AlPN/GaN-HEMTs: Der neue Standard für ultra-niedrige Rauschwerte in 5G- und 6G-Schaltungen

Kuala Lumpur, Malaysia, Quelle:

Der rasante Ausbau von 5G-Netzen und die frühen Phasen der 6G-Entwicklung erhöhen den Bedarf an Halbleitermaterialien, die höhere Geschwindigkeiten mit größerer Zuverlässigkeit bewältigen. Galliumnitrid-(GaN)-High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs) bilden seit Langem das Rückgrat für Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen. Dennoch bleibt eine anhaltende Herausforderung bestehen: Die Rauschleistung in empfindlichen Hochfrequenz-Frontends.

Eine im September 2026 veröffentlichte Studie von Forschern der Universiti Kuala Lumpur, der Universität Schardscha und dem Karunya Institute of Technology and Sciences bietet eine überzeugende Lösung. Sie stellen Aluminiumphosphidnitrid (AlPN) als Barrierematerial vor, das das intrinsische HF-Rauschen erheblich reduziert.

Herkömmliche AlGaN/GaN-HEMTs nutzen polisationsinduzierte Ladungen, um einen zweidimensionalen Elektronengaskanal zu bilden. Dieser Ansatz ist zwar effektiv, stößt jedoch oft bei der Spannungsverwaltung und Abstimmbarkeit an Grenzen. Durch den Austausch der Aluminiumgalliumnitrid-Barriere gegen eine Aluminiumphosphidnitrid-Legierung erhalten Ingenieure eine präzise Kontrolle über Gitterparameter und Polarisations Eigenschaften. Das Forschungsteam nutzte ein physikbasiertes TCAD-Simulationsframework, um zu untersuchen, wie sich die Variation des Phosphor-Molenbruchs auf das Verhalten des Bauteils auswirkt.

Die Analyse ergab einen spezifischen Optimalwert. Eine Phosphor-Zusammensetzung von zehn Prozent schafft die ideale Balance zwischen Trägerkonzentration und elektrostatischer Steuerung. Bei dieser exakten Konfiguration erreichte das Bauteil einen minimalen Rauschfaktor von nur 0,75 dB bei 10 GHz. Dies stellt eine erhebliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen AlGaN-Bauelementen dar, die unter ähnlichen Bedingungen typischerweise Rauschfaktoren oberhalb von 1,6 dB aufweisen. Die Reduktion resultiert aus einer erhöhten 2DEG-Dichte und einem reduzierten Kanalwiderstand, was die thermische Rauschgenerierung direkt unterdrückt.

Die Auswahl des Substrats spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle für diese Ergebnisse. Im Vergleich zu Siliziumsubstraten zeigten auf Siliziumkarbid aufgebaute AlPN/GaN-HEMTs noch niedrigere Rauschfaktoren. Die überlegene Wärmeleitfähigkeit von SiC ermöglicht eine effizientere Wärmeableitung. Diese Betriebssicherheit unterdrückt weiter defektbedingte Schwankungen. Der optimierte AlPN/GaN-HEMT auf einem SiC-Substrat erreichte einen bemerkenswerten minimalen Rauschfaktor von 1,8 dB bei 20 GHz. Dies belegt seine Eignung für Millimeterwellenanwendungen.

Dieser Fortschritt eröffnet einen klaren Designweg für rauscharme Verstärker, Mischer und Oszillatoren der nächsten Generation. Durch die Konstruktion des Barrierematerials und die Auswahl geeigneter Substrate können Hersteller nun HF-Komponenten produzieren, die ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis und eine größere Systemzuverlässigkeit bieten. Diese Verbesserungen erfolgen ohne Kompromisse bei der Leistungsdichte oder den Grenzfrequenzen. Dies markiert einen bedeutenden Schritt nach vorn für die Hochfrequenz-Schaltungstechnik.