Ein Konzept zur Hetero-Integration von SiGe mit GaAs für einen hochauflösenden Radarsensor bei 300 GHz

Inhalt:
Die Fortschritte moderner SiGe-Technologien ermöglichen durch die erreichten Grenzfrequenzen von bis zu 700 GHz immer höhere Betriebsfrequenzen und Bandbreiten (siehe [1]), dennoch ermöglichen Verbindungshalbleiter mittels metamorpher HEMT Transistoren darüber hinaus deutlich höhere Grenzfrequenzen und erschließen somit Anwendungen bis in den Terhertzbereich. Auch wenn beispielsweise im Mobilfunk seit jeher die verschiedenen Technologien kombiniert werden um optimale Systemeigenschaften zu erreichen, ist dies im Millimeterwellenbereich und in der Terahertztechnik durch die aufwendige Aufbau- und Verbindungstechnik bisher nicht etabliert. Im Bereich der Industrie-Sensorik ermöglichen heutzutage Radar-Sensoren die berührungslose Erfassung zahlreicher Messgrößen auch unter rauen Umweltbedingungen für Füllstände, Schichtdicken und vieles mehr. Für hochauflösende Messsysteme sind dabei hohe Trägerfrequenzen (gute Winkelauflösung) und große Systembandbreiten (gute Entfernungsauflösung) notwendig. Für Frequenzen bis 100 GHz sind bereits Messsysteme etabliert (z.B. [3]) und auch bis hinauf zu 240 GHz wurden Systeme in Silizium demonstriert (vgl. [4]). Für noch bessere Messauflösungen bei gleichzeitig verbesserter Systemdynamik, soll im Rahmen dieser Arbeiten ein Radarsystem mit bis zu 100 GHz Bandbreite bei Trägerfrequenzen bis zu 300 GHz realisiert werden. Alle niederfrequenten Komponenten zur Signalerzeugung sollen durch einen hochintegrierten SiGe-Chip erzeugt werden, wohingegen die letzte Frequenzverdoppler- und Verstärkerstufe für beste Systemdynamik zusammen mit dem Empfangsmischer in GaAs realisiert werden (siehe Abb. 1). Für eine Integration auf Komponenten-Ebene sollen die verschiedenen Chips sowie der Quarz-Antennen-Chip nebeneinander platziert und durch eine zusätzliche Metallisierungslage verbunden werden (siehe Abb. 2). Diese Art der Verbindungstechnik konnte bereits in ersten Versuchen erprobt werden (siehe Abb. 3). Eine erste Version des SiGe-Chips ist in Abb. 4 dargestellt und enthält alle notwendigen Komponenten für die Signalerzeugung. Der integrierte Oszillator mit nachgeschaltetem Verdoppler erreicht eine Rekord-Abstimmbandbreite von 47,8 GHz, so dass nach der finalen Frequenzverdopplung in GaAs über 95 GHz Messbandbreite ermöglicht werden. Auch erste GaAs-Komponenten konnten bereits das Potential der Technologie demonstrieren, so deckt der Verstärkerchip (Abb. 6) das komplette Frequenzband (220 – 320 GHz) mit mehr als 20 dB Verstärkung (siehe Abb. 7) ab und erreicht im messbaren Bereich eine Rauschzahl unterhalb von 8 dB. Die soweit realisierte Kombination der Technologien verspricht herausragende Radar-Systemeigenschaften. Darüber hinaus können zukünftig noch weitere Aspekte, wie die Arbeitspunkteinstellung, Phasenregelkreis und AD-Wandler auf den SiGe-Chip mit integriert werden und somit ein hochintegriertes Messsystem erreicht werden.