready Not only in terms of output power but also in terms of wave- laser modules were covered. The very core of all lasers is of length coverage, the VERTIGO project was able to surpass course the semiconductor heterostructure, which was desig- existing limits, by demonstrating the first OPSDL at 2.8 µm ned and grown by molecular beam epitaxy (MBE) at emission, the longest-wavelength GaSb-based OPSDL so far. 100 neue MaSSstäbe für langwellige Halbleiter-Scheibenlaser Die Technologieentwicklung für GaSb-basierte Halbleiter-Scheibenlaser sowie die Herstellung anwendungsspezifischer Lasermodule – dies waren die beiden Hauptziele des europäischen Projektes VERTIGO (Versatile Two Micron Light Source, www.2micron-laser.eu), das vor drei Jahren begann und Ende 2009 abgeschlossen wurde. Dieses innerhalb des sechsten Rahmenprogramms von der Europäischen Union geförderte Projekt wurde vom Fraunhofer IAF koordiniert. Alle technischen Ziele und Meilensteine, die sich das multinationale Projektkonsortium gesetzt hatte, wurden erfüllt bzw. teilweise sogar deutlich übererfüllt. Die Lasermodule, die innerhalb von VERTIGO entwickelt wurden, stehen den am Projekt beteiligten Firmen für die weiterführende Vermarktung zur Verfügung. Innerhalb des VERTIGO-Projektes wurden GaSb-basierte, optisch gepumpte HalbleiterScheibenlaser (optically pumped semiconductor disk laser, OPSDL) entwickelt, die auch VECSEL (vertically external cavity surface emitting laser) genannt werden. Durch VERTIGO wurden die bisherigen Grenzen der Emissionswellenlänge dieser neuen, vielversprechenden Klasse von Halbleiterlasern zum Infraroten Spektralbereich um 2 bis 3 µm hin erweitert. Das Konzept des Halbleiter-Scheibenlasers vereinigt die Vorteile des halbleiterbasierten Diodenlasers mit den des klassischen Festkörperlasers. Da der aktive Bereich aus einer Halbleiterheterostruktur besteht, kann die Emissionswellenlänge über einen sehr weiten Bereich »beliebig« eingestellt werden. Durch den externen Resonator ist zum einen eine sehr gute Strahlqualität möglich, zum anderen können aktive oder passive Elemente zur Manipulation des Lasers in den Resonator integriert werden. Die Arbeiten im VERTIGO-Projekt reichten vom grundlegenden Design und der Herstellung der Halbleiter-Heterostrukturen bis hin zu anwenderspezifischen Lasermodulen. Der Hauptbestandteil jedes Lasers ist die III-Sb-Halbleiterstruktur, die am Fraunhofer IAF entworfen und mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt wurde. Die OPSDL-Struktur besteht aus einem Bragg-Reflektor, der als Resonatorspiegel dient, einem aktiven Bereich mit Quantentöpfen, in dem das Pumplicht absorbiert und das Laserlicht erzeugt wird, sowie einer Fensterschicht, die eine Rekombination der Ladungsträger an der Oberfläche verhindert. Um hohe optische Ausgangsleistungen zu erreichen, ist bei einem OPSDL eine gute Abfuhr der Verlustwärme aus dem aktiven Bereich unabdingbar. Dazu werden kleine Stücke der Halbleiterstruktur auf eine transparente Wärmesenke aus SiC oder Diamant aufgebracht und anschließend in einen speziellen Probenhalter eingebaut (Abb. 1). Dieser montierte Halbleiter-Chip ist dann die Basis für alle weiteren Laserentwicklungen. 101 S e tt i n g N e w St a n d a r d s f o r L o n g - W a v e length Semiconductor Disk Lasers Side Mode Supression Ratio, SMSR (dB) 0 Due to the flexibility of the external resonator inherent to the T = 20 °C OPSDL concept, different resonator systems were developed using the basic OPSDL chips in order to serve different applica- -10 tion needs. One development strand at Fraunhofer IAF was a tunable single-mode OPSDL for the 2 µm range (Fig. 2 ). Using -20 a birefringent filter inside a V-shaped laser cavity allowed the laser to operate single lateral and single longitudinal mode (Fig. 3). By a simple rotation of the birefringent filter, the -30 emission wavelength of the laser could be tuned within a window of 120 nm around the central lasing wavelength of -40 1.95 1.98 µm. The output power was still very high, considering 1.96 1.97 1.98 1.99 2.00 Wavelength (µm) that we deal here with a single-mode laser, with a maximum value above 500 mW at the center frequency, dropping to around 100 mW at the wings of the tuning range (Fig. 4). 3 Single-mode spectra of the tuneable In order to enable the exploitation of the newly developed laser set-up for one specific emission OPSDLs covering the 1.9 – 2.8 µm wavelength range, the wavelength of 1.975 µm. The single mode development of compact and rugged laser modules followed suppression ratio (SMSR) is greater than the initial experiments on laboratory set-ups. As an example, 30 dB. a fiber coupled OPSDL module developed at Fraunhofer IAF is Einmodiges Spektrum des durchstimmba- shown in Fig. 5. All 2 µm OPSDL laser modules have proven ren Lasers bei 1,975 µm. Die Seitenmoden- their robustness and their reliability in several application unterdrückung (SMSR) ist größer als 30 dB. and field tests, with no re-adjustment required neither after shipment nor after prolonged usage. 102 1 2 1 OPSDL semiconductor Durch Optimierung der Halbleiterstruktur, des MBE-Wachstums sowie der Aufbau- und structure, mounted inside the Verbindungstechnik konnten mit Hilfe der am Fraunhofer IAF hergestellten OPSDL-Strukturen VERTIGO submount. This weltweite Referenzwerte bezüglich Ausgangsleistung und Leistungseffizienz langwelliger mounted chip is the basis for (λ > 2 µm) Halbleiter-Scheibenlaser aufgestellt werden. Dauerstrich- (continous-wave, cw) all different laser modules and Ausgangsleistungen von 3 W bei 20 °C Wärmesenkentemperatur wurden bei einer Emissions- systems. wellenlänge von 2,0 µm erreicht und über 6 W, wenn die Probe thermoelektrisch auf -15 °C OPSDL-Halbleiterstruktur im abgekühlt wurde. Im Pulsbetrieb (100 ns Pulslänge) wurden über 16 W Ausgangsleistung bei Probenhalter. Dieser montierte Raumtemperatur gemessen. Die optische Quanteneffizienz der Strukturen erreicht sehr hohe Chip ist die Basis für die weitere Werte von 45 % bei Raumtemperatur und 55 % bei -15 °C Wärmesenkentemperatur. Entwicklung der Laserresona­ toren und Module. Neben den Steigerungen in der Ausgangsleistung und der Effizienz konnte durch VERTIGO 2 Close view of laboratory set- auch der zugängliche Wellenlängenbereich erweitert werden, da der erste OPSDL bei einer up of a tun­able single-mode Wellenlänge von 2,8 µm demonstriert wurde, der bisher langwelligste GaSb-basierte Halbleiter- OPSDL for the 2 µm range. Scheibenlaser. Ausschnitt des Laboraufbaus eines durch­stimmbaren, Durch die Flexibilität des Halbleiter-Scheibenlaser-Konzeptes konnten auf Basis des OPSDL- einmodigen OPSDL im 2 µm- Laserchips (Abb. 1) verschiedenste Laserresonatoren für unterschiedliche Anwendungsgebiete Spektralbereich. entwickelt werden. Am Fraunhofer IAF wurden u. a. ein in der Emissionswellenlänge durchstimmbarer, spektral einmodiger OPSDL für den 2 µm-Bereich entwickelt (Abb. 2). Der Laseraufbau besteht aus einem V-Resonator, dessen Geometrie so ausgelegt ist, dass der Laser nur in der Grundmode (TEM00) emittiert, also lateral einmodig ist. Ein im Brewsterwinkel stehender doppelbrechender Quarzfilter innerhalb der Laserkavität ermöglicht weiterhin eine auch in der longitudinalen Richtung einmodige Emission, was anhand des Spektrums in Abb. 3 sichtbar ist. Durch eine einfache Drehung des Quarzfilters kann die Emissionswellenlänge in einem Bereich von 120 nm um die Zentralemission bei 1,98 µm verändert werden. Die Ausgangsleistung dieses einmodigen Lasers ist mit 500 mW bei der Zentralwellenlänge und 100 mW am Rand des Durchstimmbereiches (Abb. 4) immer noch sehr hoch. 103 S e tt i n g N e w St a n d a r d s f o r L o n g - W a v e length Semiconductor Disk Lasers 600 CW Output Power (mW) T = 20 °C The German company LISA laser products OHG, a consortium partner within VERTIGO, will use the developed semiconductor disk laser to expand their 2 µm laser product portfolio and 400 provide innovative solutions in the area of spectroscopic sensing (LIDAR system for wind turbulence detection at airports as well as clear-air turbulence detection for flying aircrafts, see 200 Fig 6.) and medical therapy (precise laser scalpel). Tunable Laser Free Running Laser The scientific success of the VERTIGO project is furthermore 0 1.88 reflected by the impressive number of nine invited talks given 1.92 1.96 2.00 2.04 Wavelength (µm) by consortium members at international conferences and by the impressive series of publications in highly reputated international journals, including an invited review in Laser & 4 Output power vs. emission wave- Photonic Reviews, and two book chapters. length of the tuneable OPSDL (blue line) and of the free running laser Also after the termination of the VERTIGO project, the without birefringent filter (red star). Fraunhofer IAF will continue its successful research on Ausgangsleistung gegen Emissions- GaSb-based long-wavelength semiconductor disk lasers. Two wellenlänge des durchstimmbaren further projects are already under way which are based on Lasers (blaue Linie) sowie des freilau- the fundamental work within VERTIGO. These projects aim at fenden Lasers ohne Quarzfilter (roter exploring the capability of the OPSDL format for ultra-narrow Stern). linewidth laser emission on the one hand, and further power scaling and system development on the other. 104 6 5 6 Nachdem die grundlegende Entwicklung der neuen 1,9 – 2,8 µm Laserquellen im Labor abge- 5 Compact fiber-coupled OPSDL schlossen war, wurden innerhalb des Projektes kompakte und stabile Lasermodule entwickelt laser module. und getestet, um die nachfolgende Systemintegration sowie die weiterführende Vermarktung Kompaktes fasergekoppeltes dieser neuen Laserquellen durch die Industriepartner sicherzustellen. In Abb. 5 ist als Beispiel OPSDL-Lasermodul. ein am Fraunhofer IAF hergestelltes fasergekoppeltes OPSDL-Lasermodul abgebildet. Diese 6 Detection of wind turbulen- Lasermodule wurden bereits bei verschiedenen Applikations- sowie Feldtests eingesetzt und ces behind starting airplanes: konnten so ihre Zuverlässigkeit und Robustheit unter Beweis stellen, da weder nach Transport one of the applications for the noch nach längerer Betriebsdauer eine Neujustage der Laser nötig war. 2 µm semiconductor disk laser. Detektion von Wirbelschleppen Die deutsche Firma LISA laser products OHG, ein Partner des Fraunhofer IAF innerhalb des nach startendem Flugzeug: eine VERTIGO-Konsortiums, wird die entwickelten 2-µm-OPSDL weiter vermarkten und mit ihrer der Anwendungen des 2 µm Hilfe zukünftig innovative Lösungen im Bereich optischer Ferndetektion (LIDAR-System zur Halbleiter-Scheibenlasers. Detektion von Wirbelschleppen nach startenden Flugzeugen für Flughäfen sowie zur Detektion von Höhenwirbel für Flugzeuge, siehe Abb. 6) sowie Medizintechnik (präzises Laserskalpel für die Chirurgie) anbieten können. Der wissenschaftliche Erfolg des VERTIGO-Projektes wird auch durch die hohe Zahl von eingeladenen Vorträgen von Konsortiumsmitgliedern bei internationalen Konferenzen sowie von Publikationen in einschlägigen Fachzeitschriften widergespiegelt. Letztere beinhaltet u. a. einen eingeladenen Übersichtsartikel in »Laser & Photonics Reviews« sowie zwei Buchkapitel. Auch nach dem Abschluss des EU-Projektes VERTIGO wird das Fraunhofer IAF seine erfolgreiche Arbeit auf dem Gebiet der GaSb-basierten langwelligen Halbleiter-Scheibenlasern fortsetzten. Zwei neue Forschungsprojekte werden bereits bearbeitet, die auf den grundlegenden Entwicklungen von VERTIGO aufbauen. Das Ziel dieser Projekte ist zum einen Halbleiter-Scheibenlaser mit extrem kleiner Linienbreite herzustellen, zum anderen die weitere Leistungsskalierung sowie Modulentwicklung und Systemintegration. 105 Facing the Threat: Stand-off Detection of Explosives Der Bedrohung begegnen: Ferndetektion von Explosivstoffen Nowadays the society is faced with an increasing threat posed by terroristic activities. It is evident that there exists an urgent need for new tools in the extensive work of preventing future terrorist attacks. The use of quantum cascade lasers (QCL) for detection of explosives, chemical warfare agents and toxic industrial chemicals enable a novel approach in the mid-tolong infrared region (~ 3 to 12 μm). Almost all these materials exhibit pronounced chemically specific absorption features in this spectral range. Thus, these chemical species can be detected with laser-based spectroscopy. Using such a laser source, we develop a novel technique for the detection of traces of explosives on surfaces. QCLs fabricated at Fraunhofer IAF serve as an active medium in an external cavity in Littrow configuration. The laser works at room temperature and offers a broad spectral tuning of about 180 cm-1, corresponding to 13 % of the infrared spectral range (Fig. 1). A compact robust laser module has been produced, serving as a key component for the sensing technique. We combine the 8.2 8.0 7.8 Wavelength (µm) 7.6 7.4 laser module with a high-performance infrared imager. While 7.2 7.0 tuning the laser wavelength, the surface of the object under investigation is illuminated. The diffusely backscattered radia- -1 tion is collected with the infrared camera, recording images in Tuning Range: > 175 cm , (13 %) Laser Intensity (a. u.) synchronization with the wavelength-tuning. With this imaging technique we generate a hyperspectral data cube in the wavelength range of the characteristic absorbance of the hazardous material. For identification of the chemical species, a multivariate analysis of the spectral data is performed on each pixel in the infrared image. Within the BMBF-funded project IRLDEX we could demonstrate the 1250 1300 1350 1400 Wavenumber (cm -1) detection of TNT (trinitrotoluene) at concentrations as low as 10 µg/cm2 on real-world surfaces. This corresponds to the remaining traces from a fingerprint. Since infrared radiation 106 1 Emission spectra of the infra- is used, the sensing procedure can be applied without being red laser module. recognized by the human eye. The wavelength of the laser Durchstimmbereich des Infrarot- radiation is close to the wavelength emitted by the human Lasermoduls. body. The intensity levels are harmless and eye-safe. Frank Fuchs Tel. +49 761 5159-354 F r a n k . F u c h s @ i a f. f r a u n h o f e r . d e 2 Die Gesellschaft sieht sich in zunehmendem Maße durch terroristische Bedrohungen herausge- 2 System for stand-off detec- fordert. Es entsteht ein enormer Aufwand bei der Abwehr zukünftiger terroristischer Attacken. tion of explosives comprising Dies erfordert dringend die Schaffung moderner Hilfsmittel. Die Verfügbarkeit von Quantenkas- the tuneable infrared laser kadenlasern (QCLs) zur Detektion von Explosivstoffen, chemischen Kampfstoffen und giftigen source and a high performance Industrieabgasen ermöglicht neue Ansätze der Sensorik im Spektralbereich des mittleren Infra- infrared imager. rot (3 – 12 µm). Praktisch alle diese Gefahrstoffe weisen in diesem Spektralbereich ausgeprägte Messsystem zur Ferndetektion chemisch-spezifische Absorptionsstrukturen auf und können daher mit laserspektroskopischen von Explosivstoffen, bestehend Techniken detektiert werden. aus einem Wellenlängen-durchstimmbaren Infrarot-Lasermodul Eine derartige Laserquelle wird am Fraunhofer IAF genutzt, um eine neuartige Technik zur und einer Hochleistungs-Infra- Detektion von Explosivstoffen auf Oberflächen zu entwickeln. Quantenkaskadenlaser, die am rotkamera. Institut hergestellt werden, dienen als aktives Medium in einem externen Laser-Resonator in Littrow-Konfiguration. Die Laser arbeiten bei Raumtemperatur und ermöglichen ein Abstimmen über 180 cm-1, das entspricht etwa 13 % des infraroten Spektralbereichs (Abb. 1). Ein kom­­paktes, robustes Laser-Modul wurde entwickelt, das eine Schlüsselkomponente für die Sensortechnik darstellt: Wir kombinieren das Laser-Modul mit einer Hochleistungs-Infrarotkamera. Die Oberfläche des getesteten Objektes wird unter Variation der Laserwellenlänge beleuchtet. Das diffus rückgestreute Licht wird mit der Infrarotkamera aufgenommen. Die einzelnen Aufnahmen erfolgen unter Synchronisation mit dem Abstimmen der Laserquelle. Da die Beleuchtung des Objektes mit einer kohärenten Quelle erfolgt, müssen geeignete Techniken zur Unterdrückung von Laser-Speckles eingesetzt werden. Mit dieser abbildenden Technik erzeugen wir einen dreidimensionalen »hyperspektralen« Datenkubus im Wellenlängenbereich der charakteristischen Absorption der Gefahrstoffe. Die Identifikation der chemischen Substanz erfolgt mittels multivariater Analyse auf jedem Pixel des IR-Bildes. Innerhalb des BMBF-geförderten Verbundprojektes IRLDEX konnten wir auf diese Weise auf realen Oberflächen Trinitrotoluen (TNT) bis zu Konzentrationen von 10 µg/cm2 nachweisen. Dies entspricht etwa der Verunreinigung, die ein Fingerabdruck hinterlässt. Da unsichtbare Infrarotstrahlung eingesetzt wird, kann die sensorische Abtastung unbemerkt erfolgen. Die Wellenlängen der verwendeten Laserquelle liegen im gleichen Bereich der natürlichen thermischen Abstrahlung durch den menschlichen Körper. Die verwendeten Intensitäten sind ungefährlich und Augen-sicher. 107 Matrix-Addressable Infrared Filters For The Protection of Highly Sensitive Detectors H a r a l d O b l oh Tel. +49 761 5159-502 H a r a l d . O b l oh @ i a f . f r a u n ho f e r . d e 0.8 In recent years, switchable infrared filters have been developed at Fraunhofer IAF to protect highly sensitive infrared detectors 0.7 from the incidence of intense infrared radiation for example by lasers or light from the sun. So far, the Fraunhofer IAF de- Transmission (%) 0.6 veloped IR filter elements which were realized in the way that 0.5 the entire surface was switched from transparent to opaque, so that the underlying IR sensors were blind folded during 0.4 the switching time of the filter. As in many applications, the 0.3 IR illumination is radiated from locally confined space angles. Filters consisting of many segments that can be switched 0.2 0.1 0.0 individually from »transparent« to »reflective« are more 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 appropriate for optimized applications. Individual switching requires sophistication with respect to physical properties of Wavelength (µm) materials and their geometric dimensions, to achieve fast switching in combination with neglectable crosstalk between 70 neighboring segments. 60 Such fast matrix-addressable infrared filters have been realized Transmission (%) 50 using vanadium dioxide (VO2) as a thermochromic layer, k = 3000 cm -1 40 diamond as a heat-conducting layer, and chalcogenide glass as a heat-insulating layer. This combination may not affect the IR 30 transparency of the filter in the spectral range of 3 to 5 µm. 20 In a first step a 600 nm thin VO2 film is sputtered on a dia- 10 0 mond substrate. In Fig. 1 the transmission of a VO2 film on a 20 30 40 50 60 70 80 90 Temperature (°C) 100 µm thick diamond substrate as a function of wavelength and temperature is shown. The transmission reaches its maximum in the range between 2 µm and 12 µm. How­ever, 1 Transmission of VO2 on a 100 µm thick diamond substrate as a there is a slight decrease of the transmission near 5 µm. This function of wavelength (top) and temperature (bottom). decrease is caused by intrinsic absorption bands and can be VO2-Transmission auf 100 µm dickem Diamantsubstrat als Funktion reduced by choosing the film thickness of diamond thinner der Wellenzahl (oben) und der Temperatur (unten). than 50 µm. 108 Matrix-adressierbare Infrarotfilter für den Schutz hochempfindlicher Detektoren In den vergangenen Jahren wurden am Fraunhofer IAF schaltbare Infrarot-Filter entwickelt, die bei Einfall intensiver IR-Strahlung durch z .B. Laser oder Sonnenlicht, hochempfindliche Detektoren schützen sollen. Bislang waren die am Fraunhofer IAF entwickelten IR-Filterelemente jedoch nur ganzflächig schaltbar realisiert, so dass die dahinter liegenden Detektoren für die Schaltdauer des Filters »erblinden«. Da in vielen Anwendungsfällen die IR-Beleuchtung aus lokal begrenzten Raumwinkeln eingestrahlt wird, liegt es nahe, den Filter aus vielen Segmenten zu realisieren, die jeweils einzeln ansteuerbar und damit lokal von »transparent« zu »reflektierend« umschaltbar sind. Dies stellt hohe Anforderungen an die physikalischen Eigenschaften der verwendeten Materialien und deren geometrische Dimensionen, da die Segmente schnell schalten müssen und kein Übersprechen zu benachbarten Segmenten (»blooming«-Effekt) auftreten darf. Solche schnellen Matrix-adressierbare Infrarot-Filter wurden unter Verwendung von VanadiumDioxid (VO2) als thermochrome Schicht, Diamant als wärmeleitende und Chalcogenid-Glas als wärme-isolierende Schicht realisiert. Diese Schichtkombinationen darf die IR-Transparenz des Filters im spektralen Bereich von 3 – 5 µm nicht beinträchtigen. Für die am Fraunhofer IAF entwickelten Infrarot-Filter wird ein 600 nm dünner VO2-Film zunächst auf einer Diamantschicht aufgesputtert. In Abb. 1 ist das Transmissionsverhalten einer VO2-Schicht auf einem ca. 100 µm dicken Diamantsubstrat als Funktion der Wellenzahl und der Temperatur wiedergegeben. Man sieht, dass die Transmission im Infraroten ihr Maximum erreicht, allerdings gibt es gerade im Bereich um 2000 cm-1 (λ = 5 µm) einen leichten Einbruch der Transmission, der auf die intrinsische Absorption im Diamant zurückzuführen ist. Um diese Absorptionsbanden zu unterdrücken, muss die Diamantschichtdicke dünner als 50 µm gewählt werden. Vanadium-Dioxid (VO2), das bei 68 °C einen Phasenübergang von einem Infrarot-transparenten Halbleiter zu einem opaken Metall durchführt, kann als schneller optischer Schalter eingesetzt werden. Zeitaufgelöste Messungen haben ergeben, dass der Phasenübergang in weniger als einer Pikosekunde erfolgt. Reale Bauelemente haben aufgrund der thermischen Last der Trägermaterialien deutlich längere Schaltzeiten und daher waren umfangreiche Versuchsserien, die von numerischen Simulationsrechnungen unterstützt wurden, notwendig, um die optimalen Materialien und Parameter zu finden. Simulationsrechnungen ergaben, dass Schaltzeiten im Bereich weniger Millisekunden möglich sind, wenn man das Materialsystem VO2 /Diamant auf einen thermischen Isolator aufbaut. 109 M at r i x - A d d r e s s a b l e I n f r a r e d F i lt e r s Fo r T h e P r ot e c t i o n o f H i g h l y S e n s i t i v e D e t e c to r s Vanadium-dioxide (VO2), exhibiting a phase transition from an the 600 nm thin thermochromic vanadium dioxide coatings. IR-transparent semiconductor to an opaque metal at around The high thermal conductivity of diamond enables a uniform 68 °C can be used as a fast optical switch. Time resolved modulation of the transmission of the VO2 layer when using measurements have shown that the phase transition occurs in the side-deposited thin-film resistors. This ensures that the less than a picosecond and therefore fast enough to respond electrical supply lines and resistors cover the filter surface to even very short light pulses. Due to the heat capacitance only slightly. The chalcogenide glass has an almost 104 times of the substrate materials the response times in real IR filters smaller thermal conductivity than diamond and allows fast, are of course much longer. Extensive series of experiments, pixel-accurate filter control even at relatively small electrical supported by numerical simulations, have been performed power (< 1 W). Finally, silicon is used as substrate material in order to optimize the usable materials as well as their for the device, which is transparent in the wavelength range thicknesses. From the numerical calculations it followed, that required. response times in the range of a few milliseconds should be possible if the material system VO2 /diamond is mounted on A 10 x 10 large matrix component has been implemented at a thermal insulator. Various materials have been investigated Fraunhofer IAF. To control the individual pixels an electronic such as thermally insulating porous silicon and chalcogenide circuit was made on the basis of powerful shift register (Fig. 3). glass. Porous Si was found to be unsuitable. Only chalco- The measurements confirm the numerical simulations. As an genide glass can be used for such applications, although a example the activation of a single pixel is shown in Fig. 4. It is lack of thermal stability of this material requires considerable encouraging that the »blooming«, i. e., the crosstalk between concessions to optimize the process sequence and parameters the individual pixels is quite low. of the technology. The first demonstrators, fabricated at Fraunhofer IAF are Fig. 2 shows the basic structure of the filter. 1 x 1 mm² x now in the testing phase. Response time as well as long-term 50 µm large diamond pieces that are glued by means of an stability and behavior are under investigation. Depending on infrared-transparent adhesive (EpoTec) on a thermal insulator, these results the future work will concentrate on optimizing here chalcogenide glass, is used as substrate material for the individual sub-processes. Metalization Diamond Vo 2 2 Schematical drawing of a Chalcogenide Glass matrix-adressable IR filter. Silicon Schema eines Matrix-adressierbaren IR-Filters. 110 3 4 Verschiedene Materialien wurden untersucht wie z. B. thermisch isolierendes poröses Silizium 3 A 10 x 10 matrix-addressable und Chalkogenidglas. Poröses Silizium stellte sich als ungeeignet heraus. Nur Chalkogenidglas IR filter element together with lässt sich für solche Anwendungen verwenden, auch wenn die mangelnde thermische Stabilität the electronic logic circuit. dieses Materials erhebliche Zugeständnisse bei der Optimierung der Prozessabfolge und der Ein 10 x 10 großes Matrix- Technologieparameter erfordert. adressierbares IR-Filterelement mitsamt der Ansteuerungs- Abb. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Filters, als Ergebnis der numerischen Simulations­ platine. Die elektrischen Zu- rechnungen und experimentellen Vorversuche. Als Trägermaterial der 600 nm dünnen leitungen sind noch nicht ge- thermochromen Vanadiumdioxid-Schicht dienen 1 x 1 mm² x 50 µm große Diamantstücke, die bondet. mittels eines Infrarot-transparenten Klebers (EpoTec) auf einem thermischen Isolator, hier Chal- 4 Infrared image of the matrix- kogenidglas, aufgeklebt werden. Die hohe thermische Leitfähigkeit von Diamant erlaubt eine addressable IR filter. One pixel gleichförmige Modulation der Transmission der VO2-Schicht bei Verwendung seitlich aufge- is switched from transparent to dampfter Dünnschicht-Heizwiderstände. So ist gewährleistet, dass die elektrischen Zuleitungen reflective (red square) by heat. und Widerstände die Filterfläche nur unwesentlich abdecken. Das Chalkogenidglas hat eine Infrarot-Bild eines Matrix-adres- fast 10 mal kleinere Wärmeleitfähigkeit als Diamant und erlaubt eine schnelle, Pixel-genaue sierbaren IR-Filters. Ein Pixel des Filtersteuerung schon bei relativ kleinen elektrischen Leistungen (< 1 W). Das Trägermaterial des Filters (rotes Quadrat) wurde Filterelements ist schließlich Silizium, das im geforderten Wellenlängenbereich transparent ist durch Erhitzen von transparent und kostengünstig zur Verfügung steht. auf reflektierend geschaltet. 4 Realisiert wurde am Fraunhofer IAF ein 10 x 10 großes Matrix-Bauelement. Zur Ansteuerung der einzelnen Pixel wurde eine elektronische Schaltung auf der Basis leistungsstarker Schiebe­ register angefertigt (Abb. 3). Die Messergebnisse bestätigen die numerischen Simulationsrechnungen. Als Beispiel ist in Abb. 4 die Ansteuerung eines einzelnen Pixels gezeigt. Erfreulich ist, dass das »blooming«, also das Übersprechen zwischen den einzelnen Pixeln, recht gering ist. Die ersten Demonstratoren der aktiven Infrarotfilter befinden sich derzeit in der Meß- und Erprobungsphase. Hier sollen nicht nur die Ansprechzeiten gemessen, sondern die Filterelemente auch einem Langzeittest unterzogen werden. Nach Auswertung dieser Ergebnisse werden sich die weiteren Arbeiten darauf konzentrieren, die einzelnen Teilprozesse weiter zu optimieren. 111 Superlattice Structures From Diamond Ch r i s toph E . N e b e l Tel. +49 761 5159-291 Ch r i s toph . N e b e l @ i a f . f r a u n ho f e r . d e In semiconductor applications, superlattice architectures play an important role in creating quantum wells. These low dimensional structures can exhibit high carrier mobilities, they can be used to tune the emission properties of light-emitting diodes and lasers, to realize optical gratings for dielectric resonator structures, as well as to confine electrons and holes in well defined volume fractions of hetero-junction devices. Superlattice structures are usually engineered by use of different material compositions, most prominently III/V semiconductor junctions such as AlGaAs/GaAs high-electron mobility transistors. For diamond, superlattices have up to now not been realized as diamond cannot be alloyed with other elements. C Diamond 13 However, isotopic compositions can alter the electronic structure through electron-phonon coupling and through C Diamond 12 the change of volume with isotopic mass. These effects can be applied to realize low-dimensional superlattices also from diamond. The excitonic band gap of diamond as a function of mass decreases from 13C to 12C by 19 meV which is used in our experiments to create a superlattice structure. Atomically controlled periodic arrangements of isotopes can be used to create Bragg mirrors for LED applications to confine electron and holes and also to arrange spatially controlled nuclear spins (13C) in combination with zero nuclear spin 12C atoms which is HPHT Ib (001) required for diamond quantum computing applications. Diamond Substrate 112 1 Schematic of the periodic They are deposited by homoepitaxial growth on single-crystal- layered structure of isotopically line diamond substrates with alternating layers of 12C and 13C enriched diamond films. diamond (Fig. 1) by switching between different supply lines Schematische Darstellung des of isotopically enriched methane gas (either 12CH4 or 13CH4) Schichtaufbaus eines Isotopen- and setting a fixed growth time window. In one case, a film of angereicherten Diamant-Über- 12 gitters. followed by 13 repeating cycles of 13C and 12C diamonds of C diamond approximately 870 nm thick (Fig. 1) was grown, Übergitterstrukturen aus Diamant Übergitterstrukturen oder Quantentöpfe spielen in der Halbleiterphysik und -Technologie eine wichtige Rolle. Die periodische Modulation der Materialzusammensetzung und damit der Energielücke erlaubt die Herstellung von Hochfrequenz-Transistoren, von Photo-Emittern mit Emissionswellenlängen, die durch die geometrischen Eigenschaften der Übergitter definiert sind, sowie die Herstellung von effizienten Reflektoren in Laserdioden. Übergitter werden normalerweise mit Materialien hergestellt, die mischbare Elemente aufweisen, z. B. AlGaAs oder AlGaN. Diamantübergitter waren bisher nicht realisierbar, da Kohlenstoff sich mit keinem anderen Element zu einem kristallinen Mischhalbleiter legieren lässt. Werden Isotope des Kohlenstoffs (12C und 13C) benutzt, so lassen sich Übergitter konstruieren. Aufgrund der Elektron-Phonon-Wechselwirkung und durch die veränderte Masse der Isotope zeigen Schichten aus unterschiedlichen Kohlenstoff-Isotop-Zusammensetzungen unterschiedliche Bandlücken und Exziton-Bindungsenergien. So verändert sich die exzitonische Bandlücke des Diamants aus 13C zu 12C um 19 meV. Dieser Effekt kann zur Realisierung von Übergitterstrukturen benutzt werden. Die periodische Variation der Kohlenstoff-Isotopen erlaubt a) die Formierung von Bragg-Gittern, deren Einsatz in optischen Anwendungen zu finden sein wird, b) die Herstellung von Quanten-Töpfen, die zum energetischen Einschluss von Elektronen und Löchern (Exzitonen) benutzt werden können, und c) die kontrollierte Kombination von Kohlenstoff-Atomen mit Kern-Spin (13C) mit Kohlenstoff-Atomen, die keinen Kernspin aufweisen (12C). Diese Möglichkeit wird von besonderer Bedeutung in Quanten-Computer-Anwendungen sein, in denen verschränkte und langlebige Quantenstrukturen (Qbits) benötigt werden. Dieser Effekt wurde in einer Zusammenarbeit des Fraunhofer IAF mit dem Diamond Research Center (DRC) des AIST/Japan benutzt, um zum ersten Mal Diamant-Übergitter herzustellen. Die Isotopenübergitter wurden mit Hilfe von Plasma-gestützten CVD-Verfahren gewachsen, wobei 13CH4/H2- und 12CH4/H2-Gasgemische verwendet wurden. Die Übergitter wurden mit Hilfe von Kathodolumineszenz (CL)-Messungen charakterisiert. Abb. 1 zeigt den schematischen Schichtaufbau eines Übergitters. Abb. 2 zeigt die dazugehörenden CL-Spektren von Übergittern mit verschiedenen Schichtdicken und Schichtfolgen (A – D). In Abb. 2 A findet sich nur ein Emissionsmaximum bei 5,281 eV, das der Rekombination freier Exzitonen in 12C unter Wechselwirkung mit dem transversal-optischen (TO) Phonon zugeordnet werden kann. In Abb. 2 C und D lassen sich sehr deutlich jeweils zwei Maxima beobachten, nämlich bei 5,280 und 5,297 eV, die der exzitonischen Rekombination in 12C- und 13C-Schichten zugeordnet werden können. Abb. 3 fasst die Ursachen für diese Beobachtungen zusammen. 113 S u p e r l a tt i c e St r u c t u r e s F r om D i a mo n d 12 C Component 13 films 30 nm in thickness. The results of compositional depth C Component profile analysis, based on secondary ion mass spectrometry (SIMS) truly reveals this modulation. The profile shows uniform layers with sharp boundaries. Fig. 2 shows CL spectra taken at 80 K from these samples. Fig. 2 A shows a single peak which is observed at 5.281 eV. This spectrum can be explained as the free-exciton emission CL Intensity (counts/sec) A from the 12C diamond with transverse optical (TO) phonons. No peak was detected for 13C. In contrast, in Fig. 2 C and D this spectrum consists of two components with peaks at 5.280 and 5.297 eV, respectively, with the expected energy B difference of 17 meV. The underlying model is shown as energy diagram of the superlattice in Fig. 3. Here, the band gap energy difference C is fixed at the experimental value of 17 meV, but the relation between conduction band minimum (EC) and valence band maximum (EV) is only speculative. Carriers of the form in the 13 D C layer migrate by carrier diffusion into the lower-energy 12C layers where they finally recombine by light emission. It shows that carrier confinement is possible for diamond by means of potential wells using different isotopic compositions. In con- 5.20 5.25 5.30 5.35 5.40 Photon Energy (eV) 114 ventional abrupt heterojunction structures, carriers recombine at the junction interface, and graded structures are adopted 2 CL Spectra correspond respectively to layered to minimize the recombination. In our structures, relative structures A to D. Also shown are the theoretical high emission efficiencies from the 12C layers are observed, as lines (green, orange, smooth red) used to fit the shown for the 30 nm multi-layers with 25 junction interfaces, experimental data. The observation temperature as well as for the 350 nm multi-layers with only 3 interfaces. was 80 K. This indicates that the recombination at the homo junction CL-Spektren, die aus den Schichten A bis D bei interface is rather low and the junction quality high, and also 80 K beobachtet wurden. Ebenfalls eingezeichnet that the excess carriers in isotopically pure diamond have long sind die theoretischen Kurven (grün, orange, hell- lifetimes and long diffusion lengths (at least > 175 nm). Thus, rot), die zur Diskussion der Messergebnisse in die high-quality superlattice formation has been achieved by the detektierten Kurven (rot) eingerechnet wurden. use of isotopically well-defined diamond layers. Ü b e r g i tt e r s t r u k t u r e n aus Diamant Aufgrund der unterschiedlichen Bandlücken der Kohlenstoff-Isotope des Diamants diffundieren Ladungsträger, die in 13C-Schichten erzeugt werden, in die 12C-Schichten, wo sie unter Emission von Licht rekombinieren können. Diese Experimente belegen zum ersten Mal, dass Übergitter aus Diamant hergestellt werden können, und damit Ladungsträger-Einschluß in gewissen Bereichen der Schicht erreicht werden kann. Es werden überraschend hohe Lichtemissionsintensitäten aus den 12C-Schichten beobachtet. Dies belegt, dass die strahlende Rekombination nicht durch Grenzflächen-Defekte bestimmt wird, sondern durch Eigenschaften der 12C-Schichten. In konventionellen abrupten Heterostrukturen aus z. B. GaAlAs/GaAs rekombinieren die Ladungsträger bevorzugt an den Grenzflächen der Übergitterstrukturen, so dass die Materialvariation nicht abrupt sondern graduell realisiert werden muss. Die Lebensdauer der Ladungsträger ist in den Isotopen-reinen Schichten aus 13C sehr lange, so dass entsprechend große Diffusionswege zurückgelegt werden können (> 175 nm). Diese Ergebnisse bestätigen, dass qualitativ hochwertige Übergitter aus 12C/13C-Schichtkombinationen in Diamant realisiert werden können. Emission EE c C EE v V 1313C C 12 12 C C 1313C C 1212C C 1313C C 3 Energy band diagram. Simplified schematic diagram of arrangements of the confinement of electrons and holes in the periodic layered structures of isotopically enriched diamond films showing the observed excitonic spectra. EC and EV are conduction band-edge and valence band-edge, respectively. Schematische Darstellung der Bandlückenvariation von Isotopen-reinen, periodischen Diamantschichtfolgen. Aufgrund der unterschiedlichen exzitonischen Bandlücken der 12Cund 13C-Schichten akkumulieren die Ladungsträger in den 12C-Schichten, wo sie dann zum Teil strahlend rekombinieren. EC and EV stehen für Leitungsband-Minimum und Valenzband-Maximum. 115 Tunable Optical Lenses From Diamond Oliver Williams Tel. +49 761 5159-263 O l i v e r . W i l l i a m s @ i a f . f r a u n ho f e r . d e Tunable micro-optics are currently manufactured almost exclusively from polymers such as polydimethylsiloxane (PDMS), SU8 or silicon. These materials are, however, limited by their mechanical and tribological properties which make them less than ideal for applications in fast moving micro-electromechanical systems (MEMS) and in harsh environments where optical transparency is required. Micro-lenses which are made of polymer membranes and pneumatically tuned by hydrogels Upwards Downwards Fit Pressure (mbar) 1000 or oils show adverse effects such as swelling of the membrane A and low uniformity of the membrane thickness during expanB C sion, which causes spherical aberration. If gas pressure is used D as an actuator, the permeability of such polymer membranes E 100 make stable positioning problematic. Using thin film diamond will overcome these limits as 10 diamond films are known to show exceptional hardness, wearresistance, chemical stability, and high thermal conductivity in 1 addition to optical transparency from deep UV to far infrared. 0 10 20 30 40 50 60 70 Deflection (µm) However, diamond is a fundamentally rigid material making the deformation of micron thick layers impossible under reasonable loads. 1 Deflection of thin diamond 116 membranes by application of We have overcome this problem by using nanocrystalline air pressure. Curves A to E are diamond (NCD) films grown by microwave-assisted chemical- different diamond compositions. vapor deposition on silicon substrates. We are able to grow The deflection reaches up to films thinner than 50 nm with no pinholes or defects. Silicon 70 µm in height. is then locally removed to generate freestanding NCD Deflektion von Diamant-Mem- mem­branes of typically 1 - 2 mm diameter. We have shown branen durch Einwirkung eines that the shape of NCD membranes can be tuned to lens Gas-Überdrucks auf einer Seite. properties, which allow varying of the focal point from infinity Bis zu 70 µm Auslenkung wer- to 100 mm. These experiments have also been applied to den mit Hilfe eines Weißlichtin- characterize Young‘s moduli as function of the CH4 /H2 gas terferometers gemessen, ohne mixtures during the growth. Ultra thin films of NCD have been dass die Membran beschädigt realized with Young‘s Moduli exceeding 1100 GPa and can wird. sustain over pressures of over 2 bar. Formflexible optische Linsen aus Diamant Formflexible optische Linsen werden heute hauptsächlich aus Polymeren hergestellt, z. B. Polydimethylsiloxane (PDMS), SU8 oder Silikon. Der praktische Einsatz dieser Materialien ist aber aufgrund ihrer mechanischen und tribologischen Eigenschaften begrenzt. Anwendungen in sich schnell bewegenden MEMS oder in aggressiven Medien sind nicht möglich. Mikro-Linsen aus Polymeren zeigen zudem eine Degradation ihrer mechanischen Eigenschaften, da sie Anschwellen und Verformungen unterworfen sind, die sphärische Abberation zur Folge haben. Der Einsatz von Diamantmembranen als einstellbare Linsen kann diese Nachteile mehr als kompensieren. Diamant ist das härteste Material überhaupt, es ist chemisch beständig, vom UV bis IR optisch transparent und zeigt die beste Wärmeleitfähigkeit aller Materialien. Am Fraunhofer IAF können dünne nanokristalline Diamantschichten auf Silizium-Substraten mit optimierten Eigenschaften durch Plasma-CVD-Verfahren abgeschieden werden. Die Schichtdicke kann zwischen 50 und 200 nm variiert werden. Aufgrund einer optimierten Herstellung weisen auch extrem dünne Schichten (50 nm) keine nanoskopischen Löcher und einen Young‘s Modulus von 1100 GPa auf. Das Si-Substrat wird nasschemisch oder mit Hilfe des Bosch-Prozesses entfernt, um Zugang zu der Membran zu erlangen. Die Linsenform wird mit Hilfe von Luft-Überdruck erzeugt, der eine Wölbung der Membran erzwingt. Die mit zunehmendem Druck wachsende Krümmung wird zur Einstellung der Brennweite der Diamantmembran genutzt. 2 Two diamond membranes (A, B, and C, D) grown under slight compressive strain. The A B surfaces of the membranes get wrinkied under applied gas pressure. Zwei Diamantmembranen (A, B und C, D), die unter leicht kompressiver Spannung hergestellt wurden. Die Membranoberflächen werden unter C D Gasdruck faltig. 117 T u n a b l e O pt i c a l L e n s e s 2.0 1400 E = 1099 GPa 1.5 0.3 % CH 4 1200 the applied gas pressure. It can be seen that the membrane 1.0 1000 0.5 0.0 Fig. 1 shows the deflection of a membrane as a function of Tensile Stress Compressive Stress E = 705 GPa 800 20 % CH4 can be distorted by as much as 70 µm without fracturing and Young´s Modulus (GPa) Residual Stress (GPa) F r om D i a mo n d 600 -0.5 0 5 10 15 inset color images are white light interferometry images of the membranes at different deflections. From these membranes, micro-lenses have been fabricated by sealing the backside with a thin glass slide and supporting the circular cavity with liquids through microchannels. Using Wrinkled Membrane -1.0 there is no hysteresis over the applied pressure range. The 20 400 Methane Admixture (%) microscope immersion oil as pressure-transmitting liquid which has a refractive index of n = 1.46 the focal length of such plano-convex lenses can be adjusted over a wide range. It 3 Young‘s moduli and residual stresses as varies from infinity (flat membrane) to 100 mm for lenses of calculated from the bulging experiments of 2.5 mm in diameter. the nano-crystalline diamond membranes. 118 The data are plotted as a function of metha- Perhaps the most surprising thing about these ultra thin NCD ne admixture to the deposition gas mixture films is that they possess the extreme mechanical properties of (H2/CH4) which governs the ratio of diamond diamond at very small grain sizes. This is clearly illustrated in (sp3) to non-diamond (graphite, sp2) phase in Fig. 3. In this figure the Young‘s moduli of films is plotted as the films. With increasing CH4 the sp2 content a function of methane concentration for 140 nm thick NCD increases. diamond films. The Young‘s moduli were calculated from the Aus den Verformungskurven kann der afore-mentioned pressure/deflection data. It can be seen that Young‘s Modulus und der eingebaute Stress the Young‘s modulus decreases as the methane concentration der Membranen bestimmt werden. Das Bild increases. This can be explained by the reduction in grain zeigt die Eigenschaften verschiedener Dia- size at higher methane concentration, which is well known, mantmembranen, die mit unterschiedlichen as well as the increasing defect density. At low methane Methan-Zumischungen hergestellt wurden. concentrations, the mechanical properties of such thin films Damit kann der Diamant-Anteil (sp3) relativ are indistinguishable from single crystal diamond. Such mem- zum Graphit (sp2) in den Schichten variiert branes will be applied in tunable optical systems which need werden. Mit zunehmendem CH4 nimmt der chemical stability, a typical situation which occurs for example sp2-Anteil zu. in micro-surgery applications. Formflexible optische Linsen aus Diamant Abb. 1 zeigt die Verformung von Diamantmembranen als Funktion des angelegten Überdrucks. Die Membran zeigt bis zu 70 µm Amplitude ohne zu zerspringen oder hysterese Effekte aufzuweisen. Die nanokristallinen Schichten zeigen überraschend gute mechanische Eigenschaften. Dies wird anhand der in Abb. 3 dargestellten Daten ersichtlich. Der Young‘s Modulus nimmt zwar mit zunehmendem Graphit in den Schichten ab (= zunehmende Methanzumischung in der Gasphase während der Deposition), jedoch lassen sich bei optimierten Parametern der Abscheidung von nanokristallinen Schichten vergleichbare mechanische Eigenschaften zu einkristallinem Diamant erreichen. Solche Membranen wurden als einstellbare Linsen benutzt, wobei ein transparentes Öl (n = 1,46) als Druckmedium diente. Durch Übertragung des Drucks über Öl konnte der Brennpunkt von »unendlich« auf ca. 100 mm verändert werden. Der Durchmesser dieser Linsen liegt bei 2,5 mm. Solche Linsen werden in der Mikrochirurgie zum Einsatz kommen, wo gleichzeitig hohe Ansprüche an die chemische Beständigkeit, Transparenz und mechanische Belastbarkeit gestellt werden. C 4 Diamond membrane under tensile strain after processing deflected by gas overpressure at one side. From B A to C the pressure is increased up to 2 bar. Diamantmembran, die nach ihrer Prozessierung zugverspannt war, deformiert durch einen einseitigen A Gasdruck. Der Gasdruck nimmt von  A nach B auf 2 bar zu. 119 Implantable Piezo-Generators for Ophthalmic ApplicationsThrough Millimeter-Wave Eyes C l a u s - Ch r i s t i a n R ö h l i g Tel. +49 761 5159-535 C l a u s - Ch r i s t i a n . Ro e h l i g @ i a f . f r a u n ho f e r . d e One of the most important diagnostic parameters in ophthalmology is the IOP (Intra-Ocular Pressure). An increased IOP is considered to be a main symptom for Glaucoma, the leading cause of blindness. The blood supply in the eye decreases which results in an undersupply and long-term degeneration of the rods and cones. So far only an indirect measurement by the ophthalmologist (applanation tonometry) is possible. It is inconvenient, imprecise (variation of the cornea thickness) and monitoring over a longer period needed to detect IOP peaks at night is not possible. In a joint research project between the Technical University Ilmenau and the Fraunhofer IAF, a new minimal invasive implantable micro-electromechanical system (MEMS) for medical applications is developed. It will be able to measure diagnostic parameters in the human body. Concerning that a precise and continuous monitoring of the IOP is only practicable directly in the eye, these systems have to be very small due to the limited space. Moreover, a replacement of a battery is impossible and a power supply and data transmission by wire is impractical. This is the reason for focussing on the development of autonomous wireless systems, which are capable to generate energy. The existing knowledge at the Fraunhofer IAF in constructing micromechanical resonators is essential for the development of the micro-generators, which are able to convert the mechanical movement of the eye in electrical energy for powering the pressure monitoring system. 120 1 Snapshot of an oscillating The principle of the energy conversion is based on the piezo- cantilever (length 100 µm, electric effect. Due to vibrations, piezoelectric materials gene- width 8 µm). rate an electrical voltage. Outstanding applicability for energy Schnappschuss eines schwingen- harvesting in the human body offers highly-textured aluminum den Cantilevers (Länge 100 µm, nitride (AlN). Additionally to its biocompatibility there are Breite 8 µm). rigorous advantages for its use in medical applications. AlN in - Implantierbare Piezogeneratoren für Anwendungen im Auge Einer der wichtigsten diagnostischen Parameter in der Augenheilkunde ist der Augeninnendruck, da ein erhöhter Augeninnendruck als Hauptsymptom für Glaukomerkrankungen (Grüner Star) angesehen wird. Glaukom ist die Hauptursache für Erblindung. Dabei wird die Durchblutung des Auges verringert, wodurch es zur Unterversorgung der Sehzellen und langfristig zu deren Zerstörung kommt. Bisher ist lediglich eine indirekte Messung beim Augenarzt (Applanationstonometrie) möglich, welche unangenehm und ungenau (Variation der Hornhautdicke) ist, sowie keine Überwachung über einen längeren Zeitraum ermöglicht. Dies ist problematisch, da oft nachts ein stark erhöhter Augeninnendruck auftritt. Im Rahmen eines Verbundprojektes der Technischen Universität Ilmenau mit dem Fraunhofer IAF werden neue minimalinvasiv implantierbare mikroelektromechanische Systeme (MEMS) für die Medizintechnik entwickelt, die in der Lage sind, diagnostische Parameter im menschlichen Körper zu erfassen. Da eine exakte und kontinuierliche Messung des Augeninnendrucks nur direkt im Auge möglich ist, müssen diese Systeme aufgrund des limitierten Raumes sehr klein sein. Zudem ist kein Batteriewechsel möglich und eine Energieversorgung sowie Datenübertragung über Kabel ist nicht praktikabel. Deshalb liegt ein besonderes Augenmerk auf der Entwicklung energieautarker drahtloser Systeme, die in der Lage sind, selbst elektrische Energie zu erzeugen. Dabei wird das vorhandene Wissen am Fraunhofer IAF über mikromechanische Resonatorstrukturen für die Entwicklung von Mikrogeneratoren genutzt, die in der Lage sind, die mechanische Bewegung des Auges in elektrische Energie zum Betrieb des Drucksensors umzusetzen. Die Umwandlung der Energie erfolgt piezoelektrisch. Durch Vibrationen können piezoelektrische Materialien eine Spannung erzeugen. Besonders geeignet für die Energiegewinnung im menschlichen Körper ist hochtexturiertes Aluminiumnitrid (AlN). Dieses Material verfügt neben seiner Biokompatibilität über entscheidende Vorteile beim anspruchsvollen Einsatz in der Medizin. Es besitzt nach dem in Elektrolyten instabilen Zinkoxid (ZnO) die höchsten piezoelektrischen Konstanten (d33 = 5,5 pm/V) aller für Dünnschichttechnologien geeigneten Halbleitermaterialien. AlN-Schichten sind auch in wässrigen Lösungen und Gelen stabil in ihren mechanischen und elektrischen Eigenschaften. Die auf diesem Material basierenden Generatoren zur Energiegewinnung sind in verschiedenen Mikrostrukturen denkbar. Zur Verfügung stehen hierbei Cantilever, Membranen und Piezostapel. Piezostapel sind insbesondere für hohe Kräfte und Membranen für Druckänderungen 121 Imp l a n t a b l e P i e z o - G e n e r a to r s f o r O phth a l m i c App l i c a t i o n s T h r o u g h M i l l i m e t e r - W a v e E y e s hexagonal structure offers the highest piezoelectric constants (d33 = 5.5 pm/V) of all compound semiconductors besides zinc oxide (ZnO) which is unstable in electrolytes. AlN layers keep their mechanical and electrical properties in aqueous solutions and gels. AlN/metal/Si heterostructure. AlN/Metall/Si-Heterostruktur. For the energy harvesting several microstructures are applicable: Cantilevers, membranes or piezo-stacks. The latter are practical for high forces and membranes are employed for using pressure changes. Cantilevers have the capability to convert low forces in elastic media (tissue, viscous fluids in the human body) into electrical energy. Therefore cantilevers are particularly suitable for implantable sensors in the eye. Heterostructure with patterned top electrode. Fig. 1 shows such a vibrating cantilever, externally excited and Heterostruktur mit prozessierter Top-Elektrode. measured by vibrometry. The cantilevers are fabricated from sputtered AlN-layers. Due to the strong chemical stability dry etching techniques such as inductive coupled plasma (ICP) or plasma reactive ion etching (RIE) have been used to perform the patterning and undercutting. A freestanding cantilever is shown in Fig. 2. Structure after anisotropic dry etching. Struktur nach anisotroper trockenchemischer Ätzung. It is feasible to generate power of several tens of nW with these cantilevers to load a storage capacitor within a few minutes. Because of an energy consumption of the total system in the µW-region, a parallel connection of several cantilevers is possible to increase the power output. The piezo-generator with its two electrodes is schematically shown in Fig. 3. Free-standing AlN cantilever with bottom and Within the joint research project, the generated power is used top contact. by further components of the implant, which are developed by Freistehender AlN-Balken mit oberem und the Technical University Ilmenau: the pressure sensor to mea- rückseitigem Kontakt. sure the IOP, the storage unit for the measured data and the wireless data transmission to an external unit. The developed piezo-generator can be used for further applications with a long-term, battery-free power supply for remote low power electronics, for example in further implants. 122 2 geeignet. Demgegenüber verfügen die Cantilever über das Potenzial, kleine Kräfte in 2 SEM image of a released einem nachgiebigen Medium (Gewebe, viskose Flüssigkeiten im menschlichen Körper) zur AlN cantilever (length 100 µm, Energiewandlung zu nutzen und sind deshalb besonders für implantierbare Sensoren im Auge width 8 µm). geeignet. Abb. 1 zeigt eine Vibrometermessung eines solchen extern angeregten schwingen- REM-Bild eines freigestellten den Cantilevers. AlN-Mikrobalkens (Länge 100 µm, Breite 8 µm). Die Cantilever werden aus gesputterten AlN-Dünnschichten aufgebaut. Aufgrund der hohen chemischen Stabilität erfolgt ihre Freistellung in Trockenätzprozessen wie ICP-RIE (inductive coupled plasma reactive ion etching). Eine Elektronenmikroskopaufnahme eines freigestellten Cantilevers ist in Abb. 2 zu sehen. Durch diese Cantileverstrukturen wird eine elektrische Leistung von einigen 10 nW generiert, womit eine Speicherkapazität in wenigen Minuten aufgeladen wird. Da die Leistungsaufnahme des Gesamtsystems im µW-Bereich liegt, kann durch Parallelschaltung mehrerer Elemente die Ausgangsleistung um ein Vielfaches erhöht werden. Die Piezospannung wird über zwei Elektroden abgegriffen, wie in der schematischen Darstellung des Cantileveraufbaus in Abb. 3 zu sehen ist. In Rahmen des Verbundprojektes wird die gelieferte Energie von den weiteren Komponenten des Implantats benötigt, die an der technischen Universität Ilmenau entwickelt werden: die Messung des Augeninnendrucks mit einem Drucksensor, die Speicherung der Messdaten und deren Übertragung an ein externes Auswertesystem. Der Piezogenerator hat jedoch das Potenzial für weiterreichende Anwendungen, wo an schwer zugänglichen Stellen eine langlebige Elektronik batteriefrei mit niedriger Leistung versorgt werden muss, darunter auch in weiteren Implantaten. V 3 Schematic structure of the Oscillating piezo-generator. AlN cantilever Cantilever with top- and bottom-electrode. Schematischer Aufbau des Piezogenerators. AlN-Cantilever mit oberer und unterer Elektrode. 123 business units Geschäftsfelder 124 126 Millimeter-Wave Circuits 132 GaN RF Power Electronics 138 Infrared Detectors 144 S e m i c o n d u c t o r L a s e r s a n d LED s 150 M i l l i m e t e r w e l l e n - Sc h a l t u n g e n GaN-HF-Leistungselektronik I n f r a r o t- d e t e k t o r e n H a l b l e i t e r l a s e r u n d LED s Micro- and nano-Sensors Mikro- und nanosensoren 125 Millimeter-Wave Circuits MillimeterwellenSchaltungen 126 fast data communication Schnelle Datenübertragung security portals Sicherheitsportale Terahertz Radar Terahertz-Radar M i c h a e l S c h l e c h t weg T e l . + 4 9 7 6 1 5 1 5 9 - 534 M i c h a e l . S c h l e c h t [email protected] Ar n u l f L eu t h e r T e l . + 4 9 7 6 1 5 1 5 9 - 329 Ar n u l f.Le u t h e r @ i af.fraunhofer.de 127 Business unit Millimeter-Wave Circuits The business unit »Millimeter-Wave Circuits« is engaged in As a leading institution in Europe we possess the complete research and development of microwave and millimeter-wave MMIC technology chain. The MMICs are processed in multi- monolithic integrated circuits (MMICs) based on III-V com- project wafer runs. Our strength lies in the flexible and fast pound semiconductors. realization of components according to specifications of our MMICs are key components in wireless communication port them with design, simulation, small volume production, systems (radio link systems, mobile communication systems, and characterization of millimeter-wave circuits as well as with satellite transmission), sensor systems (collision avoidance the packaging of MMICs into modules. partners and customers from research and industry. We sup- radar, atmospheric sensors, non-destructive materials testing), radio astronomic sensors (cryogenic ultra-low-noise amplifiers), The manufactured millimeter-wave circuits and modules and in military engineering (high-resolution radar, passive are used by our partners and customers to realize a high- imaging of the environment). The usable frequencies for long- resolution helicopter landing radar, a high-resolution radar for distance high-resolution millimeter-wave systems are around unmanned aerial vehicles, a high-sensitivity receiver for safety 94, 140, 220, 340, and 670 GHz where the electromagnetic and security applications, a modern magnetic resonance ima- wave transmission spectrum of the atmosphere shows ging system, a communication system at highest data rates. local maxima. The high operating frequency enables high geometrical resolution due to high absolute bandwidth and We possess an outstanding expertise in development of small wavelength. It also reduces the size of components low-noise high-gain amplifiers up to frequencies of 500 GHz. and antennas, making them especially suitable for airborne Furthermore, we develop a variety of high-performance systems. In comparison to visible and infrared radiation, a millimeter-wave ICs, such as medium and high power particular benefit of millimeter waves for imaging and sensing amplifiers, mixers, oscillators, switches, frequency dividers, applications is their penetration of fog, rain, and dust. frequency multipliers, transmitters, receivers, transceivers as well as complete radar circuits. For military and commercial applications in the frequency range between 400 MHz and 500 GHz, we are developing Due to its high strategic importance, a major part of our re- a broad variety of millimeter-wave monolithic integrated search in this business unit is financed by the German federal circuits and modules. These circuits are realized using an ministry of defense. In the frame of large-scale cooperative advanced cost-effective metamorphic high electron mobility projects or bilateral projects, we also collaborate with a transistor (mHEMT) technology in the InAlAs/InGaAs material number of national and international industrial companies and system on 4“ GaAs substrates. To achieve very high operation research institutions such as Fraunhofer FHR, ESG, ESA, RPG, frequencies of MMICs, the transit frequency of transistors is EADS, Alenia Spazio, Sony, MPIfR, DLR, CAY, as well as the enhanced to over 500 GHz by increasing the indium content Universities of Freiburg, Karlsruhe, and Chalmers. in the transistor channel up to 80 % and reducing the gate length to 35 nm. 128 1 1 Packaged four-channel Das Geschäftsfeld »Millimeterwellen-Schaltungen« beschäftigt sich mit der Erforschung und W-band receiver module. Entwicklung von monolithisch integrierten Mikrowellen- und Millimeterwellen-Schaltungen W-Band-Vierkanal- (MMICs), die auf III-V-Verbindungshalbleitern basieren. MMICs sind Schlüsselkomponenten in Empfängermodul. Systemen der drahtlosen Kommunikationstechnik (Richtfunk, Mobilfunk, Satellitenfunk), der Sensorik (Abstandswarnradar, Atmosphärensensorik, zerstörungsfreie Materialprüfung), der Radioastronomie (kryogene, rauscharme Verstärker) und der Wehrtechnik (hochauflösende Radarsysteme, passive Abbildung der Umwelt). Eine hohe Betriebsfrequenz ermöglicht eine hohe geometrische Auflösung aufgrund der hohen absoluten Bandbreite und der kleinen Wellenlänge. Für Anwendungen in der Bildgebung und Sensorik ist es besonders vorteilhaft, dass Millimeterwellen im Vergleich zum sichtbaren Licht und Infrarotstrahlung Nebel, Regen und Staub durchdringen. Für militärische und zivile Anwendungen im Frequenzbereich zwischen 400 MHz und 500 GHz entwickeln wir eine breite Palette von monolithisch integrierten Schaltungen. Diese werden mittels fortschrittlicher, kosteneffektiver metamorpher HEMT-Technologie im Materialsystem InAlAs/InGaAs auf 4“-GaAs-Substraten realisiert. Als führende Institution in Europa verfügen wir über eine komplette MMIC-Technologiekette. Die ICs werden in Multiprojekt-Prozessläufen hergestellt. Unsere Stärke liegt in flexibler und schneller Realisierung der Komponenten nach Spezifikationen unserer Partner und Kunden aus Forschung und Industrie. Wir unterstützen sie mit Design, Simulation und Kleinserienfertigung sowie mit Einbau der MMICs in Module. Die hergestellten Schaltungen werden von unseren Partnern eingesetzt in hochauflösenden Hubschrauber-Landeradarsystemen und Radarsystemen für unbemannte Luftfahrzeuge, hochempfindlichen Empfängern für Sicherheitsanwendungen, fortschrittlichen MagnetresonanzTomographiesystemen sowie in Kommunikationssystemen für höchste Datenraten. Wir verfügen über herausragende Kompetenz in der Entwicklung von rauscharmen Verstärkern mit hoher Verstärkung bis zu Frequenzen von 500 GHz. Ferner entwickeln wir eine Vielzahl von MMICs hoher Leistungsfähigkeit wie Verstärker für mittlere und hohe Leistung, Mischer, Oszillatoren, Schalter, Frequenzteiler, Frequenzvervielfacher, Sender, Empfänger, Transceiver sowie komplette Radarschaltkreise. Aufgrund der hohen strategischen Bedeutung wird ein wesentlicher Teil unserer Forschung in diesem Geschäftsfeld vom Bundesministerium der Verteidigung finanziert. Im Rahmen von Verbund- oder Bilateralprojekten kooperieren wir mit Firmen und Forschungsinstitutionen im In- und Ausland, wie Fraunhofer FHR, ESG, ESA, RPG, EADS, Alenia Spazio, Sony, MPIfR, DLR, CAY, sowie den Universitäten Freiburg, Karlsruhe und Chalmers. 129 Business unit Millimeter-Wave Circuits Facts and figures Millimeter-Wave Circuits 2007 2008 2009 Anteil am Ertrag 21.1 % 24.0 % 21.4 % Investment Investitionen 816 T€ 133 T€ 468 T€ Staff Mitarbeiter/innen 28 32 36 0 6 7 M i l l i m e t e r w e l l e n - Sc h a l t u n g e n Share of Funding incl. PhD and Diploma Students davon Doktoranden und Diplomanden Projects Projekte 22 21 25 Publications Publikationen 15 26 29 Oral Presentations Vorträge und Seminare 21 20 16 2 2 2 Patents 130 Patente 2 3 Key Publications 2 94 GHz FMCW radar module Metamorphic HEMT MMICs and modules for use in a high-bandwidth 210 GHz radar with separated transmit and A. Tessmann, I. Kallfass, A. Leuther, H. Massler, M. Kuri, M. Riessle, M. Zink, R. Sommer, receive antenna. A. Wahlen, H. Essen, V. Hurm, M. Schlechtweg, O. Ambacher 94-GHz-FMCW-Radarmodul IEEE J. Solid-State Circuits 43 (2008) 2194 mit getrennter Sende- und Empfangsantenne. A 300 GHz mHEMT amplifier module 3 W-band 4:1 switch module. A. Tessmann, A. Leuther, V. Hurm, H. Massler, M. Zink, M. Kuri, M. Riessle, R. Lösch, W-Band-4:1-Schaltermodul. M. Schlechtweg, O. Ambacher In: 2009 International Conference on Indium Phosphide and Related Materials, 2009, 196 A 200 GHz active heterodyne receiver MMIC with low sub-harmonic LO power requirements for imaging frontends I. Kallfass, A. Tessmann, H. Massler, A. Leuther, M. Schlechtweg, O. Ambacher In: Proceedings of the 4th European Microwave Integrated Circuits Conference, London: Horizon House, 2009, 45 Active millimeter-wave imaging using raster scanner A. Hülsmann, A. Liebelt, A. Tessmann, A. Leuther, M. Schlechtweg, O. Ambacher In: Radar Sensor Technology XIII, Bellingham, WA: SPIE, 2009, 730808-1 (SPIE-Proceedings 7308) Metamorphic HEMT technology for low-noise applications A. Leuther, A. Tessmann, I. Kallfass, R. Lösch, M. Seelmann-Eggebert, N. Wadefalk, F. Schäfer, J. D. Gallego Puyol, M. Schlechtweg, M. Mikulla, O. Ambacher In: 2009 International Conference on Indium Phosphide and Related Materials, 2009, 188 131 GaN RF Power Electronics GaN-HF-Leistungselektronik 132 radar Systems Radartechnik mobile communication Mobilfunk High frequency power supplies Hochfrequenzgeneratoren Michael Mikulla T e l . + 4 9 7 6 1 5 1 5 9 - 267 M i c h a e l . M i k u l l a @ iaf.fraunhofer.de R üd i g e r Q u ay T e l . + 4 9 7 6 1 5 1 5 9 - 843 R ue d i g e r . Q u ay @ i a f.fraunhofer.de 133 Business unit GaN RF Power Electronics For commercial and military applications we develop high A new development has been started at Fraunhofer IAF aiming power transistors and monolithic integrated circuits (MMICs) for high-voltage switch-transistors for power converters which which are based on advanced HEMT technology and the wide can be used in hybrid cars, photo-voltaic applications or wind band gap material Gallium Nitride (GaN). These devices and energy plants. These transistors will have very large gate- circuits combine highest efficiencies, power densities, robust- contacts of more than 100 mm gate-width and a breakdown ness, linearity, and bandwidths in the frequency range from voltage near 1000 V. First results based on our standard several MHz to 100 GHz. In 2009 the business unit »GaN RF technology already show very high breakdown voltages Power Electronics« showed a strong development regarding near 1000 V on small devices as well as low buffer leakage technical results as well as an increase of external revenues currents. A promising industrial cooperation with Infineon in by 10 %. Delivery of MMICs in micro-strip technology to our Villach, Austria, has been established and this cooperation will partner EADS is now done in a foundry mode with excellent continue in 2010. uniformity and high yield on 3“ SiC-substrates. These MMICs comprise X-band amplifiers for radar applications as well as A new planetary AIXTRON 2800 G4 HT metal-organic chemi- broadband amplifiers and power transistors for applications cal vapor deposition (MOCVD) reactor with a loading capacity in the frequency regime between 2 GHz and 18 GHz. High of 11 x 4“ wafers for the growth of group III-nitrides was or- power transistors developed for NXP show record efficiencies dered in October 2009 and will be installed at Fraunhofer IAF under WCDMA operation clearly outperforming Si-LDMOS mid of 2010. This multi-wafer reactor is a modern production transistors of the latest technology generation. This project MOCVD system which is designed for high throughput with could be successfully completed with a first process freeze of superior layer quality and excellent uniformity. The system was the so-called GH50 technology (gate length 0.5 µm) at our funded by the German federal ministry of defence (BMVg) partner UMS in Ulm. and is dedicated for the growth of AlGaN/GaN layer structures on s.i. SiC substrates for the development of high power In the next three years the successful cooperation with NXP amplifiers (HPAs) and monolithic integrated circuits. and UMS will be continued. Target of the new project will be the improvement of the GH50 technology at UMS aiming for In order to establish an independent European supply chain a second generation of this technology which is expected to for GaN technology covering all technology steps from the be freezed at mid of 2011. At Fraunhofer IAF the main effort production of large diameter semi-isolating SiC substrates will be spent on the development of a completely new tech- over the epitaxial growth of transistor structures up to the nology for digital amplifiers which will consist of a two-stage processing of high-power transistors and MMICS the MoDs amplifier with reduced gate length, isolated gate contacts, of the United Kingdom, France, Italy, Sweden, and Germany and individual source vias. This very ambitious approach is agreed to set up a large development project called Manga expected to lead to a large increase in the energy efficiency of (manufacturable GaN). In this project the validation of the sup- base stations for mobile communications and will be available ply chain with substrates, processes, and devices coming from by mid of 2012. European partners will be benchmarked against US suppliers and Fraunhofer IAF has taken over the lead of this project. 134 1 2 1 Planetary 11 x 4“ Für zivile und militärische Anwendungen entwickeln wir, unter Verwendung einer modernen AIXTRON MOCVD reactor. HEMT-Technologie, Hochleistungs-Transistoren und monolithisch integrierte Schaltungen auf 11 x 4“-MOCVD-Planeten- der Basis des Verbindungshalbleiters GaN. Diese Bauelemente und Schaltungen zeichnen sich reaktor der Firma AIXTRON. durch höchste Effizienzen, Leistungsdichten und Bandbreiten aus. Das Geschäftsfeld »GaN-HF- 2 Processed wafers of Leistungselektronik« zeigte auch im Jahr 2009 eine positive Entwicklung sowohl hinsichtlich 2“ – 4“ diameter with technischer Ergebnisse als auch externer Erträge, die um 10 % gesteigert werden konnten. GaN-based transistors and Bemerkenswerte Fortschritte konnten auf den Gebieten der MMICs und der Transistoren MMICs. erzielt werden. Lieferungen an unseren Partner EADS erfolgen mit hoher Ausbeute und GaN-basierende Transis­ Reproduzierbarkeit auf 3“-SiC-Substraten in Mikrostreifen-Technologie und beinhalten X-Band- toren und MMICs auf SiC- Verstärker für Radaranwendungen, Breitbandverstärker sowie diskrete Leistungstransistoren für Substraten mit 2“ bis 4“ Anwendungen im Frequenzbereich zwischen 2 GHz und 18 GHz. Durchmesser. Hochleistungs-Transistoren für unseren Partner NXP zeigen im Vergleich zu Si-LDMOSTransistoren Rekordeffizienzen im WCDMA-Betrieb für den Mobilfunk. Dieses Projekt konnte mit dem Fixieren einer ersten Generation GH50 (Gatelänge beträgt 0,5 µm) bei der Firma UMS erfolgreich abgeschlossen werden. In einem nächsten Projekt wird es um die Entwicklung einer zweiten Generation dieser Technologie gehen. Die Arbeiten am Fraunhofer IAF werden sich darin auf die Entwicklung von zweistufigen Verstärkerschaltungen mit reduzierter Gate-Länge für Digital-Verstärker konzentrieren. Als neue Thematik wurde die Entwicklung von Schalttransistoren für den Einsatz in Hybridfahrzeugen, der Photovoltaik und in Windenergieanlagen begonnen. Diese zeichnen sich durch Gate-Weiten von mehr als 100 mm sowie Betriebsspannungen von bis zu 1000 V aus. Eine vielversprechende Kooperation mit der Firma Infineon in Villach, Österreich, wurde hierfür begonnen. Ein neuer MOCVD-Reaktor der Firma AIXTRON konnte aus Mitteln des BMVg bestellt werden, um den zunehmenden Bedarf an epitaxierten und großformatigen Wafern mit GaN-TransistorStrukturen bei unseren Partnern erfüllen zu können. Er hat eine Kapazität von 11 x 4“-Substraten und wird Mitte 2010 in Betrieb gehen. Um eine unabhängige europäische Lieferkette, die von der Produktion von großformatigen SiC-Substraten über die Prozess-Technologie bis hin zu Leistungstransistoren und MMICs reicht, zu etablieren, wurde von den Verteidigungsministerien Großbritanniens, Frankreichs, Italiens, Schwedens und Deutschlands ein Entwicklungsprojekt unter dem Namen Manga (manufacturable GaN) gestartet. Hierin wird, unter Leitung des Fraunhofer IAF, die Lieferkette mit Substraten, Prozessen und Bauelementen von europäischen Partnern bewertet und mit Ergebnissen von Bauelementen der etablierten US-Lieferanten verglichen. 135 Business unit GaN RF Power Electronics Facts and figures GaN RF Power Electronics GaN-HF-Leistungselektronik Share of Funding Anteil am Ertrag Investment Investitionen Staff Mitarbeiter/innen 2007 2008 2009 30.0 % 26.0 % 28.2 % 1055 T€ 1702 T€ 2905 T€ 35 39 40 3 5 7 13 16 18 5 12 25 12 21 18 0 0 2 incl. PhD and Diploma Students davon Doktoranden und Diplomanden Projects Projekte Publications Publikationen Oral Presentations Vorträge und Seminare Patents 136 Patente 3 Key Publications 3 Close-up of a processed Gallium Nitride Electronics GaN on SiC-substrate wafer. R. Quay Nahaufnahme eines pro- Springer, Berlin, 2008; (Springer Series in Materials Science, 96) zessierten Wafers auf SiCSubstrat. High-efficiency GaN HEMTs on 3-inch semi-insulating SiC substrates P. Waltereit, W. Bronner, R. Quay, M. Dammann, S. Müller, R. Kiefer, B. Raynor, M. Mikulla, G. Weimann phys. stat. sol. (a) 205 (2008) 1078 Impact of GaN cap thickness on optical, electrical, and device properties in AlGaN/GaN high electron mobility transistor structures P. Waltereit, S. Müller, K. Bellmann, C. Buchheim, R. Goldhahn, K. Köhler, L. Kirste, M. Baeumler, M. Dammann, W. Bronner, R. Quay, O. Ambacher J. Appl. Phys. 106 (2009) 023535 Growth and electrical properties of AlxGa1-xN/GaN heterostructures with different Al-content K. Köhler, S. Müller, P. Waltereit, L. Kirste, H. P. Menner, W. Bronner, R. Quay phys. stat. sol. (a) 206 (2009) 2652 137 Infrared Detectors Infrarot-detektoren 138 Surveillance and reconnaissance Überwachung und Aufklärung Thermal Imaging Wärmebildtechnik Quality control Qualitätskontrolle Environmental monitoring Umweltüberwachung M a r t i n Wa lt h e r T e l . + 4 9 7 6 1 5 1 5 9 - 434 M a r t i n . Wa lt h e r @ i af.fraunhofer.de R o b e r t R eh m T e l . + 4 9 7 6 1 5 1 5 9 - 353 R o b e r t.R ehm @ i a f. f raunhofer.de 139 Business unit Infrared Detectors Infrared detectors measure for human eyes non visible radi- Identifying the spectral distribution of IR radiation besides ation in the infrared spectral range and visualize this thermal knowing the intensity provides more detailed information, radiation on a screen. Thermal imagers can therefore also comparable with the transition from black-and-white to color »see« in the night, due to the thermal emission of objects in photography. The development of high-resolution thermal the IR spectral range. imaging systems for coincident detection of two spectral bands is an important and unique feature of the business unit. The business unit »Infrared Detectors« deals with research, development and applications of high performance infrared The work is mainly oriented on the accomplishment of photodetectors, realized with compound semiconductors. projects for the German federal ministry of defense in Applications for those IR detectors last from military reconnais- cooperation with industrial partners. For a fast introduction sance over industrial production control to environmental and of technological complex products into the market, we also medical technologies. support the transfer from research prototypes to small scale production. The performance of thermal imaging systems is mostly determined by the properties of the detector chip. The detector The field of activity ranges from materials development and chip itself is the key component particularly with regard to the analysis to manufacturing of detector chips in an industrial enhancement of spatial, thermal, and spectral resolution. compatible process technology. Furthermore, the business unit also covers electro-optical characterization of infrared The market for infrared imaging systems with very high per- detectors as well as technical consulting for the German MOD. formance requirements is traditionally dominated by military. Infrared sensors are used for various applications in the area Emphasis of our technological work is laid on InAs/GaSb of reconnaissance, protection as well as target recognition. superlattices, utilizing quantum effects for the detection of Markets in public security, industrial process control as well as infrared radiation as well as on epitaxial growth technology for environmental and medical technologies benefit strongly from dual-band CdHgTe detectors. the military driven research and technology improvements and are increasingly developed by the defense industry for dual use Important partners besides the defense industry are suppliers applications. for aerospace as well as small and medium sized companies for IR measurement technologies. Main focus of research at Fraunhofer IAF are so-called third generation IR detectors with very high spatial resolution (megapixel IR detectors) and the ability for simultaneous measurement of IR radiation in different spectral ranges. 140 1 1 Infrared image of a Infrarot-Detektoren weisen die für das menschliche Auge nicht sichtbare Strahlung im infra- pyramidic shape roof roten (IR-) Spektralbereich nach und visualisieren diese Wärmestrahlung auf einem Bildschirm. window. Wärmebildgeräte können daher auch in der Dunkelheit »sehen«, da alle Körper eine thermi- Infrarot-Aufnahme eines sche Eigenstrahlung aussenden, die im IR-Bereich liegt. Dachfensters mit der Geometrie einer Pyramide. Das Geschäftsfeld »Infrarot-Detektoren« befasst sich mit der Erforschung, Entwicklung und Anwendung von leistungsfähigen Infrarot-Photodetektoren, die mit Verbindungshalbleitern realisiert werden. Die Anwendungsfelder für diese IR-Detektoren reichen von der militärischen Aufklärung, der Qualitätskontrolle in der industriellen Produktion bis hin zur Umwelt- und Medizintechnik. Die Leistungsfähigkeit von Wärmebildkameras ist wesentlich durch die Eigenschaften des verwendeten Detektorchips bestimmt. Der Detektorchip selbst stellt dabei die Schlüsselkomponente dar, die im Hinblick auf eine Steigerung der räumlichen, thermischen und spektralen Auflösung optimiert wird. Infrarot-Sensoren finden mannigfaltige Anwendungen in den Bereichen Aufklärung und Schutz sowie bei der intelligenten Zielannäherung. Märkte im Bereich der zivilen Sicherheitsforschung, der industriellen Prozesskontrolle sowie in der Umwelt- und Medizintechnik ergänzen den traditionell militärisch geprägten Markt. Schwerpunkt der Forschungsarbeiten am Fraunhofer IAF sind IR-Detektoren der sogenannten dritten Generation mit sehr hoher räumlicher Auflösung oder der Fähigkeit, IR-Strahlung in unter­schiedlichen Wellenlängenbereichen gleichzeitig zu detektieren. Kennt man neben der Intensität der IR-Strahlung auch deren spektrale Verteilung, erhält man eine Fülle weiterer Informationen, vergleichbar mit dem Übergang von Schwarzweiß- zu Farbbildern. Die Entwicklung von hochauflösenden Wärmebildkameras, die mit einem Detektor gleichzeitig in zwei Wellenlängenbereichen IR-Strahlung detektieren, ist ein wichtiges Alleinstellungsmerkmal des Geschäftsfeldes. Im Fokus der Arbeiten stehen Auftragsentwicklungen für das BMVg in Zusammenarbeit mit der wehrtechnischen Industrie. Für eine rasche Markteinführung der technologisch sehr aufwändigen Produkte wird der Übergang vom Prototyp zum Serienprodukt durch die Fertigung kleiner Serien unterstützt. Die technologischen Arbeiten reichen von der Materialentwicklung und Materialanalyse bis zur Fertigung von Detektorchips in einer industrietauglichen Prozesstechnologie. Schwerpunkt sind InAs/GaSb-Übergitter, bei denen Quanteneffekte gezielt für die Detektion von Infrarotstrahlung ausgenutzt werden sowie die Entwicklung von Epitaxieverfahren für Dual-Band-CdHgTe-Detektoren. Wichtige Kooperationspartner sind auch die Raumfahrtindustrie sowie kleine und mittelständige Firmen für IR-Messtechnik. 141 Business unit Infrared Detectors Facts and figures Infrared Detectors 2007 2008 2009 Anteil am Ertrag 10.7 % 11.0 % 9.6 % Investment Investitionen 594 T€ 724 T€ 196 T€ Staff Mitarbeiter/innen 17 19 21 I n f r a r o t- d e t e k t o r e n Share of Funding incl. PhD and Diploma Students davon Doktoranden und Diplomanden 0 1 1 Projects Projekte 8 8 6 Publications Publikationen 10 8 8 Oral Presentations Vorträge und Seminare 7 6 11 Patente 0 1 1 Patents 142 Geschäftsfeld I n f r a r o t- d e t e k t o r e n 2 2 Infrared image of Ina Aidam holding two different flashlights. The Key Publications right flashlight is equipped with a conventional light bulb, the left one with Growth of InAs/GaSb short-period superlattices for high resolution mid-wavelength infrared efficient white LEDs. focal plane array detectors Infrarotbild von Ina Aidam M. Walther, J. Schmitz, R. Rehm, S. Kopta, F. Fuchs, J. Fleissner, W. Cabanski, J. Ziegler mit zwei Taschenlampen in J. Cryst. Growth 278 (2005), 156 den Händen. Die rechte Lampe ist mit einer konven- Two-photon photocurrent spectroscopy of electron intersubband relaxation and dephasing in tionellen Glühbirne, die lin- quantum wells ke mit modernen weißen H. Schneider, T. Maier, M. Walther, H. C. Liu LEDs ausgestattet. Appl. Phys. Lett. 91 (2007), 191116 InAs/GaSb superlattice focal plane array infrared detectors: manufacturing aspects F. Rutz, R. Rehm, J. Schmitz, J. Fleissner, M. Walther, R. Scheibner, J. Ziegler Proc. SPIE Vol. 7298 (2009), 72981R-1 InAs/GaSb superlattices for advanced infrared focal plane arrays R. Rehm, M. Walther, J. Schmitz, F. Rutz, J. Fleissner, R. Scheibner, J. Ziegler Infrared Physics Technology 52 (2009), 344 143 Semiconductor Lasers and LEDs Halbleiterlaser und LEDs 144 detection of dangerous substances Gefahrstoff-detektion analysis and therapy analyse und therapie lighting beleuchtung J o a c h i m Wa g n e r T e l . + 4 9 7 6 1 5 1 5 9 - 352 J o a c h i m . Wa g n e r @iaf.fraunhofer.de M ar c e l R att u n d e T e l . + 4 9 7 6 1 5 1 5 9 - 643 M ar c e l .R att u n d e @iaf.fraunhofer.de 145 Business unit S e m i c o n d u c t o r L a s e r s a n d L ED s Semiconductor lasers and light emitting diodes (LEDs) are GaInAs/AlInAs/InP materials combination, this wide spectral nowadays indispensible optoelectronic devices, having an range can be covered. For spectral tunability, the QC lasers increasing impact on everyday‘s life. Semiconductor lasers are integrated into external cavity modules. Going one step can be found in a large variety of applications ranging from further, the QC laser modules developed at Fraunhofer IAF CD and DVD drives to laser printers, but also in materials are also used for the in-house development of innovative processing and medical healthcare. High-brightness LEDs spectroscopic sensing and detection schemes and systems. are increasingly used in signage and lighting applications, empowering there the vision of solid state lighting. Semicon- Applications served by the semiconductor lasers and LEDs ductor diode lasers and visible light emitting LEDs are very developed and fabricated within this business unit include compact and robust light sources converting electrical power security and defense, solid state lighting and displays, medical directly into light with power conversion efficiencies of up to diagnostics and therapy, environmental monitoring and 70 % for diode lasers and exceeding 30 % for white-light production control (the latter jointly with business unit »Micro- LEDs, with further improvements about to come. The overall and Nano-Sensors«). market for these devices is highly dynamic due to the rapid progress in device performance and increasing number of Recent R&D highlights include the successful completion applications. of the European VERTIGO research project on OPSDLs led by Fraunhofer IAF, the development of semiconductor laser The business unit »Semiconductor Lasers and LEDs« deals modules for infrared countermeasures to protect civilian and with research and development in the field of III-V compound military aircrafts against terrorist attacks, and the demon­ semiconductor based light-emitting devices, as well as their stration of a QC laser based infrared backscattering sensing integration into optoelectronic modules and the development technique for the stand-off detection of explosives. of sensing and detection techniques based on these devices. On the short-wavelength side of the visible spectrum and the These module and application oriented activities are comple- ultraviolet (UV) spectral range R&D efforts concentrate on mented by more basic research activities, such as monolithic group III-Nitride based LEDs and diode lasers for lighting integration of III-V semiconductor lasers on silicon by using and sensing applications. For the near-to-mid-infrared the GaNAsP »dilute nitride« materials system, and exploration spectral range optically pumped semiconductor disk lasers of novel concepts for the generation of ultra-short pulses (OPSDL) based on the group III-Antimonides and quantum by short wavelength group III-Nitride diode lasers. The latter cascade (QC) lasers are under development covering the activities are backed by the formation of a new research group 2-to-3 µm and 4-to-10 µm spectral bands, respectively. led by Ulrich Schwarz as professor for »Optoelectronics« One particular advantage of the QC laser concept is that appointed jointly with the Microsystems Technology Depart- with a single semiconductor materials system, i. e. the ment of Freiburg University. 146 1 1 Infrared semiconductor Halbleiterlaser und Leuchtdioden (LEDs) sind optoelektronische Bauelemente, die aus dem laser modules. heutigen Alltag nicht mehr wegzudenken sind. Halbleiterlaser findet man in einer Vielzahl lnfrarot-Halbleiterlaser- von Anwendungen wie CD- und DVD-Laufwerke sowie Laserdrucker. Aber auch in der Mate- module. rialbearbeitung sowie in der medizinischen Therapie und Diagnostik kommen Halbleiterlaser zunehmend zur Anwendung. Lichtstarke LEDs kommen heute schon in einer Vielzahl von Beleuchtungs- und Display-Anwendungen zum Einsatz. Sie sind das Schlüsselbauelement für eine zukünftige Allgemeinbeleuchtung mit Halbleiterlichtquellen (»solid state lighting«). Der Markt für optoelektronische Bauelemente ist sehr dynamisch und wird getrieben durch Innovationen, die eine ständig steigende Leistungsfähigkeit der Bauelemente und, daraus resultierend, eine zunehmende Zahl von Anwendungen zur Folge haben. Das Geschäftsfeld »Halbleiterlaser und LEDs« hat die Erforschung und Entwicklung von Lichtemittierenden Bauelementen auf der Basis der III-V-Verbindungshalbleiter, deren Integration in optoelektronische Module sowie die Entwicklung darauf basierender Sensoren und Detektionsverfahren zum Gegenstand. Für das sichtbare Spektrum sowie den ultravioletten Spektralbereich konzentrieren sich die FuE-Arbeiten auf GaN-basierende LEDs für Anwendungen in der Beleuchtung und der Sensorik. Für den nahen und mittleren infraroten Spektralbereich werden optisch gepumpte Halbleiterscheibenlaser auf der Basis der Gruppe III-Antimonide sowie Quantenkaskadenlaser (Quantum Cascade Laser – QCL) entwickelt, die die Wellenlängenbereiche 2 – 3 µm bzw. 4 – 10 µm abdecken. Ein besonderer Vorteil des QCL ist, dass mit einer einzigen Halbleiterkombination, hier GaInAs/AlInAs/InP, ein breiter Wellenlängenbereich überstrichen werden kann. Um für spektroskopische Anwendungen eine spektrale Durchstimmbarkeit des QCL zu erzielen, werden diese in Module mit externem Resonator integriert. In einem weiteren Schritt kommen diese QCL-Module im Fraunhofer IAF selbst für die Entwicklung neuartiger spektroskopischer Sensoren und Detektionsverfahren zur Anwendung. Diese Halbleiterlaser und LEDs werden primär für die Anwendungsgebiete zivile und militärische Sicherheitstechnik, Beleuchtungs- und Anzeigetechnik, Medizintechnik sowie Produktions- und Umweltmesstechnik entwickelt und optimiert. Diese auf die Entwicklung von Modulen sowie deren Anwendung hin ausgerichteten Arbeiten werden durch mehr grundlagenorientierte Forschungsaktivitäten ergänzt. Hierzu gehören die Erforschung und Entwicklung monolithisch auf Silizium-Substrat integrierter III-V-Halbleiterdiodenlaser auf der Basis des GaNAsP-Materialsystems sowie die Erforschung grundlegender Konzepte und Verfahren zur Erzeugung ultrakurzer Lichtpulse mit kurzwelligen GaN-basierenden Diodenlasern. 147 Business unit S e m i c o n d u c t o r L a s e r s a n d L ED s Facts and figures S e m i c o n d u c t o r L a s e r s a n d L ED s 2007 2008 2009 Anteil am Ertrag 12.5 % 16.0 % 15.2 % Investment Investitionen 766 T€ 1603 T€ 1984 T€ Staff Mitarbeiter/innen 44 42 42 6 9 8 H a lbl e i t e r l a s e r u n d L ED s Share of Funding incl. PhD and Diploma Students davon Doktoranden und Diplomanden Projects Projekte 18 23 23 Publications Publikationen 23 36 31 Oral Presentations Vorträge und Seminare 32 44 41 1 6 1 Patents 148 Patente Key Publications Reduced non-thermal roll-over of wide-well GaInN light-emitting diodes M. Maier, K. Köhler, M. Kunzer, W. Pletschen, J. Wagner Appl. Phys. Lett. 94 (2009) 041103 Time-resolved characterization of external-cavity quantum-cascade lasers B. Hinkov, Q. Yang, F. Fuchs, W. Bronner, K. Köhler, J. Wagner Appl. Phys. Lett. 94 (2009) 221105 GaSb-based optically pumped semiconductor disk laser using multiple gain elements B. Rösener, M. Rattunde, R. Moser, C. Manz, K. Köhler, J. Wagner IEEE Photon. Technol. Lett. 21 (2009) 848 Short-pulse high-power operation of GaSb-based diode lasers M. Müller, M. Rattunde, G. Kaufel, J. Schmitz, J. Wagner IEEE Photon. Technol. Lett. 21 (2009) 1770 Infrared semiconductor laser modules for DIRCM applications J. Wagner, S. Hugger, B. Rösener, F. Fuchs, M. Rattunde, Q. Yang, W. Bronner, R. Aidam, K. Köhler, M. Raab, E. Romasew, H. D. Tholl Proc. SPIE Vol. 7483 (2009) 74830F 149 Micro- and nano-Sensors Mikro- und nanosensoren 150 clinical diagnostics medizinische Diagnostik protection of nature and environment Natur- und Umweltschutz analysis of gases and liquids Gas- und Flüssigkeitsanalytik C h r i s t o p h E . Ne b e l Te l. + 4 9 7 6 1 5 1 5 9 - 291 C h r i s t o p h . Ne b el @ i af.frau nh of e r .de V o l ke r C i m a l l a Te l. + 4 9 7 6 1 5 1 5 9 - 304 V o l ke r . C i m a l l a @ i af.frau n h ofe r.d e 151 Business unit Micro- and nano-Sensors Within the business unit »Micro- and Nano-Sensors« inte­ »thermal re-activation« of the sensing layer is replaced by a grated micro- and nano-sensors for environmental-, bio-, high novel UV-light illumination via a monolithically integrated UV energy radiation and particle detection are developed and LED, resulting in a reduced power consumption, smaller size, optimized. We pay special attention to materials which show and lower production costs, accompanied by a significant exceptional properties with respect to sensitivity, stability, miniaturization. hardness, transparency, biocompatibility, and miniaturization. Therefore we focus on novel wide bandgap semiconductors As diamond is radiation hard sensor applications in nuclear re- like diamond, group III-nitrides, and metal-oxides. We actors and under extreme fluencies of gamma ray photons are implement nanowires, nano-metal-oxide particles, ultra nano- very promising and of great importance for facilities like GSI electrode arrays, micro- and nano-electro-mechanical systems Darmstadt, the Large Hadron Collider in Geneva and the Eu- (MEMS/NEMS), scanning electrochemical tips, and field effect ropean Synchrotron Radiation Facility in Grenoble. Significant transistors for novel sensing devices. Furthermore, single progress during recent years made on CVD diamond synthesis spin-centers in diamond are applied for quantum cryptography at the Fraunhofer IAF provides high quality polycrystalline and and computing and for the detection of molecular structures single-crystal diamond material which is currently integrated in of bio-molecules. 2D sensing applications, large area detectors, and high energy radiation windows for fusion application. In particular, novel electrochemical sensors based on AlGaN/GaN high electron mobility transistor (HEMT) arrays Although MEMS devices from Si are commercially very well enable the electronic read-out for high resolution ion-, established, further progress will require novel combinations pH- and bio-molecular-sensing. For the development of of materials like diamond, AlN und Si to realize for example electrochemical sensors we use metallically doped diamond GHz filter systems in communication applications as well as which can be bio-functionalized with excellent stability for bio-sensing MEMS which require chemical inertness and bio- electrochemical and biomolecular detection. Nano-structured compatibility. To achieve highest sensitivity we apply capillary diamond surfaces (tips, wires, pores) are applied which allow micro-fluidic systems which are integrated into the oscillating to control the bonding density of molecules (tips), which give bar of diamond cantilevers. rise to huge surface enlargement (wires), and which will be implemented for single molecule sensing (pores) as well as In addition, as future devices in sensing and communication water desalting devices (pores). The nano-structures are gene- technologies will be based on spintronics and single quantum rated on large areas without the need of E-beam lithography defects we develop »quantum grade« diamond films from as we use self-organizing nano-particles from diamond and Ni. isotopically purified 12C or 13C layers to host single defects from N, Si, Ni, Cr, and others. These defects show at room tempe- The development of gas sensors based on metal oxides is rature extremely long spin coherence times (ms) and can be a strong research activity of the business unit. For instance, used either as single photon emitter (quantum-cryptography) constant room temperature monitoring of ozone gas can or in larger arrangements as entangled Qbits for quantum be achieved using In2O3 thin film sensors. The conventional computing applications. 152 1 2 1 Fluorescence image of a Im Geschäftsfeld »Mikro- und Nano-Sensoren« werden Bauelemente entwickelt, deren An- color center labeled bio-cell wendungen im Bereich der Teilchen-, Strahlungs-, Umwelt- und Biosensorik liegen. Es werden structure. neue Materialien eingesetzt wie Gruppe III-Nitride, Diamant und Metalloxide, die sich durch Zellen, deren Segmente mit besonders gute Strahlungshärte, chemische Beständigkeit, mechanische Härte, Transparenz und unterschiedlichen Farbstof- Biokompatibilität auszeichnen. Sie werden in a) mikro-elektromechanischen Systemen (MEMS) fen markiert und in verwendet, b) in Hochelektronenbeweglichkeitstransistoren (HEMT), c) in Ultra-Nano-Elekt- einem Fluoreszenzmikros- roden-Arrays für biochemische Sensoren, d) in Scanning Electrochemical Microscopy-Spitzen kop aufgenommen wurden und in e) Metalloxid-basierten Gassensoren. Es werden Bauelemente entwickelt, die in der 2 »Squaring the circle«: Lage sind, einzelne Photonen zu emittieren (Quantenkryptographie) oder durch Verschränkung Anisotropic etching of dia- verschiedener Spinzustände (Qbits) für Quantencomputer-Anwendungen in Frage kommen. mond by Ni nano-particles. »Die Quadratur des Krei- Alle diese Bauelemente weisen Fraunhofer IAF-spezifische Eigenschaften auf. So haben ses«: Ätzen von Diamant die biochemischen Sensoren z. B. eine Nanotextur auf der Oberfläche, damit Biomoleküle mit Ni-Nanopartikeln. (DNA, Proteine) geometrisch kontrolliert aufgebracht werden können. Die Nanostrukturen werden mit Hilfe von selbstorganisierenden Nanopartikeln hergestellt, so dass kostenintensive Elektronenstrahl-Lithographie nicht notwendig wird. Eine besondere Stärke des Geschäftsfelds liegt in der Fähigkeit, optische und elektronische Effekte zu kombinieren. Dies kann anhand des Ozon-Detektors belegt werden, bei dem durch Kombination einer Schicht aus In2O3 mit einer UV-LED aus GaN der Sensor periodisch zur OzonMessung aktiviert werden kann. Großforschungseinrichtungen wie GSI in Darmstadt, der Large Hadron Collider in Genf und die European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble benutzen zunehmend Diamantsensoren auf Grund der extremen Strahlungshärte von Diamant. Hierzu wird »electronic grade«-Diamant benötigt, der defektfrei und ohne Verunreinigungen gewachsen werden muss. Am Fraunhofer IAF stehen hierzu bis zu 6 Plasma-CVD-Anlagen zur Verfügung, die Diamant-Wafer von bis zu 15 cm Durchmesser herstellen können. Schließlich werden in diesen Anlagen auch nanokristalline Diamantschichten produziert, die zur Herstellung von neuartigen MEMS und NEMS benutzt werden. Deren Anwendungen liegen in der Kommunikationstechnik z. B. als Hochfrequenzfilter (GHz-Bereich) und in der Biosensorik, wo in den mikromechanischen Oszillator mikrokapillare Systeme integriert werden, so dass Flüssigkeiten untersucht werden können, ohne gleichzeitig die Dämpfung von Flüssigkeiten in Kauf nehmen zu müssen. 153 Business unit Micro- and nano-Sensors Facts and figures Micro- and nano-Sensors Mikro- und nanosensoren Share of Funding Anteil am Ertrag Investment Investitionen Staff Mitarbeiter/innen 2007 2008 2009 7.3 % 7.0 % 10.2 % 183 T€ 1366 T€ 691 T€ 9 26 34 incl. PhD and Diploma Students davon Doktoranden und Diplomanden 2 7 13 Projects Projekte 7 9 14 Publications Publikationen 2 17 30 Oral Presentations Vorträge und Seminare 3 29 41 Patente 1 0 2 Patents 154 3 Key Publications 3 Deflection of diamond Isotopic homojunction band engineering from diamond membranes used for H. Watanabe, C. E. Nebel, S. Shikata flexible optical micro- Science, 324 (2009) 1425-1428 lenses. Ausgelenkte Diamant- Band gap, electronic structure, and surface electron accumulation of cubic Membranen zur Realisie- and rhombohedral In2O3 rung flexibler optischer P. D. C. King, T. D. Veal, F. Fuchs, Ch. Y. Wang, D. J. Payne, A. Bourlange, H. Zhang, Mikrolinsen. G. R. Bell, V. Cimalla, O. Ambacher, R. G. Egdell, F. Bechstedt, C. F. McConville Phys. Rev. B 79 (2009) 205211 Tunable optical lenses from diamond thin films A. Kriele, O. A. Williams, M. Wolfer, D. Brink, W. Müller-Sebert, C. E. Nebel Appl. Phys. Lett. 95 (2009) 031905 Static and dynamic determination of the mechanical properties of nanocrystalline diamond micromachined structures E. Sillero, O. A. Williams, V. Lebedev, V. Cimalla, C.-C. Röhlig, C. E. Nebel, F. Calle J. Micromech. Microeng. 19 (2009) 115016 Biofunctionalization of vertically aligned diamond nanowires N. Yang, H. Uetsuka, C. E. Nebel Advanced Functional Materials 19 (2009) 887-893 155 News, Events, people menschen und Momente 156 158 160 162 164 166 T h e I n s tit u t e I n F i g u r e s D a s I n s tit u t i n Z a h l e n C o o p e r a ti o n w it h F r e i b u r g U n i v e r s it y K o o p e r a ti o n m it U n i F r e i b u r g C o m m u n ic a ti o n C e n t e r u n d e r C o n s t r u cti o n N e u b a u K o m m u n ik a ti o n s z e n t r u m Freiburg Infrared Colloquium F r e i b u r g e r I n f r a r o t- K o l l o q u i u m P u b l ic R e l a ti o n s Ö ff e n t l ic h k e it s a r b e it 157 The Institute in Figures das Institut in Zahlen B e at r i x S c h w i ta l l a Tel. +49 761 5159-414 B e a t r i x . S c h w i t a l l a @ i a f. f r a u n h o f e r . d e Although in 2009 the economy was hit by a serious economic Apart from civilian and military basic funds for investment crisis Fraunhofer IAF managed to achieve a well balanced Fraunhofer IAF mainly benefitted from a project on epitaxial budget and could even top the 2008 figures. growth financed by BMVg and from the federal economic stimulus package 1 (KP1). Caused by an increase in the number In 2009 the Fraunhofer IAF reached a total staff of 240, inclu- of scientific projects, staff expenses increased to 11.9 million ding 102 scientists and engineers and 36 persons working on whereas material expenses declined to 7.5 million euros. doctoral and diploma theses. Additionally five young people are trained for technical careers as industrial mechanics. While Investments in 2009 were on a high level of 6.5 million euros staff had still been growing by increasing the number of PhDs compared to the ever highest amount of 7.1 million euros in in cooperation with different universities at the beginning 2008. For a leading European institution in GaN electronics of 2009 a consolidation policy was chosen for the following competences on epitaxial growth which are compatible with period due to lack of space for more employees. the needs of European electronic industry are essential. For improving the GaN material supply a high investment was The annual operating budget in 2009 was 19.4 million euros undertaken for a metal-organic chemical-vapor deposition sys- compared to 18.9 million euros in 2008. Investments amoun- tem able to handle 4“ substrates in a multi-wafer mode and ted again with 6.5 million euros to a very high sum resulting in 6“ substrates in a single wafer mode. Additionally an optical a total budget of 25.9 million euros. surface analyzer was furnished for surveillance of epitaxial processes. Furthermore funds from KP1 were allocated in order to In 2009 the major part of the operating costs and investments enable new research activities on efficient solid-state lighting. was provided by the Federal Ministry of Defense (BMVg) with For this purpose various equipment was acquired such as a financial share in the operating budget of around 57 % and an atomic layer deposition system, a wafer bond-aligner, a in the investment budget of 58 %, respectively. Fraunhofer laser lift-off workstation and a pico short pulse laser system. IAF is proud to have reached a contribution to the operating In order to strengthen the young business unit micro- and budget by the industrial sector of 20 % which is almost as nano-sensors a vibrometer system for characterizing micro- high as in 2008. electromechanical systems was brought into operation. Million € 20 Million € 8 Industry 15 KP1 KP1 6 Civilian Projects MoER, EC, Other Civilian Basic Funding 10 Civilian Basic Funding 4 MoD Projects MoD Projects MoD Basic Funding 5 0 0 2006 158 MoD Basic Funding 2 2007 2008 2009 2006 2007 2008 2009 1 Operating Budget 2 Investment Budget Betriebshaushalt Investitionen Obwohl im Jahr 2009 die allgemeine wirtschaftliche Lage durch eine starke Rezession gekennzeichnet war, gelang es dem Fraunhofer IAF, einen positiven Jahresabschluss zu erzielen. 2009 hatte das Fraunhofer IAF eine Belegschaft von 240 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, davon 102 Wissenschaftler und Ingenieure sowie 36 Doktoranden und Diplomanden. Außerdem werden fünf junge Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter zu Industriemechanikern ausgebildet. Während Anfang 2009 die Belegschaft durch Schaffung zusätzlicher Doktorandenstellen im Zusammenhang mit den Universitätskooperationen noch wuchs, wurde im Laufe des Jahres ein Konsolidierungskurs eingeschlagen, nicht zuletzt aufgrund fehlender räumlicher Möglichkeiten, um zusätzliches Personal unterzubringen. Number of Employees Der Betriebshaushalt 2009 betrug 19,4 Mio € im Vergleich zu 18,9 Mio € in 2008. Die Inves- 250 titionen beliefen sich 2009 wiederum auf einen sehr hohen Betrag von 6,5 Mio €, sodass sich 2009 ein Gesamthaushalt von 25,9 Mio € ergab. 200 Im Jahr 2009 wurde der größte Teil sowohl des Betriebs- als auch des Investitionshaushaltes vom BMVg finanziert, mit einem BMVg-Anteil von etwa 57 % beim Betrieb und etwa 58 % 150 bei den Investitionen. Das Fraunhofer IAF ist stolz, im Betriebshaushalt einen Industrieanteil von 20 % erzielt zu haben, der fast so hoch ist wie 2008. 100 Abgesehen von zivilen und BMVg-Grundfinanzierungsmitteln für Investitionen profitierte das Fraunhofer IAF hauptsächlich von einem BMVg-geförderten Projekt auf dem Gebiet 50 der Epitaxie und aus Mitteln des Konjunkturprogramms 1. Entsprechend der Zunahme der wissenschaftlichen Projekte erhöhten sich die Personalaufwendungen auf 11,9 Mio €, während die Sachaufwendungen auf 7,5 Mio € zurückgingen. Auch 2009 waren die Investitionen mit 6,5 Mio € nahezu vergleichbar mit dem Höchststand von 7,1 Mio € des Jahres 2008. Für ein in Europa auf dem Gebiet der GaN-Elektronik führendes Forschungsinstitut sind Kompetenzen in der Epitaxie entsprechend den Anforderungen der 0 2006 2007 2008 2009 Technicans, Infrastructure, Other Diploma and PhD Students Scientists and Engineers europäischen Elektronikindustrie essenziell. Um die GaN-Material-Versorgung zu verbessern, wurde eine sehr hohe Investition zum Kauf einer MOCVD-Anlage für 4-Zoll-Wafer im Multi­- 3 Staff wafer-Betrieb und für 6-Zoll-Wafer im Einzelwafer-Betrieb getätigt. Zudem wurde ein optisches Personal Oberflächen-Analysegerät zur Überwachung der Epitaxieprozesse beschafft. Ferner wurden Mittel aus dem Konjunkturprogramm 1 eingesetzt, um neue Forschungsarbeiten zur Steigerung der Effizienz von Leuchtdioden für die Beleuchtungstechnik zu ermöglichen. Hierfür wurden verschiedene Anlagen, wie ein Atomic-Layer-Abscheide-System, ein Wafer-Bond-Aligner, ein Laser-Lift-Off-System und eine Pikosekunden-Laser-Bearbeitungsanlage erworben. Um das noch junge Geschäftsfeld Mikro- und Nanosensoren zu stärken, wurde ein Vibrometersystem für die Charakterisierung von mikroelektrischen und -mechanischen Systemen in Betrieb genommen. 159 Cooperation with Freiburg University Kooperation mit Uni Freiburg U l r ic h Sc h w a r z Tel. +49 761 5159-513 U l r ic h . Sc h w a r z @ i a f . f r a u n h o f e r . d e The appointment of Ulrich Schwarz to the chair for optoelect- Our second focus is on the development of (Al,In)GaN laser ronics at the Department of Microsystems Engineering (IMTEK) diodes. Green light emitting laser diodes are necessary for is one more contribution of Freiburg University to the coope- pico projectors. We use semipolar GaN to reduce the internal ration between university and the Fraunhofer-Gesellschaft. piezoelectric fields in InGaN quantum wells with high indium At Fraunhofer IAF, Prof. Schwarz initiates a new group in content. The growth orientation has also an impact on the the business unit »Semiconductor Lasers and Light Emitting growth mode of these indium-rich layers. We develop blue Diodes«, with the focus on optoelectronic devices at the short and UV emitting short pulse laser diodes for spectroscopy wavelength side of the visible spectrum. in bio-photonics and life science applications. The target are picosecond laser pulses for applications like fluorescence life- Over the last few years there was a drastic change of our vi- time imaging microscopy. The activities on short wavelength sual habit due to InGaN LEDs: green traffic lights, torch lights, ultrafast laser diodes are funded by the European Commission large scale LED displays, and displays with LED backlighting as »Future and Emerging Technology« (FET-open). in cell phones, PDAs, ultra-thin computer monitors and TV screens are prominent examples where LEDs find their ways At Fraunhofer IAF Ulrich Schwarz has access to the full group- in our visual environment. Each bright blue or green LED in an III-nitride technology chain, including epitaxy, processing, electronic consumer device stands for a material system which and characterization. He strengthens the latter activities with in the early nineties existed only in a few laboratories, inclu- new analytical technologies, e. g. confocal microscopy and an ding Fraunhofer IAF which contributed to this field from the optoelectronics characterization laboratory. In collaboration very beginning. The next huge breakthrough will be solid state with the business units »Micro- and Nano-Sensors« and »GaN lighting with the application of white LEDs in general lighting. RF Power Electronics« it will be possible to integrate electronic InGaN LEDs are already extremely powerful optoelectronic and optoelectronic functionality within one material system, devices. However, their physics is still not fully understood, and e. g. by integrating driving circuits with high power LEDs or central questions are open: the efficiency drop towards longer laser diodes in new sensor concepts. wavelength – the so-called »green gap« – and the efficiency »droop« at high current densities. Osram OS is our main industry partner for the development of high power LEDs. 160 Mit der Berufung von Ulrich Schwarz auf den Lehrstuhl für Optoelektronik am Institut für 1 Ulrich Schwarz (holding his vi- Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg wird eine weitere Professur im Rahmen olin), holder of the chair for op- des Kooperationsvertrags zwischen der Universität Freiburg und der Fraunhofer-Gesellschaft toelectronics at the Department besetzt. Am Fraunhofer IAF baut Prof. Dr. Schwarz eine neue Gruppe im Geschäftsfeld Opto- of Microsystems Engineering elektronische Module auf. Leuchtdioden und Laserdioden am kurzwelligen Ende des sichtbaren (IMTEK), together with members Spektrums bilden die Forschungsschwerpunkte. of his group at Fraunhofer IAF. Ulrich Schwarz (mit Geige), In den letzten Jahren hat sich unser visuelles Umfeld durch die Gestaltungsmöglichkeiten Inhaber des Lehrstuhls für von InGaN-LEDs drastisch geändert: grüne LED-Ampeln, Stirn- und Taschenlampen, farbige Optoelektronik am IMTEK, zu- Großdisplays, Displays mit LED-Hintergrundbeleuchtung in Handys und ultraflache Compu- sammen mit seinem Mitarbeiter- termonitore und Flachbildfernseher bis hin zu LED-Frontscheinwerfern – überall erobern LEDs team des Fraunhofer IAF. unsere visuelle Umgebung. Jede tiefblaue oder grüne LED in einem Elektrogerät besteht aus einem Materialsystem, das es bis in die 90er-Jahre erst in wenigen Labors der Welt gab und an dem das Fraunhofer IAF von Anfang an geforscht hat. Der nächste große Schritt ist der Einsatz weißer LEDs in der Allgemeinbeleuchtung. GaN-LEDs sind extrem leistungsfähige optoelektronische Bauelemente. Trotzdem sind die physikalischen Eigenschaften der Gruppe III-Nitride noch nicht vollständig verstanden und wesentliche Probleme bestehen weiter: der Einbruch der Effizienz bei langen Wellenlängen (»green gap«) und bei hohen Leistungsdichten (»droop«). Zusammen mit Osram OS arbeiten wir an der Lösung dieser Probleme für die Entwicklung von Hochleistungs-LEDs. Der zweite Themenblock sind (Al,In)GaN-Laserdioden. Für den Einsatz in Piko-Projektoren werden grüne Laserdioden entwickelt. Dabei wird GaN in semipolarer Orientierung verwendet, um die internen piezoelektrischen Felder zu minimieren. Außerdem wird der Wachstumsmodus von Indium-reichen Schichten durch die Orientierung beeinflusst. Für die Spektroskopie, vor allem für Anwendungen in der Bio-Photonik und Medizin, werden blau und ultraviolett emittierende Kurzpuls-Laserdioden entwickelt, die sich mit Pulslängen im Bereich einer Pikosekunde für die Fluoreszenz-Lebensdauer-Spektroskopie eignen. Diese Kurzpuls-Laserdioden werden von der Europäischen Kommission als »Future and Emerging Technology« (FET-open) gefördert. Am Fraunhofer IAF erhält Ulrich Schwarz den Zugang zur kompletten Technologiekette der Gruppe III-Nitride, von Epitaxie über Prozessierung zur Charakterisierung, die er durch analytische Experimente wie z. B. der konfokalen Mikroskopie und einem Optoelektronik-Messlabor ergänzen wird. In Zusammenarbeit mit den Geschäftsfeldern »Mikro- und Nano-Sensorik« und »GaN-HF-Leistungselektronik« bietet sich die Möglichkeit, elektronische und optoelektronische Funktionalität in einem Materialsystem zu integrieren, z. B. für die Ansteuerung von Hochleistungs-LEDs oder Laserdioden und für neue Sensorkonzepte. 161 Communication Center under Construction Neubau Kommunikationszentrum C h r i s ta W o l f Tel. +49 761 5159-428 C h r i s t a . W o l f @ i a f. f r a u n h o f e r . d e The Fraunhofer IAF received funding of 3.5 million euros passage between the main building with the center and provided by the Economic Stimulus Package II of the federal the parking lots will be covered by a transparent roof which government and the government of the state of Baden- further enhances the modern look of the IAF building. Württemberg to build a modern communication center. Intensive and highly motivated cooperation between the IAF, The spacious foyer of the center offers a facility to welcome the Fraunhofer headquarter‘s department for construction as and cater for guests and conference participants as well as well as external engineers and architects resulted in an optimal to encourage communication between scientists and project building and interior design in the shortest time possible. partners. The main part of the center is dedicated to the conference room suitable to accommodate 225 persons. This The new communication center will allow the organization room can be divided into two conference locations providing and realization of national and international conferences areas of 175 m2 and 91 m2, respectively, to enable two and workshops as well as seminars in close cooperation, for workshops or seminars simultaneously. For project meetings as example, with the Freiburg University. In addition the building well as video and telephone conferences for up to 15 persons will serve the staff of Fraunhofer IAF as a center for project a confab room is located at the front end of the new building. related meetings and also provide facilities for state-of-the-art telephone conferences. A specially designed mezzanine was planned to house the modern technical services for the building. In order to reduce Providing an effective room area of 550 m2 for conferences the cost of operation the energy efficiency of the heating, and seminars the building will be constructed at the north side ventilation and air conditioning technology as well as of and close to the main entrance of the existing IAF property. the lighting system was optimized during the layout and Facing the Tullastrasse and replacing the metal fence in front infrastructure organization of the building. of the IAF, the new building will enhance the view of the institute. Building statics as well as earthquake requirements Despite the challenging design and multiple tasks to be ful- were taken into account on matching the new building to the filled by the communication center, the planning was finished existing one. Large area glass windows and glass sidewalls within only 6 months, and a construction time of 12 months is indicate transparency of the IAF and its willingness to share planned. As a consequence the center should be in operation its scientific achievements with society is accentuated. The by the end of 2010 to provide a modern communication entrance of the communication center and the connection platform. 162 1 Im Mai 2009 wurden dem Fraunhofer IAF 3,5 Mio Euro aus dem Konjunkturprogramm II für 1 Photomontage to visualize den Neubau eines Kommunikationszentrums bewilligt. Durch intensive und engagierte Zusam- the communication center menarbeit von IAF, zentraler Bauabteilung der Fraunhofer-Gesellschaft, Architektenbüro und design at the north side of Ingenieurbüro konnte in kürzester Zeit die Planung für ein attraktives Gebäude durchgeführt Fraunhofer IAF. werden. Fotomontage zur Visualisierung des geplanten Kommu- Das neue Kommunikationszentrum ermöglicht es, Vielfalt und Anzahl der am Fraunhofer IAF nikationszentrums an der durchgeführten Veranstaltungen, wie internationale Tagungen, Workshops und Seminare, z. B. Nordseite des Fraunhofer IAF. in Kooperation mit der Universität Freiburg, deutlich zu erhöhen. Darüber hinaus dient das Gebäude den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts für Projektbesprechungen und Telefonkonferenzen. Mit einer Nutzfläche von 550 m² wird der Neubau auf der Nordseite des Grundstücks im Bereich des Haupteingangs errichtet. Durch die Anbindung an die Tullastraße und durch das Wegfallen der Umzäunung an der Straßenseite öffnet sich das IAF auch baulich der Öffentlichkeit. Die für die Statik und Erdbebensicherheit notwendigen Betonelemente des Neubaus passen sich der soliden Struktur des Altbestandes an. Durch die großflächigen Glaselemente und die Glasfassade erhält das Gebäude die notwendige Transparenz. Eine lichtdurchlässige Überdachung bindet den Parkplatz und den Fußgängerzugang an das Kommunikationszentrum und den Haupteingang des Institutsgebäudes an, wodurch der offene Charakter des Instituts unterstrichen wird. Das geräumige Foyer bietet nicht nur genügend Platz für die Bewirtung von Gästen und Tagungsteilnehmern, sondern lädt auch für kurze und kleine Besprechungsrunden ein. Mittelpunkt des Kommunikationszentrum ist der große Tagungssaal, der je nach Bestuhlungsart für bis zu 255 Personen komfortable Tagungsmöglichkeiten bietet. Um den unterschiedlichen und schnell wechselnden Nutzungsanforderungen gerecht zu werden, kann der Tagungssaal durch eine schalldichte Trennwand in zwei gleichwertige Räume von 175 m² und 91 m² Fläche geteilt werden. Für die kleinere Besprechungsrunde bis maximal 15 Personen und für Videokonferenzen ist ein 41 m² großer Besprechungsraum an der Stirnseite des Gebäudes vorgesehen. Die moderne Gebäudetechnik findet in einem Zwischengeschoss des Gebäudes ihren Platz. Zur Reduzierung der Betriebskosten wird auf die Energieeffizienz der Techniken, wie Heizungs-, Klima- und Lüftungsanlagen sowie Beleuchtung, größten Wert gelegt. Das Gebäude wurde in Rekordzeit von sechs Monaten geplant und ausgeschrieben. Für die Ausführung stehen knapp zwölf Monate zur Verfügung, sodass Ende Dezember 2010 das Gebäude seiner Bestimmung übergeben werden kann. 163 Freiburg Infrared Colloquium Freiburger Infrarot-Kolloquium M a r ti n W a l t h e r Tel. +49 761 5159-434 M a r ti n . W a l t h e r @ i a f . f r a u n h o f e r . d e The 39th Freiburg Infrared Colloquium, organized by Fraun- The workshop started with an excellent overview from Prof. hofer IAF was held at the Katholische Akademie in Freiburg Antoni Rogalski, Military University of Technology, Warsaw, on February 17 – 18, 2009. The workshop covers materials, on »Infrared detectors for the future«. Prof. Markus Amann physics, technology, and applications of infrared detectors and from the Technical University of Munich followed with an lasers and was attended by 90 participants from university, outstanding review on »IR vertical surface emitting lasers«. research laboratories, industry, and government agencies. Different perspectives on MBE growth of CdHgTe for advanced The workshop with its long-standing tradition started as the infrared detectors were given by Dr. Michael Carmody, EPIR meeting place of the German speaking infrared community Technologies, Bollingbrooks, Illinois and Dr. Phillip Ballet, and has emerged into an international workshop with a focus CEA-LETI, Grenoble. Finally, Prof. Lorenzo Faraone, University on European scientists and engineers. For the first time, dis- of Western Australia, Perth presented in an impressive talk tinguished and well recognized experts on infrared detectors on recent advances in optical MEMS technologies for multi- and lasers have been invited as plenary speakers to present spectral infrared sensors. their outstanding research and development work on infrared detectors and lasers. The excellent scientific program was accompanied by a very enjoyable workshop dinner with wine tasting event in the ancient Kaisersaal of the Historisches Kaufhaus, supported by AIM Infrarot-Module GmbH. Selected wines from the Freiburg area, professionally introduced and presented by the charming Breisgau wine princess and IAF staff member, Sibylle Hämmerle, provided a perfect framework for in depth scientific discussions and to foster ties of friendship between the delegates. The new format of the Freiburg Infrared Colloquium and the bi-annual cycle was well accepted by the attendees and will be beneficial for the reputation of the institute as a center of excellence for infrared detectors and lasers. We are looking forward to the 40th Freiburg Infrared Colloquium, which will be held on February 16 – 17, 2011 at the Katholische Akademie in Freiburg. 164 Das 39. Freiburger Infrarot-Kolloquium, organisiert vom Fraunhofer IAF, fand vom 17. – 18. Februar 2009 in der Katholischen Akademie in Freiburg statt. 90 Teilnehmer aus Universitäten, Forschungslaboren, Industrie und Behörden besuchten den Workshop, der sich mit Materialien, Physik, Technologie und Anwendungen von IR-Detektoren und Lasern beschäftigt. Ursprünglich ein Forum für die deutsche Infrarottechnologie, entwickelte sich der Workshop zu einer internationalen Veranstaltung insbesondere für europäische Wissenschaftler und Ingenieure. Zum ersten Mal wurden anerkannte Experten auf dem Gebiet der IR-Detektoren und IR-Laser zu Plenarvorträgen eingeladen, um ihre herausragenden Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu präsentieren. Der Workshop begann mit einem exzellenten Beitrag von Prof. Antoni Rogalski, Military University of Technology, Warschau, über »Infrarotdetektoren der Zukunft«. Prof. Markus Amann von der Technischen Universität München folgte mit einem herausragenden Seminarvortrag über »IR-Oberflächen-emittierende Laser«. Die unterschiedlichen Perspektiven zum MBE-Wachstum von CdHgTe für neuartige Infrarotdetektoren wurden von Dr. Michael Carmody, EPIR Technologies, Bollingbrooks, Illinois, sowie Dr. Phillip Ballet, CEA-LETI, Grenoble, vorgestellt. Zum Schluss präsentierte Prof. Lorenzo Faraone, University of Western Australia, Perth, in einem beeindruckenden Beitrag die Fortschritte der optischen MEMS-Technologien für multispektrale Infrarotsensoren. Das exzellente wissenschaftliche Programm wurde – unterstützt durch AIM Infrarot-Module GmbH – von einem sehr unterhaltsamen Abendessen mit Weinprobe im antiken Kaisersaal des Historischen Kaufhauses begleitet. Ausgewählte Weine aus der Freiburger Region, professionell erläutert und präsentiert von der charmanten Breisgauer Weinprinzessin und IAF-Mitarbeiterin, Sibylle Hämmerle, bildeten den perfekten Rahmen für die Vertiefung von wissenschaftlichen Diskussionen und zur Festigung freundschaftlicher Beziehungen zwischen den Teilnehmern. Das neue Format und der zweijährige Turnus des Freiburger Infrarot-Kolloquiums wurden von den Teilnehmern gut angenommen und wirken sich positiv auf das Ansehen des Instituts als Exzellenzzentrum für Infrarotdetektoren und Laser aus. Wir freuen uns auf das 40. Freiburger Infrarot-Kolloquium, das vom 16. – 17. Februar 2011 in der Katholischen Akademie in Freiburg stattfinden wird. 165 Public Relations Öffentlichkeitsarbeit Harald D. Müller Tel. +49 761 5159-458 H a r a l d . M u e l l e r @ i a f. f r a u n h o f e r . d e This year was characterized by a multitude of different activities to promote the Fraunhofer IAF to a broad target audience. The widespread spectrum comprises public funding bodies, industry, scientific community, students, scholars, and the general public interested in the use of their taxpayer‘s money. Some examples are listed below. The renowned Rudolf Jaeckel Prize from the Deutsche Vakuumgesellschaft DVG was awarded to the former director of the Fraunhofer IAF, Professor Günter Weimann, for his pioneering work in the field of molecular beam epitxay and the successful commercialization of the research results. The prize was ceremoniously presented during the 8th annual meeting of DVG in Koszalin and Kolobrzeg, Poland. As an institute dedicated to applied research we are increas­ ingly requested to prove the quality and usability of our results by demonstrators, prototypes or systems. In 2009 for the first time we organized a series of in-house fairs to demonstrate modules and systems realized at Fraunhofer IAF. We started on the occasion of the annual meeting of our Advisory Board, as a number of new members have been appointed and were not yet familiar with all the widespread capabilities of the institute. We are very honored that Deputy Assistant Secretary of the US Army for Research and Technology / Chief Scientist Dr. Thomas H. Killion, attended Fraunhofer IAF during his delegation‘s journey to Germany. By invitation of the Federal Ministry of Defense he visited a number of defense-related research institutes in Germany. Ensuring qualified young academics in the so-called MINT professions (mathematics, information technology, natural sciences, technics) is one of the major challenges for sustainability in Germany. Regrettably women are still underrepresented in these professions. To face this deficiency Fraunhofer IAF joined 166 1 2 Auch dieses Jahr war wieder von einer Vielzahl unterschiedlichster Aktivitäten geprägt, die 1 Minister of Economic Affairs zum Ziel hatten, das Fraunhofer IAF bei wichtigen sowie potentiellen Kunden und Partnern of the State of Baden-Württem- noch bekannter zu machen. Das weite Spektrum reicht von den öffentlichen Geldgebern, der berg Ernst Pfister visiting the Industrie, der akademischen Community bis zu Studenten und Schülern sowie der interessier- booth of Fraunhofer IAF during ten Öffentlichkeit, die sich für die Verwendung ihrer Steuergelder interessiert. Einige Beispiele the Hannover trade fair 2009. hierzu sind nachstehend aufgeführt. Wirtschaftsminister des Landes Baden-Württemberg, Ernst Auch im Jahr 2009 wurde ein renommierter Forschungspreis an einen IAF‘ler verliehen. Der Pfister, auf dem Stand des ehemalige Leiter des Instituts, Professor Dr. Günter Weimann, wurde mit dem Rudolf-Jaeckel- Fraunhofer IAF im Rahmen der Preis der Deutschen Vakuumgesellschaft DVG ausgezeichnet. Damit wurden erneut seine bahn- Hannover Messe 2009. brechenden Arbeiten als einer der Pioniere auf dem Gebiet der Molekularstrahlepitaxie und der 2 Deputy Assistant Secretary of erfolgreiche Transfer wichtiger Forschungsergebnisse in die industrielle Nutzung gewürdigt. Der the US Army for Research and Preis wurde im September 2009 anlässlich der 8. Jahrestagung der DVG im polnischen Koszalin Technology / Chief Scientist und Kolobrzeg verliehen. Dr. Thomas H. Killion visiting the IAF clean room. Als Einrichtung der angewandten Forschung ist das Institut zunehmend gefordert, die Qualität Stellvertretender Ministerial- und praktische Nutzbarkeit seiner Forschungsergebnisse in Form von Demonstratoren, direktor der amerikanischen Prototypen oder Systemkomponenten nachzuweisen. Im Jahr 2009 wurde daher erstmals Streitkräfte für Entwicklung eine Reihe von Hausmessen veranstaltet. Das Ziel dieser Hausmessen ist es, das umfassende und Technologie, Dr. Thomas Forschungsangebot anhand der realisierten Module und Systeme eigenen Mitarbeitern und H. Killion, während einer Füh- Besuchern des Instituts deutlich zu machen. Begonnen wurde mit der Kuratoriumssitzung, rung durch den Reinraum des auch weil eine Reihe von neuen Mitgliedern berufen wurde, die das Institut noch nicht in seiner Fraunhofer IAF. gesamten Leistungsfähigkeit kennen. Wir sind besonders stolz darauf, dass wir auch die Gelegenheit erhielten, dem Deputy Assistant Secretary of the US Army for Research and Technology / Chief Scientist, Dr. Thomas H. Killion, einen Einblick in unsere Forschungsergebnisse zu vermitteln. Auf Initiative des BMVg hat er mit seiner Delegation eine Reihe von Forschungseinrichtungen mit wehrwissenschaftlicher Ausrichtung in Deutschland besucht. Die Sicherung von qualifiziertem Nachwuchs in den sogenannten MINT-Berufen (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technik) ist eine der zentralen Herausforderungen für die Zukunftsfähigkeit Deutschlands. Nach wie vor sind Frauen in diesen Berufen leider unterrepräsentiert. Um diesem Mangel zu begegnen, beteiligte sich das Fraunhofer IAF auch in diesem Jahr wieder an der bundesweiten Girls‘-Day-Initiative, die in jungen Schülerinnen Begeisterung für technische Berufe wecken soll. Insgesamt 33 Schülerinnen bekamen am Fraunhofer IAF einen Einblick, wie spannend High-Tech-Forschung wirklich sein kann. 167 P u b l ic R e l a ti o n s again the nation-wide Girls‘ Day initiative to arouse interest Another important way to communicate the capabilities of the in technical professions. Some 33 schoolgirls were given an institute is the annual research and technology report issued insight into how exciting high-tech research really can be. by the Federal Ministry of Defense. This year we will refer to our work aimed to protect aircrafts against infrared guided Fraunhofer IAF attended a number of important national missiles. and international trade fairs. Examples are the Laser 2009 in Munich, the Hannover Messe, and the European Microwave Only within an intact social environment can outstanding Week in Rome. On the occasion of the open day of the Institut and long-lasting scientific results be achieved. Therefore all für Höchstfrequenztechnik und Elektronik (IHE) at the Univer- staff members should feel themselves as important corporate sity of Karlsruhe, Fraunhofer IAF was given the opportunity member of the Fraunhofer IAF family and act jointly for the to introduce some of its research topics. At BELCOAST 09, success of the institute. A good opportunity to strengthen Technology Demonstration Event, Koksijde Air Base, Belgium, the team spirit is an arrangement for the staff like this year‘s we demonstrated our results in the field of millimeter-wave summer party. Perfect weather conditions supported an sensing to our customers in the defense-related area. And event which was arranged with great enthusiasm by our staff finally the educational offer for mechanists at Fraunhofer IAF members. Besides affectionately prepared culinary pleasures was presented on the occasion of a regional job-start event. a comprehensive entertainment program including scientific experiments for kids was arranged. Enthusiasm for physics was Three institutes of the Forschungsgesellschaft für Angewandte raised by throwing water balloons onto a bed of nails. Our Naturwissenschaften FGAN have been integrated into the »master of the chain saw« Karl Blattmann demonstrated Fraunhofer-Gesellschaft in 2009. At the Future Security Con- again his extraordinary talent by carving a dog out of a tree ference in Karlsruhe the Fraunhofer Group for Defense and trunk. This masterpiece was then auctioned by a gentleman Security took the opportunity to introduce the new members wearing tails and topper escorted by a charming lady dressed to the trade for the first time at a corporate booth. Once again in turn-of-the century style. Altogether this first ever summer the significance of Fraunhofer for security research in Europe party was an unforgettable event for more than 300 staff has increased. Therefore a new brochure was issued, aimed at members and guests, including more than 50 kids. decision makers in politics and industry. All members of the group present their impressive research potential clearly and briefly therein. 168 3 4 Auch auf einer Reihe von wichtigen nationalen und internationalen Messen war das IAF ver­ 3 Summer party 2009 treten. Hierzu gehörten die Laser 2009 in München, die Hannover-Messe und die European at Fraunhofer IAF. Microwave Week (EuMW) in Rom. Am Tag der offenen Tür des Instituts für Höchstfrequenz- Sommerfest 2009 technik und Elektronik (IHE) der Universität Karlsruhe (TH), mit dem eine enge Kooperation am Fraunhofer IAF. besteht, war das IAF ebenfalls mit einem Stand vertreten. Für unsere Kunden aus dem wehr- 4 Participants of the »Girls‘ Day technischen Bereich zeigte das IAF auf der BELCOAST 09, Technology Demonstration Event, 2009« in the clean room. auf der Koksijde Air Base in Belgien sein Angebot auf dem Gebiet der Millimeterwellensensorik. Teilnehmerinnen am »Girls‘ Day Und nicht zuletzt präsentierte das Fraunhofer IAF auch sein umfassendes Ausbildungsangebot 2009« während des Prozessie- auf dem Gebiet der Industriemechanik bei einer regionalen Job-Start-Börse. rens im Reinraum. Die drei Institute der Forschungsgesellschaft für Angewandte Naturwissenschaften FGAN wurden 2009 in die Fraunhofer-Gesellschaft aufgenommen. Auf der Konferenz »Future Security« in Karlsruhe konnte sich der Fraunhofer-Verbund Verteidigungs- und Sicherheitsforschung VVS, dem das IAF als Gründungsmitglied angehört, erstmals mit seinen neuen Mitgliedern auf einem gemeinsamen Messestand präsentieren. Um die damit gestiegene Bedeutung der FraunhoferGesellschaft auf dem Gebiet der Sicherheitsforschung in Europa zu transportieren, wurde eine neue Broschüre unter Federführung des IAF gestaltet. Darin ist die beeindruckende thematische Vielfalt, die die VVS-Mitgliedsinstitute bieten, in fokussierter Form zusammengestellt. Ein weiteres wichtiges Instrument, um die Leistungen des Fraunhofer IAF zu kommunizieren, sind die Jahresberichte des Bundesministeriums der Verteidigung zur wehrwissenschaftlichen Forschung für Deutsche Streitkräfte im Einsatz. Für die Ausgabe 2009 wird das IAF seine Arbeiten zum Schutz von Luftfahrzeugen vor anfliegenden Raketen mit Infrarot-Suchkopf darstellen. Herausragende wissenschaftliche Erfolge können sich nur dann dauerhaft einstellen, wenn auch das soziale Umfeld im Unternehmen stimmt, d. h. alle Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen sich als wichtigen Teil der IAF-Familie verstehen und auf allen Ebenen in gemeinsamer Ver­­antwortung für den dauerhaften Erfolg des Fraunhofer IAF zusammen arbeiten. Eine gute Möglichkeit, den Teamgeist zu stärken, sind »Mitarbeiterevents« wie das diesjährige Sommerfest, zu dem auch die Familienangehörigen und Ehemalige eingeladen wurden. Bei schönstem »Kaiserwetter« wurde ein von der Belegschaft mit großem Engagement und Begeisterung vorbereitetes Fest gefeiert. Außer den liebevoll zubereiteten kulinarischen Genüssen wurde ein umfangreiches Kinderprogramm mit »wissenschaftlichen« Experimenten organsiert. Begeisterung für die Physik wurde z. B. mit Werfen einer »Wasserbombe« auf ein Nagelbrett geweckt. Unser »Meister der Kettensäge«, Karl Blattmann, hat wieder sein außergewöhnliches Talent demonstriert. Der aus einem Baumstamm kunstvoll heraus gesägte Hund wurde dann von einem Berliner Original in Frack und Zylinder mit charmanter Begleitung versteigert. Alles in allem war dieses erste IAF-Sommerfest ein gelungener Tag für etwa 300 Mitarbeiter und Gäste, darunter mehr als 50 Kinder. 169 Appendix Anhang 170 172 194 196 198 200 202 204 206 208 P u b l i c at i o n s , C o n f e r e n c e s , S e m i n a r s Veröffentlichungen und Vorträge Media Coverage, Facts and Figures Pressespiegel, Fakten im Überblick P r e s s R e l e a s e s , Pat e n t s , E x h i b i t i o n s , Awa r d s P r e s s e , Pat e n t e , A u s s t e l l u n g e n , A u s z e i c h n u n g e n Committees and Conferences G r e m i e n u n d Ta g u n g e n E d u c at i o n a n d T e a c h i n g , V i s t i n g S c i e n t i s t s Ausbildung und Lehre, Gäste O u r Pa r t n e r s U n s e r e Pa r t n e r The Fraunhofer-Gesellschaft Die Fraunhofer-Gesellschaft How to Reach us Anfahrt Publishing Notes Impressum 171 Publications, Conferences, Seminars Veröffentlichungen und vorträge Millimeter-Wave Circuits M i l l i m e t e r w e l l e n - S c h a lt u n g e n Publications in Reviewed Journals Conference Proceedings Veröffentlichungen Veröffentlichte Tagungsbände M. Abbasi, R. Kozhuharov, C. Kärnfelt, I. Angelov, I. Kallfass, M. Abbasi, R. Kozhuharov, C. Kärnfelt, I. Angelov, H. Zirath, A. Leuther, H. Zirath: Single-chip frequency multiplier chains for I. Kallfass, A. Leuther: A broadband 60-to-120 GHz single-chip MMIC millimeter-wave signal generation. IEEE Trans. MTT 57 (2009) 3134. multiplier chain. In: 2009 IEEE MTT-S. Piscataway, NJ: IEEE, 2009, 441-444. V. Hurm, R. E. Makon, R. Driad, F. Benkhelifa, R. Lösch, H. Massler, M. Riessle, J. Rosenzweig, M. Schlechtweg, A. Tessmann, S. Chartier, A. Tessmann, A. Leuther, R. Weber, I. Kallfass, H. Walcher: InP DHBT-based modulator driver module for 100 Gbit/s M. Schlechtweg, S. Stanko, H. Essen, O. Ambacher: Advanced ethernet applications. Electronics Letters 45 (2009) 1264. mHEMT MMICs for 220 GHz high-resolution imaging systems. phys. stat. sol. c 6 (2009) 1390-1393. I. Kallfass, P. Pahl, H. Massler, A. Leuther, A. Tessmann, S. Koch, T. Zwick: A 200 GHz monolithic integrated power amplifier in meta- R. Driad, R. E. Makon, V. Hurm, F. Benkhelifa, R. Lösch, morphic HEMT technology. IEEE Microw. Wireless Compon. Lett. 19 J. Rosenzweig, M. Schlechtweg: InP-based DHBT technology for (2009) 410. high-speed mixed signal and digital applications. In: 2009 International Conference on Indium Phosphide and Related Materials, 2009, R. E. Makon, R. Driad, R. Lösch, J. Rosenzweig, M. Schlechtweg, 10-15. O. Ambacher: InP DHBT-based 1:2 DEMUX IC operating at up to 120 Gbit/s. Electron. Lett. 45 (2009) 1340. H. Essen, A. Wahlen, R. Sommer, W. Johannes, J. Wilcke, M. Schlechtweg, A. Tessmann: A versatile, miniaturized high perfor- M. Schlechtweg, A. Tessmann, I. Kallfass, A. Leuther, R. Weber, mance W-Band radar. In: GeMIC 2009 – German Microwave Confe- S. Chartier, R. Driad, R. E. Makon, V. Hurm, M. Seelmann-Eggebert, rence. Berlin: VDE-Verlag, 2009 (ITG-Fachberichte 213). H. Massler, M. Kuri, M. Riessle, M. Zink, F. Benkhelifa, R. Lösch, J. Rosenzweig, O. Ambacher: MMICs and mixed-signal ICs based on H. Essen, M. Bräutigam, R. Sommer, A. Wahlen, W. Johannes, III/V technology for highest frequencies and data rates. Frequenz 63 J. Wilcke, S. Stanko, M. Schlechtweg, A. Tessmann: A miniaturised (2009) 86. W-Band radar for UAV-SAR application. In: Joint 5th ESA Workshop on Millimetre Wave Technology and Applications and 31st ESA Antenna Workshop Millimetre and Sub-Millimetre Waves – From Technologies to Systems. ESA Publications, 2009, 799-804. A. Hülsmann, A. Liebelt, A. Tessmann, A. Leuther, M. Schlechtweg, O. Ambacher: Active millimeter-wave imaging using raster scanner. In: Radar Sensor Technology XIII, Bellingham, WA: SPIE, 2009, 730808-1-5 (SPIE-Proceedings 7308). 172 P u b l i c at i o n s , C o n f e r e n c e s , S e m i n a r s Veröffentlichungen und vorträge A. Hülsmann, A. Leuther, I. Kallfass, R. Weber, A. Tessmann, S. Klinger, M. Berroth, M. Kaschel, M. Oehme, E. Kasper, V. Hurm: M. Schlechtweg, O. Ambacher: Advanced mHEMT technologies for Comparing measurement setups to determine the frequency space applications. In: 20 International Symposium on Space Tera- response of Ge on Si p-i-n photodiodes up to 40 GHz. In: J. Yu et al. hertz Technology, 2009, 1-5. (eds.): 5th Joint Symposium on Opto- & Micro-Electronic Devices and th Circuits (SODC), 2009, 155-158. I. Kallfass, P. Pahl, H. Massler, A. Leuther, A. Tessmann, S. Koch, T. Zwick: A 144 GHz power amplifier MMIC with 11 dBm output S. Koch, M. Guthoerl, I. Kallfass, A. Leuther, S. Saito: A 140 GHz power, 10 dB associated gain and 10 % power added efficiency. heterodyne receiver chipset for passive millimeter wave imaging In: 2009 IEEE MTT-S. Piscataway, NJ: IEEE, 2009, 429-432. applications. In: 2009 IEEE CSIC Symposium. Piscataway, NJ: IEEE, 2009, 29-33. I. Kallfass, A. Tessmann, H. Massler, A. Leuther, M. Schlechtweg, O. Ambacher: A 200 GHz active heterodyne receiver MMIC with S. Koch, I. Kallfass, R. Weber, A. Leuther, M. Schlechtweg, S. Saito: low sub-harmonic LO power requirements for imaging frontends. A Fully Integrated, Compound Transceiver MIMIC utilizing Six In: Proceedings of the 4th European Microwave Integrated Circuits Antenna Ports for 60 GHz Wireless Applications. In: 2009 IEEE CSIC Conference (EuMIC 2009). London: Horizon House, 2009, 45-48. Symposium. Piscataway, NJ: IEEE, 2009, 37-40. I. Kallfass, A. Tessmann, H. Massler, D. Lopez-Diaz, A. Leuther, A. Leuther, A. Tessmann, I. Kallfass, R. Lösch, M. Seelmann-Eggebert, M. Schlechtweg, O. Ambacher: A 300 GHz active frequency-doubler N. Wadefalk, F. Schäfer, J. D. Gallego Puyol, M. Schlechtweg, and integrated resistive mixer MMIC. In: Proceedings of the 4 Euro- M. Mikulla, O. Ambacher: Metamorphic HEMT technology for low- pean Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC 2009). Lon- noise applications. In: 2009 IPRM, 2009, 188-191. th don: Horizon House, 2009, 200-203. A. Pagels, M. Hägelen, G. Briese, A. Tessmann: Helicopter assisted I. Kallfass, A. Tessmann, A. Leuther, H. Massler, M. Schlechtweg, landing system – millimeter-wave against brown-out. In: GeMIC O. Ambacher: Millimeter-wave monolithic integrated circuits for 2009 – German Microwave Conference. Berlin: VDE-Verlag, 2009 imaging and remote sensing at 140, 200, and 300 GHz. In: (ITG-Fachberichte 213). K. A. Krapels et al. (eds.): Millimetre Wave and Terahertz Sensors and Technology II. Bellingham, WA: SPIE, 2009, 74850L 1-10 M. Schlechtweg, A. Leuther, A. Tessmann, A. Hülsmann, (SPIE-Proceedings 7485). O. Ambacher, M. Hägelen, G. Brise, H. Essen: Advanced millimeterwave radar modules for helicopter landing aid. In: P. Elsner (Ed.): I. Kallfass, A. Tessmann, A. Leuther, M. Seelmann-Eggebert, Fraunhofer Symposium Future Security: Proceedings of the 4th Secu- B. Aja Abelan, J. D. Gallego Puyol, N. Wadefalk, F. Schäfer, rity Research Conference. Stuttgart: Fraunhofer, 2009, 117-124. K. F. Schuster, M. Schlechtweg, O. 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Einheiten) Patents Patente 195 Press Releases, Patents, Exhibitions Presse, Patente, Ausstellungen Press Releases Patents Presseinformationen Patente 08 Jan 2009 Granted Patents / Patenterteilungen Jutta Kühn erhält den mit 10.000 Dollar dotierten »Amelia Earhart Fellowship Award« von Zonta-International. C. Wild, E. Wörner, H. Obloh: Schaltbares Infrarotfilter EP 1 859 313 B1; 27.01.2006; 01.04.2009 15 Jan 2009 Klare Sicht im Blut – neue Möglichkeiten in der Herzchirurgie. A. Hülsmann: Detektoreinrichtung DE 10 2008 015 160; 20.03.2008; 14.10.2009 06 May 2009 Kleine Chips für große Ohren – moderne Verbindungshalbleiter- F. Fuchs, R. Moritz, C. Wild, E. Wörner: Spektral abstimmbares Technologie kann schwächste Signale aufspüren. Mikrochips aus Lasermodul Freiburg helfen bei der Suche nach Leben im All. DE 10 2007 039 219; 20.08.2007; 04.11.2009 29 May 2009 Patent Applications / Patentanmeldungen Vernetzte Spitzenforschung in Baden: Ingmar Kallfass als Shared Professor an die Universität Karlsruhe berufen. R. Weber, I. Kallfass: Oszillator mit ohmisch einstellbarer Schwingungsfrequenz 21 Jul 2009 10 2009 008 225.5-35; 10.02.2009; Deutschland (DE) »Zukunft Licht« – Neuer Lehrfilm zur LED-Technologie soll Schüler motivieren. V. Lebedev, V. Cimalla: Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung 23 Sep 2009 10 2009 024 311.9; 24.06.2009; Deutschland (DE) Wegbereiter der modernen Informations- und Kommunikationstechnologien – Professor Günter Weimann mit Rudolf-Jaeckel-Preis K. Köhler, S. Müller, P. Waltereit: Verfahren zur Bestimmung der ausgezeichnet. Struktur eines Transistors 10 2009 028 918.6; 26.08.2009; Deutschland (DE) T. Lim, R. Aidam, L. Kirste, R. Quay: Halbleiterstruktur 10 2009 041 548.3; 15.09.2009; Deutschland (DE) C. Wang, V. Cimalla, O. Ambacher: Gassensor zur Erfassung eines Gases in einer Flüssigkeit 102009047299.1; 30.11.2009; Deutschland (DE) 196 Awards Auszeichnungen Exhibitions und Fairs Awards Ausstellungen und Messen Auszeichnungen Hannover Messe 2009; Michael Schlechtweg 20 – 24 Apr 2009, Hannover (D) »Best Paper Award«; Semiconductor Conference Dresden, Munich (D), 30 Apr 2009 »Open Day« at the Institut für Höchstfrequenztechnik und Elektronik; Frank Fuchs 25 May 2009, Universität Karlsruhe (D) »Best Poster Award«; Gordon Research Conference, Les Diableretes (CH), 14 Jun 2009 LASER World of PHOTONICS 2009; 15 – 18 Jun 2009, München (D) Günter Weimann »Rudolf Jaeckel Prize«; Deutsche Vakuumgesellschaft DVG, SPIE Europe Security+Defence; Labtour at the Fraunhofer Institute 4th Symposium on Vacuum-Based Science and Technology, for Telecommunications, Heinrich Hertz Institute; Koszalin / Kolobrzeg (PL), 21 – 23 Sep 2009 02 Sep 2009, Berlin (D) Waldemar Smirnov European Microwave Week 2009; »First Place Winner – Science as Art Competition«; Materials 28 Sep – 02 Oct 2009, Rome (I) Research Society, Fall Meeting, Boston (USA), 30 Nov – 04 Dec 2009 Future Security – 4th Security Research Conference; 29 Sep – 01 Oct 2009, Karlsruhe (D) Job-Start-Börse Freiburg; 07 Oct 2009, Emmendingen (D) BELCOAST 09 – Technology Demonstration Event; 5 – 15 Oct 2009, Koksijde Air Base (B) 197 Committees and Conferences Gremien und Tagungen Committee Activities Arbeit in Fachgremien Oliver Ambacher Christoph E. Nebel - International Steering Committee »International Symposium on Compound Semiconductors ISCS«; Member - Program Committee »International Conference on Surface and Bulk Defects in CVD Diamond and Related Materials«; Member - Program Committee »36 International Symposium on - Organizing Committee »International Conference on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Nanotubes, and Nitrides«, - Program Committee »Future Security – 4 Security Research Member - Associate Editor »Journal of Diamond and Related Materials« th Compound Semiconductors ISCS 2009«; Member th Conference«; Member - »8th Topical Workshop on Heterostructure Microelectronics - European Research Activity »Characterization and Development of Radiation and Particle Detectors from Diamond«; Scientific - Organizing Committee »216 ECS Meeting 2009«; Symposium Advisor Co-Chair »State-of-the-Art Program on Compound Semicon- - Technical Expert Panel »Environment & Water Industry ductors and Wide-Bandgap Semiconductor Materials & Devices« TWHM 2009«; Program Co-Chair th Development Council Singapore«; Member - Organizing Committee »2009 MRS Fall Meeting«; Symposium - Peer Review College »Engineering and Physical Sciences Research Co-Chair »III-Nitride materials for Sensing, Energy Conversion, and Controlled Light-Matter Interactions« Council UK«; Member Rüdiger Quay Martina Baeumler - IEEE Technical Committee MTT-6 Microwave and Millimeter - International Steering Committee »International Conference on Defects-Recognition, Imaging & Physics in Semiconductors DRIP«; - EURAMIG European Radio and Microwave Interest Group; Core Member Wave Integrated Circuits; Member Group Member - International Steering Committee »Expert Evaluation & Control - Technical Program Committee »European Solid-State Circuits of Compound Semiconductor Materials & Technologies EXMATEC«; Member Conference ESSCIRC 2009«; Member Robert Rehm Arnulf Leuther - Program Committee International Conference on »Quantum - Program Committee »Indium Phosphide and Related Materials IPRM 2009«, Member 198 Structure Infrared Photodetector QSIP 2009«; Member Conference Organisation Tagungsorganisation Michael Schlechtweg Martin Walther - Fachausschuss 3 der Ges. Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerk- 39th Freiburg Infrared Colloquium technik im VDE/VDI; Member 17 – 18 Feb 2009, Freiburg/Br. (D) - Program Committee »Compound Semiconductor IC Symposium CSIC 2009«; Member - Program Committee »European Microwave Week EuMW 2009«; Member Joachim Wagner - Program Committee »Mid-Infrared Optoelectronic Materials and Devices«; Member Martin Walther - Scientific Board Forschungsinstitut für Optronik und Muster erkennung, Ettlingen (D); Member - Program Committee »Infrared Sensors and Systems IRS2 2009«; Member - European Defense Agency, Capability Technology Expert Group; Member - VDI-Richtlinienausschuss »Thermografie«; Member - Program Committee »16th International Conference on Molecular Beam Epitaxy«; Chair Sub-Committee »Devices and MBE in Production« 199 Education and Teaching Ausbildung und Lehre Venia Legendi Habilitationen Rüdiger Quay Andreas Liebelt Gallium Nitride Electronics. Springer, Berlin, 2008 (Springer Series Entwicklung und Untersuchung von miniaturisierten Höchstfre­ in Materials Science, 96), Venia legendi from TU Vienna in Micro­ quenzantennen in Verbindung mit kosteneffizienten Leiterplatten- electronics materialien; FH Gießen-Friedberg Thomas Lüdke Diploma and Master Theses Entwurf und Implementierung einer FPGA-basierten Ansteuerelekt- Diplom- und Master-Arbeiten ronik für Quantenkaskadenlaser; TU Ilmenau Rolf Beißwanger Rüdiger Moser Elektrooptische Charakterisierung von InAs/Ga(In)Sb-Übergitter- Charakterisierung von langwelligen GaSb-basierenden Halbleiter- Photodetektoren im langwelligen Infrarotbereich; Universität Scheibenlasern; Universität Freiburg/Br. Freiburg/Br. Markus Müller Sebastian Diebold GaSb-basierende Halbleiter-Diodenlaser bei hohen Injektionsstrom- Modelling and Design of MHEMT-Based Power Amplifiers for dichten; Universität Freiburg/Br. Applications Beyond 100 GHz; Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Andre Waldschmidt Entwicklung und Untersuchung von planaren Höchstfrequenz- Boris Hinkov Antennen auf der Basis kosteneffizienter Leiterplattenmaterialien; Aufbau und Charakterisierung von Quantenkaskadenlasern mit Universität Siegen externem Resonator; Universität Freiburg/Br. Annika Willunat René Hoffmann Charakterisierung von GaSb-basierten Halbleiter-Scheibenlasern mit Photoinduzierte Gewinnung von Wasserstoff an der biofunktionali- Emissionswellenlängen von 2 µm; TU Ilmenau sierten Oberfläche von Diamant; Universität Mainz Jan M. Kaster Untersuchungen zur Specklereduktion bei der Infrarot-Lasergestützten Ferndetektion von TNT-Oberflächenkontaminationen; Fachhochschule Aachen 200 Visiting Scientists Gäste Academic Lectures Visiting Scientists Vorlesungen Gäste Oliver Ambacher Beatriz Aja Nanobiotechnologie; Universität Freiburg/Br., SS 09 Universidad de Cantabria, Santander (E) Verbindungshalbleiter / Compound semiconductor microsystems; Universität Freiburg/Br., WS 09/10 Jürgen Biener Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA (USA) Ingmar Kallfass Active Integrated Circuits for Millimeter-Wave Applications; Eli Bloch Universität Karlsruhe (TH), WS 08/09 Technion – Israel Institute of Technology, Haifa (IL) Hoch- und Höchstfrequenzhalbleiterschaltungen; Universität Karlsruhe (TH), WS 09/10 Jonathan Felbinger Cornell University, Ithaca, NY (USA) Rüdiger Quay HF-Bauelemente und Schaltungen auf der Basis von modernen Yoji Kishigami Halbleitermaterialien Asahi KASEI Corp., Fuji, Shizuoka (J) TU Wien (A), WS 08/09 Shraga Kraus Joachim Wagner Technion – Israel Institute of Technology, Haifa (IL) Grundlagen der Halbleiter; Universität Freiburg/Br., WS 08/09, WS 09/10 Dan Ritter Technion – Israel Institute of Technology, Haifa (IL) Martin Walther Quanteneffektbauelemente und Halbleitertechnologie; Eugenio Sillero Universität Karlsruhe (TH), SS 09 ISOM-DIE, Universidad Politécnica de Madrid (E) 201 Our Partners Unsere Partner National Cooperations Kooperationen Inland German Industry Research Institutions Universities - ACST, Darmstadt - Rheinmetall Defence - Bundeskriminalamt, - Aachen - Aixtron, Aachen Electronics, Bremen Kriminaltechnisches Institut, - Duisburg - AIM, Heilbronn - Rhode & Schwarz, München Wiesbaden - Erlangen-Nürnberg - Alcatel-Lucent, Stuttgart - RPG Radiometer Physics, - DLR Deutsches Zentrum für - Freiburg/Br. - Bosch, Stuttgart Meckenheim Luft- und Raumfahrt, - Hochschule Furtwangen - EADS, Ulm - SEL Verteidigungssysteme, Oberpfaffenhofen - Hochschule Nürnberg - DaimlerChrysler, Pforzheim/Weilimdorf - DLR-ITP, Stuttgart - Hochschule Offenburg Ulm/Frankfurt - Semic RF Electronic GmbH, - FhG-EMI, Freiburg/Br. - Karlsruhe - DaimlerChrysler Aerospace, Taufkirchen FhG-FHR, Wachtberg - Kassel Ulm - Sick, Waldkirch - FhG-FKIE, Wachtberg - Konstanz - Diamond Materials GmbH, - SiCrystal, Erlangen - FhG-HHI, Berlin - Marburg Freiburg/Br. - SHF-Design, Berlin - FhG-ICT, Pfinztal - Paderborn - Diehl BGT Defence, - Siemens, München/Erlangen/ - FhG-IIS, Erlangen - RWTH Aachen Überlingen Regensburg - FhG-IISB, Erlangen - Stuttgart - ESG, München - Smiths-Heimann, Wiesbaden - FhG-ILT, Aachen - TU Berlin - Freiberger Compound - Sony International (Europe) - FhG-IOSB, Karlsruhe/Ettlingen - TU Darmstadt Materials, Freiberg/Sachsen GmbH, Stuttgart - FhG-IPM, Freiburg/Br. - TU Dresden - Hüttinger Elektronik, - STOE, Darmstadt - FhG-IPMS, Dresden - TU Ilmenau Freiburg/Br. - Tesat-Spacecom, Backnang - FhG-IST, Braunschweig - TU München - IABG, Ottobrunn - Thiel & Partner, Pulheim - FhG-IWM, Freiburg/Br. - Ulm - Infineon Technologies, - United Monolithic Semi- - FhG-IZFP, Saarbrücken - Würzburg München conductors, Ulm - Forschungszentrum Jülich - IRCAM, Erlangen - U2T, Berlin - Forschungszentrum - Laser Components, Olching - X-FAB Semiconductor Karlsruhe - LDT Laser Display Tech- Foundries, Erfurt - Ferdinand-Braun-Institut, nology, Jena Berlin - Lucent Technologies Network - Institut für Kristallzüchtung, Systems, Nürnberg Berlin - Micropelt, Freiburg/Br. - Max-Born-Institut, Berlin - m2k-laser, Freiburg/Br. - MPI für Mikrostrukturphysik, - NAsP III/V GmbH, Marburg Halle - Nokia Siemens Network, - MPI für Radioastronomie, München Bonn - Osram Opto Semiconductors, - Paul-Drude-Institut, Berlin Regensburg - Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig 202 International Cooperations Kooperationen Ausland Industry Research Institutions Universities - Acreo AB, Kista (S) - AIST National Inst. of - Aoyama Gakuin University, - University of Paris 7 Denis - Alcatel-Thales III-V Lab, Advanced Industrial Science Sagamihara City (J) Diderot (F) Palaiseau (F) and Technology, Tsukuba (J) - Case Western Reserve - Université Pierre et Marie - Alpes Laser, Neuchâtel (CH) - CEA/Sacley, Gif-sur-Yvette (F) University, Cleveland, OH Curie, Paris (F) - Amplitudes, Pessac (F) - Centre National de la (USA) - University of Peloponnese, - Asahi KASEI, Fuji, Shizuoka (J) Recherche Scientifique, - Chalmers University of Tripolis (GR) - BAE-Systems, Pomona, (USA) Paris (F) Technology (S) - Universita di Roma (I) - CPI, Palo Alto, CA (USA) - ESRF, Grenoble (F) - Cornell University, Ithaca, - University of Sheffield (UK) - Epispeed, Zurich (CH) - Institut d‘Electronique et de NY (USA) - University of Surrey, Guildford - Farran Technologies, Cork Micro-electronique du Nord - ETH, Zürich (CH) (GB) (IRL) (IEMN), Lille (F) - Hasselt University, - Universidad de Vigo (E) - Fisba Optik AG, St. Gallen (CH) - IRAM, Grenoble (F) Diepenbeek (B) - University of Western - Hitachi, Cambridge (GB) - ISL Institut franco-allemand - Lund University (S) Australia, Perth (AUS) - Hitachi Cable, Hitachi City (J) de recherches, Saint-Louis (F) - Middlesex University London - Universität Wien (A) - Infineon Technologies, Villach - Jefferson Lab, Newport News, (GB) - University of Wisconsin- (A) VA (USA) - Northwestern University, Madison (USA) - IQE, Cardiff (UK) - KTH Royal Institute of Evanston, IL (USA) - Uppsala University (S) - Alcatel-Lucent Technologies, Technology, Stockholm (S) - Technical University of - Waseda University (J) Bell Laboratories, Murray Hill/ - LAAS, Toulouse (F) Denmark, Lyngby (DK) Holmdel, NJ (USA) - Lawrence Livermore National - Tel Aviv University (IL) - Lumilog, Vallauris (F) Lab (USA) - University of Bari (I) NTT, Kanagawa (J) - NIMS, Tsukuba (J) - University of Bristol (UK) - Nortel, Ottawa (CDN) - NTB, Buchs (CH) - University of Cambridge (UK) - NXP, Nijmegen (NL) - Paul-Scherrer-Institut, - University College London - Oclaro, Zurich (CH) Villigen (CH) (UK) - Philips Analytical, Eindhoven - Technion Israel Institute of - Universidad de Extremadura, (NL) Technology, Haifa (IL) Caceres (E) - Picogiga, Paris (F) - TNO, Den Haag/Delft (NL) - Université Joseph Fourier, - QinetiQ, Malvern (GB) - Tyndall National Institute (IRL) Grenoble (F) - Süss Microoptics SA, - US Naval Research Lab., - Universidad Politécnica de Neuchâtel (CH) Wash. DC (USA) Madrid (E) - Syntune AB, Kista (S) - US Army Research Lab., - University of Michigan, - United Monolithic Semicon- Night Vision Lab, Wash. DC Ann Arbor, IL (USA) ductors, Orsay (F) (USA) - Université de Montpellier (F) - Wafer Technology, Milton - University of Nottingham (UK) Keynes (UK) - University of Oxford (UK) 203 The Fraunhofer-Gesellschaft Die Fraunhofer-Gesellschaft Research of practical utility lies at the heart of all activities Affiliated research centers and representative offices in Europe, pursued by the Fraunhofer-Gesellschaft. Founded in 1949, the USA and Asia provide contact with the regions of greatest the research organization undertakes applied research that importance to present and future scientific progress and drives economic development and serves the wider benefit economic development. of society. Its services are solicited by customers and contractual partners in industry, the service sector and With its clearly defined mission of application-oriented public administration. research and its focus on key technologies of relevance to the future, the Fraunhofer-Gesellschaft plays a prominent role At present, the Fraunhofer-Gesellschaft maintains more in the German and European innovation process. Applied than 80 research units in Germany, including 59 Fraunhofer research has a knock-on effect that extends beyond the direct Institutes. The majority of the 17,000 staff are qualified benefits perceived by the customer: Through their research scientists and engineers, who work with an annual research and development work, the Fraunhofer Institutes help to re- budget of €1.6 billion. Of this sum, more than €1.3 billion inforce the competitive strength of the economy in their local is generated through contract research. Two thirds of the region, and throughout Germany and Europe. They do so by Fraunhofer-Gesellschaft’s contract research revenue is derived promoting innovation, strengthening the technological base, from contracts with industry and from publicly financed improving the acceptance of new technologies, and helping to research projects. Only one third is contributed by the German train the urgently needed future generation of scientists and federal and Länder governments in the form of base funding, engineers. enabling the institutes to work ahead on solutions to problems that will not become acutely relevant to industry and society As an employer, the Fraunhofer-Gesellschaft offers its staff until five or ten years from now. the opportunity to develop the professional and personal skills that will allow them to take up positions of responsibility within their institute, at universities, in industry and in society. Students who choose to work on projects at the Fraunhofer Institutes have excellent prospects of starting and developing a career in industry by virtue of the practical training and experience they have acquired. The Fraunhofer-Gesellschaft is a recognized non-profit organization that takes its name from Joseph von Fraunhofer (1787–1826), the illustrious Munich researcher, inventor and entrepreneur. 204 kh g 400 f 450 d e 500 550 600 Wavelength (nm) c 650 b a 700 750 Forschen für die Praxis ist die zentrale Aufgabe der Fraunhofer-Gesellschaft. Die 1949 gegrün- By Joseph von Fraunhofer 1814 dete Forschungsorganisation betreibt anwendungsorientierte Forschung zum Nutzen der Wirt- rediscovered absorption lines schaft und zum Vorteil der Gesellschaft. Vertragspartner und Auftraggeber sind Industrie- und (black) within the visible solar Dienstleistungsunternehmen sowie die öffentliche Hand. spectrum. Von Joseph von Fraunhofer 1814 Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibt in Deutschland derzeit mehr als 80 Forschungseinrichtun- neuentdeckte Absorptionslinien gen, davon 59 Institute. 17 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, überwiegend mit natur- oder (schwarz) im sichtbaren Spekt- ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung, bearbeiten das jährliche Forschungsvolumen von rum der Sonne. 1,6 Milliarden Euro. Davon fallen 1,3 Milliarden Euro auf den Leistungsbereich Vertragsforschung. Zwei Drittel dieses Leistungsbereichs erwirtschaftet die Fraunhofer-Gesellschaft mit Aufträgen aus der Industrie und mit öffentlich finanzierten Forschungsprojekten. Nur ein Drittel wird von Bund und Ländern als Grund­finanzierung beigesteuert, damit die Institute Problemlösungen erarbeiten können, die erst in fünf oder zehn Jahren für Wirtschaft und Gesellschaft aktuell werden. Niederlassungen in Europa, in den USA und in Asien sorgen für Kontakt zu den wichtigsten gegenwärtigen und zukünftigen Wissenschafts- und Wirtschaftsräumen. Mit ihrer klaren Ausrichtung auf die angewandte Forschung und ihrer Fokussierung auf zukunftsrelevante Schlüsseltechnologien spielt die Fraunhofer-Gesellschaft eine zentrale Rolle im Innovationsprozess Deutschlands und Europas. Die Wirkung der angewandten Forschung geht über den direkten Nutzen für die Kunden hinaus: Mit ihrer Forschungs- und Entwicklungsarbeit tragen die Fraunhofer-Institute zur Wettbewerbsfähigkeit der Region, Deutschlands und Europas bei. Sie fördern Innovationen, stärken die technologische Leistungsfähigkeit, verbessern die Akzeptanz moderner Technik und sorgen für Aus- und Weiterbildung des dringend benötigten wissenschaftlich-technischen Nachwuchses. Ihren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern bietet die Fraunhofer-Gesellschaft die Möglichkeit zur fachlichen und persönlichen Entwicklung für anspruchsvolle Positionen in ihren Instituten, an Hochschulen, in Wirtschaft und Gesellschaft. Studentinnen und Studenten eröffnen sich an Fraunhofer-Instituten wegen der praxisnahen Ausbildung und Erfahrung hervorragende Einstiegs- und Entwicklungschancen in Unternehmen. Namensgeber der als gemeinnützig anerkannten Fraunhofer-Gesellschaft ist der Münchner Gelehrte Joseph von Fraunhofer (1787–1826), der als Forscher, Erfinder und Unternehmer gleichermaßen erfolgreich war. 205 How to reach us Anfahrt By car Auto from the south: Autobahn A5 Basel – Karlsruhe, exit 62 von Süden: Autobahn A5 Basel – Karlsruhe, Ausfahrt 62 »Freiburg Mitte«, towards Freiburg, 3rd exit »Offenburg / »Freiburg Mitte«, Richtung Freiburg. Dritte Ausfahrt »Offen- Industriegebiet Freiburg-Nord / Landwasser« (Paduaallee / burg / Industriegebiet Freiburg-Nord / Landwasser« Granadaallee / Lembergallee). Turn right at the 4th exit into (Paduaallee / Granadaallee / Lembergallee). An der vierten Tullastrasse. Kreuzung rechts in die Tullastraße. from the north: Autobahn A5 Karlsruhe – Basel, exit 61 von Norden: Autobahn A5 Karlsruhe – Basel, Ausfahrt 61 »Freiburg Nord« towards Freiburg until exit »Industriegebiet- »Freiburg Nord«, Richtung Freiburg bis Abfahrt »Industrie­ Nord«. At 1st traffic light drive straight ahead direction Lörrach gebiet-Nord«. An der ersten Ampel geradeaus Richtung (Mooswaldallee / Lembergallee). At 5th traffic light turn left Lörrach (Mooswaldallee / Lembergallee), an der fünften into Tullastrasse. Ampel links in die Tullastraße. By train Zug Hourly IC- and EC-trains to Freiburg central IC- und EC-Züge im Stundentakt nach Freiburg-Hauptbahnhof. station. From there 12 minutes by taxi. Von dort ca. 12 Minuten mit dem Taxi zum IAF. By plane Flugzeug Airport Basel-Mulhouse, one hour by bus or car to Freiburg. Flughafen Basel-Mulhouse, eine Stunde mit Bus oder Auto Airport Frankfurt/M., 2.5 hours by train or car to Freiburg. nach Freiburg. Flughafen Frankfurt/M., 2,5 Stunden mit Zug oder Auto nach Freiburg. 206 a5 karlsruhe Offenburg über B3 Emmendingen Waldkirch ausfahrt 61 freiburg-nord FR-Hochdorf B3 e All ld Wa Autobah nz ubringer Mit Industriegebiet Haid basel Lörrach über B3 te he kirc e raß r St e itte rlin Be B 31a a5 Neue Messe er Umkirch raße Habsb urger straße Zährin ger Str aß ee lee Tullast str. ser es Eng Dreisam Stadtm Madison Georges-Köhler -Al Ha ns -B un te -S tr. da a an a Gr lle e aa du Pa ausfahrt 62 freiburg-mitte e alle FR-Zähringen e Institut für Mikrosystemtechnik e Straß itschann-M am IAF straß Tulla ikea Flugplatz Freiburg Dr eis aldalle Moosw rgallee Lembe Herrm lle e Industriegebiet Freiburg-Nord Titisee-Neustadt Donaueschingen 207 Publishing Notes Impressum Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF Tullastrasse 72 79108 Freiburg Germany Tel. +49 761 5159-0 Fax +49 761 5159-400 [email protected] www.iaf.fraunhofer.de Editorial Board Redaktion Oliver Ambacher, Helga König, Stefan Müller Photos Layout, Typesetting, Printing Fotos Layout, Satz, Druck Fraunhofer IAF, Liana Marek; netsyn, Joachim Würger, Freiburg AirRobot® GmbH & Co. KG (p. 13); EMT Ingenieurgesellschaft All rights reserved. Reproduction requires the Dipl.-Ing. Hartmut Euer mbH (p.15); permission of the director of the institute. Fraunhofer FHR (pp. 10, 11); Alle Rechte vorbehalten.Nachdruck nur mit Alcatel-Lucent (pp. 31, 37); Genehmigung der Institutsleitung. EADS DE (p. 34); IRCAM GmbH (p. 47); NASA Langley Research Center (p. 105, right); © Fraunhofer-Institut für AIXTRON AG (p. 135, left); Angewandte Festkörperphysik MEV Verlag GmbH (pp. 64, 150/151); Freiburg 2010 fotolia (pp. 0, 4, 5, 8, 9, 77, 209, back cover) 208 PREVIEW 2010 VORSCHAU 2010 5 th Security Research Conference, Berlin September 7th – 9 th, 2010 Scope of the Conference The symposium will cover all relevant aspects of modern security research. Decision makers in politics and economy are given the opportunity to meet scientists presenting their latest results in the field of security research. Participants in research and development projects on a national as well as an international level in the field of security research are strongly encouraged to present their results and achievements at the conference. This conference series is organized by the Fraunhofer Group for Defense and Security. Venue Landesvertretung Baden-Württemberg Tiergartenstr. 15 10785 Berlin, Germany Conference Management Dr. Harald D. Müller Phone +49 761 5159-458 [email protected] www.future-security.eu 209 F raunhofer - I nstitut für A n g e w an d te F est k ö r p er p h y si k I A F Tullastrasse 72 79108 Freiburg Germany Tel. +49 761 5159-0 Fax +49 761 5159-400 [email protected] www.iaf.fraunhofer.de Director Prof. Dr. rer. nat. Oliver Ambacher Public Relations Dr. rer. nat. Harald D. Müller Tel. +49 761 5159-458 Fax +49 761 5159-111 [email protected] Cover: Squaring the circle – The imaged object is a single crystalline diamond grain (grey) that is anisotropically etched by hot spheres of molten nickel (red). For this picture, the prize for the first place winner in the »Science as Art Competition« was awarded to Waldemar Smirnov during 2009 MRS Fall Meeting.