Galliumnitrid für ein leistungsstarkes 5G-Mobilfunknetz

28.1.2019

Das Mobilfunknetz der fünften Generation (5G) soll eine Datenübertragung zwischen Menschen, Geräten und Maschinen in Echtzeit ermöglichen. Eine Technologie für ein schnelles und energieeffizientes 5G-Netz gibt es bislang nicht. Aus diesem Grund haben sich 17 Partner aus Forschung und Industrie in dem EU-Projekt »5G-GaN2« zusammengeschlossen, um Technologien auf Basis von Galliumnitrid zu entwickeln.

© Fraunhofer IAF

Dr. Dirk Schwantuschke ist Gruppenleiter in der Abteilung Mikroelektronik und betreut das Projekt »5G-GaN2« auf Seiten des Fraunhofer IAF.

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Der E-Band-Verstärkerchip, wie er am Fraunhofer IAF entwickelt wird, ist nur 4 × 2,5 mm² groß.

Bislang kommunizieren hauptsächlich Menschen über das drahtlose Funknetz. Im Mobilfunknetz der fünften Generation (5G) sollen auch Autos, Geräte und Produktionsmaschinen Daten in Echtzeit übertragen. Um diese hohe Datenrate zu bewältigen, werden in Zukunft auch Frequenzbänder im Millimeterwellenbereich (> 24 GHz) genutzt. Sie stellen eine zehnmal höhere Bandbreite bereit als die bislang verfügbaren Frequenzbänder (< 3 GHz). Mit der derzeitigen Mobilfunk- und Antennentechnologie können diese neuen Frequenzbereiche jedoch noch nicht effizient bedient werden.

Erhöhte Energieeffizienz durch Galliumnitrid-Technologie

»Für diese neuen Frequenzbänder ist es notwendig, die verfügbare Ausgangsleistung und die Energieeffizienz der Netzinfrastruktur durch den Einsatz fortschrittlicher Galliumnitrid- Technologie zu erhöhen«, sagt Dr. Dirk Schwantuschke, der das Projekt seitens des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF leitet. In dem Projekt »5G GaN2« sollen Komponenten, Bauteile und Schaltungen für 5G-Basisstationen auf Basis von Galliumnitrid (GaN) entwickelt werden. Das Fraunhofer IAF trägt an dem Gesamtvorhaben mit der Entwicklung von Leistungsverstärkern im E-Band, dem Frequenzbereich um 80 GHz, bei.

Kosten senken und Leistung steigern

Elektronische Bauteile und Systeme auf Basis von GaN sind wesentlich energieeffizienter als herkömmliche Bauelemente aus Silizium (Si). Wahlweise sollen die GaN-Bauteile auf kostengünstigen Si-Substraten aufgebracht werden. Ebenso geht es in dem Projekt darum, durch die Weiterentwicklung der Aufbautechnik verschiedene Bauelemente in einem Gehäuse zu vereinen, um so Kosten zu reduzieren. Ziel des Projekts ist es, Demonstratoren zu entwickeln, die bei 28 GHz, 38 GHz und 80 GHz Daten übertragen. Diese sollen als Schlüsseltechnologien die Entwicklung des 5G-Mobilfunknetzes auf Basis von GaN vorantreiben.

Im Projekt spiegelt sich die gesamte Wertschöpfungskette der Mobilfunktechnologie wider: Waferlieferanten, Halbleiterhersteller und Systemintegratoren entwickeln zusammen mit Universitäten und Forschungseinrichtungen neue GaN-basierte Technologien für das Mobilfunknetz der fünften Generation.