2005 Annual Report - Fraunhofer IAF · 2005 Annual Report Jahresbericht Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF Tullastrasse 72 79108 Freiburg ... von überzeugenden

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Annual ReportJahresbericht

Fraunhofer-Institut fürAngewandte Festkörperphysik IAFTullastrasse 7279108 FreiburgGermanyTel: +49 (0) 7 61 / 51 59-0Fax: +49 (0) 7 61 / 51 59-4 [email protected]

DirectorProf. Dr. rer. nat. Günter Weimann

InformationDr. rer. nat. Harald D. MüllerTel: +49 (0) 7 61 / 51 59-4 58Fax: +49 (0) 7 61 / 51 59-1 [email protected]

2005

Cover: High-power amplifier in GaN HEMT tech-nology, developed in cooperation with Alcatel.Titelseite: Leistungsverstärker mit GaN-HEMTs,entwickelt in Zusammenarbeit mit Alcatel.

GaN, a wide bandgap III-V compound for high operating voltages and high power.GaN, ein III-V-Verbindungshalbleiter mit großer Bandlückefür hohe Spannungen und Leistungen.

2005

In 2005 we again obtained numerousgood results in cooperation with ourpartners – two of them deserve to bementioned here.

Our bispectral infrared detectors willbe installed in the military Airbus version A400M, our power amplifierswith GaN HEMTs reached 100 W out-put power. Details and much morecan be found in this Report which,hopefully, will find your interest.

The role of Fraunhofer IAF in the III-Vcommunity was again emphasized bythe organization of the »32nd Inter-national Symposium on CompoundSemiconductors« in the Europa-Parkat Rust. This conference, with its longtradition going back to 1966, movesbetween North America, Europe, andEast Asia triannually and is still goingstrong, as can be seen from »ISCS2005« in this Report.

The past year also brought about per-sonal changes. Peter Koidl, deputydirector of Fraunhofer IAF for manyyears, retired in December 2005. Wesaid »goodbye« to him with a collo-quium and a get-together of his col-leagues, friends and students. His successor in office is Joachim Wagner.Again, more in this Report.

Preface

In January 2006 we also had to say»goodbye« to Karlheinz Kreuzer who had been in charge of BMBF'sdivision »Communication Techno-logies« (Ref. 525) for many years.Karlheinz Kreuzer has been a stead-fast supporter of our Institute andcoordinator of numerous joint R&Dprojects of the past 20 years, startingwith GaAs electronics in 1986.Partners of the many projects he had managed so well came togetherwith highlights of the long standingcooperations.

In last year's Report I promised information on my succession. TheFraunhofer-Gesellschaft and theUniversity of Freiburg have agreed to appoint a new director of IAF in a joint position with a professorship, so that I do believe that this year'sReport is the last in my responsibility.

Again, as in every year, but muchmore so this last year, I would like to thank all of you working at theFraunhofer IAF for your dedicated,highly motivated work which madeIAF one of the world's leading institutes.

I also express my deep gratitude tothe officials in our funding ministriesBMVg and BMBF and in their relatedagencies who cared so well for us inthe past years. Thanks are due to ourpartners in industry, who trusted andsupported us, as did the members ofour Advisory Board. Finally, I thank theDepartment of Electrical Engineeringand Information Technology of theUniversity of Karlsruhe for giving me a scientific home in the past decade.

I do wish the Fraunhofer IAF and allworking there a bright and successfulfuture.

Im Jahr 2005 gab es wieder eine Reihevon überzeugenden Ergebnissen ausdem Fraunhofer IAF mit und für unse-re Partner, von denen ich hier nur zweierwähnen möchte:

Unsere bispektralen Infrarot-Detek-toren werden im Airbus A400M ein-gesetzt werden, mit GaN-Transistorenkonnten Leistungsverstärker mit über100 W Ausgangsleistung realisiertwerden. Einzelheiten hierzu und vielesmehr finden Sie in diesem Bericht, ichwünsche Ihnen viel Vergnügen bei derLektüre.

Der Stellenwert des Fraunhofer IAF inder Welt der Verbindungshalbleiterwurde wieder einmal unterstrichendurch die Ausrichtung des »32nd

International Symposium on Com-pound Semiconductors« im Europa-Park Rust. Diese traditionsreicheKonferenz wechselt seit 1966 im drei-jährigen Turnus zwischen USA, Europaund Ostasien, sie ist aber immer nochsehr lebendig, wie der Beitrag über»ISCS 2005« in diesem Bericht zeigt.

Das Jahr 2005 brachte auch personel-le Veränderungen im Fraunhofer IAF.Peter Koidl, unser langjähriger stellver-tretender Institutsleiter, wurde im Dezember 65 Jahre alt. Wir haben ihnim Januar 2006 mit einem Kolloquiumverabschiedet. Auch das finden Sie in diesem Bericht. Sein Nachfolger alsstellvertretender Institutsleiter istJoachim Wagner.

Ebenfalls im Januar 2006 hat dasFraunhofer IAF MinR Karlheinz Kreuzer(BMBF – Referat 525, Kommunika-tionstechnologie) mit einem Fest-kolloquium verabschiedet, das diedeutsche »GaAs-Gemeinde« noch einmal vereinigt hat. Auch darübermehr in diesem Bericht.

An dieser Stelle hatte ich Ihnen letztesJahr versprochen, mehr über meineNachfolge zu berichten. Inzwischen istein gemeinsames Berufungsverfahrender Fraunhofer-Gesellschaft und derAlbert-Ludwigs-Universität Freiburg fürmeinen Nachfolger angelaufen, sodassdieser Jahresbericht wohl der letztesein wird, der unter meiner Instituts-leitung entsteht.

Wie alljährlich, aber diesmal umsomehr, möchte ich allen danken, diezum Erfolg des Fraunhofer IAF beige-tragen haben, vor allen Ihnen, liebeMitarbeiterinnen und Mitarbeiter desInstituts, die Sie mit Ihrer Arbeit undIhrer Motivation das IAF weltbekanntgemacht haben.

Den Förderern in BMVg und BMBFund unseren Industriepartnern sowieunseren Kuratoren danke ich fürVertrauen und Unterstützung in denvergangenen elf Jahren. Danke auchan die Fakultät für Elektrotechnik undInformationstechnik der UniversitätKarlsruhe, die mir während dieser Zeitwissenschaftliche Heimat war.

Dem Fraunhofer IAF und seinen Mit-arbeiterinnen und Mitarbeitern wün-sche ich für die Zukunft alles Gute.

Günter Weimann April 2006

Vorwort

Contents Annual Report 2005

The Fraunhofer IAF – Profile and Research Areas 3

Advisory Board 6

News, Events, People 8

MMICs 24

- 220 GHz MMIC Amplifier Modules 26

- GaN Power Amplifiers for Radar Systems

and Base Station Applications 30

MIXICs 34

- Ultra-High-Speed Mixed-Signal Integrated Circuits

Based on InP DHBT Technology 36

Infrared Sensors 44

- Molecular Beam Epitaxy of CdHgTe for

Dual-Band Infrared Detectors 46

- InAs/GaSb Superlattices for Bi-Spectral

Thermal Imaging Between 3 – 5 µm 50

Semiconductor Lasers and LEDs 54

- High-Brightness Tapered Lasers 56

- Short-Wavelength Quantum Cascade Lasers 62

- 2.X µm High-Power Diode Lasers 68

CVD Diamond 72

- CVD Diamond Capsules for Inertial Confinement Fusion 74

Publications, Conferences, and Seminars 80

Patents 86

Committees, Conferences, and Exhibitions 87

Awards 88

Education and Teaching 88

Our Partners 89

Access 90

Das Fraunhofer IAF – Institutsprofil und Forschungsfelder 3

Kuratorium 6

Menschen und Momente 8

MMICs – Monolithisch integrierte Mikrowellen-Schaltungen 24

- 220-GHz-MMIC-Verstärkermodule 27

- GaN-Leistungsverstärker für Anwendungen

in Radarsystemen und Basisstationen 31

MIXICs – Mischsignal-Schaltungen 34

- Mischsignal-Schaltungen für 80 Gbit/s und höher

mit InP-DHBTs 37

Infrarot-Sensoren 44

- Molekularstrahlepitaxie von CdHgTe für

Zwei-Band-IR-Detektoren 47

- InAs/GaSb-Übergitter für bispektrale

Thermographie bei 3 – 5 µm 51

Halbleiter-Laser und LEDs 54

- Trapezlaser hoher Brillanz 57

- Quantenkaskadenlaser für kürzere Wellenlängen 63

- 2.X µm Hochleistungs-Dioden-Laser 69

Diamant 72

- CVD-Diamantkapseln für die Kernfusion 75

Veröffentlichungen und Vorträge 80

Patente 86

Gremien, Tagungen und Ausstellungen 87

Auszeichnungen 88

Ausbildung und Lehre 88

Unsere Partner 89

Anfahrt 90

Inhaltsverzeichnis 2005

–Fraunhofer IAF 2005–1

InP-based HBTs are ideal for high-speed mixed signal ICs.InP-basierte HBTs liefern schnellste Mischsignal-Schaltungen.

2 Fraunhofer IAF 2005


Fraunhofer-Institut fürAngewandte Festkörperphysik IAF

Profile of the Institute

The Fraunhofer IAF has long-standingcompetence in III-V compound semi-conductors for nano-, micro-, andoptoelectronics. It is one of the 58research institutes of the Fraunhofer-Gesellschaft focused on applied re-search in government and industrialcontracts.

In 2005 the Fraunhofer IAF had a total staff of 185, with more than 100 scientists and engineers. 11 stu-dents affiliated to different universitiesare working on their diploma or doc-toral research.

The total floorspace for offices andlaboratories is 8 000 m2, with a cleanroom of 800 m2 for device and circuitprocessing and epitaxy.

The annual budget (operating costs) in2005 was € 15.8 million compared to€ 15.5 in 2004. The annual invest-ments were unchanged € 5.5 million,again exceptionally high.

The major part of the operating costswas provided by the Federal Ministryof Defense (BMVg) with 65 % in basicand project funding. The contractsfunded by the Federal Ministry ofEducation and Research (BMBF) fell to a low level of 7 %, while 19 %resulted from industrial contracts.Investment in new equipment wasagain high, with 96 % being fundedby BMVg. Industrial contracts madeup 54 % of non-military research.

Institutsprofil

Das Fraunhofer IAF hat eine langjähri-ge und ausgewiesene Kompetenz aufdem Gebiet der III-V-Verbindungshalb-leiter für Anwendungen in der Nano-,Mikro- und Optoelektronik. Es isteines der 58 Institute der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der ange-wandten Forschung.

Im Jahr 2005 hatte das Fraunhofer IAF185 Beschäftigte, darunter warenüber 100 Wissenschaftler und Ingeni-eure. 11 Diplomanden und Doktoran-den von verschiedenen Universitätenforschen am IAF.

Die Gesamtfläche der Büros undLaboratorien beträgt 8 000 m2, miteinem Reinraum von 800 m2 fürProzesstechnologie und Epitaxie.

Die laufenden Kosten lagen 2005 bei15,8 Mio € gegenüber 15,5 Mio € imVorjahr. Die Investitionen waren mit5,5 Mio € unverändert und wiederumerfreulich hoch.

Der Großteil der laufenden Kosten mit65 % wurde vom Bundesministeriumder Verteidigung (BMVg) mit derGrundfinanzierung und in Projektengetragen, nur niedrige 7 % trug dasBundesministerium für Bildung undForschung (BMBF) bei und 19 % re-sultierten aus Industrieaufträgen. DieInvestitionen wurden zu 96 % vomBMVg finanziert. Die Industrieaufträgebetrugen hohe 54 % in der Vertrags-forschung.

The InstituteDas Institut

4–Fraunhofer IAF 2005

Research Areas and Mission

The Fraunhofer IAF is a leading re-search institute in the field of III-Vsemiconductors, working on epitaxialmaterial growth, devices, and integra-ted circuits. Our R&D work includesdesign, manufacture, and small andmedium volume production of MMICs,mixed signal circuits, and optoelectro-nic devices, especially in the infraredspectral range. We work on practicallyall III-V materials, using GaAs, InP, andtheir ternaries and quaternaries, aswell as the group III-nitrides and -anti-monides.

High frequency circuits use modula-tion-doped field effect transistors andheterojunction bipolar transistors asgeneric devices. Optoelectronic devi-ces include infrared detectors for thewavelength regions of 3 – 5 µm and 8 – 12 µm using intersubband transi-tions in AlGaAs quantum well structu-res and, with increasing applications,superlattices based on the antimo-nides. We develop GaN-based LEDsand laser diodes for the UV-blue-green spectral range, high-powerdiode lasers emitting around 1 µm for, e. g., medical applications andmaterial processing, and IR-lasers forwavelengths of 2 µm and longer. A further competence of the Instituteis the chemical vapor deposition ofthick diamond layers with diametersup to 6".

Our defense related research aims attwo major applications: radar systemsand infrared technology. For radarapplications we focus on MMICs,essentially for X- and K-band frequen-cies with emphasis on GaN for high-power devices, while the second re-search field is centered on (mostly bi-spectral) infrared detectors and detec-tor arrays. QWIPs (quantum well IRphotodetectors) and antimonidebased superlattices are the basic

Forschungsfelder und Aufgaben

Das Fraunhofer IAF ist ein führendesForschungsinstitut auf dem Gebiet derIII-V-Halbleiter mit Material-, Bauele-ment- und Schaltungsentwicklung.Unsere F&E-Arbeiten decken alle Pro-zesse vom Entwurf bis zur Fertigungin kleinen und mittleren Serien ab füreine Vielzahl von MMICs, Mischsignal-Schaltungen und optoelektronischenBauelementen, speziell im infrarotenSpektralbereich. Wir verwenden die III-V-Verbindungen wie GaAs, InP undderen Ternäre und Quaternäre sowieder Gruppe III-Antimonide und -Nitride.

Unsere Hochfrequenzschaltungenbasieren auf modulationsdotiertenFeldeffekttransistoren und Heterobi-polar-Transistoren. An optoelektroni-schen Bauelementen entwickelt dasIAF Infrarot-Detektoren für Wellen-längen von 3 - 5 µm und 8 – 12 µm,mit Intersubband-Übergängen inAlGaAs-Quantenfilmen und, zuneh-mend, Übergittern auf Basis der Anti-monide. Wir arbeiten an kurzwelligen(UV-blau-grün emittierenden) GaN-basierenden LEDs und Laserdioden,Hochleistungsdiodenlasern mit Wellen-längen um 1 µm, z. B. für medizini-sche Anwendungen und Materialbear-beitung, sowie an Infrarot-Lasern mitWellenlängen von 2 µm und länger.Eine weitere Kernkompetenz desInstituts ist die Abscheidung vondicken, großflächigen Diamantschei-ben aus der Gasphase mit Durch-messern von 150 mm.

Die verteidigungsbezogene Forschungbeinhaltet einerseits MMICs für X-und K-Band, mit Betonung der GaN-Leistungselektronik für Radarsysteme,und andererseits die Entwicklung von,vorwiegend bispektralen, IR-Detek-toren und Detektorfeldern. QWIPs undauf den Antimoniden basierendeÜbergitter sind die Grundbausteine. Neuere Entwicklungen im Material-

The InstituteDas Institut

building blocks. Newer material developments are focused on large-area molecular beam epitaxy ofCdHgTe for IR-detectors.

Commercial applications require analog MMICs, with frequencies of 2 GHz for mobile communication, 20 – 40 GHz for broadband commu-nication systems, 77 GHz for automo-tive radar systems, and 94 GHz formillimeterwave sensors. Higher fre-quencies of 140 GHz and 220 GHzare finding increasing application inimaging systems. Mixed signal circuitsfor high bitrate telecommunicationsystems with 80 Gbit/s and higher arealso one of our research fields.

We are thus addressing present andfuture demands of our partners withnovel materials, devices, and circuits.

sektor liegen in der Herstellung vongroßflächigen CdHgTe-Schichten mitder Molekularstrahlepitaxie.

Zivile Anwendungen erfordern analo-ge MMICs mit Arbeitsfrequenzen von2 GHz für den Mobilfunk, 20 – 40 GHzfür breitbandige Kommunikationssys-teme, 77 GHz für Automobilradareund 94 GHz für die Millimeterwellen-Sensorik. Höhere Frequenzen von140 GHz und 220 GHz finden ver-stärkt Anwendung in bildgebendenSystemen. Mischsignalschaltungen fürdie hochbitratige Nachrichtentechnikmit 80 Gbit/s und mehr sind ein wei-teres Forschungsgebiet.

Das Fraunhofer IAF erfüllt damit die Anforderungen seiner Partner, obverteidigungsbezogen oder zivil, mitneuen Materialien, Bauelementen und Schaltungen.

ContactsKontakte

Director Prof. Günter Weimann Tel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-4 10Institutsleiter [email protected]

Deputy Director Prof. Joachim Wagner Tel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-3 52stellv. Institutsleiter [email protected]

Research Divisions High Frequency Devices and Circuits Dr. Michael Schlechtweg Tel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-5 34Abteilungen Hochfrequenz-Bauelemente und -Schaltungen [email protected]

III-V Technology Dr. Michael Mikulla Tel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-2 67III/V-Technologie [email protected]

Epitaxy and Infrared Devices Dr. Martin Walther Tel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-4 34Epitaxie und Infrarot-Komponenten [email protected]

Optoelectronic Modules Prof. Joachim Wagner Tel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-3 52Optoelektronische Module [email protected]

Central Services Administration Dr. Beatrix Schwitalla Tel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-4 14Zentrale Dienste Verwaltung [email protected]

Public Relations / Quality Management Dr. Harald D. Müller Tel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-4 58Öffentlichkeitsarbeit / Qualitätsmanagment [email protected]

Technical Services Dipl.-Ing. (FH) Christa Wolf Tel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-4 28Technische Dienste [email protected]


Our R&D work is now being carried out in four divisions, as the research fields of the former division »Infrared Technology«, headed by Peter Koidl, havebeen transferred to the divisions »Optoelectronic Modules»« and »Epitaxy and Infrared Devices«, respectively. Joachim Wagner incorporated the »Diamond«group into his division, whereas Martin Walther is now also responsible for infrared devices. The new division names reflect these changes in organization.Die F&E-Arbeiten der Abteilung »Infrarot-Technologie«, die von Peter Koidl geleitet wurde, fallen jetzt in die Zuständigkeit der Abteilungen »Optoelek-tronische Module« und »Epitaxie und Infrarot-Komponenten«. Die »Diamant«-Gruppe wurde von Joachim Wagner in seine Abteilung übernommen, Martin Walther ist zuständig für IR-Technologie. Die neuen Abteilungsnamen geben diese Organisationsänderung wieder.


Advisory BoardKuratorium

Experts from industry, universities, andthe Federal Ministries evaluate theresearch program of the Institute,advising the Institute's director andthe Board of Directors of theFraunhofer-Gesellschaft.

The members of our Advisory Boardare:

DirBWB Dipl.-Ing. Erwin BernhardBundesministerium der Verteidigung(BMVg), Bonn

Dr. Hans BruggerEADS Deutschland GmbH, Ulm

Prof. Dr. Hermann GrabertUniversität Freiburg/Br.

Dipl.-Ing. Karlheinz KreuzerBundesministerium für Bildung undForschung (BMBF), Bonn

Dr. Karl PlatzöderChairman / VorsitzenderInfineon Technologies AG,München

Unser Kuratorium begleitet unsereForschungsarbeit und berät denInstitutsleiter und den Vorstand derFraunhofer-Gesellschaft.

Die Mitglieder unseres Kuratoriumsaus Industrie, Wissenschaft undMinisterien sind:

Dr. Klaus SchymanietzEADS Deutschland GmbH, Ulm

Dr. Bernhard StappOsram Opto Semiconductors GmbH,Regensburg

Prof. Dr. Werner WiesbeckUniversität Karlsruhe

Dipl.-Math. Hartmut WolffBundesministerium der Verteidigung(BMVg), Bonn

Dr. Erich ZielinskiAlcatel SEL AG, Stuttgart


GaAs – the most common III-V semiconductor – still the »working horse«.GaAs – der gebräuchlichste III-V-Halbleiter und noch immer das »Arbeitspferd«.


December 2005: Peter Koidl Retires

The long professional career of Peter Koidlended in December 2005, after 37 years atFraunhofer IAF as scientist, university lecturer,and deputy director of the Institute. He startedwork at the »Institut für Elektrowerkstoffe«,then dedicated to research in the field of electricmaterials. This institute is now the Fraunhofer IAF.

Peter Koidl's initial work was on the investiga-tion of impurities in crystalline solids, a topicalfield in those days. After completing his PhDwork at the University of Freiburg in 1974, heworked on infrared materials, non-linear optics,and solid-state lasers. With work on ultra-hardcarbon layers he approached that material whichfascinated him for the major part of his workinglife – synthetic diamond layers by chemical vapordeposition. He also achieved excellent results indeveloping IR detectors, thus contributing to thesuccess and present standing of our FraunhoferIAF.

Peter Koidl always stayed engaged in the Uni-versity, first as lecturer and from 1990 on as aprofessor in the Physics Department, so bringinga number of dedicated PhD students to ourInstitute.

Colleagues, past and present, and almost all ofhis students said »goodbye« to Peter Koidl onJanuary 26, 2006 with scientific and non-scienti-fic reflections on his career. Two lectures byAdrian Bankewitz of Thiel & Partner GmbH,Pulheim, and Herbert Korf of AIM Infrarot-Module GmbH, Heilbronn, on diamond tweetermembranes and newest results on IR detectors,respectively, were most fitting to highlight PeterKoidl's research fields.

The Fraunhofer IAF says »goodbye« and »thankyou« to Peter Koidl for his dedicated work andfor leaving us with prospering diamond andinfrared technologies.

News, Events, PeopleMenschen und Momente

Wolfram Wettling (formerly with IAF, then Fraunhofer ISE),Peter Koidl, and successor Joachim Wagner.Wolfram Wettling (früher IAF, dann Fraunhofer ISE), Peter Koidl und Nachfolger Joachim Wagner.


Peter Koidl 65

Im Dezember 2005 beendete Peter Koidl seinelange berufliche Karriere am Fraunhofer IAF alsWissenschaftler, Hochschullehrer und stellvertre-tender Institutsleiter. Als er in unser Institut ein-trat, war dies noch das Institut für Elektrowerk-stoffe in der Eckerstraße.

Peter Koidl beschäftigte sich zunächst mit Verun-reinigungen in kristallinen Festkörpern – damalswaren fast alle Festkörper noch verunreinigt!Nach der Promotion 1974 an der UniversitätFreiburg folgten Arbeiten zu Infrarot-Materialien,nichtlinearer Optik und Festkörperlasern. Mitultraharten Kohlenstoffschichten näherte er sichschon bald dem Material, das wesentlicher Inhaltseines Berufslebens war, den künstlichen Dia-mantschichten. Neben Entwicklungen an Infra-rotdetektoren waren diese, aus der Gasphaseabgeschiedenen Diamantschichten so etwas wiePeter Koidls Markenartikel.

Peter Koidl blieb der Universität stets verbunden,als Privatdozent und später, nach 1990 alsaußerplanmäßiger Professor. Er hat so eine Reihe von guten Doktoranden an unser Institutgebracht.

Am 26. Januar 2006 haben wir Peter Koidl imKreis seiner jetzigen und ehemaligen Mitarbeiterund seinen Schülern im IAF verabschiedet, auchmit Vorträgen von seinen »Kunden«: AdrianBankewitz von der Firma Thiel & Partner GmbH,Pulheim, und Herbert Korf von AIM Infrarot-Module GmbH, Heilbronn, berichteten über –was wäre wohl passender – Lautsprecherka-lotten aus Diamant und die neuesten IR-Detek-toren. Wissenschaftliche und nicht-wissenschaft-liche Rückblicke auf die Jahre am und für das IAFzeichneten seinen Berufsweg nach.

Wir danken Peter Koidl für seine Arbeit, er hatdem IAF nachhaltige Technologien hinterlassen.


Herbert Korf (AIM) hands over macroscopic QWIP cake.Herbert Korf (AIM) mit makroskopischem »Kuchen-Pixel«.

Peter Koidl with Mrs Koidl, daughter, and son.Peter Koidl mit Frau, Tochter und Sohn.



January 2006: Karlheinz Kreuzer Retires

On January 18, 2006 a scientific colloquium washeld at Fraunhofer IAF in honor of KarlheinzKreuzer who retired from his division 525 (Refe-rat 525) of the Federal Ministry of Education andResearch (BMBF).

In the past 20 years Karlheinz Kreuzer was res-ponsible for electronics and microprocessors,microelectronics, communications technology,basic technologies for I&T, and finally for com-munications technologies, again. Changes in responsibilities and namings, however, did notinvolve changes in Karlheinz Kreuzer's purpose-ful strategy and innovative farsightedness, andthus reliable support of industry, research institu-tes and universities partaking in research pro-grams he supervised. This successful policy ofBMBF, carried out by Karlheinz Kreuzer wasbased essentially on compound semiconductors.The present state-of-the-art of III-V technologyand devices and systems based on these wouldnot have been reached in Germany without thisjudicial funding. His list of »clients« is long as hewas most adept at bringing partners from uni-versities, research institutes, and industry intojoint projects of, both, applied and basic nature.

All began in 1985 with an ambitious R&D pro-gram on GaAs, covering the full scope from theelements to integrated circuits. Even with not allof our dreams coming true – the super computerwith GaAs microprocessors remained a vision –the history of Karlheinz Kreuzer's projects is a listof lasting success.

The »companions« of Karlheinz Kreuzer met atFraunhofer IAF to look back on 20 years R&Dwith achieved milestones. At the end of the farewell colloquium all participants shared theopinion that they had partaken in innovative,systematic, and above all successful research. We owe Karlheinz Kreuzer thanks for his dedicated work.

Fraunhofer IAF also thanks him for many yearsof encouragement and good advice in ourAdvisory Board.

Karlheinz Kreuzer: We didn't do too badly.Karlheinz Kreuzer: Wir haben es doch ganz gut gemacht.



All started in 1984 with first plannings for »GaAs Electronics«,a large joint project funded by BMBF, going from raw materialsto quantum dots 20 years later.Alles begann 1984 mit den ersten Plänen zu »GaAs Elektronik«,einem BMBF-Verbundprojekt von den Rohstoffen bis zu denQuantenpunkten zwanzig Jahre später.

Freiberger Compound Materials (FCM) – a success story. FCM inFreiberg grew their first GaAs crystal in December 1991, onlyfour years later 4" LEC crystals followed, today FCM is one ofthe leading GaAs vendors, for both VGF and LEC crystals.Die Erfolgsgeschichte der Freiberger Compound MaterialsGmbH (FCM) wurde von Tilo Flade erzählt. Der erste GaAs-Kristall wurde Ende 1991 hergestellt, heute sind 6"- und 8"-Kristalle im Angebot, FCM ist ein führender GaAs-Produzent.

Karl Joachim Ebeling, President of the University of Ulm, cover-ed the development of VCSELs in projects advanced byKarlheinz Kreuzer with first devices in 1993 leading to VCSELarrays for 12 x 10 Gbit/s data transmission.Karl Joachim Ebeling, heute Rektor der Universität Ulm, berich-tete über die Entwicklung von VCSELs, erste vertikal emittieren-de Laser wurden im Programm »Photonik I« entwickelt (1990 –1993), im Projekt »ParOp« wurden 2003 VCSEL-Arrays für dieÜbertragung von 12 x 10 Gbit/s realisiert.



2004 Total: $232 M

AIXTRON63%

-15dB-10dB

-5dB

0dB90°60°120°

30°

330°

300°270°240°

210°

150°

180° 0°

0 25 50 75 100 125 150-18

-15

-12

-9

-6

-3

0

3

PIN-PD-Module C05-W15

Rel.

Pow

er (d

B)

Frequency (GHz)

Fraunhofer IAF took part in all joint research programs fundedby BMBF, starting with fundamental technology for GaAs devi-ces in »Galliumarsenid-Elektronik« in 1986 to GaN poweramplifiers in 2006.Das IAF war an allen Verbundprojekten des BMBF zu den Ver-bindungshalbleitern beteiligt, beginnend mit der Technologiebis zu GaN-Leistungsverstärkern für den Mobilfunk.

Michael Heuken talked about the history of AIXTRON AG, star-ting as an university spin-off from RWTH Aachen in 1983 andwith reliable project funding by BMBF now having 63 % of global market shares in MOCVD equipment.Michael Heuken schilderte die Entwicklung der AIXTRON AG,die als Ausgründung der RWTH Aachen in 1983 begann und,nach zuverlässiger BMBF-Förderung, heute 63 % am weltwei-ten MOCVD-Anlagen-Markt hat.

Werner Wiesbeck (University of Karlsruhe) showed examples ofR&D work in the field of radar sensors and mobile communica-tions.Werner Wiesbeck (Univ. Karlsruhe) zeigte einige Beispiele zur Technologieförderung aus der Radarsensorik und Mobil-kommunikation.

Herbert Venghaus reported on some of the record breakingdemonstrations of Fraunhofer HHI, so the transmission of a2.56 Tbit/s data stream with one optical fiber.Das heutige Fraunhofer HHI hat in den letzten 20 Jahren vieleRekorde demonstriert, so auch die Übertragung von 2,56 Tbit/süber eine einzelne Glasfaserstrecke.



Januar 2006: Karlheinz Kreuzer 65

Am 18. Januar 2006 hat das IAF ein kleines Fest-kolloquium für MinR Karlheinz Kreuzer veranstal-tet, der im Januar mit seiner Pensionierung dielangjährige Leitung »seines« Referats im BMBFabgab.

Karlheinz Kreuzer war in den vergangenen 20Jahren nacheinander zuständig für Elektronikund Mikroprozessorsysteme, Mikroelektronik,Kommunikationstechnik, Basistechnologien derInformationstechnik, dann Basistechnologien derInformations- und Kommunikationstechnik undschließlich wieder Kommunikationstechnologie.Änderung oder Umbenennung des Referatsänderten aber nichts an Karlheinz Kreuzers ziel-gerichteter Strategie, innovativer Weitsicht unddamit verlässlicher Förderung von einschlägigerIndustrie, Forschungsinstituten und Hochschulen,die an den von ihm betreuten Förderprogram-men beteiligt waren. Diese erfolgreiche Förder-politik des BMBF, für die Karlheinz Kreuzer stand,baute wesentlich auf den Verbindungshalbleiternauf. Der heutige Entwicklungsstand der III-V-Technologie und III-V-Bauelemente und der dar-aus hervorgehenden Systeme wäre ohne dieseFörderung nie erreicht worden. Die Liste vonKarlheinz Kreuzers »Kunden« ist lang – verstander es doch in hervorragender Weise, Uni-versitäten und außeruniversitäre Forschungs-gruppen an die relevante Industrie anzubindenin anwendungsorientierten, aber auch in grund-legenden Projekten.

Dies alles begann 1985 mit einem ehrgeizigenGaAs-Entwicklungsprogramm von den Roh-stoffen bis zur integrierten Schaltung. Auchwenn nicht alle Blütenträume reiften – der mitGaAs-Mikroprozessoren bestückte Großrechnerblieb Vision –, so wurden doch viele bleibendeErfolge erreicht.

Die Weggefährten von MinR Kreuzer kamen imFraunhofer IAF zusammen, um die 20 Jahre F&Emit ihren Meilensteinen Revue passieren zu las-sen. Am Schluss des Abschiedskolloquiumswaren alle Beteiligten der Meinung, in diesen20 Jahren innovative, zielgerichtete F&E erlebt zuhaben mit vielen Erfolgen, wenn auch manchesvon der Entwicklung überholt worden war. Dafürgebührt Karlheinz Kreuzer Dank. Das FraunhoferIAF dankt ihm auch für viele gute Ratschlägeund die lange Begleitung als Kurator des Insti-tuts.

Karlheinz Kreuzer, Mrs Kreuzer, and daughter.Karlheinz Kreuzer mit Frau und Tochter.

Farewell colloquium for Karlheinz Kreuzer.Abschiedskolloquium für Karlheinz Kreuzer.

What happens after Karlheinz Kreuzer?Wie geht es weiter nach Karlheinz Kreuzer?



Klaus von Klitzing with plenary talk on the long wayfrom basic physics to devices.Klaus von Klitzing während seines Plenarvortrags »Vonden Grundlagen zu Bauelementen«.

ISCS 2005

The 32nd International Symposium on CompoundSemiconductors (ISCS 2005) was held in theEuropa-Park in Rust from September 18 – 22,2005. This symposium goes back to 1966, theninitiated as »International Symposium on GaAsand Related Compounds«. It always was and stillis dedicated to materials science, technology, andapplication of compound semiconductors, nowaddressing both electronic and optoelectronicdevices and circuits as well as nanostructural andquantum functional devices. The symposium'svenue triannually moves from the Far East toEurope and on to the USA and then back again.

It was Europe's turn in 2005, Fraunhofer IAForganized the conference in the Europa-Park,which turned out to be an ideal venue for themeeting. Joachim Wagner and Günter Weimannwere conference chairmen, the excellent interna-tional program committee was led by MartinWalther and Oliver Ambacher (University ofIlmenau). This program committee set up anexcellent scientific program with two plenary andeight invited lectures, and more than a hundredcontributions in oral form or as posters. The livelyconference showed that R&D in compound semi-conductors are still going strong, especially inJapan and Korea.

The excellent plenary lectures were of stimulatingcontrast. While Nobel-Laureate Klaus von Klitzing(MPI, Stuttgart) showed up the way from basicnanophysics to modern semiconductor devices –not forgetting the Quantum Hall Effect –, UmeshMishra (UCSB) demonstrated the potential of the»recent« III-V compound GaN and its performan-ce in transistors and microwave ICs.

Solid-state lighting with LEDs, high-efficiencysolar cells and quantum effect devices were othermajor topics of ISCS 2005. The symposium was agood stage for our newest results on GaN poweramplifiers, low-noise millimeter wave ICs, andInP-based mixed signal circuits using double-heterostructure bipolar transistors for extremelyhigh bit rates. The symposium was a scientificsuccess, bringing together the compound semi-conductor community.


ISCS 2005

Das 32. Internationale Symposium über Verbin-dungshalbleiter (ISCS 2005) fand im Europa-Parkin Rust vom 18. – 22. September 2005 statt. DasISCS wurde 1966 als »International Symposiumon GaAs and Related Compunds« ins Lebengerufen. Damals war GaAs der Verbindungshalb-leiter, inzwischen gibt es viele davon, aber dasSymposium behandelt noch immer die Material-und Technologieentwicklung sowie die Anwen-dung dieser vielseitigen Verbindungen für elek-tronische und optoelektronische Bauelementeund Schaltungen, aber auch für nanostrukturierteund Quanten-Effekt-Bauelemente. Die Konferenzwandert im dreijährigen Turnus zwischen Fernost,Europa und Nordamerika.

2005 war Europa an der Reihe, das FraunhoferIAF richtete die Konferenz im Europa-Park aus,ein, wie sich herausstellte, idealer Konferenzort.Joachim Wagner und Günter Weimann alsOrganisatoren wurden von einem sehr hilfreicheninternationalen »Advisory Committee« unter-stützt. Martin Walther und Oliver Ambacher(Universität Ilmenau) hatten ein ausgezeichneteswissenschaftliches Programm mit zwei Plenar-und acht eingeladenen Vorträgen sowie über 100 Konferenzbeiträgen, als Vortrag oder Poster,zusammengestellt. Die lebhafte, gut besuchteKonferenz zeigte, dass F&E zu den Verbindungs-halbleitern noch immer große Bedeutung hat,verstärkt in Japan und Korea.

Die ausgezeichneten Plenarvorträge unterschie-den sich in brillanter Weise. Während der Nobel-Preisträger Klaus von Klitzing (MPI, Stuttgart) denWeg von den Grundlagen der Nanophysik zumodernen Bauelementen aufzeigte – ohne denQuanten-Hall-Effekt auszulassen –, erklärteUmesh Mishra (University of California SantaBarbara, UCSB) die Vorteile und das Potenzial desjungen III-V-Halbleiters GaN für Transistoren undMikrowellenschaltungen.

»Solid-state lighting« mit LEDs, Solarzellen mithohem Wirkungsgrad und Quanten-Effekt-Bauelemente waren wesentliche Inhalte von ISCS2005. Das Symposium bot dem Fraunhofer IAFdie Bühne für unsere neuesten Ergebnisse an


Hiroyuki Sakaki (University of Tokyo) and Umesh Mishra (UCSB).

Marc Ilegems, Chairman of International Advisory Committee.

Martin Walther, Program Committee Co-chairman.



Thanks are due to Martin Walther and OliverAmbacher for their expert selection of speakersand topics.

An excellent scientific program is a must for agood conference – an enjoyable social programturns it into an excellent conference. The Europa-Park was an excellent choice for the symposium'svenue. Besides offering outstanding conferencefacilities and accommodation, the daily visits tothe Europa-Park and its numerous attractionswere much to the liking of our participants. Thesymposium's highlight – besides the conferenceitself, of course – was the conference banquetheld together with a most enjoyable dinner showpresented by the Cirque d'Europe. The pictureson these pages may serve to transport somethingof the spirit of ISCS 2005.

The symposium sees the grant of three presti-gious awards every year: In this year the WelkerAward for outstanding research in the field ofcompound semiconductor research was givenaway to Hans Melchior, professor emeritus ofETHZ, for his achievements in the field of opticaltelecommuncation. The Quantum Devices Awardwent to Pierre Petroff (UCSB). The Young Scien-tist Award was given away to Nils Weimann ofLucent Technologies.

In looking back at ISCS 2005 we want to expressour gratitude to all sponsors of this successfulconference who helped to bring it about.

Last but not least we would like to acknowledgethe expertise and commitment of the local orga-nizing committee Helga König, Sabine Metzen,Heidrun Schwörer, and Harald Müller. They reallycared for the conference and its participants.

The conference closed with a hopeful »AufWiedersehen« in Vancouver, Canada, in 2006.

Henning Riechert(Infineon Techno-logies) gives theWelker Award toHans Melchior (ETHZ).

Pierre Petroff (UCSB)receives QuantumDevices Award fromMasumi Fukuta(Eudyna Devices).

Joachim Wagner(ISCS 2005 Co-chair-man) hands overYoung ScientistAward to NilsWeimann (LucentTechnologies).

Applause for theAwards Winners.


GaN-Leistungsverstärkern, rauscharmen Milli-meterwellenschaltungen und InP-basierten,Mischsignal-Schaltungen für höchste Bitraten.Wissenschaftlich war die Tagung ein Erfolg, die Teilnehmer dankten Martin Walther undOliver Ambacher für eine ausgezeichneteAuswahl der Themen und Redner.

Ein hervorragendes wissenschaftliches Programmist ein »Muss« für eine gute Konferenz, miteinem vergnüglichen Beiprogramm wird sie nochviel besser. Der Europa-Park war eine sehr guteWahl für den Tagungsort mit hervorragendenKonferenzräumen und Hotelunterbringung. DieTeilnehmer genossen die täglichen Besuche imEuropa-Park mit seinen zahlreichen Attraktionen.Der Höhepunkt – neben den Konferenzvor-trägen – war das Bankett, verbunden mit einer wunderschönen Dinner Show des Cirqued'Europe. Einige Bilder auf diesen Seiten könnenvielleicht einen Eindruck vermitteln.

Im Rahmen des ISCS werden jährlich drei angese-hene Preise ausgelobt: Der Heinrich-Welker-Preiswurde diesmal an Hans Melchior, Emeritus derETHZ, vergeben für seine Leistungen auf demGebiet der Komponenten für die optische Nach-richtentechnik. Der Quantum Devices Award gingan Pierre Petroff (UCSB), und der Young ScientistAward für Wissenschaftler unter 40 Jahren wurdeNils Weimann, Lucent Technologies, verliehen.

In der Rückschau auf ISCS 2005 möchten wirallen unseren Sponsoren recht herzlich danken.Sie haben zum Erfolg der Konferenz beigetragen.

Danke sagen wir auch dem örtlichen Organi-sationskomitee Helga König, Sabine Metzen,Heidrun Schwörer und Harald Müller sowie allenHelfern.

Die Konferenz endete mit dem Wunsch, 2006 inVancouver, Kanada, wieder zu tagen.




Epitaxy of GaN-Based HEMTs: MOCVD and MBE

Epitaxial growth of AlGaN/GaN High ElectronMobility Transistor (HEMT) structures is a keytechnology for the realization of wide bandgapelectronics. Since 2000, we have been growingHEMT structures on 2" s. i. SiC substrates in anAIXTRON 2000 G3 HT 6 x 2" multi-waferMOCVD reactor.

Significant improvements in fabricating devicesand circuits based on AlGaN/GaN HEMT structu-res resulted in an increased demand on epitaxycapacity over the years. Coincidently in 2004,several companies started to offer 3" s. i. SiCsubstrates with superior quality compared to 2"substrates. Therefore, we decided to upgradeour MOCVD reactor to handle 3" wafers, with acapacity of 12 wafers/run. A picture of the newsusceptor in the modified reactor is shown inFig. 1. Epitaxial growth on 2" substrates is stillpossible by using special satellite discs. The in-crease of more than a factor of four in waferarea allows us to grow epiwafers for internaland external project partners on an industrialscale. An additional advantage is the fact, that3" wafers can be processed on our process linewith the new stepper (see page 20), reducingprocess time by 25 %. First epitaxial growth runsin the new reactor result in very smooth andhomogeneous GaN layers with excellent unifor-mity. The standard deviation of the layer thick-ness over a 3" substrate is less than 0.4 % (Fig. 2).

Morphological and electrical properties ofGaN/AlGaN-based HEMT structures on 3" sapphire and s. i. SiC substrates are in goodagreement with our results on 2" wafers.

Although we were quite successful in fabricatingdevice structures by MOCVD, there are sometechnological challenges in growing advancedwide bandgap devices, which might be betteraddressed by Molecular Beam Epitaxy (MBE).Growth of new HEMT devices with InxGa1-xNchannel layers and InxAl1-xN buffer layers can be more easily done by MBE due to its lowergrowth temperatures.

In November 2005, we ordered a modern, state-of-the-art MBE system for III-nitrides. Delivery ofthe system is scheduled for May 2006. Theacquisition was possible with a research grant bythe Federal Ministry of Defense (BMVg).

We selected a Gen 20 A epitaxy system fromVeeco, USA, which is able to handle substrateswith diameters up to 4" (Fig. 3). The reactor isequipped with conventional In, Ga, and Al cells,a Si cell for n-doping and a CBr4 injector forcharge carrier compensation in the buffer layers.For the supply of active nitrogen species, nitro-gen or ammonia can be used, the new MBEsystem will be equipped with an rf-plasma source for nitrogen and an ammonia injector.

Fig. 1: 12 x 3 inch graphite susceptor for the growth ofAlGaN/GaN HEMT structures.Abb. 1: Grafit-Suszeptor für das Wachstum von 12 3"-AlGaN/GaN-HEMT-Strukturen.

2.023

2.015

2.008

2.001

1.994

1.987

1.980

1.973

1.965

1.958

1.951µm

Fig. 2: Topogram of the layer thickness uniformity of a 1.96 µm thick GaN layer on 3" sapphire.Abb. 2: Verteilung der Schichtdicken über einer GaN-Schichtauf 3"-Saphir-Substrat (mittlere Schichtdicke 1,96 µm).


Epitaxie für GaN-HEMTs: MOCVD und MBE

Die Epitaxie von AlGaN/GaN-HEMT (= high electron mobility transistor)-Strukturen ist eineSchlüsseltechnologie für die Elektronik mitHalbleitern hoher Bandlücke. Seit dem Jahr 2000betreiben wir das epitaktische Wachstum vonHEMT-Strukturen auf s. i. 2"-SiC-Substraten ineinem MOCVD-Multiwafer-Reaktor der FirmaAIXTRON (G3 HT mit 6 x 2"-Wafern).

Die zunehmende F&E-Tätigkeit auf dem Gebietder AlGaN/GaN-HEMTs erforderte ein stetigeErhöhung der Epitaxietätigkeit. Gleichzeitighaben im Jahr 2004 mehrere Substrathersteller s. i. 3"-SiC-Substrate in ihr Angebot aufgenom-men mit deutlich besserer Qualität als die bis-herigen 2"-Substrate.

Wir folgten diesem Trend und haben unserenMOCVD-Reaktor umgerüstet, so dass jetzt 123"-Wafer in einem Epitaxielauf beschichtet wer-den können (Abb. 1). Die Verwendung von 2"-Wafern ist jedoch weiterhin möglich. Der Ertragan Waferflächen erhöht sich um mehr als dasVierfache und sichert somit die Versorgung inter-ner und externer Projekte. Ein zusätzlicher Vorteilist, dass die größeren Wafer auf unserer 3"-Prozesslinie mit optischer Stepperlithographie(siehe Seite 20) weiterverarbeitet werden kön-nen, was wiederum die Prozessdauer um einViertel reduziert. Die ersten Epitaxieschichten ausdem neuen MOCVD-Reaktor zeichneten sichdurch glatte Oberflächen und große Homo-genität aus. Die mittlere Abweichung derSchichtdicke betrug so nur 0,4 % über das 3"-Substrat (Abb. 2). Die morphologischen undelektrischen Eigenschaften der neuenGaN/AlGaN-HEMT-Strukturen auf 3"-Saphir- unds. i. SiC-Substraten stimmen gut mit unseren auf2"-Substraten erzielten Ergebnissen überein.

Obwohl wir mit der MOCVD recht erfolgreichBauelementstrukturen realisiert haben, gibt es,auch bei dieser Materialkombination, doch eini-ge Vorteile für die Molekularstrahlepitaxie (MBE)aufgrund ihrer niedrigeren Wachstumstempera-turen. Dies gilt vor allem für HEMTs mit InxGa1-xN-Elektronenkanälen und InxAl1-xN-Pufferschichten.

Wir haben daher im November 2005 eine demneuesten Stand der Technik entsprechende MBE-Anlage für Gruppe III-Nitride bestellt; dieseBestellung wurde ermöglicht durch ein neuesvom BMVg finanziertes Forschungsprojekt.

Unsere Wahl fiel auf das Gen 20 A-Epitaxie-System der Firma Veeco, USA, das Substrate mitbis zu 4" Durchmesser beschichten kann. DerMBE-Reaktor hat konventionelle In-, Ga- und Al-Quellen, eine Si-Zelle für die n-Dotierung undeinen CBr4-Injektor für Kompensationsdotierungim Puffer. Stickstoff oder Ammoniak können alsAusgangssubstanzen für aktivierten Stickstoffverwendet werden. Die neue MBE-Anlage hatdaher eine Plasmaquelle zur Stickstoffaktivierungsowie einen Ammonik-Injektor und ist somit flexibel gehalten.


Fig. 3: MBE system for III-nitrides (by courtesy of Veeco, USA).Abb. 3: MBE-System für III-Nitride (mit freundlicher Genehmigung Veeco, USA).



New Optical Stepper Lithography

Additional funding from the Federal Ministry ofDefense (BMVg) resulted in the long-awaitedpurchase of a new optical stepper lithographytool in 2005. This new tool is primarily dedicatedto the manufacture of large infrared detectors,e. g. mega-pixel focal plane arrays which willhave a chip size of 16 mm x 22 mm. The stepperwill, however, also be used in processing integra-ted electronic circuits with low-noise amplifiersin the 94 to 220 GHz regime and high-powerGaN-based amplifiers for radars operating in theX-band. The versatile, high-throughput I-linestepper was delivered by Canon SemiconductorEquipment Division, Japan, in April 2005.

System specifications include a resolution betterthan 0.3 µm, an overlay accuracy of less than 45 nm combined with a maximum step-field sizeof 22 mm x 26 mm. It is especially the extremelyhigh overlay accuracy which leads to a majorenhancement of our processing capabilities.

Successful acceptance tests were completed byend of June 2005 with all specifications verified,as can be seen from the SEM image of a resistpattern shown in Fig. 1. Resist lines and spacesin between have sizes below 280 nm. A furtheradvantage for our technology is the fast inter-change between 3" and 4" diameter wafers andthe option to handle transparent wafers, a pre-requisite for our processing GaN wafers withtransparent SiC substrates.

In July 2005 we started to transfer our processesto the new equipment, this process transfer wascompleted by the end of the year. A long-termservice contract with 24 h response time afterthe expiration of the warranty will ensure highup-times, giving us a reliable and reproducibletechnology. Periphery tools include a pelliclemounter and coater and developer units, com-pleting our lithography facilities at FraunhoferIAF.

We will thus be able to meet the processingrequirements of our industrial partner AIMInfrarot-Module GmbH, Heilbronn, in the area oflarge focal plane arrays and in future develop-ments in GaN electronics, with this lithographysystem with its high throughput, accuracy, andreproducibility for years to come.

The IAF gratefully acknowledges the funding ofthis advanced lithography tool by BMVg.

Fig. 1: SEM image of a resist pattern with lines andspaces of 280 nm.Abb. 1: REM-Bild einer Lackstruktur: Linienbreite und -Abstand betragen 280 nm.


Neuer optischer Stepper am IAF

Zusätzliche Investitionsmittel des BMVg ermög-lichten im Jahr 2005 die Beschaffung einesneuen Stepper-Systems für die optische Litho-graphie. Der neue Stepper wird Einsatz findenvor allem für die Herstellung großflächigerInfrarot-Detektoren für Mega-Pixel-Bildfeld-matrizen. Diese Detektoren werden eine sehrgroße Chipfläche von 16 mm x 22 mm haben.Der Stepper wird aber auch in der Prozesstech-nologie der integrierten Schaltungen eingesetzt,so bei rauscharmen Verstärkern im Frequenz-bereich von 94 GHz bis 220 GHz und bei GaN-Leistungsverstärkern für X-Band-Radare. Der viel-seitige Stepper mit hohem Wafer-Durchsatzwurde im April 2005 von Canon SemiconductorEquipment Division, Japan, geliefert.

Die Systemspezifikationen sind u. a. eine Auf-lösung von weniger als 0,3 µm, Justiergenauig-keit von weniger als 45 nm und ein maximalesBelichtungsfeld von 22 mm x 26 mm. Es ist vorallem die hohe Justier- oder Positioniergenauig-keit, die unsere technologischen Möglichkeitenstark erweitert.

Die erfolgreichen Abnahmetests wurden im Juni2005 abgeschlossen. Es wurden alle Spezifika-tionen erfüllt, wie man auch aus Abb. 1 ersehenkann. Fotolacklinien und Abstände dazwischenhaben Abmessungen unter 280 nm. Ein weiterergroßer Vorteil ist der schnelle Wechsel zwischenWafer-Durchmessern von drei und vier Zoll unddie Fähigkeit, durchsichtige Wafer zu belichten.Dies ist wesentlich für die Prozesstechnologievon GaN-Wafern mit durchsichtigem SiC-Sub-strat.

Im Juli leiteten wir den Prozess-Transfer auf dasneue Lithographie-»Werkzeug« ein, dieser war

bis Jahresende weitgehend abgeschlossen. Einlangjähriger Wartungsvertrag mit maximal 24-stündiger Reaktionszeit ist für den Betriebnach Garantieablauf abgeschlossen worden.Periphere Geräte für Pellicle-Aufbringung, Be-lackung und Entwicklung vervollständigen diemoderne Lithographie des Fraunhofer IAF.

Wir werden so den technologischen Anforde-rungen unseres Industriepartners AIM Infrarot-Module GmbH, Heilbronn, auf dem Gebietgroßflächiger Infrarot-Detektoren und zukünfti-ger Entwicklungen in der GaN-Elektronik mitdiesem neuen Lithographie-System mit hohemDurchsatz, hoher Positioniergenauigkeit undReproduzierbarkeit in den kommenden Jahrengerecht werden.

Das IAF dankt dem BMVg für diese weitsichtigeTechnologieerneuerung am Institut.


Fig. 2: Our new Canon I-line stepper.Abb. 2: Der neue Canon I-line-Stepper.



Efficient LEDs for Solid-State Lighting

In 2005, the BMBF funded cooperative researchproject »Thousand Lumen White«, coordinatedby Osram Opto Semiconductors, has beenkicked-off. The goal of this project is to developefficient white-emitting high-lumen-flux LEDmodules for use in tomorrow's automobile head-lights as well as in shop illumination and indus-trial lighting. The project consortium is formedby a variety of industrial companies, rangingfrom AIXTRON providing improved MOVPEequipment for high-yield fabrication of(AlGaIn)N and (AlGaIn)(AsP) LED wafers to Audiincorporating highly functional LED headlightsinto their future car models.

One sub-group, namely the industrial partnersAIXTRON, Osram Opto Semiconductors andSchott AG as well as Fraunhofer IAF, concentra-tes on the improvement of efficiency and colorquality of single-chip white LEDs. Two other sub-groups focus on the application of these LEDs

in automobile headlights (Fig. 1) and interiorlighting (Siemens VDO, Hella, Audi) on one handand the use of LEDs with a high color quality forshop illumination, industrial, office, and medicallighting (Osram, Ansorg, Waldmann LT) on theother (Fig. 2). To complement the expertise gathered within the consortium, a number ofmainly university research groups will contributeto the project as subcontractors.

One of the main project goals is the realizationof a white multiple-chip LED-platform producing> 1000 lm per unit at an efficiency of > 60 lm/Wand with an electrical power input of less than30 W. An even more ambitious objective is thereduction of the cost per lumen by a factor offive. Furthermore, for applications which aredemanding with respect to color temperatureand color rendering, LED lighting modules are to be realized with a color rendering index (CRI)of CRI = 90 or higher. Fraunhofer IAF developswithin this project high-efficiency near-UV (370 –400 nm) (AlGaIn)N LED chips (Fig. 3), exploitingvarious approaches towards defect reduction inthe LED active region. These LED chips will serveas pump light source for high color quality whiteLEDs based on a tri-phosphor RGB conversionscheme. In addition, innovative contact techno-logies and chip mounting techniques will bedeveloped in close cooperation with Osram OptoSemiconductors.

The global market for high-brightness LEDs ingeneral, and single-chip white LEDs in particular,is very dynamic with a cross-annual growth rateof 25 %. The total revenue for high-brightnessLEDs in 2005 is expected to be around 4 billionUS$, predicted to grow to a total of 7 billionUS$ by 2007 according to Strategies Unlimited.The largest application for white LEDs is current-ly LCD backlighting in particular for displaysused in cellular phones etc. But other applica-tions, such as automotive lighting including headlights, are expected to gain importancewhen high-lumen-flux LED modules will becomeavailable. LED-based car headlights will be per-mitted in Germany from 2008 onwards, withnew functionalities added to current high-beam,low-beam and side-light options.

Fig. 1: LED headlight of Audi concept car (courtesy Audi). Abb. 1: LED-Frontscheinwerfer in einer Designstudie vonAudi (Foto Audi AG).

Fig. 2: LED-based luminaire for office lighting (courtesyWaldmann LT).Fig. 2: LED-Schreibtischleuchte (Foto Waldmann LT).


Effiziente LEDs für die Beleuchtung

2005 startete das vom BMBF im Rahmen derAusschreibung NanoLux geförderte Verbundvor-haben »Tausend Lumen Weiß« mit Osram OptoSemiconductors als Koordinator. Das Ziel diesesVerbundprojektes ist die Entwicklung effizienterweißer LED-Module zur Erzeugung hoher Licht-ströme, wie sie in Zukunft für Frontscheinwerferim Auto, Auslagenbeleuchtung in Läden undindustrielle Arbeitsplatzbeleuchtung benötigtwerden. Die in dem entlang der Wertschöpfungs-kette orientierten im Verbund mitarbeitendenFirmen reichen von AIXTRON, einem Herstellervon MOVPE-Anlagen zur Fertigung von(AlGaIn)N- und (AlGaIn)P-LED-Wafern, bis hin zuAudi, wo LED-Frontscheinwerfer in zukünftigenAutomodellen Anwendung finden werden.

Ein Teilverbund, bestehend aus den Industrie-partnern AIXTRON, Osram Opto Semiconductorsund der Schott AG sowie dem Fraunhofer IAF,arbeitet an der Aufgabe, die Effizienz und Farb-qualität weißer LEDs zu verbessern. Diese Einzel-chip-LEDs beruhen auf dem Prinzip der Lumines-zenzkonversion. Zwei weitere Teilverbünde be-fassen sich mit der Anwendung von LEDs imFrontscheinwerfer und der Innenbeleuchtung imAuto (Siemens VDO, Hella, Audi) sowie in derBeleuchtung von Verkaufsauslagen, der industri-ellen Beleuchtung, auch am Büroarbeitsplatz,und in der Medizin (Osram, Ansorg, Waldmann LT).

Ein wesentliches Projektziel ist die Realisierungeines aus mehreren weißen LEDs bestehendenModuls als Plattform, welches einen Lichtstromvon > 1000 lm mit einer Leistungseffizienz von > 60 lm/W bei einer elektrischen Anschlussleis-tung von weniger als 30 W erzeugt. Ein nochehrgeizigeres Projektziel ist die angestrebteReduktion der Kosten pro Lumen auf ein Fünfteldes heutigen Wertes. Weiterhin sollen für An-wendungen, die eine hohe Farbqualität erfor-dern, LED-Beleuchtungsmodule mit einem Farb-wiedergabeindex (CRI) von CRI = 90 oder besserrealisiert werden. Das Fraunhofer IAF entwickeltim Rahmen dieses Projektes hocheffiziente(AlGaIn)N-LED-Chips für den nahen UV-Spek-tralbereich (370 – 400 nm), wobei verschiedeneKonzepte zur Verringerung der Defektdichte imaktiven Bereich der LED zur Anwendung kom-

men werden. Diese LED-Chips werden dann alsPumplichtquelle für Weißlicht-LEDs hoher Farb-qualität dienen, welche auf dem Prinzip derDreibanden (RGB)-Lumineszenzkonversion beru-hen. Darüber hinaus werden in enger Zusam-menarbeit mit Osram Opto Semiconductorsneuartige Technologien zur Herstellung transpa-renter elektrischer Kontakte sowie innovativeLötverfahren für die Aufbau- und Verbindungs-technik erarbeitet.

Der weltweite Markt für »High-brightness«-LEDs(HB-LEDs) im Allgemeinen und für Weißlicht-LEDs im Besonderen zeichnet sich durch einehohe Dynamik mit einer mittleren jährlichenWachstumsrate von 25 % aus. Der gesamte Um-satz für HB-LEDs wird für 2005 auf 4 Mrd. US$geschätzt, und gemäß Strategies Unlimited wirdmit einem Anwachsen auf 7 Mrd. US$ bis 2007gerechnet. Die Hauptanwendung für Weißlicht-LEDs ist derzeit die Hinterleuchtung von LCDs inMobiltelefonen und anderen mobilen Anwen-dungen. Weitere Anwendungen, wie Beleuch-tung im Auto inkl. Frontscheinwerfer, werden anBedeutung gewinnen, wenn effiziente LED-Mo-dule hoher Lichtintensität verfügbar sein werden.LED-Frontscheinwerfer werden in Deutschlandvoraussichtlich ab 2008 zugelassen sein, wobeider Einsatz von LEDs eine erweiterte Funktio-nalität über Stand-, Abblend- und Fernlicht hin-aus ermöglichen wird, wie z. B. das Kurvenlicht.


Fig. 3: Color-coded electroluminescence intensity image of anear-UV emitting (AlGaIn)N LED chip fabricated at IAF. Fig. 3: Falschfarbendarstellung der Intensitätsverteilung derElektrolumineszenz eines im nahen UV emittierenden(AlGaIn)N-LED-Chips, der am IAF hergestellt wurde.


Our MMICs or monolithic integrated microwave and millimeter-wave circuits forwireless communication and microwave sensors (radar applications) are basedon modulation doped field effect transistors or HEMTs (high electron mobilitytransistors) in GaAs or InP. (AlGa)N heterostructures are used for high-powerapplications.

MMICs – oder monolithisch integrierte Mikrowellen- und Millimeterwellen-schaltungen – werden für die drahtlose Kommunikation und die Mikrowellen-sensorik (Radare) entwickelt. Unsere ICs basieren auf modulationsdotiertenFeldeffekttransistoren (High Electron Mobility Transistor HEMT) aus GaAs oderInP. Für Leistungsanwendungen verwenden wir (AlGa)N-Heterostrukturen.

MMICsMonolithisch integrierteMikrowellen-Schaltungen

Fraunhofer IAF 2005–25

Überall verfügbar und sauber – netzunabhängige Stromversorgung mit erneuerbaren Energien

Accessing TerahertzIn 2005, we successfully realized the world's first 220 GHz MMIC amplifiermodules for use in high-resolution active and passive imaging systems. Theabove graph shows the measured S-parameters, demonstrating a linear gain ofmore than 15 dB between 190 and 220 GHz. This outstanding result is part ofthe PhD thesis of Axel Tessmann, who investigated the design and packaging ofadvanced MMICs and subsystems up to 230 GHz. Axel received his PhD degreefrom the Department of Electrical Engineering and Information Technology,University of Karlsruhe (TH).

Höchstfrequenzen bis in den Terahertz-BereichIm Jahr 2005 wurden am Fraunhofer IAF die weltweit ersten monolithisch inte-grierten 220-GHz-Verstärkermodule für den Einsatz in hochauflösenden aktivenund passiven bildgebenden Sensoren hergestellt. Die obige Abbildung stellt diegemessenen Streuparameter mit einer Kleinsignalverstärkung von über 15 dBzwischen 190 und 220 GHz dar. Diese hohen Frequenzen definieren den derzei-tigen Stand der Technik. Das herausragende Resultat stammt aus der Disser-tation von Axel Tessmann, die den Entwurf und Aufbau von fortschrittlichenMMICs und Subsystemen im Frequenzbereich bis 230 GHz zum Inhalt hatte.Axel Tessmann promovierte an der Fakultät für Elektrotechnik und Informations-technik der Universität Karlsruhe (TH).

170 230-30

0

30

S-Pa

ram

eter

s (d

B)

Frequency (GHz)

S21

S11 S

22


Millimeter- and sub-millimeter-waves find mani-fold applications in safety and security, e. g. inthe detection of concealed weapons or plasticexplosives, in avionics as landing aids or runwaycontrols, in reconnaissance, automation, andquality control, in medical imaging, and astro-nomy. Atmospheric windows in the millimeter-wave frequency range are located around 94,140, and 220 GHz. Of benefit for the majority ofthese applications is that numerous (water free)materials as well as fog, smog, and dust aretransparent at these frequencies, the absorptionis sensitive to changes in the dielectric constant.As image resolution improves with increasingfrequency the G-band (140 – 220 GHz) is ofgreat interest for high-resolution sensor systems.Fraunhofer IAF develops a variety of G-bandcomponents for active and passive sensors andimaging systems using a well established meta-morphic HEMT technology with 0.1 µm gatelength. A G-band direct detection radiometerrequires a low-noise amplifier with very highgain at the input for the detection of low-level signals. We at Fraunhofer IAF successfully developed a high-gain low-noise 220 GHz ampli-fier millimeter-wave monolithic integrated circuit(MMIC) for such a passive imaging system to beassembled by our partner institute FGAN-FHR in Wachtberg-Werthhoven. Mounting andpackaging of the amplifier chip into a modulewas accomplished with only minor reduction inperformance.

Fig. 1 shows the open 220 GHz amplifier module, revealing the waveguide module insplit-block configuration. The dissection planedivides the input and output rectangular WR-5waveguides along the middle line of the longerside. The waveguides have 90° bends to ensurecollinearity of the waveguide flanges and so facilitate the assembly of several amplifier modules into a linear amplifier chain.

220 GHz MMIC Amplifier Modules

Fig. 1: 220 GHz amplifier module.Abb. 1: 220-GHz-Verstärkermodul.

Axel TessmannTel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-5 [email protected]


Die Millimeter- und Submillimeterwellen-Technikermöglicht vielfältige neuartige Anwendungen,z. B. in der Aufklärung, beim Nachweis verbor-gener Waffen oder von Gefahrstoffen, in derQualitätskontrolle, Automatisierung, Astronomie,medizinischen Bildgebung sowie in der Luftfahrtals Landungshilfe oder Landebahn-Überwa-chung. Die atmosphärischen Fenster im Milli-meterwellen-Frequenzbereich liegen bei 94, 140und 220 GHz. Vorteilhaft für die meisten dieserAnwendungen ist, dass zahlreiche (wasserfreie)Materialien sowie Nebel, Rauch und Staub beidiesen Frequenzen transparent sind, und dieAbsorption von der Dielektrizitätskonstanten ab-hängt. Da sich weiterhin die Bildauflösung mitsteigender Frequenz verbessert, ist das G-Band(140 – 220 GHz) von großem Interesse für hoch-auflösende Sensorsysteme.

Das Fraunhofer IAF entwickelt eine Vielfalt vonG-Band-Komponenten für aktive und passiveSensoren sowie bildgebende Systeme mittels seiner bewährten metamorphen HEMT-Techno-logie mit einer Gatelänge von 0,1 µm. ZumNachweis von Signalen mit sehr niedrigem Pegelwird ein rauscharmer Verstärker mit sehr hoherlinearer Verstärkung am Eingang eines direkt-empfangenden G-Band-Radiometers benötigt.Für den Einsatz in einem solchen passiven bild-gebenden System, das von unserem Partner,dem FGAN-FHR-Institut in Wachtberg-Werth-hoven aufgebaut wird, wurde am Fraunhofer IAFein 220-GHz-Verstärker-MMIC (MMIC = milli-meter-wave monolithic integrated circuit) mitniedriger Rauschzahl und hoher Verstärkung entwickelt. Durch den Einbau des Chips in einHohlleitermodul ergab sich eine nur geringfügigverringerte Leistungsfähigkeit des Verstärker-chips.

Abb. 1 zeigt ein geöffnetes 220-GHz-Verstärker-modul, welches mittels der sogenannten Split-

Block-Technik hergestellt wurde. Die Schnitt-ebene der Gehäusehälften teilt die rechteckigenEin- und Ausgangshohlleiter (WR-5) entlang derMittellinie der längeren Seite in zwei gleicheTeile. Die 90°-Hohlleiterbögen dienen zur kolline-aren Ausrichtung der Hohlleiterflansche, wo-durch der Aufbau von mehreren Verstärkermo-dulen zu einer linearen Verstärkerkette erleichtertwird. Der vierstufige Verstärkerchip mit einerFläche von 1,0 x 2,5 mm2 ist zwischen zweiMikrostreifenleitungen montiert, die auf 50 µmdicken Quarzsubstraten hergestellt wurden undals Hohlleiter-Mikrostreifen-Übergänge dienen.Diese Übergänge sind für das G-Band optimiert,wobei ein einzelner Übergang eine Einfüge-dämpfung von weniger als 1,5 dB und einenReflexionskoeffizienten von unter -12 dB auf-weist. Der rauscharme MMIC wurde ebenfallsauf eine Substratdicke von 50 µm herunterge-dünnt, was die Verwendung von kurzen Bond-drähten erlaubt und somit zu sehr niedrigenparasitären Beiträgen führt. Die Spannungs-versorgung ist in das Modul mit integriert.

Um eine hohe Verstärkung pro Stufe zu errei-chen, wurden im vierstufigen Verstärker-MMICKaskoden-HEMTs verwendet. Kaskoden bestehenaus der Serienschaltung eines Transistors inSource- und eines Transistors in Gate-Konfigu-ration. Der Verstärkerschaltkreis wurde unterVerwendung von Koplanarleitungen mit einerMetallisierung auf der Chiprückseite (conductor-backed coplanar waveguide lines, CBCPWs) ent-worfen. Die CBCPW-Masseleitungen auf derChipoberfläche sind mit der Metallisierung aufder Rückseite mittels Durchkontaktierungen (viaholes) verbunden. Das Herunterdünnen desChips und die Verwendung von CBCPWs unter-drückt parasitäre Substratmoden, welche insbe-sondere bei hohen Frequenzen zu einer starkenDegradation der Verstärkung führen können.

Überall verfügbar und sauber – netzunabhängige Stromversorgung mit erneuerbaren Energien220-GHz-MMIC-Verstärkermodule


For these G-band MMICs, a full-wafer back-side manufacturing process was developed atFraunhofer IAF during the last year. It includesthe »face-down« glueing of the 4" GaAs waferwith MMICs onto a sapphire substrate, waferthinning to 50 µm, etching of via holes from theback side, metallization of the back side, and,finally, separation of the thinned GaAs waferfrom the sapphire substrate. With this technolo-gy, via holes with a diameter of 25 µm can bemanufactured enabling G-band MMIC designs.

The linear gain of the four-stage amplifier MMICmeasured on-wafer (before packaging) exceeds20 dB in the frequency range between 202 and213 GHz. The measured S-parameters and noisefigure of the MMIC packaged into the wave-guide module are shown in Fig. 2. The noisefigure measured, between 190 and 210 GHz,was 9 dB, constant across this frequency inter-val. A linear gain of more than 20 dB was obtained at 210 GHz. Both, input (S11) and output (S22) reflection coefficients were lowerthan -10 dB at this frequency.

This module represents the worldwide firstpackaged 220 GHz amplifier MMIC, the measured data define the current state-of-the-art.

A direct detection radiometer requires an amplifier with very high gain and low noise figure at the input. Therefore, three 220 GHzamplifier modules were cascaded into an amplifier chain as shown in Fig. 3b. The mea-sured S-parameters of this chain are presented in Fig. 3a. In the frequency range between 208 and 217 GHz the gain exceeds 50 dB and thereflection coefficients S11 and S22 lie below -10 dB. This high-gain amplifier chain is used byFGAN-FHR for the assembly of the worldwidefirst 220 GHz direct detection radiometer.

Our results demonstrate that the metamorphicHEMT technology, combined with an advancedCBCPW process, and advanced packaging ofMMICs into modules is well suited for novel,next-generation high-resolution imaging appli-cations.

220 GHz MMIC Amplifier Modules

The four-stage amplifier chip, with an area of1.0 x 2.5 mm2, is mounted between two micro-strip lines realized on 50 µm thick quartz sub-strates and serving as waveguide-to-microstriptransitions. These transitions are optimized forthe G-band, with an insertion loss of less than1.5 dB and a reflection coefficient lower than -12 dB per transition. These values, valid acrossthe entire G-band, guarantee the high perfor-mance packaging. The MMIC is also thinneddown to the substrate thickness of 50 µm, allowing the use of very short bond wires, givinglow parasitics. The power supply is integratedinto the module.

The four-stage amplifier MMIC is realized usingcascode HEMTs to obtain high gain per stage.Cascodes consist of the series connection of one transistor in common source with a secondtransistor in common gate configuration. TheMMIC is designed using conductor-backedcoplanar waveguide lines (CBCPWs). The groundlines of CBCPWs are connected from the top ofthe chip to the back-side metallization by meansof via holes. Thinning the chip and usingCBCPWs prevent the excitation of parasitic substrate modes, which usually substantiallydegrade the gain characteristic of an amplifier, especially at high frequencies.

Fig. 2: Measured S-parameters and noise figure of 220 GHzamplifier module.Abb. 2: Gemessene Streuparameter und Rauschzahl des220-GHz-Verstärkermoduls.

190 200 210 220-30

-20

-10

0

10

20

30

S-Pa

ram

eter

s (d

B), N

F (d

B)

Frequency (GHz)

S 21

S11S 22

NF


Für die vorgestellten G-Band-MMICs wurde amFraunhofer IAF im Laufe des letzten Jahres eineRückseiten-Prozesstechnologie für 4"-GaAs-Wafer entwickelt. Diese schließt das Face-Down-Kleben des Wafers mit MMICs auf einemSaphirträger, das Dünnen des Wafers auf eineRestdicke von 50 µm, das Ätzen von Löchern fürDurchkontaktierungen von der Rückseite, dieMetallisierung der Rückseite und, schließlich, dasAblösen des gedünnten Wafers vom Saphir-träger ein. Mittels dieser Technologie könnenLöcher für Durchkontaktierungen mit einemDurchmesser von lediglich 25 µm hergestelltwerden, was den Entwurf von G-Band-MMICsermöglicht.

Die auf dem Wafer (vor dem Einbau in einModul) gemessene lineare Verstärkung des vier-stufigen Verstärker-MMIC ist im Frequenzbereichzwischen 202 und 213 GHz größer als 20 dB.Die gemessenen S-Parameter und die Rauschzahldieses MMIC nach dem Einbau in ein Hohlleiter-modul sind in Abb. 2 dargestellt. Die bei Raum-temperatur (T = 293 K) zwischen 190 und210 GHz gemessene Rauschzahl beträgt 9 dB.Bei 210 GHz wird eine lineare Verstärkung vonüber 20 dB erreicht. Sowohl der Eingangs- alsauch der Ausgangs-Reflexionskoeffizient, S11bzw. S22, liegen bei dieser Frequenz unterhalbvon -10 dB.

Dieses Millimeterwellen-Modul repräsentiert den weltweit ersten aufgebauten 220-GHz Ver-stärker-MMIC, die gemessenen Werte definierenden derzeitigen Stand der Technik.

Für ein direktempfangendes Radiometer ist einVerstärker mit sehr hoher Kleinsignalverstärkungund niedriger Rauschzahl im Empfängereingangnotwendig. Deshalb wurden drei 220-GHz-Ver-stärkermodule zu einer Verstärkerkette aufge-baut, wie in Abb. 3b gezeigt. Die gemessenenStreuparameter dieser Kette sind in Abb. 3a dar-gestellt. Im Frequenzbereich zwischen 208 und217 GHz ist die Verstärkung größer als 50 dBund die Reflexionskoeffizienten S11 and S22liegen unterhalb von -10 dB. Diese rauscharmeVerstärkerkette wird vom FGAN-FHR-Institut fürden Aufbau des weltweit ersten direktempfan-genden 220-GHz-Radiometers eingesetzt.

Die vorgestellten Ergebnisse demonstrieren, dassunsere metamorphe HEMT-Technologie zusam-men mit einer anspruchsvollen CBCPW-Prozes-sierung und einer fortschrittlichen Aufbautechnikvon MMICs in Hohlleitermodule für neuartige,hochauflösende bildgebende Systeme der näch-sten Generation hervorragend geeignet ist.

220-GHz-MMIC-Verstärkermoduleromversorgung miterneuerbaren Energien

Fig. 3a: Measured S-parameters of 220 GHz amplifier chain.Abb. 3a: Gemessene Streuparameter der 220-GHz-Verstärkerkette.

Fig. 3b: Chain of three 220 GHz amplifier modules.Abb. 3b: Kette aus drei 220-GHz-Verstärkermodulen.

200 205 210 215 220-40

-20

0

20

40

60

S-Pa

ram

eter

s (d

B)

Frequency (GHz)

S21

S11 S22


In 2005 we continued our R&D on GaN-basedhigh electron mobility transistors (HEMTs) andmonolithically integrated high-power amplifiers(MMIC-HPAs) focusing on two applications:

Military radar systems require transistors andhigh-power amplifiers operating in X-band with frequencies between 8 GHz and 12 GHz,whereas high-power amplifiers used in base stations for wireless communication have fre-quencies between one and 3 to 5 GHz. Bothapplications rely on the well-known advantageof GaN over other semiconductors, e. g. higheroperating voltage and temperature and easiermatching in RF circuits. We again made con-vincing progress in the past year with ourGaN/AlGaN HEMT structures on s. i. SiC sub-strates, obtaining output power levels of 20 Wwith X-band modules and 100 W with 2 GHzbase station power amplifiers.

In 2005 we again made major changes in ourtechnology moving from 2" s. i. SiC substratesto a wafer diameter of 3", making use of theimproved substrate quality with increasing waferdiameter and simultaneously facilitating eventualtechnology transfer to our industrial partner,United Monolithic Semiconductors (UMS) in Ulm.

3" front- and back-end technologies are underdevelopment, with the introduction of gate fieldplates and selective gate recess etch to increasebreakdown voltage and gain. Fig. 1 shows, as anexample of our GaN-technology, a packagedAlGaN/GaN HEMT with a gate width of 16 mmfor 2 GHz applications.

Within our cooperation with EADS, Ulm, indeveloping GaN-based MMIC-HPAs, we deli-vered first circuits in 2004. Improved amplifiersin microstrip line technology were designed with our partner. Fig. 2a shows a dual-stage broadband power amplifier, designed and manufactured at Fraunhofer IAF, with a totalgate width of the output stage of 4.8 mm. Thechip area is 4.5 x 3 mm2. A gain of more than17 dB is measured between 8 GHz and 10 GHzand of at least 15 dB in the extended frequencyrange from 7.5 GHz to 11 GHz, illustrating thebroadband performance of GaN-HEMTs.

GaN Power Amplifiers for Radar Systemsand Base Station Applications

Fig. 1: Mounted GaN/AlGaN HEMT with 16 mm gate width.Abb. 1: Gebondeter GaN/AlGaN-HEMT mit 16 mmGateweite im Gehäuse.

Friedbert van RaayTel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-3 [email protected]


In 2005 wurden die FuE-Aktivitäten zu Hetero-struktur-Feldeffekttransistoren (HEMTs) undmonolithisch integrierten Leistungsverstärkern(MMIC-HPAs) auf GaN-Basis für zwei Anwen-dungen fortgeführt:

Militärische Radarsysteme erfordern Transistorenund Leistungsverstärker im X-Band zwischen8 GHz und 12 GHz, während die in Basissta-tionen für drahtlose Kommunikation verwen-deten Verstärker im Frequenzbereich zwischen1 GHz und 5 GHz arbeiten. Beide Anwendungs-felder nutzen die bekannten Vorteile von GaNgegenüber anderen Halbleitern, d. h. höhereBetriebsspannung und -temperatur sowie einfa-chere Anpassung in HF-Schaltungen. Im letztenJahr haben wir wieder überzeugende Fortschrittemit unseren GaN/AlGaN-HEMTs auf s. i. SiC-Sub-straten erzielt: Es wurden im X-Band Ausgangs-leistungen von 20 W und mit 2-GHz-Verstärkernfür Basisstationen 100 W erreicht.

Im Jahr 2005 wurde unsere Technologie noch-mals signifikant weiterentwickelt. Die Substrat-größe der verwendeten s. i. SiC-Substrate wurdevon 2" auf 3" umgestellt, die verbesserteQualität der verfügbaren größeren Substratekommt uns dabei zugute. Damit wird ein künfti-ger Technologietransfer zu unserem Industrie-partner United Monolithic Semiconductors(UMS), Ulm, erleichtert.

Die Frontseiten- und Rückseiten-Prozesstechno-logie für 3"-Wafer wird weiterentwickelt. ZurErhöhung von Durchbruchspannung und Ver-stärkung werden Gate-Feldplatten und eineselektive Gate-Recess-Ätzung eingeführt. Abb. 1zeigt einen gebondeten AlGaN/GaN-HEMT mit16 mm Gateweite für Anwendungen bei 2 GHzals Beispiel für unsere GaN-Technologie.

Im Rahmen der Kooperation mit EADS, Ulm, beider Entwicklung von MMIC-HPAs auf GaN-Basiswurden von uns im Jahr 2004 erste MMICs aus-geliefert. Mit unserem Partner wurden verbesser-te Verstärker in Mikrostreifenleitungstechnik ent-wickelt. Abb. 2a zeigt einen zweistufigen Breit-bandverstärker mit einer Gesamtgateweite von4,8 mm in der Endstufe, der am Fraunhofer IAFentworfen und hergestellt wurde. Die Chipflächeist 4,5 x 3 mm2. Zwischen 8 GHz und 10 GHzbeträgt die gemessene Verstärkung über 17 dBund im erweiterten Frequenzbereich zwischen7,5 GHz und 11 GHz mindestens 15 dB. Diesverdeutlicht die Leistungsfähigkeit von GaN-HEMTs in Breitbandanwendungen.

In Abb. 2b sind HF-Ausgangsleistung und Ver-stärkung über der Eingangsleistung für eineFrequenz von 10 GHz dargestellt. Diese Messungwurde im gepulsten DC/HF-Modus durchgeführt,d. h. DC- und HF-Signal werden simultan miteiner Pulsbreite von 100 µs und einem Tast-

GaN-Leistungsverstärker für Anwendungen in Radarsystemen und Basisstationen

10 15 20 25 30 35

15

20

25

30

35

40

Gai

n (d

B)P ou

t (dBm

)

Pin (dBm)

VDS = 40 V

Pmax = 43.0 dBm = 20.0 W or

4.16 W/mm @ 10.0 GHz

Fig. 2b: Pulsed output power and gain of dual-stagemicrostrip power amplifier.Abb. 2b: Gepulste Ausgangsleistung und Verstärkung deszweistufigen Leistungsverstärkers in Microstrip-Technik.

Fig. 2a: X-band AlGaN/GaN dual-stage high-power ampli-fier in microstrip technology on SiC substrate.Abb. 2a: Zweistufiger X-Band-Leistungsverstärker auf SiC-Substrat in Mikrostreifenleitungstechnik.


program funded by the Federal Ministry ofEducation and Research.

The essential prerequisites here are high outputpower coupled with high linearity and largebandwidth, and multiband, multistandard operation for complex modulation schemes in 3G and 4G wireless communication systems.

We have made various single- and dual-stageamplifiers in hybrid microstrip technology whichwere tested by Alcatel-SEL, especially withregard to linearity using W-CDMA modulation.The investigated amplifiers, an example is shownin Fig. 3a, have large bandwidths, from 0.9 GHzto 2.7 GHz, thus clearly out-performing LDMOSsolutions in multiband, multistandard operation.

The single-stage push-pull HPA shown in Fig. 3awith a total gate width of 32 mm covers the frequency range from 1.8 GHz to 2.2 GHz witha gain between 8 dB and 11 dB. The powersweep measurements for this amplifier, taken at1.95 GHz at a bias VDS of 35 V, are shown inFig. 3b. The peak output power is 102 W, corre-sponding to a power density of 3.1 W/mm. Thestringent UMTS linearity specifications are ful-filled within the total frequency range for outputpower levels of up to 16 W.

We have realized a base station amplifier capa-ble of raising a signal of 1 mW to an outputpower of 100 W over a bandwidth of 400 MHz,using cascaded amplifiers. This is an increase in bandwidth of a factor of 4 or more over existing solutions, thus enabling multiband operation. Needless to say, this work is carriedout with the intention of technology transferinto industry.

Our defense related work on GaN-based HEMTsis financed by the Federal Ministry of Defense(BMVg) and its associated agencies BWB andWTD 81. It is carried out in close cooperationwith our industrial partners EADS and UMS.

Fig. 2b shows RF output power and gain vs. inputpower at the operating frequency of 10 GHz.The measurements were performed in pulsedDC/RF-mode, i. e. both, DC- and RF-input arepulsed simultaneously with a pulse width of 100 µs and a duty cycle of 10 %. The linear gain is 18 dB, the measured output power of20 W gives a power density of 4.16 W/mm gate width. At maximal input power a gain compression level of 6 dB was found, whereasthe maximal power added efficiency (PAE) inclass-AB operation exceeded 25 %.

A similar dual-stage amplifier MMIC was designed by EADS and manufactured atFraunhofer IAF. The saturated output power ofan amplifier was measured at 9.5 GHz to 20 Wtogether with a maximum PAE of 36 % in pulsed radar operation. The relative bandwidthwas, however, smaller than for the amplifiershown in Fig. 2.

Our ongoing research will focus on increasingdevice reliability, lifetime, PAE values, and inte-gration of transmit/receive radar modules.

The potential of GaN power amplifiers for appli-cations in base stations of mobile communica-tion networks lies in high supply voltages of upto 60 V, higher power densities with reducedcooling efforts and higher cut-off frequencies,making them by far superior to present LDMOScomponents. Here we collaborate with Alcatel-SEL, EADS, and UMS within a joint research

GaN Power Amplifiers for Radar Systemsand Base Station Applications

Fig. 3a: Single-stage base station demonstrator withGaN/AlGaN HEMTs.Abb. 3a: Einstufiger Verstärker mit GaN/AlGaN-HEMTs alsDemonstrator für Basisstationen.


verhältnis von 10 % gepulst. Die lineare Ver-stärkung ist 18 dB, die gemessene Ausgangs-leistung von 20 W ergibt eine Leistungsdichtevon 4,16 W/mm. Bei maximaler Ausgangs-leistung wurde eine Kompression der Verstär-kung von 6 dB festgestellt, und der Maximalwertdes Wirkungsgrades (PAE) im AB-Betrieb betrugmehr als 25%.

Ein ähnlicher zweistufiger Verstärker-MMICwurde von der EADS entworfen und vomFraunhofer IAF hergestellt. Die gemesseneSättigungs-Ausgangsleistung dieses Verstärkersbetrug bei 9,5 GHz im gepulsten Radar-Betrieb20 W und der maximale Wirkungsgrad (PAE)erreichte 36 %. Die relative Bandbreite warjedoch etwas kleiner als diejenige des in Abb. 2dargestellten Verstärkers.

Unsere künftigen Forschungsaktivitäten werdensich auf eine Steigerung der Zuverlässigkeit undLebensdauer der Bauelemente sowie des Wir-kungsgrades (PAE) konzentrieren.

Das Potenzial von GaN-Leistungsverstärkern fürAnwendungen in Basisstationen von Mobilfunk-Kommunikationsnetzen liegt in den hohen Ver-sorgungsspannungen bis zu 60 V, höherenLeistungsdichten bei verringertem Kühlaufwandund höheren Grenzfrequenzen, weshalb sie denheutigen LDMOS-Komponenten überlegen sind.Hier kooperieren wir mit Alcatel-SEL, EADS undUMS in einem gemeinsamen Forschungspro-gramm, das vom Bundesministerium für Bildungund Forschung (BMBF) gefördert wird.

Die notwendigen Voraussetzungen hierfür sindhohe Ausgangsleistung in Verbindung mit hoherLinearität und großer Bandbreite sowie Multi-band- und Multistandard-Betrieb für die komple-xen Modulationsverfahren der Mobilkommuni-kationssysteme der dritten (3G) und vierten (4G)Generation.

Am Fraunhofer IAF wurden diverse ein- undzweistufige Verstärker in hybrider Mikrostreifen-leitungstechnik realisiert, die von Alcatel-SEL ins-besondere hinsichtlich der Linearität im Betriebmit W-CDMA-Modulation getestet wurden. DieVerstärker, für die in Abb. 3a ein Beispiel darge-stellt ist, besitzen hohe Bandbreiten von 0,9 GHzbis 2,7 GHz und sind LDMOS-Lösungen daher

im Multiband- bzw. Multistandard-Betrieb über-legen.

Der in Abb. 3a gezeigte Gegentakt-Leistungs-verstärker mit einer Gesamtgateweite von32 mm deckt den Frequenzbereich von 1,8 GHzbis 2,2 GHz ab; die Verstärkung liegt zwischen8 dB und 11 dB. Abb. 3b stellt für diesen Ver-stärker die gemessene Ausgangsleistung beieiner Frequenz von 1,95 GHz und einer Drain-spannung VDS = 35 V über der Eingangsleistungdar. Die maximale Spitzenleistung im W-CDMA-Betrieb beträgt 102 W bei einer Leistungsdichtevon 3,1 W/mm. Die strengen Linearitätsanfor-derungen des UMTS-Standards sind über dengesamten Frequenzbereich für Ausgangsleis-tungen bis zu 16 W erfüllt.

Wir haben als Kettenschaltung einzelnerDemonstratoren einen Verstärker für Basis-stationen realisiert, der über eine Bandbreite von400 MHz ein Steuersignal von 1 mW auf eineAusgangsleistung von 100 W anzuheben ver-mag. Dies ist bezüglich der Bandbreite gegen-über existierenden Lösungen eine Steigerung ummehr als das Vierfache, was Multiband-Betriebermöglicht. Auch mit diesen Aktivitäten wird einTechnologietransfer an die Industrie beabsichtigt.

Unsere verteidigungsbezogenen F&E-Aktivitätenwerden vom Bundesministerium für Verteidigung(BMVg) und seinen Dienststellen BWB und derWTD 81 finanziert und gefördert. Diese Projektewerden in enger Zusammenarbeit mit unserenIndustriepartnern EADS und UMS durchgeführt.

GaN-Leistungsverstärker für Anwendungen in Radarsystemen und Basisstationen

25 30 35 40 45

5

15

25

35

45

55 47.7 dBm = 57 W

Gai

n (d

B)P o

ut (d

Bm)

Pin (dBm)

50.1 dBm = 102 W

Fig. 3b: Peak output power and gain of the demonstrator at1.95 GHz under W-CDMA operation.Abb. 3b: Spitzen-Ausgangsleistung und Verstärkung desDemonstrators im W-CDMA-Betrieb bei 1,95 GHz.


We develop mixed signal and multifunctional ICs for highest bitrates up to 80 Gbit/s using our well-established GaAs HEMT technology. A complementary InP-based heterobipolar transistor (HBT) technology is available, too. ICs witha complexity of several 100 transistors are available and can be mounted andpackaged in modules.

Wir stellen Mischsignal- und multifunktionale ICs für Datenraten bis 80 Gbit/smit unserer bewährten GaAs-basierenden HEMT-Technologie her. Diese wirddurch eine InP-Heterobipolar-Transistor (HBT)-Technologie ergänzt. Die Schal-tungen mit bis zu einigen 100 Transistoren werden als Prototypen oder inKleinserien hergestellt, wobei auch die Aufbau- und Gehäusetechnik vor-handen sind.

MIXICsMischsignal-Schaltungen


State-of-the-art Mixed Signal ICsFraunhofer-IAF has a long tradition in R&D on devices and circuits for use inhigh-speed communication systems. Whereas previous work relied on GaAsmetamorphic HEMTs, we are now focused on InP-based DHBTs. Within the re-search project »MultiTeraNet« funded by the Federal Ministry of Education andResearch we developed high-speed mixed signal ICs for telecommunicationsystems.

Outstanding results have been achieved in two PhD works, carried out by KarlSchneider and Robert Makon. Karl designed and realized broadband amplifiercircuits, based on InGaAs/InP DHBTs operating at data rates of 80 Gbit/s andbeyond. He received his PhD degree, with highest honors, from the University of Karlsruhe in January 2006. Robert worked on a monolithically integratedclock-and-data-recovery (CDR) circuit and a 1:2 demultiplexer (DEMUX), alsousing the InP-DHBT technology. These ICs are parts of the receiver in ultra-high-speed electrical time domain multiplex transmission links. He also receiveda PhD degree in electrical engineering from the University of Karlsruhe inFebruary 2006.

Mischsignal-ICs mit höchsten BitratenDas Fraunhofer IAF hat langjährige Erfahrung mit Bauelementen und integriertenSchaltungen für Nachrichtensysteme mit höchsten Bitraten. Frühere Arbeitenbasierten auf metamorphen GaAs-HEMTs, neue Entwicklungen sind auf InP-DHBTsaufgebaut. Im BMBF-finanzierten Verbundprojekt »MultiTeraNet« haben wirMischsignal-Schaltungen für die optische Nachrichtenübertragung entwickelt.

Herausragende Ergebnisse wurden im Rahmen von zwei Promotionsarbeitenvon Karl Schneider und Robert Makon erzielt. Karl Schneider entwickelte breit-bandige Verstärker, z. B. für Modulatortreiber mit Datenraten von 80 Gbit/s unddarüber hinaus. Er promovierte mit Auszeichnung an der Universität Karlsruheim Januar 2006. Einen Monat später promovierte Robert Makon, ebenfalls ander Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität Karls-ruhe, mit einer Arbeit, die die Realisierung von einer monolithisch integriertenTakt- und Daten-Rückgewinnung und einer 1:2-DEMUX-Schaltung, ebenfalls fürbisher unerreichte Datenraten von 80 Gbit/s und höher, zum Inhalt hatte. DieseMischsignalschaltungen auf der Basis von InP-DHBTs sind Schlüsselkomponentenfür elektrische Zeitmultiplex-Übertragungsverfahren.

input(VB )

)CC(Voutput

laser diode

optical fiberMD CDRMUX

D1

D2

D1

D2

clock

modulator driver

modulatorclock

DEM

UX

photodiode

transimpedanceamplifier

frequency divider

clock & datarecovery

Transmitter Receiver


While 40 Gbit/s systems are finally reachingcommercial deployment, the next generationinterface speeds will likely be 80 Gbit/s for thetelecommunication systems and 100 Gbit/s fordata communication systems (Ethernet). The cost effective capacity enhancement of the communication systems requires, however, circuit designs and transistor technologies offering maximum performance for high-speedand high levels of integration. Among modernsemiconductor technologies, InP heterojunctionbipolar transistor (HBT) based ICs are promisingcandidates for making the high bit rate opticaltransmitters and receivers (Fig. 1). The ability tocombine high gain, large bandwidth, and highbreakdown voltage in a transistor makes InPDHBTs the candidates of choice for high band-width, high precision mixed-signal circuits.

Using an in-house developed InP DHBT-basedtechnology, starting from epitaxial layer growthto complete IC design and fabrication, we have previously successfully developed most critical transmitter and receiver components for40 Gbit/s optical communication systems. Thesubsequent consistent and continuous improve-ments in molecular beam epitaxy (MBE) growth,process technology, and device/circuit designhave drastically enhanced device and circuit performance.

In this report we summarize our progress to date on mixed-signal circuits for future 80 –100 Gbit/s systems. During this past year, a setof critical ICs offering high-quality output wave-forms, including a 2:1 multiplexer, as well as alarge bandwidth distributed amplifier intendedfor use as a modulator driver IC, with flat gainand high output voltage have been developed.Of special note is also the first demonstration of a state-of-the-art clock and data recovery ICwith integrated demultiplexer (CDR/DEMUX)operating at 80 Gbit/s.

Fig. 2 shows typical common-emitter-collectorcurrent-voltage characteristics of 2.4 µm2 emit-ter InGaAs/InP DHBTs. The devices displayed lowleakage currents and a typical high current gainof 85. The DHBTs exhibited also a turn-on offsetvoltage of 0.12 V, a saturation (knee) voltage ofless than 1 V, and a breakdown voltage BVCEo ofabout 5 V.

Ultra-High-Speed Mixed-Signal Integrated CircuitsBased on InP DHBT Technology

Fig. 1: Block diagram of a typical optical tranceiver system. Abb. 1: Blockschaltbild eines typischen optischen Übertragungs-systems.

Rachid DriadTel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-6 [email protected]


Während Nachrichtenübertragungssysteme miteiner Datenrate von 40 Gbit/s allmählich in kommerzielle Märkte vordringen, zeichnet sichbereits die nächste Entwicklungsstufe mit vor-aussichtlich 80 Gbit/s in der Telekommunikationund 100 Gbit/s in der Datenübertragung (Ether-net) ab. Die wirtschaftliche Umsetzung dieserZiele erfordert neuartige Transistortechnologienmit hohen Grenzfrequenzen und hoher Inte-grationsdichte. Eine aussichtsreiche Entwicklungsind integrierte Schaltungen auf Grundlage vonInP-Doppel-Heterobipolartransistoren (DHBT)(Abb. 1). Die Kombination von hoher Geschwin-digkeit und hoher Durchbruchspannung machtdiese Transistoren besonders geeignet für dieEntwicklung leistungsfähiger Mischsignal-Schal-tungen mit großer Bandbreite.

Die eingesetzte InP-DHBT-Technologie wurde vonder Epitaxie bis zum Entwurf und der Herstellungder Schaltungen vollständig am Fraunhofer IAFentwickelt. Im letzten Jahr berichteten wir überdie erfolgreiche Realisierung kritischer Schal-tungen für optische Nachrichtensysteme miteiner Datenrate von 40 Gbit/s. KontinuierlicheVerbesserungen in Schichtwachstum, Prozess-führung und Bauelement- und Schaltungsent-wurf führten zu entscheidenden Fortschritten. An dieser Stelle berichten wir über die aktuellenErgebnisse im Bereich der Mischsignal-Schal-tungen für 80 – 100 Gbit/s. Es wurden mehrere

Schlüsselkomponenten realisiert, darunter ein2:1-Multiplexer und ein Breitbandverstärker mithohen Ausgangsleistungen für den Einsatz alsModulatortreiber. Insbesondere konnte erstmalseine Takt- und Datenrückgewinnungsschaltungmit integriertem Demultiplexer (CDR/DEMUX) beieiner Datenrate von 80 Gbit/s demonstriert wer-den, welche den derzeitigen Stand der Technikneu definiert.

In Abb. 2 ist das Ausgangskennlinienfeld einesInGaAs/InP-DHBT mit einer Emitterfläche von2,4 µm2 dargestellt. Die Stromverstärkung hateinen Wert von 85 und die Leckströme sindgering. Die Einsatzspannung und die Sättigungs-spannung des Transistors sind mit 0,12 und 1 Vniedrig, bei einer gleichzeitig hohen Durchbruch-spannung von 5 V.

Das Hochfrequenzverhalten der Bauelementewurde anhand von S-Parametermessungen imFrequenzbereich von 0,5 bis 120 GHz charakteri-siert. Für einen Transistor mit einer Emitterflächevon 2,4 µm2 ist in Abb. 3 die Abhängigkeit derGrenzfrequenz (fT) und der maximalen Schwing-frequenz (fmax) von der Kollektorstromdichte dar-gestellt. Die Maximalwerte von 270 GHz für fTund 290 GHz für fmax werden bei einer Strom-dichte von 6 mA/µm2 und einer Kollektor-zu-Emitter-Spannung von 1,75 V erreicht.

Mischsignal-Schaltungen für 80 Gbit/s und höher mit InP-DHBTs

0 1 2 3 4 5

0

5

10

15

IB: 25 µA/step

I C (m

A)

VCE (V)

SEB = 2.4 µm2

Fig. 2: Typical output-characteristics of InGaAs/InP DHBTs.Abb. 2: Typisches Kennlinienfeld eines InGaAs/InP-DHBTs.

Fig. 3: Collector current dependence of the cut-off frequencies for 2.4 µm2 emitter area InGaAs/InP DHBTs.Abb. 3: Grenzfrequenzen für einen InGaAs/InP-DHBT mit 2,4 µm2 Emitterfläche in Abhängigkeit vom Kollektorstrom.

0 1 2 3 4 5 6 7100

150

200

250

300

350

SEB = 2.4 µm2

VCE = 1.75 V

Freq

uenc

y (G

Hz)

IC (mA)

fmax

fT


The circuit has been successfully tested up to100 Gbit/s, as shown in Fig. 4. At a supply voltage of -5 V, the chip consumes a current ofabout 140 mA. The single-ended output voltageswing at 100 Gbit/s is about 600 mV into a 50 Ω load.

Future high-speed optical data communicationsystems, operating at data rates of 80 Gbit/s and beyond, will require modulator driver circuitswith simultaneous high bandwidth and highoutput voltage swing.

Hence, a distributed amplifier consisting of eight identical stages in cascode configurationhas been designed and fabricated. The amplifieremploys devices of different emitter sizes toachieve high power. A schematic of the gain cell is shown in Fig. 5a. The amplifier also fea-tures external ports for biasing the emitter followers and the base of the cascode, allowingto a certain degree, the compensation of designerrors and process variations. A chip photographof the single-ended amplifier with coplanarwaveguides is shown in Fig. 5b. The amplifieruses a total of 40 transistors in a chip size of 0.9 x 2.28 mm2.

The microwave performance of these deviceswas characterized by on-wafer S-parametermeasurements from 0.5 to 120 GHz. Fig. 3shows the variation of the cut-off frequency (fT)and maximum oscillation frequency (fmax) as afunction of the collector current density, for adevice with an emitter size of 2.4 µm2. Peak fTand fmax values of 270 and 290 GHz, respec-tively, have been achieved at a collector currentdensity of 6 mA/µm2 and a collector-emitter voltage of 1.75 V.

Concerning the development of standard logicICs, we initially addressed a 2:1 multiplexer(MUX) IC. Multiplexers are important building blocks for the transmitter side of optical fiberlinks, as they serialize relatively low-speed (parallel) data channels at their input to onehigh-speed data channel at their single output(Fig. 1). The multiplexer-core (selector) is alsoconsidered as an ideal test vehicle to assess the potential of a given technology.

Thus, a 2:1 MUX-core has been designed andmanufactured. The whole circuit has been de-signed in a differential topology and includes aclock and an output buffer, the selector itself, aswell as additional input data buffers. The circuitfeatures a complexity of 30 active components,in a chip size of only 1 x 1 mm2. Fig. 4 shows achip photograph of the realized selector.


Fig. 4: Output eye diagram of a 2:1 selector IC at 100 Gbit/sdata rate. The chip size is 1 x 1 mm2.Abb. 4: Ausgangs-Augendiagramm eines 2:1-Selektor-ICs beieiner Datenrate von 100 Gbit/s. Die Chipgröße ist 1 x 1 mm2.


Multiplexer-(MUX)-Schaltungen sind Schlüssel-komponenten auf der Senderseite von optischenDatenübertragungssystemen. Sie fassen dieparallelen Eingangsdatenkanäle mit relativ niedri-ger Bitrate zu einem einzigen Ausgangsdaten-kanal mit hoher Bitrate zusammen (Abb. 1). DerMultiplexerkern, auch Selektor genannt, gilt alseine geeignete Schaltung zur Beurteilung desGeschwindigkeitspotentials einer bestimmtenTechnologie.

Eine 2:1-Selektor-Schaltung wurde entworfenund realisiert. Diese Schaltung, in differenziellerTopologie, beinhaltet neben dem eigentlichenSelektor Treiberstufen für die Ein- und Ausgangs-daten sowie eine Treiberstufe für das Taktsignal.Die gesamte Schaltung hat eine Komplexität von30 aktiven Elementen, wobei die Chipgrößelediglich 1 x 1 mm2 beträgt. Abb. 4 zeigt dasChipfoto der Schaltung.

Die Selektor-Schaltung zeigt einen einwandfreienBetrieb bei Datenraten von bis zu 100 Gbit/s

(Abb. 4). Bei einer Versorgungsspannung von -5 V beträgt die Stromaufnahme ca. 140 mA.Der auf einen Ausgang bezogene Ausgangs-spannungshub liegt bei ca. 600 mV an einemLastwiderstand von 50 Ω.

Zukünftige optische Datenübertragungssysteme,die bei Datenraten von 80 Gbit/s und höherarbeiten, werden Modulatortreiber-Schaltungenerfordern, die gleichzeitig hohe Bandbreite undhohen Ausgangsspannungshub liefern.

Hierzu wurde ein verteilter Verstärker aus achtidentischen Zellen in Kaskodenkonfiguration ent-worfen und hergestellt. Das Schaltbild einerVerstärkerzelle ist in Abb. 5a dargestellt. DerEinsatz von Transistoren unterschiedlicher Größeerzeugt hohe Leistungen. Getrennte Spannungs-versorgungen für die Emitterfolger und die Basisder Kaskode ermöglichen es, Fehler im Entwurfoder Prozessschwankungen nachträglich zum Teilzu kompensieren. Ein Chipfoto des vollständigenVerstärkers, der 40 Transistoren beinhaltet, ist inAbb. 5b gezeigt. Die Schaltung ist in koplanarerSchaltungstechnik ausgeführt und hat eineGröße von 0,9 x 2,28 mm2.


Fig. 5: Schematic of a gain cell (a), chip photograph (b),and scattering parameters (c) of the high gain distributedamplifier.Abb. 5: Prinzip-Schaltbild (a), Chip-Bild (b) und S-Parameter(c) des Wanderwellenverstärkers mit hoher Verstärkung.

CHF2VE

OUT (VCC)

RDQ4

Q1

Q3

Q2

Vc

REF2 REF1 RED

CHF1

IN (VB)

0 20 40 60 80 100 120-20

-10

0

10

20

30

40

Max. Bandwidth

S ij (dB

)

Frequency (GHz)

S11

S21

S22

Power MeasurementEye Diagram

(a)

(b)

(c)


The output eye does not show any limiting ef-fects, which strongly suggests that the maximumavailable output swing could be considerably lar-ger, using a larger input signal. The small-signalgain that relates to the eye diagram measure-ment condition is included in Fig. 5c (dashedline).

Power measurements (VCC = 4.5 V, ICC = 175 mA,VE = 3.9 V, IE = 165 mA) were conducted toinvestigate the maximum output power of theamplifier. Fig. 7 summarizes the output powerperformance over a frequency range from 5 to75 GHz. The output power at 1 dB compressionis almost constant at 18 dBm up to 40 GHz anddecreases by less than 3 dBm up to 60 GHz.Above this frequency the output power roles offfaster to 10.5 dBm at 75 GHz. The large-signalgain of the power measurement corresponds tothe small-signal gain of the scattering parametermeasurement under the same bias conditions(Fig. 5c).

The power measurements indicate that the maxi-mum output swing at 80 Gbit/s is between 2.6 V(≅ 12 dBm) and 5.1 V (≅ 18 dBm) with a gain of more than 14 dB. The power spectrum of an80 Gbit/s digital signal gradually decreases fromits maximum at 0 Hz to a minimum at 80 GHz.Hence, the probability is high that a voltageswing considerably larger than 2.6 V could beachieved. It is also expected that larger voltageswings would be achievable by transfer of thisconcept into a differential design. Nevertheless,these results already rival with the best datareported with respect to modulator driver applications at ≥ 80 Gbit/s.

In the receiver part of an ETDM transmissionlink, clock and data recovery (CDR) circuit is one of, if not, the most critical key component.Using various technologies (III-V-based HBT andHEMT, SiGe, and even CMOS), fully integratedCDR circuits have been, so far, reported at datarates of only up to 43 Gbit/s.

Within this project, we intended to develop andrealize a monolithically integrated CDR circuitand a 1:2 demultiplexer (DEMUX), designed foruse in future communication systems, operatingat 80 Gbit/s.

The scattering parameters of the distributedamplifier, measured at VCC = 3.8 V, ICC = 121 mA,VE = 3.3 V, and IE = 117 mA, are shown in Fig. 5c. If the amplifier is biased for large band-width and moderate peaking, the gain is 12 dBwith a peaking of 3 dB and a bandwidth of 94 GHz. The matching of the input and outputis better than -10 dB up to 75 GHz and over the full bandwidth, respectively. The amplifier's tendency for oscillation and the fairly steep roll-off at very high frequencies are attributed to the excessive peaking used to maximize thebandwidth. The small-signal gain at other operating points is shown in dashed lines. The simulated amplifier response for flat gaincondition is also shown in dotted lines.

The result of an 80 Gbit/s eye diagram measure-ment (VCC = 4 V, ICC = 131 mA, VE = 3.6 V, IE = 137 mA) is illustrated in Fig. 6. The outputswing is 2.4 V and is limited by the availableinput swing of the measurement system. Thegain for the digital signal is 14.5 dB. In com-parison to the reference eye, the output eye isimproved dramatically. The relative eye openingof the output eye is 44 % in comparison to22 % for the input eye. The optimum eye shapewas achieved using the tuning capability of the amplifier. This is achieved by compensatinglosses in the measurement system with pronoun-ced peaking of the amplifier.


Fig. 6: Eye diagram of the distributed amplifier at 80 Gbit/s.The signal gain is 14.5 dB.Abb. 6: Augendiagramm des Wanderwellenverstärkers bei80 Gbit/s. Die Verstärkung beträgt 14,5 dB.

0.10 V

1.05 V2.38 V

0.45 V

Reference: 80 Gbit/s

Amplifier:

0 10 20 30 40 50 60 70 800

5

10

15

20

25

30

Gai

n (d

B)

P out (

dBm

)

Frequency (GHz)

Pout

Gain


Die gemessenen Streuparameter des Verstärkersim Arbeitspunkt für optimale Bandbreite (VCC = 3,8 V, ICC = 121 mA, VE = 3,3 V, IE = 117 mA) sind in Abb. 5c dargestellt. DieBandbreite und die Kleinsignalverstärkung be-tragen 94 GHz und 12 dB mit einer Überhöhungvon 3 dB bei hohen Frequenzen. Die Anpassungist besser als -10 dB, am Ausgang über diegesamte Bandbreite und am Eingang bis75 GHz. Die Neigung zu Oszillationen und dersteile Verstärkungsabfall bei hohen Frequenzensind auf den Einsatz von Resonanzmechanismenzur Verstärkungsmaximierung zurückzuführen.Die Kleinsignalverstärkungen in anderen Arbeits-punkten ist gestrichelt und die Simulation fürkonstante Verstärkung gepunktet dargestellt.

Das Ergebnis einer Augendiagrammmessung bei80 Gbit/s (VCC = 4 V, ICC = 131 mA, VE = 3,6 V,IE = 137 mA) ist in Abb. 6 dargestellt. DerSpannungshub am Ausgang ist 2,4 V und istbegrenzt durch das im Messsystem verfügbareEingangssignal. Das digitale Signal wird um14,5 dB verstärkt und die Qualität des Ausgangs-signals ist im Vergleich zum Eingangssignal deutlich verbessert. Die relative Augenöffnungerhöht sich von 22 % am Eingang auf 44 % am Ausgang. Dafür wurde die Verstärkung so eingestellt, dass sie zu hohen Frequenzenansteigt und so die Verluste des Messsystemskompensiert.

Das Ausgangssignal zeigt keine begrenzendenEffekte und es ist zu erwarten, dass ein stärkeresEingangssignal ein noch größeres Ausgangs-signal erzeugen würde. Die zur Augendiagramm-messung gehörende Kleinsignalverstärkung ist inAbb. 5c gestrichelt angegeben.

Die maximale Ausgangsleistung des Verstärkerswurde anhand von Leistungsmessungen ermittelt(VCC = 4,5 V, ICC = 175 mA, VE = 3,9 V, IE = 165 mA). In Abb. 7 sind die Ergebnisse fürden Frequenzbereich 5 bis 75 GHz zusammen-gefasst. Die Ausgangsleistung bei 1-dB-Kom-pression beträgt 18 dBm bis 40 GHz und fällt bis60 GHz um weniger als 3 dB ab. Es folgt einstärkerer Abfall auf 10,5 dBm bei 75 GHz. DieGroßsignalverstärkung in der Leistungsmessungentspricht der Verstärkung in der Kleinsignal-messung im gleichen Arbeitspunkt (Abb. 5c).

Die Leistungsmessungen ergeben einen maximalmöglichen Ausgangsspannungshub für ein 80-Gbit/s-Datensignal zwischen 2,6 V (≅ 12 dBm)und 5,1 V (≅ 18 dBm) bei mehr als 14 dB Ver-stärkung. Das Leistungsspektrum eines solchenSignals fällt von einem Maximum bei 0 Hz aufein Minimum bei 80 GHz ab. Daher ist der maxi-male Spannungshub wahrscheinlich wesentlichgrößer als 2,6 V. Eine Übertragung des Schal-tungskonzepts auf differenzielle Verstärker solltenoch höhere Leistungen ermöglichen. Die aktu-ellen Ergebnisse gehören zu den besten bisherveröffentlichten Daten zu Modulatortreibern für≥ 80 Gbit/s.

Auf der Empfängerseite von ETDM-basierendenDatenübertragungssystemen ist die Takt- undDatenrückgewinnungsschaltung (CDR) eine derentscheidenden Komponenten mit höchsterKomplexität. In verschiedenen, konkurrierendenHalbleitertechnologien (III-V-HBT/HEMT, SiGe undsogar CMOS) sind monolithisch integrierte CDR-Schaltungen bisher mit Datenraten von maximal43 Gbit/s demonstriert worden.

Im Rahmen dieses Projektes wurden die Ent-wicklung und Realisierung einer monolithischintegrierten CDR-Schaltung mit eingebautem1:2-Demultiplexer in Angriff genommen füreinen Einsatz in zukünftigen 80-Gbit/s-Kom-munikationssystemen.


Fig. 7: Output power at 1 dB compression point and gain ofthe distributed amplifier.Abb. 7: Ausgangsleistung an 1 dB-Kompressionspunkt undVerstärkung des Wanderwellenverstärkers.

The block diagram of the implemented CDR cir-cuit is illustrated in Fig. 8. The applied topologyof this CDR circuit is based on the configurationof a phase-locked loop (PLL). The phase detector(PD) is implemented as a (digital) half-rate linearone. The data recovery is performed within thisPD, whereas the input signal Din is recovered inform of the demultiplexed data Dout,1 andDout,2. The loop filter (LPF) is implemented usinga passive low-pass filter, which is assisted by acharge pump (CP). This charge pump allows keeping high the gain of the CDR system, thusminimizing the bit error rate during data reco-very.

The VCO included in the CDR circuit is a LCoscillator of negative resistance type. The usedcircuit concept is consistent with those reportedin our previous annual reports. In the present IC,the emphasis was set on further improvementsin the phase noise performance of the VCO cir-cuit. In effect, the present technology benefitsfrom a high transistor current gain as well ashigh cut-off frequencies. By exploiting these properties, the oscillation transistor shot noise aswell as its contribution to the VCO phase noisecan be considerably reduced. A chip photographof the complete CDR circuit is shown in Fig. 8.


Fig. 8: Block diagram and chip photograph of the implemented CDR circuit.Abb. 8: Blockschaltbild und Chip-Bild der Takt- undDatenrückgewinnungsschaltung.

Din

Din

Dout 2

Dout 2

Dout 1Dout 1

CLK out

CP/LPF

VCO

PD


The chip size is 1.75 x 1.75 mm2. The integratedcircuit features a complexity of 180 DHBTs.

The recovered and demultiplexed 40 Gbit/s datafor an 80 Gbit/s input signal (231-1 PRBS) areshown in Fig. 9. The output data of the CDRfeature very clear eye opening with a voltageswing of approximately 600 mVpp.

The output spectrum of the extracted 40 GHzclock signal from the input data is illustrated inFig. 10. At 100 kHz offset from the carrier, thephase noise of the VCO is as low as -98 dBc/Hz.The measured peak-to-peak time jitter, as deter-mined by the oscilloscope, amounts to about1.6 ps. The rms jitter is measured to be~ 0.37 ps. The locked CDR loop is capable of tracking input data rate variations, which correspond to a clock signal frequency range of 100 MHz.

At a single supply voltage of -4.8 V, the CDR circuit features a power consumption of 1.65 W.To the author’s best knowledge, this workdemonstrates the first CDR/DEMUX integratedcircuit at the achieved data rate, regarding allcompeting technologies.

PD

Dout,1

Din

CLKin

Dout,2

VCO

CLK out

E

RCP/LPF


Das Blockdiagramm der CDR-Schaltung ist inAbb. 8 dargestellt. Die angewendete Topologiedieser CDR-Schaltung entspricht der Konfigura-tion einer Phasenregelschleife (PLL). Der enthal-tene Phasendetektor (PD) ist als reine digitaleSchaltung ausgeführt, wobei der PD-Betrieb aufeinem linearen Half-Rate-Operationsmodusbasiert. Die Datenrückgewinnung erfolgt inner-halb der PD-Schaltung in Form von zwei demulti-plexten Ausgangsdatenkanälen Dout,1 undDout,2. Das Schleifenfilter (LPF) ist ein passivesFilter, dessen Betrieb durch eine Ladungspumpeunterstützt wird. Diese Ladungspumpe ermög-licht eine relativ hohe Verstärkung des CDR-Systems, wodurch die Bitfehlerrate bei derDatenrückgewinnung minimiert wird.

Der in der CDR-Schaltung eingesetzte span-nungsgeregelte Oszillator (VCO) ist ein LC-Oszillator, basierend auf dem Prinzip des negati-ven Widerstandes. Das verwendete Schaltungs-konzept entspricht demjenigen, das bereits inunseren früheren Jahresberichten präsentiertwurde. Bei der Entwicklung der jetzigen VCOswurde Wert auf eine Verbesserung des Phasen-rauschens gelegt.

Dank der höheren Stromverstärkung und Grenz-frequenzen der Transistoren in unserer aktuellenHBT-Technologie ist eine erhebliche Reduktion

des Schrotrauschens im Schwingtransistor mög-lich, wodurch der entsprechende Beitrag zumPhasenrauschen des VCOs minimiert wird. EinChipfoto der kompletten CDR-Schaltung mit180 DHBTs ist in Abb. 8 gezeigt. Die Chipgrößebeträgt 1,75 x 1,75 mm2.

Abb. 9 zeigt die regenerierten und demultiplex-ten 40-Gbit/s-Daten für ein 80-Gbit/s-Eingangs-signal (231-1 PRBS). Diese Ausgangsdaten zeich-nen sich durch weit geöffnete Augen mit einemSpannungshub von ca. 600 mV aus.

Das Ausgangsspektrum des extrahierten 40-GHz-Taktsignals aus den Eingangsdaten ist inAbb. 10 dargestellt. In einem 100-kHz-Frequenz-abstand von der Trägerfrequenz beträgt dasPhasenrauschen des VCO-Ausgangssignals -98 dBc/Hz. Der gemessene Peak-to-Peak-Jitterliegt bei 1,6 ps, während der rms-Jitter 0,37 psbeträgt. Im eingerasteten Zustand ist die CDR-Schleife in der Lage, Eingangsdatenvariationen ineinem Frequenzbereich von 100 MHz zu folgen.

Bei einer einzigen Versorgungsspannung von -4,8 V verbraucht die CDR-Schaltung eineLeistung von 1,65 W. Nach unserem bestenWissen ist dies die höchste Datenrate für eineintegrierte CDR/DEMUX-Schaltung, unabhängigvon der verwendeten Transistor-Technologie.


Fig. 10: Spectrum of the extracted 40 GHz clock signal.Abb. 10: Spektrum des extrahierten 40-GHz-Taktsignals.

MKR100.0 kHz-98.77 dB/Hz

Center 40 GHz Span 400 kHz

Fig. 9: 40 Gbit/s recovered and demultiplexed data at thedifferential outputs of the 80 Gbit/s CDR/Demux IC.Abb. 9: 40 Gbit/s Datenstrom am Ausgang des 80-Gbit/s-Takt- und Datenrückgewinnungs-Demux-Schaltkreises.

Dout 1

Dout 1

Dout 2

Dout 2


Infrared sensors for wavelengths from 3 – 20 µm are in the focus of our IR-technology. Quantum well infrared photodetectors (QWIP) based on intersubband transitions in superlattices show record thermal and spatialresolution. For the next detector generation with even higher sensitivity wedevelop short period superlattices. For high efficiency dual-band IR detectorsMCT structures will be used.

Infrarot-Sensoren für den Spektralbereich von 3 – 20 µm stehen im Mittelpunktunserer IR-Technologie. Diese Quantenfilm-Infrarot-Photodetektoren (QuantumWell Infrared Photodetector, QWIP) nutzen Intersubbandübergänge in (AlGa)As-Halbleiterübergittern aus. InAs/GaSb-Übergitter werden für die nächste Detek-torgeneration mit noch höherer Empfindlichkeit entwickelt. Für Zwei-Band-IR-Detektoren mit hoher Quanteneffizienz werden HgCdTe-Strukturen verwendet.

Infrared SensorsInfrarot-Sensoren


Missile Warning Sensor for A400MAIM Infrarot-Module and Fraunhofer IAF have fabricated the worldwide firstdual-color IR camera system based on InAs/GaSb superlattice detectors. Thejointly developed 288 x 384 FPA, operating simultaneously at two wavelengthsbetween 3 and 5 µm will be the sensor used in the Multi-Color Infrared AlertingSensor (MIRAS) system of the new European A400M large military transport aircraft. The MIRAS system is being developed by EADS Defence Electronics and Thales.

»With the MIRAS missile warner, the A400M now has the most modern self-protection system in the world which will increase the mission effectiveness ofthe aircraft as well as the safety of the aircrews decisively« explained BernhardGerwert, CEO and President of EADS Defence Electronics (Press Release EADS,September 28, 2005).

Raketen-Warnsensor für A400MAIM Infrarot-Module und Fraunhofer IAF haben das weltweit erste Zwei-Farben-IR-Kamerasystem auf Basis von InAs/GaSb-Übergitter-Detektoren hergestellt. Das gemeinsam entwickelte 288 x 384 FPA, welches zeitgleich bei zwei Wellen-längen zwischen 3 und 5 µm arbeitet, wird als Sensor im Multi-Color InfraredAlerting Sensor (MIRAS)-System des neuen europäischen TruppentransportersA400M eingesetzt werden. Das MIRAS-System wird gemeinsam von EADSDefence Electronics und Thales entwickelt.

»Mit dem Flugkörperwarner MIRAS verfügt der A400M nunmehr über das weltweit modernste Selbstschutzsystem, das die Einsatzwirksamkeit sowie dieSicherheit der Besatzung ganz entscheidend erhöht« erklärte Bernhard Gerwert,CEO und President von EADS Defence Electronics (Presseerklärung EADS, 28. September 2005).


Molecular Beam Epitaxy of CdHgTe for Dual-Band Infrared Detectors

Although QWIPs and superlattice infrared detec-tors with high performance have been success-fully developed at Fraunhofer IAF over the lastyears, CdHgTe (CMT) is, in many respects, stillthe material of choice for dual-band infrareddetectors with high quantum efficiency. Theseso-called third generation devices detect IR radi-ation in different wavelength regimes. The usualepitaxial growth method for first and secondgeneration CMT detectors is liquid phase epitaxy(LPE). Third generation IR detectors for simulta-neous detection in the mid-wavelength infrared(MWIR, 3 – 5 µm) and long-wavelength infrared(LWIR, 8 – 12 µm) region cannot be grown byLPE due to lack of e. g. control of thickness andcomposition. Molecular beam epitaxy (MBE) isvery well suited for growth of CMT epilayerswith sharp interfaces, different material com-positions and doping levels.

A joint research project with AIM Infrarot-Module GmbH was started for the fabrication ofhigh quantum efficiency dual-band IR detectors.Fraunhofer IAF is focusing on molecular beamepitaxy and materials characterization in thisproject, AIM is involved in device processing and the fabrication of dual-band focal planearray cameras.

With spatial and temporal coincident detectionthe MWIR and LWIR regime, temperature, andemissivity of an object can be measured simulta-neously. Thus, hot objects can be discriminatedfrom background clutter, which is the mostimportant task to lower the false alarm rates inmissile approach warning systems. Furthermore,dual-band detectors provide better scene infor-mation under different climatic conditions. Depending on ambient temperature and humi-dity, the MWIR-band or the LWIR-band is advan-tageous for thermal imaging.

The common approach to design a dual-bandCdxHg1-xTe detector is based on a LWIR layer (x ≈ 0.2) on top of a MWIR layer (x ≈ 0.3).Usually, Cd0.96Zn0.04Te is used as a substrate.Alternative substrate materials, e. g. silicon orgermanium may find use in cost effective pro-duction of large area focal plane arrays in future.

Volker DaumerTel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-8 [email protected]

Fig. 1: CMT MBE needs abundant Hg supply: view port ofexternal mercury reservoir.Abb. 1: Die CdHgTe-MBE hat einen hohen Hg-Verbrauch:Sichtfenster des externen Hg-Vorratsbehälters.


In jüngster Vergangenheit wurden amFraunhofer IAF erfolgreich Infrarot (IR)-Kompo-nenten mit höchster Leistungsfähigkeit auf derBasis von QWIPs und Übergittern entwickelt.Dennoch ist nach wie vor das MaterialsystemCdHgTe (CMT) in vielerlei Hinsicht das Mittel derWahl für die Entwicklung von so genanntenZwei-Band-Infrarot-Detektoren mit hohemQuantenwirkungsgrad. Diese Detektoren derdritten Generation erfassen die Infrarotstrahlunggleichzeitig in unterschiedlichen Wellenlängen-bereichen. Hierbei wird die Strahlungsintensitätim mittleren (MWIR, 3 – 5 µm) und langwelligen(LWIR, 8 – 12 µm) infraroten Wellenlängen-bereich gemessen. Während die erste und zwei-te Generation von IR-Detektoren aus CMT übli-cherweise mittels Flüssigphasenepitaxie (LPE)hergestellt wurde, ist dies für die dritte Genera-tion aus unterschiedlichen Gründen nicht mög-lich. So sind zum Beispiel großflächige Homo-genität der Schichtdicke und die Abfolge unter-schiedlicher Materialzusammensetzungen mitder LPE nicht zu verwirklichen. Die Molekular-strahlepitaxie (MBE) hingegen ist geradezu idealgeeignet, CMT-Schichten mit scharfen Grenz-flächen, unterschiedlichen Materialkomposi-tionen und Dotierniveaus herzustellen.

In Kooperation mit AIM Infrarot-Module GmbH,Heilbronn, wurde ein gemeinsames Forschungs-projekt zur Herstellung von Zwei-Band-IR-Detek-toren mit hoher Quanteneffizienz begonnen.Während am Fraunhofer IAF die Molekular-strahlepitaxie von CMT entwickelt und die physi-kalischen Eigenschaften des epitaxierten Materi-als untersucht werden, wird bei AIM die Bau-elementprozessierung und die Herstellung derKameras durchgeführt.

Durch die zeitlich und räumlich koinzidenteDetektion im MWIR und LWIR kann die Tempe-ratur und die Emissivität eines Objekts gleichzei-tig gemessen werden. Auf diese Weise ist esmöglich, heiße Objekte von Sonnenlicht reflek-tierenden Teilchen im Hintergrund zu unterschei-den und somit den häufigsten Auslöser vonFehlalarmen bei Raketenwarnsystemen zu unter-binden. Darüber hinaus liefern Zwei-Band-De-tektoren optimierte Informationen über die Um-

gebung bei unterschiedlichsten klimatischenVerhältnissen, da je nach Umgebungstemperaturund Luftfeuchte das MWIR- oder LWIR-Band vor-zuziehen ist.

Ein gängiges Konzept für die Realisierung einesZwei-Band-CdxHg1-xTe-Detektors sieht eineLWIR-sensitive Schicht (x ≈ 0,2), aufgebracht aufeiner MWIR-sensitiven Schicht (x ≈ 0,3), vor. AlsSubstratmaterial wird hierbei üblicherweiseCd0,96Zn0,04Te verwendet, auf das nahezu git-terangepasst epitaxiert werden kann. Für diekosteneffiziente Herstellung von großflächigenBildfeldmatrizen werden zukünftig auch alterna-tive Substratmaterialien, wie Silicium oder Ger-manium, zum Einsatz kommen.

Epitaktische Schichten mit unterschiedlichemCadmiumgehalt werden idealerweise mit Mole-kularstrahlepitaxie hergestellt. Daher wurde amFraunhofer IAF ein neues MBE-System installiert.Der Epineat MBE-Reaktor der Firma Riber ist miteinem 5"-Substratheizer ausgestattet, der eineinheitliches Kristallwachstum über einer Sub-stratfläche mit 4" Durchmesser bei einer Tem-peraturhomogenität von weniger als einemKelvin ermöglicht. Diese hohe Anforderung andie Homogenität der Temperatur ist notwendig,um eine einheitliche Materialzusammensetzungund damit eine konstante Cut-off-Wellenlängeüber den Wafer zu gewährleisten.

Die Entwicklung von Zwei-Band-IR-Detektorenerfolgt in enger Zusammenarbeit mit AIM aufCdZnTe-Substraten, die von AIM hergestellt wer-den. Die Standardcharakterisierung der Epitaxie-schichten wurde am Fraunhofer IAF etabliert.Hierzu gehören Fourier-Transmission-Infrarot-(FTIR)-Spektroskopie, Sekundärionen-Massen-spektroskopie (SIMS), hochaufgelöste Röntgen-beugung (HRXRD) sowie Hallmessungen zurBestimmung von Ladungsträgerdichte undBeweglichkeit. Die Prozessierung der Bildfeld-matrizen, die Hybridisierung mit dem Auslese-schaltkreis und die Integration mit dem Sterling-Kühler zum integrierten Detektor-Kühler-Aufbau(IDCA) geschieht bei AIM.

Molekularstrahlepitaxie von CdHgTe für Zwei-Band-IR-Detektoren

Molecular Beam Epitaxy of CdHgTe for Dual-Band Infrared DetectorsStromversorgung mit erneuerbaren Energien


After the installation of the MBE reactor, teststructures have been grown in order to demon-strate the layer specifications laid down in theproject.

Fig. 2 shows a FTIR spectrum of such a layerwith a cut-off wavelength λco(77 K) = 12 µm.The red curve shows the measured spectrum,the blue curve the simulation. The band gapenergy is defined as the value where the absorp-tion α exceeds 1000 cm-1. The correspondingcadmium content x is calculated from theory.

After the acceptance test of the MBE system,basic growth parameters have been established.In a first work package, layer structures for the 3 – 5 µm wavelength range have been optimi-zed. In order to obtain a quantum efficiencyabove 50 %, a layer thickness of typically 8 – 9 µm is required. Fig. 3 shows the FTIR spectrum of such a sample. Pronounced oscilla-tions, caused by interference effects betweenthe epitaxial layer and the substrate, are obser-ved. The good agreement of calculated (blue)and measured (red) data indicates very goodcomposition control in growth direction. SIMSmeasurement, shown in Fig. 4 exhibit a veryconstant cadmium content in growth direction.Further evidence of the good crystallographicquality of the epilayer is obtained in x-ray dif-fraction measurements. The full width at halfmaximum (FWHM) of the diffraction (224) peakof the epilayer is 24 arcsec, which is close to therange of the substrate (18 arcsec).

Based on the experience with the epitaxy of theMWIR sensitive layers, epilayers with a cut-offwavelength in the LWIR band are currently de-veloped. Dark current due to crystallographicdefects is the limiting factor of MBE grown LWIRdetectors. Hence, the development of suitablegrowth conditions to reduce the defect densityin the LWIR layers will be the next step to thirdgeneration IR detectors in CMT.

Epitaxy of device structures with different Cdmole fractions are ideally grown by molecularbeam epitaxy. Hence, a new MBE system hasbeen installed at the Institute. The Epineat MBEreactor from Riber is equipped with a 5" dia-meter substrate heater, which allows uniformgrowth with temperature deviations of less thanone Kelvin on substrates of up to 4" diameter.This high temperature uniformity is required toachieve good composition uniformity across thesubstrate and thus constant cut-off wavelengthof the detector.

The development of dual-band detectors is carried out in close collaboration with AIM, on CdZnTe substrates provided by AIM.

Standard characterization of the epitaxial layers,e. g. Fourier transform infrared (FTIR) spectro-scopy, secondary ion mass spectroscopy (SIMS),high resolution x-ray diffraction (HRXRD), andHall measurements to determine carrier concen-tration and mobility have been established atFraunhofer IAF. Array processing, hybridizationwith the read-out integrated circuit and inte-gration of the detector with the Sterling coolerto an integrated detector cooler assembly (IDCA)will be realized by AIM.

1000 2000 3000 40000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

d = 2.05 µm

X1000

= 0.211

Absorption (1x10

4 cm-1)

Q13

Ttheo

Texp

Abs

Tran

smis

sion

(1x1

04 c

m-1

)

Wave Number (cm-1)

Fig. 2: Room temperature FTIR spectrum of a CMT epilayerwith a cut-off wavelength λco(77 K) = 12 µm.Abb. 2: FTIR-Spektrum einer CMT-Epischicht, gemessen beiRaumtemperatur, mit einer Cut-off-Wellenlänge λco(77K) =12 µm bei 77 K.


Nach der erfolgreichen Installation der MBE-Anlage wurden Teststrukturen epitaxiert, um dievertraglich vereinbarten Spezifikationen derAnlage zu überprüfen. Abb. 2 zeigt das FTIR-Spektrum einer solchen Schicht bei Raumtem-peratur, die bei 77 K eine Cut-off-Wellenlängevon etwa 12 µm aufweist. Die rote Kurve gibtdie experimentelle Messung, die blaue Kurve diezugehörige Simulation wieder. Die Energie derBandlücke ist definiert als der Wert, bei dem dieAbsorption α (schwarze Kurve) den Wert1000 cm-1 übersteigt. Der zugehörige Cadmium-gehalt berechnet sich aus der Theorie.

Im Anschluss an diese Teststrukturen konntendie grundlegenden Wachstumsparameter erar-beitet werden. In einem ersten Arbeitspaketwurden die Schichtstrukturen für den Wellen-längenbereich von 3 – 5 µm optimiert. Um eineQuantenausbeute von mehr als 50 % zu errei-chen, ist typischerweise eine Schichtdicke von 8 – 9 µm notwendig. Das FTIR-Spektrum einersolchen Struktur ist in Abb. 3 dargestellt. Deut-lich treten dabei Oszillationen auf, die durchInterferenzeffekte zwischen den Reflexionen anSubstrat und Epitaxieschicht hervorgerufen wer-den. Die gute Übereinstimmung von Experiment(rote Kurve) und Simulation (blaue Kurve) ist ein

Hinweis für die exakte Einhaltung der Zusam-mensetzung in Wachstumsrichtung. Dies kannauch der SIMS-Tiefenprofilanalyse in Abb. 4 ent-nommen werden, die einen sehr gleichmäßigenCadmiumgehalt längs der Wachstumsrichtungaufweist. Der Nachweis der guten kristallinenQualität der Strukturen wird mittels hochaufge-löster Röntgenbeugung erbracht. Maßzahl hier-bei ist die Halbwertsbreite des (224)-Reflexes.Diese liegt mit 24 Bogensekunden für eine typi-sche Epitaxieschicht bereits in der Nähe desWertes des Substrats (18 Bogensekunden).

Ausgehend von den Erfahrungen bei der Her-stellung der MWIR-sensitiven Schichten werdenzur Zeit Epitaxieschichten mit einer Cut-off-Wellenlänge im LWIR-Band entwickelt. Be-kanntermaßen ist ein hoher Dunkelstrom, her-vorgerufen durch kristallographische Defekte,der leistungsbegrenzende Faktor von LWIR-Detektoren, die mittels MBE hergestellt werden.Daher wird die Entwicklung von geeignetenWachstumsparametern zur Reduktion derKristallfehlerdichte in den LWIR-sensitivenSchichten der nächste, wichtige Schritt auf demWeg zur dritten Generation von IR-Detektorenaus CMT sein.

Molekularstrahlepitaxie von CdHgTe für Zwei-Band-IR-Detektoren

Fig. 3: Room temperature FTIR spectrum of a CMT epilayer with a cut-off wavelength λco(77 K) = 5 µm.Abb. 3: FTIR-Spektrum einer CMT-Epischicht, gemessenbei Raumtemperatur, mit einer Cut-off-Wellenlängeλco(77K) = 5 µm bei 77 K.

Fig. 4: SIMS profile of a 8.5 µm thick CdHgTe epilayer.Abb. 4: SIMS-Tiefenprofil einer 8,5 µm dicken CMT-Epischicht.

1000 2000 3000 40000.0

0.2

0.4

0.6

0.0

0.2

0.4

0.6

d = 8.72 µmX1000 = 0.307

Absorption (1x10

4 cm-1)

Q36

Ttheo

Texp

Abs

Tran

smis

sion

(1x1

04 c

m-1

)

Wave Number (cm-1)0 2000 4000 6000 8000

101

102

103

104

105

Cou

nts

Depth (nm)

Te Cd Hg

O Zn


The demand for bi-spectral infrared (IR) focalplane arrays (FPA) operating within two separateatmospheric windows (»dual-band«) or withinthe same transmission window (»dual-color«) isgrowing rapidly. Bi-spectral IR imaging systemsoffer significantly enhanced functionality, likeremote absolute temperature measurement,operation in a wide range of ambient condi-tions, better distinction between target andbackground clutter and spectral discrimination of unique object features. Today's standardmulti-spectral imagers involve bulky optical and mechanical components with filter wheels,beam splitters and lenses in order to spectrallyseparate and focus the radiation on the detector.Hence, IR-FPAs with integrated on-chip multi-spectral capability reduce complexity, weight,size, and cost of the system. Advanced readoutconcepts allow simultaneous and spatially coin-cident image acquisition directly on the bi-spec-tral IR-FPA and thus overcome the temporal andspatial registration problems common to the tra-ditional approach described above.

In 2005, the worldwide first dual-color IRcamera based on InAs/GaSb superlattice (SL)photodiodes was realized in collaboration withAIM Infrarot-Module GmbH, Heilbronn. Mole-cular beam epitaxy (MBE) and processing of FPAchips were performed at Fraunhofer IAF. Hybridi-zation of the detector chip with the silicon read-out integrated circuit (ROIC) and integration ofthe detector hybrid into a complete camerasystem were carried out at AIM.

InAs/GaSb SLs are characterized by a broken gaptype II band alignment allowing to adjust thecut-off wavelength between 3 – 20 µm. Due totheir high quantum efficiency, comparable toHgCdTe (MCT) detectors, InAs/GaSb SLs enablethermal imaging with a short integration time.

The vertical structure of the dual-color FPA isbased on two »back-to-back« InAs/GaSb super-lattice photodiodes separated by a common contact layer. A stack of 330 periods of a 7.5monolayers (ML) InAs / 10 ML GaSb superlattice

InAs/GaSb Superlattices for Bi-Spectral Thermal Imaging Between 3 – 5 µm

Fig. 1: Dual-color InAs/GaSb SL focal plane array with 288 x384 detector elements at 40 µm pixel pitch for simultaneousdetection of both colors.Abb. 1: Bispektraler InAs/GaSb-Übergitter-Matrixdetektormit 288 x 384 Bildpunkten bei 40 µm Detektormittenab-stand. Beide Spektralkanäle werden zeitgleich detektiert.

Robert RehmTel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-3 [email protected]


Der Bedarf an bispektralen Bildfeldmatrizen fürden infraroten (IR) Spektralbereich, welche ent-weder in zwei getrennten atmosphärischenBändern (»dual-band«) oder innerhalb des sel-ben Transmissionsfensters (»dual-color«) arbei-ten, wächst stark. Im Gegensatz zu einfarbigenSystemen bieten bispektrale bildgebende IR-Systeme eine erheblich höhere Funktionalität,wie beispielsweise die Fernbestimmung derabsoluten Temperatur, den Betrieb in einem größeren Bereich von Umgebungstemperaturen,eine verbesserte Unterscheidung von Zielen undHintergrundsignaturen und die Erkennung ein-deutiger spektraler Merkmale von Objekten.

Bei heutigen Mehrfarbenkameras werden großeoptische und mechanische Komponenten wieFilterräder, Strahlteiler und Linsen zur spektralenTrennung und Strahlfokussierung auf einen odermehrere monospektrale Detektoren eingesetzt.Bildfeldmatrizen mit direkt integrierter Mehr-farbensensitivität reduzieren folglich Komplexi-tät, Gewicht, Größe und Kosten des Gesamt-systems. Mit einem geeigneten Auslesekonzeptlässt sich zudem die zeit- und ortsgleicheErfassung direkt auf der bispektralen Detektor-matrix realisieren, wodurch die typischenErfassungsprobleme herkömmlicher Mehrfarben-systeme überwunden werden.

In Kooperation mit AIM Infrarot-Module GmbH,Heilbronn, wurde im Jahr 2005 die weltweiterste bispektrale InAs/GaSb-Übergitter-IR-Kamerarealisiert. Die Herstellung der Zweifarben-Detek-toren mittels Molekularstrahlepitaxie und dieanschließende Prozessierung von Bildfeld-matrizen wurden am Fraunhofer IAF durchge-führt. Bei AIM erfolgte die Hybridisierung derBildfeldmatrizen mit dem Silicium-Auslese-schaltkreis und der Aufbau dieses Hybrids zueinem vollständigen Kamerasystem.

InAs/GaSb-Übergitter sind durch eine gebroche-ne Typ-II-Bandanordnung charakterisiert, welchedie Einstellung einer Grenzwellenlänge zwischen3 – 20 µm ermöglicht. Aufgrund der hohenQuanteneffizienz, die mit HgCdTe (MCT) ver-

gleichbar ist, können InAs/GaSb-Übergitter-Wärmebildsysteme mit kurzen Integrationszeitenrealisiert werden.

Der vertikale Aufbau der Zweifarben-Bildfeld-matrix umfasst zwei gegeneinander gepolteInAs/GaSb-Übergitter-Photodioden, die durcheinen gemeinsamen Massekontakt getrennt sind.Zur Absorption der Photonen höherer Energiezwischen 3 – 4 µm (»blauer Kanal«) wird ein330-periodiger Übergitterstapel bestehend aus7,5 Monolagen (ML) InAs / 10 ML GaSb einge-setzt. Die Strahlung niederer Energie zwischen4 – 5 µm wird in 150 Perioden eines 9,5 MLInAs / 10 ML GaSb-Übergitters (»roter Kanal«)detektiert. Die Gesamtdicke der Epitaxiestrukturbeträgt ca. 4,5 µm.

In einem Vollwaferprozess wurden bispektraleBildfeldmatrizen mit 288 x 384 Bildpunkten bei40 µm Rastermaß mit optischer Lithographie her-gestellt. Ein Wafer enthält dabei vier Zweifarben-Detektormatrizen mit einer Fläche von jeweils16,1 x 12,1 mm2. Mit chemisch-unterstütztemIonenstrahlätzen (CAIBE) wurden Kontaktlöcherin die hoch dotierten Halbleiterkontaktschichtenund tiefe Gräben zur elektrischen Isolation dereinzelnen Bildpunkte geätzt. Weitere Herstel-lungsschritte beinhalten die Abscheidung einerdielektrischen Passivierung und mehrerer Kon-taktmetallschichten. Abb. 1 zeigt einen Aus-schnitt einer vollständig prozessierten bispektra-len 288 x 384 InAs/GaSb-Übergitter-Bildfeld-matrix. Jeder Bildpunkt besitzt drei elektrischeKontakte zur zeit- und ortsgleichen Erfassungbeider Farben.

Die Dunkelstromdichte beider Kanäle wurde mitHilfe von Testdioden charakterisiert. Bei einertypischen Betriebsspannung für Kameraanwen-dungen von -50 mV zeigt der rote Kanal eineDunkelstromdichte von 2,2 x 10-7 A/cm2, dasRA-Produkt aus differentiellem Widerstand R undDiodenfläche A beträgt 2,5 x 105 Ωcm2. Auf-grund des höheren Bandabstands liegt derDunkelstrom des blauen Kanals ein bis zweiGrößenordnungen unterhalb des roten Kanals.

InAs/GaSb-Übergitter für bispektrale Thermographie bei 3 – 5 µm


After hybridization with the silicon ROIC, back-side thinning of the substrate was performed by a combination of mechanical lapping, poli-shing and wet chemical etching to a remainingthickness of around 20 µm in order to reducethe free carrier absorption and minimize thethermal stress at cool down. The detector hybridwas mounted in an integrated detector coolerassembly with a 1.5 W split linear Stirling coolerand characterized at 73 K using F#/2.0 opticswith 2.8 ms integration time for both bands.The blue channel exhibits a noise equivalenttemperature difference (NETD) of 29.5 mK andpixel outages of this first demonstrator modelare below 1 %. The red channel's NETD was16.5 mK with less than 2 % of defective pixels.

Sample images delivered by both channels of the288 x 384 InAs/GaSb dual-color SL camera areshown in Fig. 2. The scene consists of a man, ahot soldering iron and the burning flame of acigarette lighter producing carbon dioxide. Mostparts of the scene yield a similar thermal signa-ture in both channels. However, the carbon dio-xide surrounding the burning gas flame emitsmerely in the red channel. By performing simpleimage processing, that is subtracting the bluefrom the red channel (Fig. 2c), by far the highestsignal is caused by carbon dioxide. Using a threshold value in the subtraction image, hotand broadband emitting objects can be suppres-sed efficiently while parts of the scene contai-ning carbon dioxide are clearly identified.

The fast and highly sensitive remote imaging ofcarbon dioxide renders the dual-color InAs/GaSbsuperlattice technology promising for future missile approach warning systems for airborneplatforms.

is employed to absorb the high energy photonsbetween 3 – 4 µm (»blue channel«). For thedetection of the lower energy radiation between4 – 5 µm 150 periods of a 9.5 ML InAs / 10 MLGaSb superlattice are provided (»red channel«).The thickness of the entire epitaxial structuredescribed above is around 4.5 µm.

Dual-color FPAs with 288 x 384 detector ele-ments with 40 µm pixel pitch were fabricated in a full wafer process using standard opticallithography. A wafer yields four dual-color FPAs,each with a chip size of 16.1 x 12.1 mm2.Chemically assisted ion beam etching (CAIBE)was employed for dry etching of via holes to thehighly doped contact layers and deep trenchesfor the electrical isolation of the individual pixels.Further fabrication steps included the depositionof a dielectric passivation and several contactmetallization layers. Fig. 1 shows a section of a completely processed 288 x 384 dual-colorInAs/GaSb SL FPA. Each pixel features three elec-trical contacts for a simultaneous and spatiallycoincident detection of both colors.

The dark current density of both channels werecharacterized using test diodes from each wafer.At -50 mV, which is a typical operating bias voltage used for IR camera applications, the red channel shows a dark current density of 2.2 x 10-7 A/cm2 and the RA-product of the differential resistance R and the diode area Aequals 2.5 x 105 Ωcm2. Due to the higher bandgap of the blue channel, the dark current is between one and two orders of magnitudelower than that of the red channel. At a bias of -50 mV, the dark current density of the blue channel is 1.9 x 10-9 A/cm2 and RA = 2.3 x 107 Ωcm2.

InAs/GaSb Superlattices for Bi-Spectral Thermal Imaging Between 3 – 5 µm


Bei -50 mV zeigt der blaue Kanal eine Dunkel-stromdichte von 1,9 x 10-9 A/cm2 und ein RA-Produkt von 2,3 x 107 Ωcm2.

Nach der Hybridisierung mit dem Silicium-Aus-leseschaltkreis wurde die Substratseite desHybrids mittels Schleifen, Polieren und nassche-mischem Ätzen auf ca. 20 µm Restdicke abge-dünnt, um die Absorption durch freie Ladungs-träger zu verringern und thermische Verspan-nungen beim Abkühlen zu minimieren. NachIntegration in einen 1,5 W-Stirling-Kühler wur-den beide Kanäle des Detektorhybrids bei 73 Kmit einer F#/2,0-Optik und 2,8 ms Integrations-zeit charakterisiert. Der blaue Kanal zeigt einethermische Auflösung (NETD) von 29,5 mK beiweniger als 1 % defekten Bildpunkten. DieNETD des roten Kanals liegt bei 16,5 mK mitweniger als 2 % Bildpunktausfällen.

Ein Beispiel der mit beiden Kanälen erreichtenBildqualität der bispektralen 288 x 384InAs/GaSb-Übergitter-Kamera ist in Abb. 2gezeigt. Die Szene besteht aus einer Person,einem heißen Lötkolben und der brennendenFlamme eines Gasfeuerzeugs. Während dergrößte Teil der Szene ein in beiden Kanälen ver-gleichbares Signal liefert, emittiert das beimVerbrennungsprozess entstandene Kohlendioxidlediglich im roten Kanal. Im Differenzbild ausrotem und blauem Kanal (Abb. 2c) verursachtdas Kohlendioxid daher das bei weitem höchsteSignal. Mit Hilfe eines Schwellwertes können imDifferenzbild selbst heiße und breitbandig emit-tierende Objekte leicht unterdrückt werden,während Bildbereiche, die Kohlendioxid enthal-ten, deutlich zu identifizieren sind.

Die schnelle und hochsensitive bildgebendeErfassung von Kohlendioxid macht die bispektra-le InAs/GaSb-Übergittertechnologie vielverspre-chend für Raketenwarnsysteme in luftgestütztenPlattformen.

InAs/GaSb-Übergitter für bispektrale Thermographie bei 3 – 5 µmbispektrale Thermographie bei 3 – 5 µm

Fig. 2: Thermal images taken with the 288 x 384 dual-colorInAs/GaSb superlattice camera.Abb. 2: Wärmebilder, aufgenommen mit der bispektralen288 x 384 InAs/GaSb-Übergitter-Kamera.

blue channel (a)

flame

red channel (b)

red channel – blue channel (c)


Semiconductor Lasers and LEDsHalbleiter-Laser und LEDs

A variety of semiconductor lasers, with emission wavelengths covering the entire spectral range from ultraviolet (UV) to infrared (IR), are available from the Fraunhofer IAF: (AlGa)N lasers for short wavelengths, GaAs power laserswith wavelengths around 1 µm and quantum cascade lasers (QCL) for the mid-IR. We work on GaN-based LEDs with UV or blue emission which is convertedinto green, red or even white light by luminescence conversion in LUCO-LEDs.

Vom Ultravioletten bis zum Infraroten reicht der Spektralbereich, der von un-seren Halbleiterlasern abgedeckt wird: (AlGa)N-Laser für kurzwellige Laseremis-sion, Hochleistungslaser mit Wellenlängen um 1 µm aus GaAs und Quanten-kaskadenlaser (QCL) für das mittlere Infrarot werden im Fraunhofer IAF herge-stellt. Wir entwickeln GaN-basierende LEDs, deren ultraviolettes oder blauesLicht in LUCO-LEDs durch Lumineszenzkonversion in Grün oder Rot und sogarin Weiß verwandelt wird.

Vertikalstruktur Lateral-/Longitudinalstruktur

QW-Anzahl Mantel-schicht

Wellen-führung

QW-Dicke,Verspannung

Rippen-querschnitt

Rippen-länge

Trapez-länge

Beschichtung Trapez-winkel

Therm.Widerstand

Elektr.Widerstand

Resonator-verluste

Füllfaktor

Wirkungs-Schwellen- Temperatur-stabilität

Einmodig-

StrahlqualitätLeistung

Brillanz

Rippen-auslegung

Filamentierungs-neigung

Transparenz-stromdichte

InternerWirkungsgrad

Material-verluste

Dotier-profil

Entwurfs-

parameter

Zielgrößen

gradstrom keit



Excellent PhD Theses on Diode LasersOur engaged and well trained young scientists contribute significantly to thesuccess of our Institute, so also in the field of diode lasers.

Senta Kallenbach designed and realized high-brightness diode lasers emitting at14xx nm based on (AlGaIn)(AsP) structures. These lasers find application as opti-cal pumps, in telecommunication and industrial processing. The above graphshows the complex relationship of the goals (high brightness = power + beamquality) and technology of her work. Senta received her PhD degree with hig-hest honors from the Electrical Engineering Department of the University ofKarlsruhe (TH).

Frank Sommer was our second PhD candidate in this R&D field, working onshort wavelength diode lasers with wavelengths around 400 nm, based on thegroup III-nitrides. Applications are in high-density optical storage, printing andprojection displays. Frank Sommer received his PhD degree in physics from theUniversity of Freiburg.

Zwei herausragende Dissertationen zum Thema DiodenlaserUnsere engagierten Doktoranden tragen wesentlich zum Erfolg des FraunhoferIAF bei, so auch auf dem Gebiet der Diodenlaser.

Senta Kallenbach hat Diodenlaser hoher Brillanz für die Wellenlängen 14xx nmim Materialsystem (AlGaIn)(AsP) hergestellt. Diese Laser werden zum optischenPumpen in der Telekommunikatiion und in der Materialbearbeitung verwendet.Das obige Diagramm zeigt die komplexen Abhängigkeiten der Zielvorgaben(hohe Brillanz = Ausgangsleistung + Strahlqualität) von der Technologie. SentaKallenbach promovierte mit Auszeichnung an der Fakultät für Elektrotechnikund Informationstechnik der Universität Karlsruhe (TH).

Frank Sommer war der zweite Doktorand in diesem Forschungsfeld mit einerDissertation zu kurzwelligen, bei 400 nm emittierenden Diodenlasern auf derBasis der Gruppe III-Nitride. Diese Laser werden Einsatz finden in der optischenSpeichertechnik, der Drucktechnik und in Projektionsdisplays. Frank Sommerpromovierte in Physik an der Universität Freiburg.


High-brightness laser diode technology is a keyenabling technology especially in the fields ofhealth care, telecommunication, environmentalmeasurements, and security. The term »bright-ness« means a measure for the achieved opticalpower density of a laser and is proportional tothe optical output power in a diffraction limitedbeam. For all applications the main challenge isto couple more optical power into smaller dia-meter fibers.

For example, up to now, the only type of diodelasers used as pump sources in erbium-dopedfiber-amplifiers (EDFAs) is a buried-heterostruc-ture or ridge-laser. These lasers have a transversebeam behavior close to a fundamental Gaussianmode and can therefore be coupled into a single-mode fiber with high efficiency. The reli-able output power of these lasers is mainly limited by the onset of facet degradation whichdepends on the power density on the facet. Due to the small stripe width of a few microns,the output power is typically limited to about 1 W resulting in a brightness of less than100 MWcm-2sr-1. In contrast, broad-area diodelasers, used so far to achieve higher outputs inthe range of several Watts, are susceptible tomodal instabilities and filamentation. This resultsin low beam qualities. Values for the brightnessare limited to around 10 MWcm-2sr-1. In con-trast, the tapered laser design with gain-guidedtapered section and index-guided ridge sectionhas been shown to be very effective to achievehigh brightness.

A consortium consisting of 7 industrial partners,7 universities, and 8 research centers have teamed up for the purpose of pushing the limitsof current laser technology towards higherbrightness. The approach consists of mobilisingthe expertise of the main European actors in the field of laser diode technology. As an initialphase a joint two years' research project(BRIGHT.EU), funded by the European Union,was launched in 2004.

High-Brightness Tapered Lasers

L tape

r

L ridge

6°

Fig. 1: Schematic drawing of a gain-guided taperedlaser with ridge-waveguide design.Abb. 1: Schematische Zeichnung eines gewinngeführtenTrapezlasers mit Rippenwellenleiter.

Márc KelemenTel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-2 [email protected]


Die Herstellung von Laserdioden hoher Brillanzstellt eine Schlüsseltechnologie vor allem im Ge-sundheitswesen, in der Telekommunikation, inder Umweltmesstechnik und bei der Sicherheitdar. Der Ausdruck »Brillanz« drückt ein Maß fürdie erreichbare optische Leistungsdichte einesLasers aus und ist proportional zur optischenLeistung in einem beugungsbegrenzten Strahl.Für alle diese Anwendungen gilt es, immer mehroptische Leistung in Fasern mit einem immerschmäleren Durchmesser einzukoppeln.

So ist beispielsweise bis jetzt der einzige Typ vonDiodenlaser, der als Pumpquelle in mit Erbiumdotierten Faserverstärkern (EDFAs) Verwendungfindet, ein Laser mit einer Rippenwellenleiter-struktur (Ridge) oder einer vergrabenen Hetero-struktur. Diese Laser besitzen ein transversalesStrahlverhalten nahe einer fundamentalen Gauß-mode und können deshalb mit hoher Effizienz ineine Mono-Mode-Faser eingekoppelt werden.Dabei ist die zulässige Ausgangsleistung imwesentlichen durch das Einsetzen einer Facetten-degradation limitiert, die von der Leistungsdichteauf der Facette abhängt. Aufgrund der schmalenStreifenbreite von wenigen Mikrometern ist dieAusgangsleistung typischerweise auf etwa 1 Wbeschränkt, was in einer Brillanz von weniger als100 MWcm-2sr-1 resultiert. Breitstreifenlaser, diebis jetzt zum Erreichen von Ausgangsleistungenim Bereich mehrerer Watt benutzt werden, sinddagegen anfällig für modale Instabilitäten undFilamentierung. Dies resultiert in einer geringenStrahlqualität: Werte für die Brillanz sind auf10 MWcm-2sr-1 limitiert. Im Gegensatz dazukonnte gezeigt werden, dass mit Hilfe desTrapezlasers, der aus einem gewinngeführtenTrapezbereich und einem indexgeführten Ridge-bereich besteht, sehr hohe Brillanzen erreichtwerden können.

Ein Konsortium, bestehend aus 7 Industrie- und7 Universitätspartnern und 8 Forschungszentren,hat sich mit dem Ziel zusammengetan, dieGrenzen der derzeitigen Lasertechnologie zuhöheren Brillanzen hin zu erweitern. Gefördert

durch die Europäische Union, wurde in 2004 alseine Initialphase ein gemeinsames zweijährigesForschungsprojekt (BRIGHT.EU) gestartet.

Die Aufgabe des Fraunhofer IAF innerhalb desBRIGHT-Projektes ist es, neue Grenzen bezüglichAusgangsleistung und Brillanz von gewinnge-führten Trapezlasern zu erforschen. Wir versor-gen Partner mit Einzelemittern und Trapezlaser-barren für fasergekoppelte Module für medizini-sche und Telekomanwendungen.

Abb. 1 veranschaulicht schematisch ein solchesTrapezbauteil. Ein Trapezlaserchip besteht auseinem 500 µm langen Ridgebereich und einem3000 µm langen gewinngeführten Trapezbereich.Die Höhe der Rippe ist so gewählt, dass die pro-pagierende Welle den Trapezwinkel von 6° aus-füllen kann. Reflektorgräben auf beiden Seitendes Ridgebereiches unterdrücken unerwünschteFabry-Perot-Moden.

Die in diesem Fall gewählte längere Resonator-länge vergrößert offensichtlich die Diodenflächefür die Wärmeabfuhr und erniedrigt die Verlust-leistungsdichte. Zusätzlich führt bei einem kon-stanten Trapezwinkel von 6° ein längerer Trapez-bereich zu einer breiteren Facette und erlaubtdamit höhere Ausgangsleistungen. Weiterhinhaben wir gezeigt, dass eine Zunahme von eineroder beider Sektionslängen die Gesamtverlustedes Lasers reduzieren und damit die Laser zurgeringeren Filamentierung und somit zur besse-ren Strahlqualität und höheren Brillanz neigen.

Die InGaAs/AlGaAs-Laserstrukturen wurdenmittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf 3"GaAs-Substraten gewachsen. Die Herstellung von Lasern hoher Brillanz und hoher Konver-sionseffizienz erfordert eine epitaktischeSchichtenfolge mit niedrigen internen Verlusten,einem niedrigen Überlappfaktor und einer hoheninternen Konversionseffizienz. Die Reduzierungder internen Verluste und des Überlappfaktorskann durch eine Aufweitung der Wellenleiter-schichten erreicht werden.

Trapezlaser hoher Brillanz


The InGaAs/AlGaAs laser structures were grownby molecular beam epitaxy (MBE) on 3" GaAs-substrates. The fabrication of high-brightnesslasers with high conversion efficiencies requiresan epitaxial layer sequence with low internal losses, a low confinement factor, and a highinternal conversion efficiency. The reduction ofthe internal losses and of the confinement factorcan be achieved by broadening the waveguidelayers.

After thinning and cleaving a highly reflectivecoating is deposited at the rear facet with thehelp of reactive magnetron sputtering. The front facets are anti-reflection coated. Finally the devices are mounted p-side down on coppermounts with indium solder (Fig. 2). Uniformpumping of the laser medium is achieved by current injection via bond wires.

Broad-area lasers with varying cavity lengths areused to derive the internal parameters of theepitaxial structure from pulsed measurements.Remarkable low internal losses (< 0.5 cm-1) andhigh internal quantum efficiency (> 97 %) havebeen deduced. Fig. 3 shows the current depen-dency of the optical output power for a coateddevice with an output aperture of 150 µm and aresonator length of 2 mm. A wall-plug efficiencyof more than 70 % has been achieved.

Fig. 4 shows the output power-vs.-current cha-racteristic of a tapered laser together with thecurrent dependent wall-plug efficiency. A com-paratively low threshold current of 1.07 A corre-sponding to a threshold current density of222 A/cm2 has been deduced. The maximumslope efficiency of 1.09 W/A together with thelow series resistance of 35 mΩ results in a maxi-mum wall-plug efficiency of 57 %. This highwall-plug efficiency remains nearly constant between 6 A and 9 A corresponding to outputpowers between 5.5 W and 8.3 W. At a maxi-mum operation current of 15 A an outputpower of 12.5 W cw has been obtained withoutcatastrophic optical mirror damage (COMD). Thevalues for the wall-plug efficiency and the out-put power are to our knowledge the highestvalues reported so far for tapered diode lasers incontinuous wave mode.


Fig. 2: High-power tapered diode lasers emitting at 975 nmmounted on copper heat sinks.Abb. 2: Auf Kupferwärmesenken montierte Hochleistungs-Trapezlaser bei einer Emissionswellenlänge von 975 nm.

The task of Fraunhofer IAF within BRIGHT is toexplore new frontiers in the output power and inthe brightness of gain-guided tapered lasers andto provide our partners with single emitters andtapered laser arrays for fiber coupled modulesused in medical and telecom applications.

Fig. 1 illustrates a schematic drawing of a tapered device. The tapered diode laser chipconsists of a 500 µm ridge section next to a3000 µm gain-guided linear taper section. The ridge height is chosen appropriately for thepropagating wave to fill the taper angle of 6°.Cavity spoiling groves in both sides of the ridgesection suppress undesired Fabry-Perot modes.

Obviously a long resonator length as chosen inthis case, will increase the diode area for coolingand lower the dissipation energy density. In addi-tion for a constant taper angle of 6° a longertaper section length leads to a broader facetwidth allowing for higher output powers.Furtheron we have demonstrated that the in-crease of the length of one or both sectionslowers the overall losses of the laser and leads toa lower tendency for filamentation and hence toa better beam quality and a higher brightness.


Nach dem Abdünnen und dem Spalten wurdeauf der hinteren Facette eine hochreflektierendeBeschichtung durch reaktives Magnetron-Sputtern abgeschieden. Die Frontfacetten wur-den antireflexbeschichtet. Schließlich wurden dieBauteile mit der epitaxierten Seite nach untenauf Kupferwärmesenken mittels Indiumlot gelö-tet (Abb. 2). Ein einheitliches Pumpen des Laser-mediums wird durch Strominjektion über Bond-drähte erreicht.

Um die internen Parameter der epitaktischenStruktur mittels gepulster Messungen zu bestim-men, wurden Breitstreifenlaser verschiedenerResonatorlänge benutzt. Es wurden bemerkens-wert geringe interne Verluste (< 0,5 cm-1) undeine hohe interne Quanteneffizienz (> 97 %)ermittelt. Abb. 3 zeigt die Stromabhängigkeitder optischen Ausgangsleistung eines beschich-teten Bauteils mit einer Ausgangsöffnung von150 µm und einer Resonatorlänge von 2 mm. Eswurden Konversionseffizienzen von über 70 %erreicht.

Abb. 4 zeigt die Stromabhängigkeit der opti-schen Ausgangsleistung und der Konversions-effizienz. Es wurde ein vergleichsweise geringerSchwellstrom von 1,07 A entsprechend einerSchwellstromdichte von 222 A/cm2 gemessen.Die maximale Kennliniensteigung von 1,09 W/A

zusammen mit dem geringen Serienwiderstandvon 35 mΩ resultieren in einer maximalenKonversionseffizienz von 57 %. Diese hoheKonversionseffizienz bleibt zwischen 6 A und9 A, entsprechend einer Leistung zwischen5,5 W und 8,3 W, nahezu konstant. Bei einemmaximalen Betriebsstrom von 15 A wurde eineAusgangsleistung von 12,5 W ohne Spiegel-schädigung (COMD = catastrophic optical mirrordamage) erreicht. Nach unserer Kenntnis sind diehier berichteten Werte für die Ausgangsleistungund die Konversionseffizienz die höchsten jemalsberichteten Werte für Trapezlaser im kontinuier-lichen Betrieb.

Für eine Laserquelle hoher Brillanz ist nebeneiner hohen Effizienz und hohen Ausgangs-leistungen eine exzellente Strahlqualität notwen-dig. Abb. 5 zeigt die Leistungsabhängigkeit desStrahlqualitätsparameters M2 und die resultie-rende Brillanz unserer neuen Trapezlaser mit3 mm langem Trapezbereich. Die Messungenwurden bei einer Wärmesenkentemperatur von20 °C im Dauerstrich (cw)-Betrieb mittels eineskommerziellen Strahlanalysegerätes aufgenom-men. Die M2-Werte wurden aus den Strahl-profilbreiten auf 1/e2-Niveau berechnet. Es wur-den nahezu beugungsbegrenzte Ausgangsleis-tungen von mehr als 8 W mit M2-Werten kleiner1,4 erreicht.


Fig. 4: Current dependence of optical output power and wall-plug efficiency of a tapered diode laser emitting at 975 nm.Abb. 4: Stromabhängige optische Ausgangsleistung undKonversionseffizienz eines Trapezlasers bei 975 nm.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 2 4 6 8 10 12 140

2

4

6

8

10

12 tapered laser

Opt

ical

Out

put

Pow

er (W

)

Operating Current (A)

λ = 975 nmcwT = 20 °C

Wall-Plug Efficiency (%

)

Fig. 3: Current dependent optical output power and wall-plug efficiency of a broad-area diode laser emitting at 975 nm.Abb. 3: Stromabhängige optische Ausgangsleistung undKonversionseffizienz eines Breitstreifenlasers bei 975 nm.

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 200

5

10

15

20

25

Opt

ical

Out

put

Pow

er (W

)


λ = 975 nm50 µs, 500 HzT = 20 °C

Wall-Plug Efficiency (%

)

broad-area laser


enabling next generation optical networks.Additionally, they operate in an eye-safe spectralregion, and low-cost standard optical compo-nents are readily available, which makes themhighly attractive for ranging applications.All layer sequences of the InGaAsP/InP taperedlasers are grown by solid source MBE. Processingis similar to GaAs-based tapered lasers. The2 mm taper section length in combination withthe 6° taper angle leads to an output facetwidth of 210 µm. The devices are mounted ongold-coated copper heat sinks using In solder.

The cw output power as function of current fortapered diode lasers emitting at 1470 nm areshown in Fig. 6. A careful choice of the opticalwaveguide width yields a high confinement fac-tor per quantum well which acts advantageouslyon the lasing threshold of 1.16 A. The maximumoutput power of 1.6 W is limited by thermal roll-over. In cw operation, lasing is observed up to70 °C. To test devices for possible facet damage,they were driven under pulsed condition (pulsewidth 2.5 µs, duty cycle 0.25 %). Optical outputpower reached 11.5 W at 30 A which corres-ponds to power densities > 10 MWcm-2 at thefacet. Several devices were tested, and at thislevel of output power (limited by the currentsource) no incident of facet damage or othertype of failure was observed.

The inset of Fig. 6 shows the minimal beamwaist at 4 A as an example for the beam qualityof the devices. The 1/e2 width is only slightlyabove the theoretical limit (1.5 times θtheo) corresponding to a value of M2 of 1.5. Morethan 80 % of the output power is within thecentral lobe of the far field. At currents above 4 A, self-focusing and filamentation of the beamoccurs, and the amount of output power withinthe central lobe rapidly decreases.

In conclusion, we have demonstrated that incomparison to well established ridge-lasers tape-red lasers show several times higher outputpowers together with comparable beam quality.This results in a remarkable increase of thebrightness by a factor of six or more for GaAs-based tapered lasers. Furthermore, the conceptof using high-power tapered lasers can be trans-ferred to other material systems where differentwavelengths (e. g. 14xx nm) can be realized.

For a high brightness laser source in addition tohigh efficiency and high output power an excel-lent beam quality is essential. Fig. 5 presents thepower dependence of the beam quality para-meter M2 and the resultant brightness of ournew tapered lasers with 3 mm taper sectionlength. The measurements have been done at aheat sink temperature of 20 °C in cw mode witha commercial beam analyzer. The values of M2

have been derived by cutting the measuredbeam profiles at level 1/e2. Nearly diffractionlimited output powers of more than 8 W havebeen obtained with a value for M2 of less than1.4. This results in a drastically increased bright-ness of more than 660 MWcm-2sr-1 at 8.3 W. As another figure of merit for beam quality, theinset of Fig. 6 depicts the minimal beam waist at 8.3 W. 75 % of the output power is still con-centrated in the central lobe. More than 6 Wdiffraction limited output power indicates thehuge potential of the tapered laser concept.

Parallel to the work being undertaken for GaAs-based tapered diode lasers, we have started totransfer the tapered laser concept to otherwavelengths. For example InP-based tapereddiode lasers have been developed within a jointventure with the Fraunhofer Institute for LaserTechnology (ILT) and the Fraunhofer Institute forTelecommunications, Heinrich-Hertz-Institut (HHI).

High-power semiconductor lasers at wavelengthsbetween 1.4 and 1.5 µm (so-called 14xx nmlasers) serve as pump lasers in Raman amplifiers,


1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

100

200

300

400

500

600

700

Brig

htne

ss (M

Wcm

-2sr

-1)

Output Power (W)

λ = 975 nm

T = 20 °C, cw

Beam Q

uality Parameter M

2

75%

Fig. 5: Power dependence of brightness and beam qualityparameter M2 of a tapered diode laser emitting at 975 nm.Abb. 5: Leistungsabhängige Brillanz und Strahlqualitäts-parameter M2 eines Trapezlasers bei 975 nm.


Dies resultiert in einer drastisch gestiegenenBrillanz von mehr als 660 MWcm-2sr-1 bei8,3 W. Als ein weiteres Bewertungskriterium fürdie Strahlqualität gilt die in Abb. 5 ebenfalls ein-gefügte minimale Strahlbreite. 75 % der Aus-gangsleistung ist hier noch innerhalb der zentra-len Keule konzentriert. Mehr als 6 W beugungs-begrenzte Ausgangsleistung zeigen das enormePotential des Trapezlaserkonzeptes auf.

Parallel zu den auf GaAs basierenden Arbeitenfür Trapezlaser haben wir begonnen, das Trapez-laserkonzept auf andere Materialsysteme zuübertragen. Beispielsweise wurden auf InP basie-rende Trapezlaser innerhalb eines gemeinsamenProjektes mit dem Fraunhofer-Institut für Laser-technik (ILT) und dem Fraunhofer-Institut fürTelekommunikation, Heinrich-Hertz-Institut (HHI),entwickelt.

Hochleistungslaser bei Wellenlängen zwischen1,4 und 1,5 µm (so genannte 14xx-nm-Laser)dienen als Pumplaser in Ramanverstärkern fürdie zukünftige Generation optischer Netzwerke.Zusätzlich arbeiten diese in einem augensicherenSpektralbereich. Dies macht diese Laser zusam-men mit der Verfügbarkeit günstiger optischerKomponenten sehr attraktiv für auf Entfer-nungsmessungen basierende Anwendungen.

Alle Schichtenfolgen der InGaAsP/InP-Trapezlaserwurden mittels Feststoff-MBE gewachsen. DieProzessierung ist den auf GaAs basierendenTrapezlasern ähnlich. Der 2 mm lange Trapez-bereich führt in Kombination mit dem Trapez-winkel von 6° zu einer Austrittsfacette von210 µm. Die Bauteile wurden mittels Indiumlotauf vergoldete Kupferwärmesenken gelötet.

Die cw-Ausgangsleistung als Funktion desStromes für bei 1470 nm emittierende Trapez-laser ist in Abb. 6 dargestellt. Eine sorgfältigeWahl der optischen Wellenleiterbreite ergibteinen hohen Überlappfaktor pro Quantenfilm,der sich vorteilhaft auf die Laserschwelle von1,16 A auswirkt. Die maximale Ausgangsleistungvon 1,6 W ist durch thermisches Überrollen limi-tiert. Im kontinuierlichen Betrieb wurde Laser-betrieb bis 70 °C beobachtet. Um die Bauteileauf mögliche Facettenschäden zu testen, wurdensie unter gepulsten Bedingungen (Pulsbreite2,5 µs, Tastverhältnis 0,25 %) betrieben. Es wur-

den optische Ausgangsleistungen von 11,5 Wbei 30 A erreicht, was einer Leistungsdichte vonmehr als 10 MWcm-2 an der Facette entspricht.Bei diesem Leistungsniveau (limitiert durch dieStromquelle) konnte keine Störung durchFacettenschäden oder andere Ausfallmecha-nismen beobachtet werden.

In Abb. 6 ist zudem die minimale Strahltaille bei4 A als ein Beispiel für die Strahlqualität derBauteile gezeigt. Die 1/e2-Breite ist nur leichtüber dem theoretischen Limit (1,5 x θtheo), ent-sprechend einem M2-Wert von 1,5. Mehr als80 % der Ausgangsleistung ist innerhalb derzentralen Keule des Strahlprofils. Bei höherenStrömen sinkt der Anteil der Ausgangsleistunginnerhalb der zentralen Keule aufgrund Selbst-fokussierungs- und Filamentierungseffektenerheblich.

Zusammenfassend haben wir demonstriert, dassim Vergleich zu gut etablierten Ridgelasern dieTrapezlaser eine um einiges höhere Ausgangs-leistung bei vergleichbarer Strahlqualität zeigen.Dies resultiert in einer bemerkenswertenSteigerung der Brillanz um einen Faktor 6 odermehr für auf GaAs basierende Trapezlaser.Weiterhin konnte das Trapezlaserkonzept aucherfolgreich auf andere Materialsysteme mitanderen Wellenlängen (z. B. 14xx nm) transfe-riert werden.


Fig. 6: Current dependence of optical output power of atapered diode laser emitting at 1470 nm. The inset showsthe minimal beam waist at 4 A.Abb. 6: Stromabhängige optische Ausgangsleistung einesTrapezlasers bei 1470 nm.

0 1 2 3 4 5 6 7 80.0

0.4

0.8

1.2

1.6

Opt

ical

Out

put

Pow

er (W

)


λ = 1470 nm

T = 20 °C, cw

81%


Quantum cascade (QC) lasers are currently themost compact coherent solid state light sourcefor the mid-to-far infrared (λ > 5 µm) spectralrange. Most recently, the concept of QC lasershas also been applied successfully to the reali-zation of coherent THz light sources.

QC lasers based on the GaInAs/AlInAs-on-InPmaterials combination have shown the highestperformance with respect to pulsed and cw out-put powers as well as operating temperatures.As an illustration, Fig. 1 shows the maximumoperating temperatures of GaInAs/AlInAs QClasers in pulsed and cw operation as function of emission wavelength. For the wavelengthrange from 4 – 9 µm cw operation at room temperature has been demonstrated, whereaspulsed mode operation has been achieved attemperatures exceeding 400 K. Towards shorterwavelengths the performance of GaInAs/AlInAsQC lasers rolls off. The 3 – 5 µm wavelengthrange, however, is of particular interest for mole-cular spectroscopy as characteristic absorptionbands of e. g. CO, N2O, HCl, and CH2O lie within this range. Other essential applicationsare directed infrared countermeasures.

To improve on the short wavelength perfor-mance of QC lasers, the available conductionband offset between the barrier and the quan-tum well material, which amounts to ~ 0.5 eVfor GaInAs/AlInAs lattice matched to InP and canbe increased to ~ 0.7 eV for strain-compensatedGaInAs/AlInAs, has to be increased further. Oneoption, which still allows the use of InP substra-tes and the associated mature processing tech-nology, is to employ AlAsSb rather than AlInAsas the barrier material. For the lattice matchedGaInAs/AlAsSb materials combination, the maxi-mum available conduction band offset (Γ-valley)is as large as 1.6 eV.

Short-Wavelength Quantum Cascade Lasers

Quankui YangTel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-4 [email protected]


Quantenkaskadenlaser (QCL) stellen derzeit diekompakteste kohärente Festkörperlichtquelle fürden infraroten Spektralbereich bei Wellenlängenoberhalb von 5 µm dar. In jüngster Zeit wurdedas Konzept des QCL auch mit Erfolg zur Erzeu-gung von THz-Strahlung eingesetzt.

QCL auf der Basis des GaInAs/AlInAs-Material-systems auf InP-Substrat zeigen derzeit diebesten Kenndaten bzgl. Ausgangsleistung imgepulsten und im Dauerstrichbetrieb sowie bzgl. der maximalen Betriebstemperatur. In Abb. 1 ist die maximale mit GaInAs/AlInAs-QCLerzielte Betriebstemperatur für beide Betriebs-modi als Funktion der Laserwellenlänge darge-stellt. In dem Wellenlängenbereich zwischen 4und 9 µm konnte Dauerstrichbetrieb bei Raum-temperatur erreicht werden, und die maximaleTemperatur für gepulsten Betrieb liegt oberhalbvon 400 K. Zu kürzeren Wellenlängen hin fälltdie Leistungsfähigkeit von GaInAs/AlInAs-QCL ab.Der Wellenlängenbereich zwischen 3 und 5 µmist jedoch u. a. für die Molekülspektroskopie von besonderer Relevanz, da charakteristischeAbsorptionsbanden von z. B. CO, N2O, HCl undCH2O in diesem Bereich liegen. Eine weiterewichtige Anwendung für diese QCL liegt imsicherheitstechnischen Bereich der gerichtetenoptischen Gegenmaßnahmen, z. B. zum Schutzvon Flugzeugen vor schultergestützten Boden-Luft-Raketen.

Um die Leistungsfähigkeit von QCL bei kürzerenWellenlängen zu verbessern, muss der Band-kantensprung im Leistungsband erhöht werden.Er beträgt für die auf InP gitterangepassteMaterialkombination GaInAs/AlInAs ~ 0,5 eVund kann durch die Verwendung von verspan-nungskompensierten GaInAs/AlInAs-Schichten-folgen auf ~ 0,7 eV vergrößert werden. EineMöglichkeit zur weiteren Erhöhung der Leitungs-

banddiskontinuität unter Beibehaltung von InPals Substrat und der für InP-basierende Bauele-mente ausgereiften Prozesstechnologie stellt dieVerwendung von AlAsSb an Stelle von AlInAs fürdie Barrieren zwischen den GaInAs-Quanten-filmen dar. Die maximal verfügbare Leitungs-banddiskontinuität beträgt für die auf InP gitter-angepasste Materialkombination GaInAs/AlAsSbim Zentrum der Brillouin-Zone 1,6 eV.

Im Rahmen des durch die Europäische Uniongeförderten Projektes ANSWER arbeitet dasFraunhofer IAF an der Realisierung und Opti-mierung kurzwelliger GaInAs/AlAsSb/InP-QCL.Weitere europäische Partner in diesem Projektsind Thales III-V Labs, Arbeitsgruppen an denUniversitäten von Bari, Neuchâtel, Paris, Sheffieldund Wien sowie die schweizerische Firma AlpesLasers.

Abb. 2 zeigt an Hand des Verlaufs der Leitungs-bandkante entlang der Wachstumsrichtung denAufbau eines im Rahmen von ANSWER amFraunhofer IAF realisierten GaInAs/AlAsSb-QCL.In Abb. 2 sind zwei für eine Laserwellenlängevon 4,4 µm ausgelegte aktive Segmente, ver-bunden durch einen Injektorbereich, dargestellt;der im Ortsraum direkte Laserübergang ist durcheinen gewellten Pfeil dargestellt. Der gesamteaktive Bereich, bestehend aus 25 Perioden sichabwechselnder aktiver Segmente und Injektor-bereiche, sowie die darunter und darüber liegen-den GaInAs-Wellenführungsschichten werdenmittels Molekularstrahlepitaxie aufgewachsen,während die obere InP-Mantelschicht und die Kontaktschichten mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie abgeschieden werden. Das Wachstum qualitativ hochwertigerGaInAs/AlAsSb-Grenzflächen stellt insoferneine Herausforderung dar, als dass an dieserGrenzfläche sowohl die Gruppe III- als auch die

Quantenkaskadenlaser für kürzere Wellenlängen


these interfaces not only the group III consti-tuents change but also the group V atoms. Inspite of this difficulty, an excellent interface qua-lity and periodicity of the alternating activeregion and injector layer sequences has beenachieved, as can be seen from the TEM micro-graph displayed in Fig. 3.

The resulting epitaxial structures were processedinto mesa-waveguide lasers, mounted substrate-side down and tested in pulsed mode (100 nspulse length, 1 kHz repetition rate). Fig. 4 showstemperature dependent output power-vs.-cur-rent (P-I-) characteristics as well as the 300 Kvoltage-vs.-current characteristic of a 18 x2800 µm2 Fabry-Perot laser emitting at 4.54 µmat room temperature. The maximum peak powerapproaches 0.9 W at 280 K and the maximumoperating temperature achieved is 400 K. Thecharacteristic temperature describing the tempe-rature dependence of the threshold current den-sity, which is 5.3 kA/cm2 at 300 K, is 171 K forthe temperature interval from 280 to 400 K.


Within the framework of the European researchproject ANSWER, Fraunhofer IAF works on therealization and optimization of short wavelengthGaInAs/AlAsSb-on-InP QC lasers. Other partnerswithin the project are Thales III-V Labs, the Uni-versities of Bari, Neuchâtel, Paris, Sheffield, andVienna, as well as the Swiss company Alpes Lasers.

To illustrate the design of the presentGaInAs/AlAsSb QC lasers, Fig. 2 shows the conduction band profile (Γ-valley) of two active regions connected by an injection region.The spatially direct lasing transition, which isdesigned for a lasing wavelength of 4.4 µm, isindicated by a wavy arrow. The gain region composed of 25 periods of alternating activeand injection regions as well as the surroundingGaInAs separate confinement layers are grownby solid-source molecular beam epitaxy, whilethe top InP cladding and contact layers aredeposited by low-pressure metal-organic vaporphase epitaxy. Growth of high-qualityGaInAs/AlAsSb interfaces is challenging as across

Fig. 2: Conduction band profile (Γ-valley) of a 4.4 µmGaInAs/AlAsSb QC laser, showing two active regions connected by an injection region.Abb. 2: Berechneter Verlauf der Leitungsbandkante(Zentrum der Brillouin-Zone) entlang der Wachstumsrich-tung für einen bei 4,4 µm emittierenden QCL.

0 10 20 30 40 50 60

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

MINIBAND

F = 85 kV/cmλ ~ 4.4 µm

Ener

gy (e

V)

Position (nm)

MINIBAND

Fig. 1: Maximum operating temperature of GaInAs/AlInAs-on-InP QC lasers vs. lasing wavelength. Pulsed and cw data aregiven by open and filled symbols, respectively.Abb. 1: Maximale Betriebstemperatur für GaInAs/AlInAs-QCLauf InP als Funktion der Laserwellenlänge. Offene und ausge-füllte Symbole kennzeichnen gepulsten Betrieb bzw. Dauer-strichbetrieb.

5 10 15 20 25 300

100

200

300

400

500

3

10/2005

LHe Cooling

LN2 Cooling

RT

Peltier Cooling

Max

. Ope

ratin

g Te

mpe

ratu

re (K

)

Emission Wavelength (µm)

pulsed cw InP-QCL InP-QCL (IAF)


Gruppe V-Elemente wechseln. Trotz dieserSchwierigkeit konnte jedoch ein Wachstums-modus erarbeitet werden, welcher die Herstel-lung von GaInAs/AlAsSb-QCL-Schichtenfolgenmit einer hervorragenden Qualität der Grenz-flächen und sehr guter Periodizität ermöglicht.Als Beleg hierfür zeigt Abb. 3 einen Querschnittdurch den aktiven Bereich eines solchen QCL ineiner TEM-Aufnahme.

Aus den epitaktischen QCL-Schichtenfolgen wurden Mesa-Wellenleiter-Laser hergestellt, welche mit der Substratseite nach unten aufWärmesenken aufgebaut und im gepulstenBetrieb (100 ns Pulslänge, Pulswiederholrate 1 kHz) vermessen wurden. Abb. 4 zeigt Licht-leistungs-Strom-Kennlinien, welche bei verschie-denen Temperaturen der Wärmesenke aufge-nommen wurden, zusammen mit einer bei300 K aufgenommenen Spannungs-Strom-Kenn-linie. Der 18 µm breite und 2,8 mm lange QCLemittiert bei Raumtemperatur bei einer Wellen-länge von 4,54 µm. Die maximale Ausgangs-

leistung im Pulsbetrieb beträgt bei 280 K 0,9 Wund die maximale Betriebstemperatur liegt bei400 K. Die charakteristische Temperatur für dieTemperaturabhängigkeit der Schwellenstrom-dichte, welche bei 300 K 5,3 kA/cm2 beträgt,liegt für den Temperaturbereich von 280 bis 400 K bei 171 K.

Weiterhin wurde ein im gepulsten Modus arbei-tender GaInAs/AlAsSb-DFB-QCL realisiert, wel-cher einmodigen Betrieb bei einer Wellenlängeum 4,05 µm bis zu einer Temperatur von 300 Kzeigt. In diesem QCL wurde das DFB-Gitter vordem Überwachsen der oberen InP-Mantelschichtin die obere GaInAs-Wellenführungsschicht hin-ein geätzt.

Die kürzeste bisher für GaInAs/AlAsSb-QCLdemonstrierte Laserwellenlänge liegt bei 3,7 µm,wobei auch für diese Wellenlänge gepulsterBetrieb bei Raumtemperatur gezeigt werdenkonnte. Bei dem Entwurf dieser Laserstrukturwurde das Leitungssubband, welches das obere


Fig. 3: Cross-sectional TEM micrograph of the gain region ofa GaInAs/AlAsSb QC laser.Abb. 3: TEM-Aufnahme eines Querschnitts durch den akti-ven Bereich eines GaInAs/AlAsSb-QCL.

20 nm[001]

active

injector

Fig. 4: Temperature dependent pulsed power output-vs.-current and 300 K voltage-vs.-current characteristics of aGaInAs/AlAsSb QC laser emitting at 4.54 µm at 300 K.Abb. 4: Gepulste Lichtleistungs-Strom-Kennlinien einesGaInAs/AlAsSb-QCL, aufgenommen bei verschiedenenTemperaturen der Wärmesenke, sowie Spannungs-Strom-Kennlinie bei 300 K. Die Laserwellenlänge beträgt bei 300 K4,54 µm.

0 1 2 3 4 5 60.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 Peak Output Pow

er / Facet (W)

300 K

280 K

400 K

Current (A)

0

2

4

6

8

10

12

14100 ns, 1 kHz

300 K

Vol

tage

(V)


Another issue to be addressed is to increase theduty cycle and thus the average output power inpulsed mode operation, and eventually the reali-zation of room temperature cw operation. Tothat end, first GaInAs/AlGaAsSb QC lasers havebeen fabricated with a 2.5 µm thick electropla-ted Au layer on top of the standard top-sidecontact metalization for more efficient heat ex-traction out of the active region. These deviceswere mounted epitaxial side down onto Au coated Cu heat sinks using In solder (Fig. 5). The facets were uncoated. In this way cw opera-tion at a lasing wavelength of 4.65 µm could beachieved up to a heatsink temperature of 94 K.To further improve on the cw performance ofGaInAs/AlAsSb QC lasers, the threshold currentdensity has to be reduced. The broadened gainspectrum of these lasers leads to threshold current densities significantly higher than e. g.those of state-of-the-art GaInAs/AlInAs QC lasersemitting at similar wavelengths.

Thus, the potential of the GaInAs/Al(Ga)AsSbmaterials combination for the realization of short wavelength QC lasers has been demon-strated. Areas for further R&D work have beenidentified.

Furthermore, a pulsed GaInAs/AlAsSb distribu-ted-feedback (DFB) QC laser has been demon-strated with single mode emission around4.05 µm up to a maximum operating tempera-ture of 300 K. In these devices the DFB gratinghas been etched into the top GaInAs separateconfinement layer prior to overgrowth of the top InP cladding and contact layers.

The shortest lasing wavelength realized so farwith GaInAs/AlAsSb QC lasers is 3.7 µm, atwhich pulsed mode room temperature lasing hasbeen achieved. In the design of this laser, theconduction subband forming the upper laserlevel had to be positioned at an energy justbelow the energy position of the X satellite con-duction band minima of the GaInAs quantumwells. The onset of depopulation of the upperlaser level due to Γ-X scattering may impose ashort wavelength limit to the GaInAs/AlAsSb QClaser technology. There are indeed indicationsthat there might be an additional loss of carriersfrom the upper laser level for the 3.7 µm emit-ting GaInAs/AlAsSb QC lasers compared to devices emitting at longer wavelengths. Furtherwork is required to clarify this point, which in-cludes the fabrication of intersubband emittersand lasers designed for emission wavelengthsshorter than 3.5 µm.

Fig. 5: Schematic (left) and cross-sectional SEM micrograph(right) of a Au plated GaInAs/AlGaAsSb QC laser mountedepitaxial side down onto a Cu heatsink.

Gold

InP substrate

InPInP

In + Cu heatsink

InP

active

ridge

Gold

SiN

Gold

Gold



Laserniveau bildet, energetisch dicht unterhalbdes X-Leitungsband-Seitenminimums desGaInAs-Quantenfilms angeordnet. Für noch kür-zere Laserwellenlängen, d. h. für eine Anord-nung des oberen Laserniveaus oberhalb des X-Seitenminimums, begrenzt möglicherweise das Einsetzen der Streuung von Elektronen indiese Seitenminima die Lasertätigkeit vonGaInAs/AlAsSb-QCL zu kurzen Wellenlängen hin.In der Tat gibt es experimentelle Hinweise dafür,dass schon bei dem oben erwähnten, bei 3,7 µmemittierenden QCL derartige Ladungsträgerver-luste eine Rolle spielen. Zur Klärung dieser Fragesind weitere experimentelle Untersuchungeninkl. der Realisierung von Intersubbandemitternfür Wellenlängen kürzer als 3,5 µm geplant.

Ein weiterer, für viele Anwendungen wichtigerAspekt ist die Erhöhung des Füllfaktors unddamit verbunden der mittleren emittiertenLaserleistung bis hin zu Dauerstrichbetrieb beiRaumtemperatur. Im Hinblick auf dieses Ziel wur-den erste GaInAs/AlAsSb-QCL zur Verbesserungder Entwärmung des aktiven Bereichs mit einergalvanisch aufgebrachten 2,5 µm dicken Gold-schicht zusätzlich zur normalen oberen n-Kon-taktschicht versehen. Diese Bauelemente wurdenebenfalls zur Verbesserung der Wärmeabfuhr mitder epitaktischen Schicht nach unten auf ent-

sprechende Wärmesenken aufgelötet (Abb. 5).Durch diese Maßnahmen konnte auch ohne eineVerspiegelung der Laserfacetten bei einerLaserwellenlänge von 4,65 µm Dauerstrichbe-trieb bis zu einer maximalen Temperatur von94 K erreicht werden. Um die Leistungsfähigkeitder GaInAs/AlAsSb-QCL im Dauerstrichbetriebweiter zu erhöhen, muss vor allem die Schwellen-stromdichte deutlich reduziert werden. Derzeitliegt diese auf Grund des stark verbreitertenGewinnspektrums noch signifikant höher als beivergleichbaren GaInAs/AlInAs-QCL.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass mit denvorliegenden Ergebnissen das Potenzial desMaterialsystems GaInAs/Al(Ga)AsSb für dieRealisierung kurzwelliger QCL klar aufgezeigtwerden konnte.


Abb. 5 Schematische Darstellung (linke Seite) und Querschnitts-REM-Aufnahme (rechte Seite) eines mit einer galvanischenGoldschicht versehenen GaInAs/AlGaAsSb-QCL, welcher mit der epitaktischen Schicht nach unten auf eine Cu-Wärmesenkeaufgelötet wurde.


High-power infrared semiconductor diode lasersemitting in the wavelength range around 2 µm(in the following designated as 2.X µm) are cur-rently attracting considerable attention for avariety of applications, such as optical pumpingof solid-state lasers (Cr2+:ZnSe or Ho:YAG),medical therapy including laser surgery, as wellas material processing.

Quantum well diode lasers for the 2.X µm wavelength range can be realized using the(AlGaIn)(AsSb) material system. Appropriate layersequences are grown by solid-source molecularbeam epitaxy. So far, the so-called broadenedwaveguide design defined the state-of-the-artfor these GaSb-based laser diodes. This verticalwaveguide design enables low threshold currentand low internal losses, but it has the inherentdisadvantage of a large beam divergence in thefast axis with a typical FWHM of 65° – 70°. Thislimits the light-coupling efficiency into an opticalsystem of given aperture and thus the usablepower of the laser diode. This is illustrated inFig. 1, where the light intensity collected by a coupling lens of high numerical aperture (NA = 0.68) is plotted for the fast axis direction.Data are shown for a 2.3 µm laser with a stan-dard broadened waveguide design (black line). In spite of the high numerical aperture, there isstill a coupling loss of 20 %.

In order to increase the usable power, we devel-oped a new vertical waveguide structure bysimultaneously optimizing the cladding layercomposition, the width of the waveguide core, and the doping profile. With this new design 2.X µm diode lasers could be realized whichexhibit a reduced beam divergence in the fastaxis of only 44° FWHM. This was achievedwithout any loss in laser performance, i. e. threshold current and slope efficiency are un-changed compared to the standard broadenedwaveguide design. As can be seen in Fig. 1 (redline), this new waveguide design with its re-duced fast axis beam divergence results in aremarkable increase of the optical coupling efficiency to over 96 %.

Using this new laser design, we fabricated high-power broad area (BA) lasers with a 1000 x 150 µm2 geometry and high reflective/antireflective (HR/AR) coated facets, emitting

2.X µm High-Power Diode Lasers

Marcel RattundeTel: +49 (0) 7 61 / 51 59-6 [email protected]

Fig. 1: Light intensity collected by a high numerical apertureoptical lens (NA = 0.68, f = 3.1 mm) calculated for two dif-ferent 2.3 µm diode lasers employing different waveguidedesigns.Abb. 1: Lichtintensität in der Ebene einer Sammellinse mithoher numerischer Apertur (NA = 0,68, f = 3,1 mm) fürzwei 2,3 µm-Laserdioden mit unterschiedlicher Struktur des epitaktischen Wellenleiters.

-6

-4

-2

0

2

4

6

New Laser Design

Broadened Waveguide

Design

Intensity, Fast Axis

Laser Diode

Distance (m

m)

Lens


Hochleistungs-Diodenlaser im Wellenlängen-bereich um 2 µm (im folgenden 2.X µm genannt)sind für eine Vielzahl neuer Anwendungen, wiebeispielsweise in der Laserchirurgie oder derMaterialbearbeitung, interessant. Ebenfalls viel-versprechend ist der Einsatz dieser Laser alsPumpquellen für Cr2+:ZnSe- oder Ho:YAG-Fest-körperlaser.

Quantenfilm-Diodenlaser für den 2.X µm-Wellen-längenbereich können auf Basis des Material-systems (AlGaIn)(AsSb) realisiert werden, wobeidie epitaktischen Schichtenfolgen mit Hilfe derMolekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt wer-den. Bei der Auslegung der Schichtenfolgen dieser 2.X µm-Laser stellte bisher die Verwen-dung eines verbreiterten Wellenleiters (broade-ned waveguide design) den Stand der Technikdar. Dieses Konzept erlaubt geringe Schwellen-ströme sowie geringe interne Verluste, hatjedoch den inhärenten Nachteil einer großenStrahldivergenz in der vertikalen Richtung (fastaxis) mit einer typischen Halbwertsbreite (fullwidth at half maximum, FWHM) von 65° – 70°.Diese limitiert die optische Kopplungseffizienzzwischen dem Laser und z. B. einer Sammellinsemit gegebener Aperturöffnung und verringert sodie in einem optischen System nutzbare Leistungder Laserdiode. Als Beispiel ist in Abb. 1 dieLichtintensität in der Ebene einer Sammellinsemit einer hohen numerischen Apertur (NA =0,68) dargestellt. Bei einem 2,3 µm-Diodenlaser

mit dem bisherigen Konzept des breiten Wellen-leiters ergibt sich, trotz der hohen NA der Linse,ein Kopplungsverlust von 20 % (schwarze Liniein Abb. 1).

Um die nutzbare Leistung der 2.X µm-Dioden-laser zu erhöhen, wurde die epitaktische Wellen-leiterstruktur verbessert, indem gleichzeitig dieZusammensetzung der Mantelschichten, dieDicke des Wellenleiters und das Dotierprofil opti-miert wurden. Diodenlaser mit dieser neuenStruktur zeigen eine deutlich geringere Strahl-divergenz in der vertikalen Richtung mit einerHalbwertsbreite von lediglich 44°. Diese Verbes-serung wurde erreicht, ohne die Leistungsdatender 2.X µm-Laser, wie Schwellenstrom undWirkungsgrad, zu verschlechtern. Wie die roteLinie in Abb. 1 zeigt, führt die geringere Strahl-divergenz zu einer deutlich höheren optischenKoppeleffizienz von über 96 %.

Basierend auf dieser verbesserten Wellenleiter-struktur wurden Breitstreifenlaser mit einerEmissionswellenlänge von 1,95 µm hergestellt.Abb. 2 zeigt die Ausgangsleistung eines 1000 x150 µm2-Lasers mit hochreflektierend/antireflek-tierend (HR/AR) beschichteten Facetten imDauerstrich-(cw-)Betrieb bei 20 °C. Die Laser-schwelle liegt bei 370 mA (250 A/cm2) und diemaximale Ausgangsleistung erreicht einen Wertvon 1,96 W. Diese hohe Ausgangsleistung einesEinzelemitters ist zum einen ein Rekordwert für

2.X µm-Hochleistungs-Dioden-Laser

Fig. 2: Output power and power efficiency of a 1.95 µmbroad area single emitter: A maximum of 1.96 W is achie-ved in cw operation at room temperature.Abb. 2: Ausgangsleistung und Leistungseffizienz für einen1,95 µm-Breitstreifenlaser im cw-Betrieb bei Raumtempe-ratur: Die maximale Ausgangsleistung beträgt 1,96 W.

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5 6 7 80.0

0.5

1.0

1.5

2.0BA Single Emitter

CW T = 20 °C

λ = 1.95 µm

Out

put

Pow

er (W

)

Current (A)

Power Efficiency

ηP (%

)

0 10 20 30 40 50 60 70 800

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16

0

5

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15

20

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30

BA Laser Bar

Out

put

Pow

er (W

)

Current (A)

CW T = 20 °C λ = 1.95 µm

Power Efficiency

ηP (%

)

Fig. 3: Output power and power efficiency of a 1.95 µmlaser array which consists of 19 single emitters.Abb. 3: Ausgangsleistung und Leistungseffizienz für einenaus 19 Einzellasern bestehenden Laserbarren mit einerEmissionswellenlänge von 1,95 µm.

2.X µm High-Power Diode Lasersund sauber – net-zunabhängige Stromversorgung mit erneuerbaren Energien


2.X µm diode laser technology, and that theselasers are ready for use in practical applications.An example of how 2.X µm diode lasers can beused in processing of transparent plastic materi-als follows. Materials transparent in the visibleare also transparent in the near infrared around1 µm, which is the wavelength of conventionallaser-based material processing. Therefore, inorder to use such a conventional laser system,color pigments absorbing at around 1 µm haveto be added. On the other hand, most of theplastic materials transparent in the visible exhibitintrinsic absorption bands in the 2 – 2.5 µmwavelength range. This intrinsic absorption canbe exploited for laser cutting, welding, and mar-king of transparent plastic materials. The use of2.X µm diode lasers has the particular advantagethat the penetration depth of the processinglaser can be adjusted to specific needs by tuningthe laser wavelength across the material's speci-fic absorption spectrum.

As an illustration Fig. 4 shows a transparentpolystyrene sheet 2 mm in thickness, into whichthe Fraunhofer IAF logo has been written with a 2.3 µm diode laser. At this wavelength, theabsorption of polystyrene has a maximum andthe corresponding penetration depth is minimal.Therefore, the letters are written into the top-most layer of the sheet material only. By tuningthe lasing wavelength between 2.0 and 2.3 µm,the absorption can be varied between 19 % and 93 % for the above polystyrene sheet. Thisway, the process parameters can be optimizedand adapted to different needs (cutting, welding, processing of materials of differentthickness).

Further research and development in the area of 2.X µm high-power diode lasers is aiming at further increase in power efficiency and hence reduction of the thermal load on the device. Furthermore, high-power 2.X µm lasermodules containing fiber coupled diode laserarrays will be realized in a cooperation withFraunhofer ILT.

at 1.95 µm. The cw output power and power efficiency of a single emitter is shown in Fig. 2,measured at a heat sink temperature of 20 °C.Lasing threshold is reached at a current of370 mA, corresponding to a threshold currentdensity of 250 A/cm2. The maximum outputpower of 1.96 W is, to our knowledge, the highest cw output power reported so far for 2.X µm single emitters. Even more important,this is the first demonstration of a 2.X µm high-power laser with a fast axis beam divergence of less than 45° FWHM. A slope efficiency of0.32 W/A, corresponding to an external quan-tum efficiency of 50 %, in combination with aseries resistance of around 140 mΩ results in amaximum wall-plug efficiency of over 26 %,which is remarkably high for diode lasers emit-ting at 2 µm.

The results of first reliability tests on these 2 µmhigh-power diode lasers are very encouraging:Over 10000 hours of continuous operation at ancw output power of 0.9 W have been demon-strated at room temperature. In pulsed modeoperation (500 ns, 0.01 % duty cycle), no cata-strophic optical mirror damage (COMD) was ob-served up to a power density at the output facetof at least 5 MW/cm2.

To further increase the output power, linear laserarrays consisting of 19 BA emitters were moun-ted on passively cooled heat sinks. The results ofthe electro-optical characterization are shown inFig. 3: The maximum cw power of 16.9 W hasbeen achieved at 82 A, limited only by thermalroll-over and not by a COMD. The slope efficien-cy of the diode laser array is 0.31 W/A, thethreshold current amounts to 7.0 A (correspon-ding to 370 mA per emitter). Even though onlypassively cooled heat sinks have been used, bothvalues are almost identical to those measured forsingle emitters. Furthermore, a high maximumwall-plug efficiency of over 26 % is recorded atan output power of 10 W.

The above data clearly demonstrate the level of maturity reached for the present GaSb-based


GaSb-basierte 2.X µm-Laser, zum anderen dererste 2.X µm-Leistungslaser mit einer Strahl-divergenz von weniger als 45° FWHM. Die Kenn-liniensteigung von 0,32 W/A entspricht einerexternen Quanteneffizienz von 50 % und führt,zusammen mit dem Serienwiderstand von140 mΩ, zu einer maximalen Leistungseffizienzvon über 26 %. Die Zuverlässigkeit dieser 2 µm-Leistungslaser ist ebenfalls überzeugend: Beiersten Lebensdauertests konnten über 10000 hcw-Betrieb mit einer Ausgangsleistung von 0,9 W direkt nachgewiesen werden. Im Puls-betrieb (500 ns, Tastverhältnis 0,01 %) konntebisher kein COMD (catastrophic optical mirrordamage) festgestellt werden, d. h. die COMD-Schwelle liegt oberhalb von 5 MW/cm2.

Um die Ausgangsleistung weiter zu steigern,wurden Laserbarren mit 19 Breitstreifenemitternauf passiv gekühlte Wärmesenken aufgelötet.Mit dieser Anordnung konnte eine maximaleLeistung von 16,9 W im cw-Betrieb erreicht wer-den (Abb. 3), die durch thermisch induziertesÜberrollen und nicht durch COMD limitiert ist.Die Kennliniensteigung beträgt 0,31 W/A, dieLaserschwelle liegt bei 7,0 A (entspricht 370 mApro Emitter). Obwohl nur eine passive Wärme-senke eingesetzt wurde, sind die obigen Wertenahezu identisch mit den Daten der Einzel-emitter. Die Leistungseffizienz des 2 µm-Laser-barrens erreicht sehr hohe Werte von maximal26 % bei einer Ausgangsleistung von 10 W.

Die obigen Daten zeigen, dass die hier vorge-stellten GaSb-basierten 2.X µm-Laser sehr gutfür praktische Anwendungen geeignet sind. Einwichtiger Einsatzbereich für 2.X µm-Diodenlaserist die Bearbeitung von transparenten Kunst-stoffen: Im Sichtbaren transparente Materialiensind ebenfalls im nahen IR-Bereich mit Wellen-längen um 1 µm transparent und somit nichtabsorbierend für die in der Materialbearbeitungüblichen Laser. Um diese Laser trotzdem einset-zen zu können, müssen den Kunststoffen absor-bierende Farbpigmente beigemischt werden. DerWellenlängenbereich von 2 – 2,5 µm ist hinge-gen ideal für die Kunststoffbearbeitung geeig-net, da fast alle Kunststoffe in diesem Bereichintrinsische Absorptionslinien aufweisen. Außer-dem kann durch Abstimmung der 2.X µm-Wellenlänge um eine Absorptionslinie die Ein-

dringtiefe des Laserstrahles in den Kunststoffeingestellt werden. Dies ermöglicht die Feinab-stimmung der Prozessparameter für das Schnei-den, Schweißen oder Beschriften der verschiede-nen Kunststoffe.

Ein Beispiel für die Laserbeschriftung von trans-parentem Kunststoff ist in Abb. 4 gezeigt: Eine2 mm dicke, glasklare Polystyrol-Scheibe wurdemit Hilfe eines 2,3 µm-Diodenlasers beschrieben.Bei dieser Wellenlänge ist die Absorption vonPolystyrol maximal und die Eindringtiefe minimal,so dass die Beschriftung nur in der oberstenSchicht der Scheibe erfolgt. Durch Veränderungder Wellenlänge zwischen 2,0 und 2,3 µm kanndie Absorption zwischen 19 % und 93 % vari-iert und damit für verschiedene Prozessierungs-schritte optimiert werden.

Die zukünftige Entwicklung der GaSb-basierten2.X µm-Diodenlaser konzentriert sich auf dieweitere Steigerung der Leistungseffizienz derDioden, womit gleichzeitig eine geringere ther-mische Last im aktiven Bereich erreicht wird.Außerdem werden in Zusammenarbeit mit demFraunhofer ILT fasergekoppelte Hochleistungs-Lasermodule entwickelt, die auf mehreren2.X µm-Laserbarren basieren.

2.X µm-Hochleistungs-Dioden-Laser

Fig. 4: Transparent polystyrene sheet with lettering writtenby a 2.3 µm diode laser.Abb. 4: Transparente Polystyrol-Scheibe, die mit Hilfe eines2,3 µm-Diodenlasers beschriftet wurde.


CVD DiamondDiamant

100 µm

The unique properties of diamond, its unequalled hardness, its transparenceover wide spectral range and its outstanding thermal conductivity are character-istics of large, thick synthetic diamond layers, which are deposited by chemicalvapor deposition (CVD). Our proprietary CVD microwave reactors guaranteehomogeneous and reproducible diamond layers.

Die einmaligen Eigenschaften des Diamants – seine Härte, seine Transparenzund seine hohe Wärmeleitfähigkeit – werden technisch genutzt mit groß-flächigen, dicken synthetischen Diamantscheiben, die wir mit einem chemischenAbscheideverfahren (Chemical Vapor Deposition CVD) herstellen. Unsere paten-tierten CVD-Mikrowellen-Reaktoren garantieren homogene und reproduzierbareDiamantschichten.



Trends in CVD DiamondThe outstanding development in the area of CVD diamond research and technology in 2005 was the realization of hollow CVD diamond spheres as targets for laser driven nuclear fusion. This work, carried out in close collaboration with researchers from the Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in the USA, demonstrated that presently the CVD diamond is superior to competing materials. Other future activities will focus on theapplication of CVD diamond components in optoelectronic modules, e. g. as heat spreaders with added functionality and optically active elements.

Neue AusrichtungDas herausragende Ergebnis auf dem Gebiet der CVD-Diamant-Technologie war im vergangenen Jahr die erfolgreiche Entwicklung von CVD-Diamant-Hohlkugeln als Targets für die Laser-getriebene Kernfusion. Diese, in engerZusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Lawrence Livermore NationalLaboratory (LLNL) durchgeführten F&E-Arbeiten zeigten, dass CVD-Diamant zur Zeit die einzige Materialtechnologie ist, die die gestellten Anforderungenerfüllen kann. Zukünftig soll neben der erwähnten Zusammenarbeit mit demLLNL verstärkt auf dem Gebiet der Integration von Diamantkomponenten inoptoelektronische Module gearbeitet werden.


Nuclear fusion as an energy source is findingmore and more interest due to its enormouspotential of providing energy from a sheer in-exhaustible fuel supply with very low impact onthe environment. The inertial confinement fusion(ICF) concept uses intense laser beams to heatand compress a target filled with deuterium-tri-tium (DT) fuel.

The baseline design for ignition targets relies ona thin-walled millimeter-sized spherical shell(»ablator«), which transfers the energy providedby the laser into the DT fuel. The efficiency ofthis energy transfer, and thus the energy yieldfollowing successful ignition and combustion,depends critically on both, material and precisedimensions of the capsule.

In general, only light elements such as beryllium,boron, and carbon can be used as capsule mate-rial. Diamond is an excellent choice, with signifi-cant advantages such as: - efficient energy absorption due to its opacity

and albedo for 250 – 300 eV photons and its high atomic density,

- high yield strengths allowing the handling of filled targets with internal pressures of several 100 bar at room temperature,

- broad-band optical transparency which facilitates the use of optical techniques to smoothen the DT ice layer, and, finally,

- high thermal conductivity of up to 20 W/cmK at room temperature simplifying cryogenic systems.

The ICF application requires diamond shells witha surface finish on the nanometer scale. The pre-paration of these targets is topic of a researchproject in cooperation and with the funding ofLawrence Livermore National Laboratory.

The fabrication of CVD diamond capsules isaccomplished by coating spherical silicon mandrels with diamond in a 6 kW microwaveplasma CVD reactor. To guarantee uniform coating, we developed a custom-designed sub-strate holder enforcing rotation of the spheresand simultaneous randomization of the axis ofrotation (Fig. 3).

CVD Diamond Capsules for Inertial Confinement Fusion

Fig. 1: Hollow CVD diamond sphere.Abb. 1: CVD-Diamant-Hohlkugel.

Christoph WildTel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-3 [email protected]


Die Kernfusion als Energiequelle findet zuneh-mendes Interesse, vor allem wegen praktischunbegrenzter Verfügbarkeit und Umweltver-träglichkeit. Das Konzept der Trägheitsfusion (ICF = inertial confinement fusion) sieht dieVerwendung extrem leistungsstarker Laser-strahlen zum Aufheizen und zur Kompressiondes Deuterium-Tritium (DT)-gefüllten Targets vor.

Diese Targets bestehen im wesentlichen ausdünnwandigen, millimetergroßen Hohlkugeln,die die Laserenergie in den Brennstoff einleiten.Der Wirkungsgrad nach erfolgreicher Zündungund Verbrennung hängt kritisch von Materialund genauer Dimensionierung der Kapsel ab.

Prinzipiell kommen nur leichte Elemente wieBeryllium, Bor oder Kohlenstoff als Kapsel-material in Frage. Diamant ist das Material derWahl mit wesentlichen Vorteilen, z. B.:

- effiziente Energieabsorption durch hohe Opazität und Albedo für Photonen im Bereich von 250 – 300 eV bei gleichzeitiger hoher Packungsdichte,

- hohe mechanische Stabilität, die bei Raumtemperatur Innendrücke von einigen 100 bar bei Raumtemperatur erlaubt,

- breitbandige optische Transparenz erlaubt optisches Glätten der festen DT-Schicht,

- hohe Wärmeleitfähigkeit bis zu 20 W/cmK bei Raumtemperatur ergibt vereinfachte Kühlsysteme.

Das ICF-Verfahren erfordert Diamant-Kugeln miteiner Oberflächengüte im Nanometer-Bereich.Die Herstellung dieser Kapseln ist Gegenstandeines Forschungsprojektes in Zusammenarbeitmit und mit finanzieller Unterstützung vonLawrence Livermore National Laboratory.

Die Herstellung erfolgt durch die Beschichtungvon sphärischen Silicium-Kernen mit Diamant ineinem 6-kW-HF-Plasma-CVD-Reaktor. Um einehomogene Abscheidung zu gewährleisten,haben wir einen kundenspezifischen Substrat-halter entwickelt, der gleichzeitig Kugeldrehungund statistische Ausrichtung der Drehachseerzwingt (Abb. 3).

CVD-Diamantkapseln für die Kernfusion

CVD Diamond Capsules for Inertial Confinement Fusion


The final step in the diamond capsule fabricationis the removal of the mandrel, requiring care andskill, as only a micron-sized hole can be toleratedby the ICF application. An ultrasonically enhan-ced wet etch process was the solution: Therequired micron-sized holes are drilled throughthe diamond film using high-precision laser ablation. Subsequently the silicon mandrel isetched using a mixture of HNO3 and HF. Sincethe diffusion-driven transport of materialthrough the small hole is very slow the etchingwas enhanced by excitation in an ultrasonicbath. Fig. 5 shows an X-ray radiograph of apolished, hollow CVD diamond capsule. Themicroscopic hole for the inflow of the etchantand filling-in of the fuel is clearly seen in thefigure.

Future work includes an improved polishing process and the introduction of dopants to prepare graded density material.

As-grown and polished diamond coated siliconspheres with 2 mm diameter and 100 µm filmthickness are shown in Fig. 4. As-grown filmsconsist of large diamond grains with dimensionsof up to 10 µm, thus forming a rough surface.For the successful nuclear ignition, however, theavoidance of any non-uniformities is a prerequi-site since perturbations are strongly amplifiedduring compression, thereby reducing energygain. Therefore perfect sphericity and surfacefinish are of crucial importance. Another possiblesource for instabilities are the large grain sizes incombination with the anisotropic speed ofsound propagation in diamond. Therefore thegrowth of ultrafine-grained material had to bedeveloped.

Our expertise in diamond polishing in combi-nation with state-of-the-art ball polishing tech-niques resulted in methods and machinery forthe polishing of diamond spheres. Using dia-mond abrasives of various grit size, we achievedan optical surface finish with a residual rough-ness in the 20 nm range. A further advantage ofour polishing concept is that it automaticallyyields a set of spheres with identical size andideal sphericity, illustrated by the polished spheres in Fig. 4.

Fig. 3: Substrate platform for the homogenous CVD coatingof spherical Si mandrels.Abb. 3: Substratkarussel für die homogene Beschichtungkugelförmiger Si-Kerne.

Fig. 2: One shell has been laser-cut for inspection purposes.Abb. 2: Geschlossene und aufgeschnittene Diamant-Hohlkugeln.


Rohlinge und polierte Diamant-beschichteteSiliciumkugeln mit 2 mm Durchmesser und100 µm Schichtdicke sind in Abb. 4 gezeigt. Dieabgeschiedenen Rohlinge bestehen aus großenDiamant-Körnern mit Dimensionen von bis zu10 µm und haben somit eine raue Oberfläche.

Für eine erfolgreiche nukleare Zündung sindInhomogenitäten unbedingt zu vermeiden, dasich diese verstärkt als Störung bei der Kom-pression fortpflanzen und den Energiegewinnbei der Reaktion reduzieren. Perfekte Kugelformund Oberflächengüte sind daher notwendig.Eine weitere Quelle für Instabilitäten bei hoherKorngröße ist die anisotrope Schallgeschwindig-keit im Diamant. Unser Wachstumsprozesswurde daher auf extreme Feinkörnigkeit opti-miert.

Mit unserer langjährigen Erfahrung in der Dia-mantpolitur und heutigen Kugelschleiftechnikenhaben wir die Ausrüstung und die Prozesstech-nologie für die Politur der Diamant-Hohlkugelnentwickelt. Mit Diamantschleifmittel unterschied-licher Korngröße wurde eine Rest-Rauigkeit von20 nm erreicht. Ein weiterer Vorteil unseresVerfahrens ist die exakte Kugelform verbundenmit homogenem Kugeldurchmesser, wie man anden polierten Kugeln in Abb. 4 sieht.

Der letzte Schritt in der Herstellung der Diamant-Kapseln ist die Entfernung des Silicium-Kerns,was hohe Fertigkeit erfordert, da nur Mikro-löcher in der ICF-Anwendung tolerierbar sind.Ein Ultraschall unterstützter nasschemischer Ätz-prozess brachte die Lösung. Die mikrometergro-ßen Löcher durch die Diamantschale wurden mitLaser-Ablation gebohrt. Danach wurde derSilicium-Kern mit einer Mischung von HNO3und HF herausgeätzt. Da die Diffussion durchdas kleine Loch nur sehr langsam vor sich geht,wurde der Prozess durch Ultraschall-Anregungbeschleunigt. Abb. 5 zeigt die Röntgenaufnahmeeiner polierten, hohlen CVD-Diamantkugel. Dasmikroskopische Loch für den Eintrag des Ätzmit-tels und später des Brennstoffes ist deutlich zusehen.

Weitere Entwicklungen sind eine verbessertePolitur und der Einbau von Dotierstoffen, umMaterial mit Dichtegradienten herzustellen.

CVD-Diamantkapseln für die KernfusionStromversorgung mit erneuerbaren Energien

Fig. 5: X-ray radiograph of a hollow diamond sphere.Abb. 5: Röntgenaufnahme einer Diamant-Hohlkugel.

Fig. 4: As-grown and polished CVD diamond spheres.Abb. 4: CVD-Diamant-Rohkugel und polierte Kugeln.


GaSb-based high-resolution focal plane array infrared sensor.GaSb-basierter hochauflösender Bildfeldmatrix-Infrarot-Sensor.

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J. Schmitz, C. Mermelstein, R. Kiefer,M. Walther, J. WagnerMBE Growth of Mid-IR Type-II Interband LaserDiodesJournal of Crystal Growth 278 (2005), 1-4, 704

J. T. Olesberg, M. A. Arnold, C. Mermelstein, J. Schmitz, J. WagnerTunable Laser Diode System for NoninvasiveBlood Glucose MeasurementsApplied Spectroscopy 59 (2005), 1480

H. Schneider, T. Maier. J. Fleißner, M. Walther, P. Koidl, G. Weimann,W. Cabanski, M. Finck, P. Menger, W. Rode, J. ZieglerDual-Band QWIP Focal Plane Array for theSecond and Third Atmospheric WindowsInfrared Physics and Technology 47 (2005)

H. C. Liu, S. D. Gunapala, H. Schneider (eds.)QWIP 2004Infrared Physics and Technology 47 (2005)

H. Schneider, T. Maier, H. C. Liu, M. Walther, P. KoidlUltrasensitive Femtosecond Two-PhotonDetector with Resonantly Enhanced NonlinearAbsorptionOptics Letters 30 (2005), 3, 287

K. Schneider, R. Driad, R. E. Makon, H. Massler, M. Ludwig, R. Quay, M. Schlechtweg, G. WeimannComparison of InP/InGaAs DHBT DistributedAmplifiers as Modulator Drivers for 80-Gbit/sOperationIEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques 53 (2005), 11, 3378

Y. Campos-Roca, C. Schwörer, A. Leuther, M. Seelmann-Eggebert, H. MasslerA D-Band Frequency Doubler MMIC Based on a100-nm Metamorphic HEMT TechnologyIEEE Microwave and Wireless ComponentsLetters 15 (2005), 7, 466

F. Sommer, F. Vollrath, M. Kunzer, W. Pletschen, S. Müller, K. Köhler, P. Schlotter, J. Wagner, A. Weimar, V. HaerleViolet-Emitting Diode Lasers on Low DefectDensity GaN Templatesphysica status solidi c 2 (2005), 7, 2849

A. Tessmann220-GHz Metamorphic HEMT Amplifier MMICsfor High-Resolution Imaging ApplicationsIEEE Journal of Solid-State Circuits 40 (2005),10, 2070

E.-M. Pavelescu, J. Wagner, H.-P. Komsa, T. T. Rantala, M. Dumitrescu, M. PessaNitrogen Incorporation into GaInNAs Lattice-Matched to GasAs: The Effects of GrowthTemperature and Thermal AnnealingJournal of Applied Physics 98 (2005), 8,083524

J. Wagner, K. Köhler, P. Ganser, M. MaierBonding of Nitrogen in Dilute InAsN and HighIn-Content GaInAsNApplied Physics Letters 87 (2005), 51913

M. Walther, R. Rehm, F. Fuchs, J. Schmitz, J. Fleißner, W. Cabanski, D. Eich, M. Finck, W. Rode, J. Wendler, R. Wollrab, J. Ziegler256 x 256 Focal Plane Array Mid-WavelengthInfrared Camera Based on InAs/GaSb Short-Period SuperlatticesJournal of Electronics Materials 43 (2005), 6,722

M. Walther, J. Schmitz, R. Rehm, S. Kopta,F. Fuchs, J. Fleißner, W. Cabanski, J. ZieglerGrowth of InAs/GaSb Short-Period Superlatticesfor High-Resolution Mid-Wavelength InfraredFocal Plane Array DetectorsJournal of Crystal Growth 278 (2005), 156

E. Wörner, C. Wild, W. Müller-Sebert, M. Grimm, P. KoidlHigh Temperature Infrared Absorption of CVDDiamond Measurement by Laser CalorimetryDiamond and Related Materials 14 (2005), 3-7,580

Q. K. Yang, W. Bronner, C. Manz, R. Moritz,C. Mann, G. Kaufel, K. Köhler, J. WagnerContinuous-Wave Operation ofGaInAs/AlGaAsSb Quantum Cascade LasersIEEE Photonics Technology Letters 17 (2005),11, 2283

Q. K. Yang, C. Manz, W. Bronner, C. Mann,L. Kirste, K. Köhler, J. WagnerGaInAs/AlAsSb Quantum-Cascade LasersOperating up to 400 KApplied Physics Letters 86 (2005), 13, 131107

Q. K. Yang, C. Manz, W. Bronner, C. Mann,L. Kirste, K. Köhler, J. WagnerGaInAs/AlGaAsSb Quantum Cascade LasersApplied Physics Letters 86 (2005), 13, 131109

Q. K. Yang, C. Mann, F. Fuchs, K. Köhler, W. BronnerHigh Temperature (T ≥ 400 K) Operation ofStrain-Compensated Quantum Cascade LasersWith Thin InAs Insertion Layers and AlAsBlocking BarriersJournal of Crystal Growth 278 (2005), 714



Conferences and SeminarsVorträge und Seminare

M. Baeumler, M. Kunzer, R. Schmidt, W. Pletschen, P. Schlotter, K. Köhler, U. Kaufmann, J. WagnerAssessment of the Active Region Temperaturefor Differently Mounts UV-to-Violet Emitting(AlGaIn)N LEDsICNS-6, Bremen (D)28 Aug – 02 Sep 2005

R. Driad, R. E. Makon, K. Schneider, M. Lang, R. Aidam, R. Quay, M. Schlechtweg, M. Mikulla, G. WeimannInP DHBT-Based ICs for Over 80 Gb/s DataCommunications2005 Topical Workshop on HeterostructuralMaterials, Hyogo (J) 22 – 25 Aug 2005

R. Driad, R. Lösch, K. Schneider, R. E. Makon, M. Ludwig, G. WeimannMulti-Wafer MBE Grown InP-Based DHBTs forMillimeterwave and Digital Applications32nd Int. Symposium on CompoundSemiconductors (ISCS 2005), Rust (D)18 – 22 Sep 2005

F. FuchsInAs/(GaIn)Sb Superlattices for Infrared Imaging- Rockwell, Thousand Oaks, CA (USA)

01 Sep 2005- NASA Jet Propulsion Lab, Pasadena, CA

(USA)02 Sep 2005

- Kirtland Air Force Base, Albuquerque, NM (USA)06 Sep 2005

F. Fuchs, D. Hoffmann, A. Gin, A. Hood, Y. Wei, M. RazeghiNegative Luminescence of InAs/GaSbSuperlattice Photodiodes32nd Int. Symposium on CompoundSemiconductors (ISCS 2005), Rust (D)18 – 22 Sep 2005

E. Geerlings, M. Rattunde, J. Schmitz, G. Kaufel, J. Wagner, H. ZappeGaSb-basierte Halbleiter-Diodenlaser im exter-nen Resonator für den Wellenlängenbereichum 2 µmDeutsche Physikalische GesellschaftFrühjahrstagung, Berlin (D)04 – 09 Mar 2005

E. Geerlings, M. Rattunde, J. Schmitz, G. Kaufel, J. Wagner, D. Kallweit, H. ZappeKompakte durchstimmbare Halbleiter-Dioden-laser für den Wellenlängenbereich um 2 µm für die medizinische Diagnostik14. FMF-Kolloquium, Titisee-Neustadt (D)06 – 07 Oct 2005

M. T. Kelemen, M. Mikulla, G. Weimann (invited)High-Power High-Brightness Tapered DiodeLasers and AmplifiersPhotonics West 2005, San Jose, CA (USA)22 – 27 Jan 2005

M. T. KelemenLebensdaueruntersuchungen undAusfallmechanismen an LaserdiodenBayrisches Laserzentrum, Erlangen (D)22 Sep 2005

M. T. KelemenDer Trapezlaser – Ein Erfolgskonzept für hochbrillante DiodenlaserOSRAM, Regensburg (D)07 Dec 2005

L. Kirste, S. Müller, R. Kiefer, R. Quay, K. Köhler, N. Herres (invited)X-Ray Analytical Process Monitoring in theDevelopment of Group III-Nitride DevicesE-MRS 2005, Symposium on Current Trends inOptical and X-Ray Metrology of AdvancedMaterials for Nanoscale Devices, Strasbourg (F)31 May – 03 Jun 2005

L. KirsteProzessbegleitende Röntgenanalytik für dieEntwicklung von (AlGaIn)N-BauelementenUniversität Freiburg (D)01 Jun 2005

L. Kirste, S. Müller, R. Kiefer, R. Quay, K. Köhler, N. HerresSpatially Resolved X-Ray DiffractionMeasurements on (Al,Ga)N/GaN/4H-SiC(0001)Heterostructures for Electronic Devices11th Int. Conf. on Defect-Recognition, Imaging and Physics in Semiconductors (DRIP-XI), Beijing (TJ)15 – 19 Sep 2005

K. Köhler, A. Perona, M. Maier, J. Wiegert,M. Kunzer, P. Schlotter, J. WagnerThe Mg Doping Profile in III-N Light EmittingDiodes in Close Proximity to the Active Region6th Int. Conf. Nitride Semiconductors, Bremen(D)28 Aug – 02 Sep 2005

P. Koidl, C. Wild, E. Wörner, W. Müller-Sebert (invited)Large Area Diamond Deposition and Processingfor Optical Applications10th Int. Conf. New Diamond Science andTechnology, Tsukuba (J)11 – 14 May 2005

T. MaierQuantentopf-Infrarot-Photodetektoren fürbispektrale Detektion und fs-Laserpuls-DiagnostikUniversität Freiburg (D)10 Jun 2005

C. Mann, Q. Yang, F. Fuchs, W. Bronner, K. Köhler, J. WagnerPhysik und Anwendungen von Quanten-kaskadenlasernUniversität Freiburg (D)11 Feb 2005

C. Mann, Q. Yang, F. Fuchs, W. Bronner, K. Köhler, J. WagnerQuantum Cascade Lasers for the Mid-InfraredSpectral RangeUniversität Dortmund (D)15 Apr 2005

C. Mann, Q. Yang, F. Fuchs, C. Manz, K. Köhler, W. Bronner, J. WagnerOptimizing Short-Wavelength Performance ofInP-Based GaInAs/AlInAs and GaInAs/AlAsSbQuantum Cascade LasersMIOMD-VII – Mid-Infrared Optoelectronics:Materials and Devices, Lancaster (UK)12 – 14 Sep 2005

C. Manz, Q. Yang, M. Maier, L. Kirste, K. Köhler, J. WagnerMBE Growth of GaInAs/AlAsSb QuantumCascade Lasers13th Euro-MBE Workshop, Grindelwald (CH)07 – 09 Mar 2005

C. Pfahler, G. Kaufel, C. Manz, M. T. Kelemen, M. Mikulla, J. WagnerAntimonidische 2 µm-Trapezlaser für Pump-anwendungen35. IR-Kolloquium, Freiburg/Br. (D)12 – 13 Apr 2005

C. Pfahler, C. Manz, G. Kaufel, M. T. Kelemen, M. Mikulla, J. WagnerHigh-Brightness GaSb-Based Tapered DiodeLasers Emitting at 1.9 µmConf. on Lasers and Electro-Optics / Europe(CLEO-Europe), München (D)13 – 17 Jun 2005

C. Pfahler, C. Manz, G. Kaufel, M. T. Kelemen, M. Mikulla, J. WagnerOptimization of High-Power, High-BrightnessGaSb-Based Diode LasersMIOMD VII, Lancaster (UK)12 – 14 Sep 2005


W. PletschenTrockenätzprozesse bei der Herstellung vonGaN/AlGaN-HEMTsSentech, Berlin (D)24 Oct 2005

R. Quay, R. Kiefer, F. van Raay, S. Müller, W. Bronner, F. Benkhelifa, W. Pletschen, B. Raynor, M. Mikulla, M. Schlechtweg, G. WeimannAlGaN/GaN HEMT Microstrip/CPW MMICs forµm-Wave and mm-Wave FrequenciesESA GaN Workshop, Nordwijk (NL)17 – 18 Mar 2005

R. Quay, R. Kiefer, F. van Raay, R. Reiner,O. Kappeler, S. Müller, M. Dammann, W. Bronner, M. Mikulla, M. Schlechtweg,D. Wiegner, U. Seyfried, W. Templ, G. WeimannGaN/AlGaN HEMT Hybrid and MMIC MicrostripPower Amplifiers on s. i. SiC Substrate32nd Int. Symposium on CompoundSemiconductors (ISCS 2005), Rust (D)18 – 22 Sep 2005

R. QuayAlGaN/GaN HEMT MMICs and Hybrid PAs forHigh Bandwidth and High Frequency HighPower ApplicationsCSIC Symposium – GaN Workshop, PalmSprings, CA (USA)30 Oct – 02 Nov 2005

R. QuayProcess and Development for µ-Wave and mm-Wave PAs and MMICsESA GaN Workshop, Paris (F)15 Nov 2005

R. Quay, O. Kappeler, F. van Raay, R. Kiefer,R. Reiner, H. Walcher, S. Müller, M. Mikulla,M. Schlechtweg, G. Weimann, D. Wiegner,U. Seyfried, W. TemplAn AlGaN/GaN HEMT Push-Pull Amplifier With400 MHz Bandwidth and 100 W Peak OutputPowerIEDM 2005, Washington D. C. (USA)05 – 07 Dec 2005

M. Rattunde, E. Geerlings, A. Hülsmann, J. Schmitz, G. Kaufel, J. WagnerLow-Threshold, Low Beam Divergence GaSb-Based QW Diode Lasers Emitting in the 1.9 to2.4 µm Wavelength RangeConf. on Lasers and Electro-Optics / Europe(CLEO-Europe), München (D)13 – 17 Jun 2005

M. Rattunde, C. Pfahler, N. Schulz, M. Kelemen, J. Schmitz, C. Manz, G. Kaufel,C. Wild, J. Wagner (invited)High-Brightness 2.X µm GaSb-Based QW LasersMIOMD VII, Lancaster (UK) 12 – 14 Sep 2005

R. Rehm, J. Schmitz, J. Fleißner, M. Walther,F. Fuchs, J. Ziegler, W. CabanskiInAs/(GaIn)Sb-Übergitter-Matrixdetektoren fürdas zweite und dritte atmosphärische Fenster 35. IR-Kolloquium, Freiburg/Br. (D)12 – 13 Apr 2005

J. Ziegler, W. Cabanski, R. Rehm, J. Fleißner,H. Schneider, M. WaltherZukünftige Technologien für IR-Detektoren der3. Generation35. IR-Kolloquium, Freiburg/Br. (D)12 – 13 Apr 2005

R. Rehm, J. Schmitz, J. Fleißner, M. Walter,J. Ziegler, W. CabanskiInAs/GaSb Type-II Superlattices for Single- andDual-Color Focal Plane Arrays for the Mid-Infrared Spectral Range32nd Int. Symposium on CompoundSemiconductors (ISCS 2005), Rust (D)18 – 22 Sep 2005

M. SchlechtwegModerne Mikro- und MillimeterwellensensorikIHK + Fraunhofer Forum Südlicher Oberrhein,Freiburg/Br. (D)14 Mar 2005

M. Schlechtweg, A. Tessmann, A. Leuther,C. Schwörer, H. Maßler, M. Mikulla, M. Walther, R. LöschAdvanced Millimeter-Wave ICs UsingMetamorphic HEMT Technology32nd Int. Symposium on CompoundSemiconductors (ISCS 2005), Rust (D)18 – 22 Sep 2005

M. Schlechtweg, Y. Campos Roca, A. Leuther, A. Tessmann, M. Seelmann-Eggebert, H. Massler, G. Weimann, C. SchwörerA 120 to 220 GHz Balanced Doubler MMICUsing a 50 nm Metamorphic HEMT TechnologyEuropean Microwave Week 2005 / GAAS 2005,Paris (F)03 – 07 Oct 2005

M. SchlechtwegMMICs Between 100 GHz and 300 GHzEuropean Microwave Week 2005 / GAAS 2005,Paris (F)03 – 07 Oct 2005

M. Schlechtweg, A. Tessmann, A. Leuther,C. Schwörer, H. Maßler, M. Mikulla, M. Walther, M. Riessle (invited)Advanced mm-Wave ICs and Applications 2005 IEEE Int. Workshop on Radio-FrequencyIntegration Technology, Singapore (SGP)30 Nov – 02 Dec 2005

H. SchneiderQuantum Well Infrared Photodetectors: Physicsand ApplicationsHughes Research Labs., Malibu, CA (USA)31 Jan 2005

H. SchneiderQuantum Well Infrared Photodetectors:Thermal Imaging, »Ultrafast« Detection- Univ. of Tokyo, Inst. of Industrial Science (J)

24 Mar 2005- University of Aizu (J)

31 Mar 2005- Tohoku University, Sendai (J)

04 Apr 2005- Osaka City University (J)

11 Apr 2005- Kyushu Inst. of Technology, Kitakyushu (J)

14 Apr 2005- Univ. of Tokyo, Dept. of Applied Physics (J)

20 Apr 2005

H. SchneiderNonlinear Transport in Quantum Well InfraredPhotodetectorsUniversity of Tokyo, Inst. of Industrial Science(J)18 Apr 2005

H. SchneiderQWIPs for High-Performance Thermal ImagingUniversity of Tokyo, Inst. of Industrial Science(J)19 Apr 2005

N. Schulz, M. Rattunde, C. Manz, C. Wild,K. Köhler, J. WagnerEntwurf, Epitaxie und Charakterisierung vonGaSb-basierenden Halbleiter-Scheibenlasern bei2.3 µmInstitut für Strahlwerkzeuge, UniversitätStuttgart (D)13 Jul 2005

N. Schulz, M. Rattunde, C. Manz, K. Köhler,C. Wild, J. WagnerHigh-Power GaSb-Based VECSEL Emitting Near 2.3 µm32nd Int. Symposium on CompoundSemiconductors (ISCS 2005), Rust (D)18 – 22 Sep 2005




J. WagnerInfrared Semiconductor Lasers: State-of-the-Artand Future ChallengesISL, Saint Louis (F)19 Jan 2005

J. WagnerInfrared (λ > 2 µm) Semiconductor LasersCQD Northwestern University, Evanston, IL (USA)31 Jan 2005

J. WagnerGroup III-Antimonides: From Materials Researchto High-Performance Infrared SemiconductorLasersJapan-Germany Colloquium 2005, MPI für diePhysik komplexer Systeme, Dresden (D)14 – 15 Feb 2005

J. WagnerIII-V Infrared Semiconductor Lasers forWavelengths > 2 µmUniversität Neuchâtel (CH)14 Mar 2005

J. WagnerInfrarot-Halbleiterlaser: kompakte Lichtquellenfür Diagnostik und TherapieUniversitätsklinikum Freiburg (D)31 May 2005

J. WagnerGroup III-Antimonide Compound Semi-conductors: From Materials Science to High-Performance Infrared LasersUniversität Frankfurt (D)06 Jun 2005

J. WagnerGroup III-N-Based Optoelectronics: High-Efficiency LEDs for e. g. Solid-State Lighting2nd Fraunhofer-Gesellschaft – Samsung Forum& Workshop 2005, Samsung SAIT (ROK)08 Sep 2005

J. WagnerInfrarot-Halbleiterlaser für die Sensorik undoptronische Gegenmaßnahmen3. Tagung »Optik und Optronik in derWehrtechnik«, Meppen (D)26 – 28 Sep 2005

J. WagnerInfrarot-Halbleiterlaser: neue Möglichkeiten fürdie Medizintechnik?Universitätsklinikum (Augenklinik) Freiburg (D)10 Oct 2005

J. Wagner, M. WaltherQuantum Effect Devices for Detection ofHazardous MaterialsWorkshop »Nano Security 2005«, MPI fürMikrostrukturphysik, Halle/Saale (D)24 – 25 Oct 2005

J. WagnerRecent Advances in High-Brightness 2 µmDiode Lasers and Short-Wavelength QuantumCascade LasersNATO Advanced Research Workshop »MidInfrared Coherent Sources (MICS) 2005«,Barcelona (E)06 – 11 Nov 2005

P. Waltereit, R. Kiefer, S. Müller. R. Quay, L. Kirste, W. Pletschen, M. Dammann, M. Mikulla, G. WeimannGaN HEMT Technology for Integrated andHybrid Power AmplifiersEuropean Microwave Week 2005, Paris (F)03 – 07 Oct 2005

M. Walther, J. Schmitz, R. Rehm, F. FuchsPassivation of InAs/InGaSb SuperlatticePhotodiodes by Epitaxial Overgrowth13th Euro-MBE Workshop, Grindelwald (CH)07 – 09 Mar 2005

M. Walther, R. Rehm, H. Schneider, J. Schmitz, J. Fleißner, W. Cabanski, J. ZieglerIII-V-Verbindungshalbleiter für hochauflösendebispektrale Infrarot-Photodetektoren3. Tagung »Optik und Optronik in derWehrtechnik«, Meppen (D)26 – 28 Sep 2005

J. Weber, M. T. Kelemen, M. Mikulla, G. Weimann5 W High-Efficiency High-Brightness TaperedDiode Lasers at 980 nmConf. on Lasers and Electro-Optics / Europe(CLEO-Europe), München (D)13 – 17 Jun 2005

G. WeimannMit Quanteneffekten zu neuenHalbleiterbauelementenBraunschweigische WissenschaftlicheGesellschaft, Braunschweig (D)27 Mai 2005

C. Wild, E. Wörner, W. Müller-Sebert, P. KoidlCVD-Diamant für multispektraloptischeAnwendungen35. IR-Kolloquium, Freiburg/Br. (D)12 – 13 Apr 2005

Q. Yang, C. Manz, W. Bronner, C. Mann, L. Kirste, K. Köhler, J. WagnerGaInAs/AlAsSb Quantum Cascade Lasers35. IR-Kolloquium, Freiburg/Br. (D)12 – 13 Apr, 2005

Q. Yang, C. Manz, W. Bronner, C. Mann, L. Kirste, K. Köhler, J. WagnerAbove Room-Temperature Operation ofGaInAs/AlAsSb Quantum Cascade Lasers8th Int. Conf. on Intersubband Transitions(ITQW 2005), North Falmouth, MD (USA)11 – 16 Sep, 2005

Q. Yang, C. Manz, W. Bronner, K. Köhler, J. WagnerAbove Room-Temperature GaInAs/Al(Ga)AsSbQuantum Cascade Lasers32nd Int. Symposium on CompoundSemiconductors (ISCS 2005), Rust (D)18 – 22 Sep, 2005

Conference ProceedingsVeröffentlichte Tagungsbände



F. Benkhelifa, R. Kiefer, S. Müller, F. van Raay, R. Quay, R. E. Sah, M. Dammann, M. Mikulla, G. WeimannPerformance and Fabrication of GaN/AlGaNPower MMIC at 10 GHzIn: CS MANTECH 2005 Int. Conf. onCompound Semiconductor MANufacturingTECHnologySt. Louis: GaAS MANTECH, 2005, 163

W. Bronner, Q. K. Yang, C. Manz, G. Kaufel,C. Mann, K. Köhler, J. WagnerHigh Duty-Cycle (≥ 50 %) Operation ofGaInAs/Al(Ga)AsSb Quantum Cascade LasersIn: LEOS 2005 – Annual MeetingPiscataway, NJ: IEEE, 2005

R. Driad, K. Schneider, R. E. Makon, M. Lang, U. Nowotny, R. Aidam, R. Quay,M. Schlechtweg, M. Mikulla, G. WeimannInP DHBT-Based IC Technology for High-SpeedData CommunicationsIn: GAAS 2005. European Gallium Arsenideand Other Compound SemiconductorsApplication SymposiumLondon: Horizon House, 2005, 137

W. Cabanski, M. Münzberg, W. Rode, J. Wendler, J. Ziegler, J. Fleißner, F. Fuchs, R. Rehm, J. Schmitz, H. Schneider, M. WaltherThird Generation Focal Plane Array IR DetectionModules and ApplicationsIn: B. F. Andresen (ed.): Infrared Technologyand Applications XXXIBellingham, WA: SPIE, 2005, 340(SPIE-Proceedings 5783)

F. Fuchs, R. Rehm, J. Schmitz, J. Fleißner, M. WaltherPhysics and Applications of InAs/(GaIn)Sb-BasedShort Period SuperlatticesIn: J. Kono (ed.): Narrow Gap SemiconductorsLondon: Taylor and Francis, 2005, 384(IOP Conf. Series 26)

S. Kallenbach, M. T. Kelemen, R. Aidam, R. Lösch, G. Kaufel, M. Mikulla, G. WeimannHigh-Power High-Brightness Ridge-WaveguideTapered Diode Lasers at 14xx nmIn: C. Mermelstein (ed.): Novel In-PlaneSemiconductor Lasers IVBellingham, WA: SPIE, 2005, 406(SPIE-Proceedings 5738)

O. Kappeler, R. Quay, F. van Raay, R. Kiefer,R. Reiner, H. Walcher, S. Müller, M. Mikulla,M. Schlechtweg, G. WeimannAn AlGaN/GaN Push-Pull HEMT Amplifier With400 MHz Bandwidth and 100 W Peak OutputPowerIn: Electron Devices 2005. Int. Electron DevicesMeetingPiscataway, NJ: IEEE, 2005

M. T. Kelemen, J. Weber, M. Rattunde, C. Pfahler, G. Kaufel, R. Moritz, C. Manz, M. Mikulla, J. WagnerHigh-Power Diode Laser Arrays at 2 µm forMaterials ProcessingIn: E. Beyer (ed.): Lasers in Manufacturing.Proceedings of the 3rd Int. WLT-Conf. on Lasersin ManufacturingStuttgart: AT-Fachverlag, 2005, 713

M. T. Kelemen, J. Weber, M. Mikulla, G. WeimannHigh-Power High-Brightness Tapered DiodeLasers and AmplifiersIn: Optical Components and Materials IIBellingham, WA: SPIE, 2005, 198(SPIE-Proceedings 5723)

D. Seliuta, V. Tamosiunas, E. Sirmulis, S. Asmontas, A. Suziedelis, J. Gradauskas, G. Valusis, P. Steenson, W.-H. Chow, P. Harrison, A. Lisauskas, H. G. Roskos, K. KöhlerTHz/Sub-THz Detection by Asymmetrically-Shaped Bow-Tie Diodes Containing 2DEG LayerIn: J. Menendes (ed.): Physics of Semicon-ductors 2004: 27th Int. Conf. on the Physics ofSemiconductorsNew York: American Inst. of Physics, 2005,1204(AIP Conf. Proceedings 772)

A. Leuther, R. Weber, M. Dammann, M. Schlechtweg, M. Mikulla, M. Walther, G. WeimannMetamorphic 50 nm InAs-Channel HEMTIn: I. Thayne (ed.): Proceedings of the 17th Int.Conf. on Indium Phosphide and RelatedMaterials (IPRM 2005)Piscataway, NJ: IEEE, 2005

R. E. Makon, R. Driad, K. Schneider, M. Ludwig, R. Aidam, R. Quay, M. Schlechtweg, G. Weimann80 Gbit/s Monolithically Integrated Clock andData Recovery Circuit With 1:2 DEMUX UsingInP-Based DHBTsIn: 2005 IEEE CSIC SymposiumPiscataway, NJ: IEEE, 2005, 268

A. Bessemoulin, P. Fellon, J. Gruenenpuett, H. Massler, W. Reinert, E. Kohn, A. TessmannHigh Gain 110-GHz Low Noise AmplifierMMICs Using 120-nm Metamorphic HEMTs andCoplanar WaveguidesIn: GAAS 2005: European Gallium Arsenideand Other Compound SemiconductorsApplication SymposiumLondon: Horizon House, 2005, 77

M. van Heijningen, F. E. van Vliet, R. Quay, F. van Raay, R. Kiefer, S. Müller, D. Krausse,M. Seelmann-Eggebert, M. Mikulla, M. SchlechtwegKa-Band AlGaN/GaN HEMT High-Power andDriver Amplifier MMICsIn: GAAS 2005: European Gallium Arsenideand Other Compound SemiconductorsApplication SymposiumLondon: Horizon House, 2005, 237

D. Wiegner, T. Merk, U. Seyfried, W. Templ, S. Merk, R. Quay, F. van Raay, H. Walcher, H. Massler, M. Seelmann-Eggebert, R. Reiner, R. Moritz, R. KieferMultistage Boadband Amplifiers Based on GaNHEMT Technology for 3G/4G Base StationApplications with Extremely High BandwidthIn: 35th European Microwave Conf. 2005London: Horizon House, 2005, 1587

F. van Raay, R. Quay, R. Kiefer, S. Müller, H. Walcher, M. Seelmann-Eggebert, O. Kappeler, M. Schlechtweg, G. WeimannHigh Power/High Bandwidth GaN MMICs andHybrid Amplifiers: Design and CharacterizationIn: GAAS 2005: European Gallium Arsenideand Other Compound SemiconductorsApplication SymposiumLondon: Horizon House, 2005, 373

F. van Raay, R. Quay, R. Kiefer, W. Fehrenbach, W. Bronner, M. Kuri, F. Benkhelifa, H. Massler, S. Müller, M. Mikulla, M. Schlechtweg, G. WeimannA Microstrip X-Band AlGaN/GaN PowerAmplifier MMIC on s. i. SiC SubstrateIn: GAAS 2005: European Gallium Arsenideand Other Compound SemiconductorsApplication SymposiumLondon: Horizon House, 2005, 233

M. Rattunde, E. Geerlings, J. Schmitz, G. Kaufel, J. Weber, M. Mikulla, J. WagnerGaSb-Based 1.9 – 2.4 µm Quantum-Well DiodeLasers with Low Beam DivergenceIn: C. Mermelstein (ed.): Novel In-PlaneSemiconductor Lasers IVBellingham, WA: SPIE, 2005, 138(SPIE-Proceedings 5738)


R. Rehm, M. Walther, J. Schmitz, J. Fleißner,F. Fuchs, W. Cabanski, J. ZieglerInAs/(GaIn)Sb Short-Period Superlattices forFocal Plane ArraysIn: B. F. Andresen (ed.): Infrared Technologyand Applications XXXIBellingham, WA: SPIE, 2005, 123(SPIE-Proceedings 5783)

R. Rehm, M. Walther, J. Schmitz, J. Fleißner,F. Fuchs, J. Ziegler, W. CabanskiInAs/GaSb Superlattice Focal Plane Arrays forHigh-Resolution Thermal ImagingIn: A. Rogalski (ed.): Infrared PhotoelectronicsBellingham, WA: SPIE, 2005, 40(SPIE-Proceedings 5957)

R. E. Sah, M. Mikulla, H. Baumann, F. Benkhelifa, R. Quay, G. WeimannHigh-Density ECR-Plasma Deposited SiliconNitride Films for Applications in III/V-BasedCompound Semiconductor DevicesIn: CS MANTECH 2005St. Louis: GaAS MANTECH, 2005, 137

R. E. Sah, M. Mikulla, H. Schneider, F. Benkhelifa, M. Dammann, R. Quay, J. Fleißner, M. Walther, G. WeimannPassivation of III-V-Based CompoundSemiconductor Devices Using High-DensityPlasma Deposited Silicon Nitride FilmsIn: 207th Meeting of the ElectrochemicalSocietyNew Jersey: The Electrochemical Society, 2005

J. Le Rouzo, I. Ribet-Mohamed, N. Guerineau,M. Tauvy, H. Schneider, T. MaierAngular Response of Grating-CoupledQuantum Well Infrared Photodetectors: AnExperimental StudyIn: B. F. Andresen (ed.): Infrared Technologyand Applications XXXIBellingham, WA: SPIE, 2005, 747(SPIE-Proceedings 5783)

H. Schneider, T. Maier. J. Fleißner, M. Walther, P. Koidl, G. Weimann,W. Cabanski, M. Finck, P. Menger, W. Rode, J. ZieglerInfrared Focal Plane Array Based on MWIR/LWIRDual-Band QWIPs: Detector Optimization andArray PropertiesIn: M. J. Cohen (ed.): SemiconductorPhotodetectors IIBellingham, WA: SPIE The Int. Society forOptical Engineering, 2005, 35(SPIE-Proceedings 5726)

K. Schneider, R. Driad, R. E. Makon, A. Tessmann, R. Aidam, R. Quay, M. Schlechtweg, G. WeimannInP/InGaAs-DHBT Distributed Amplifier MMICsExceeding 80 GHz BandwidthIn: 2005 IEEE MTT-SPiscataway, NJ: IEEE, 2005, 1591

C. Schwörer, Y. Campos-Roca, A. Leuther, A. Tessmann, M. Seelmann-Eggebert, H. Massler, M. Schlechtweg, G. WeimannA 150 to 220 GHz Balanced Doubler MMICUsing a 50 nm Metamorphic HEMT TechnologyIn: GAAS 2005: European Gallium Arsenideand Other Compound SemiconductorsApplication SymposiumLondon: Horizon House, 2005, 565

A. Tessmann, A. Leuther, C. Schwörer, H. MasslerMetamorphic 94 GHz Power Amplifier MMICsIn: 2005 IEEE MTT-SPiscataway, NJ: IEEE, 2005

J. Wagner, E. Geerlings, G. Kaufel, M. T. Kelemen, C. Manz, C. Pfahler, M. Rattunde, J. Schmitz(AlGaIn)(AsSb) Quantum Well Diode LasersWith Improved Beam QualityIn: Quantum Sensing and NanophotonicDevices IIBellingham, WA: SPIE, 2005, 152(SPIE-Proceedings 5732)


PatentsPatente

Q. Yang, H. Schneider, K. KöhlerUnipolarer QuantenkaskadenlaserEP 1 423 893 B1

E. Wörner, C. Wild, P. KoidlVerfahren zum Herstellen eines Elementes auspolykristallinem Diamant sowie danach herge-stelltes ElementDE 100 15 729 B4


Committee ActivitiesArbeit in Fachgremien

Martina Baeumler- Steering Committee of »Defect Recognition

and Image Processing«; Member

Peter Koidl- Scientific Board Forschungsinstitut

für Optronik und Mustererkennung, Ettlingen (D); Member

- Advisory Committee Conference Series »European Conference on Diamond, Diamond-like, and Related Materials«

Rüdiger Quay- IEDM International Electron Device Meeting

2005, Quantum Power and Compound Semiconductors Committee; Member

Michael Schlechtweg- Steering Committee »Gallium Arsenide

Application Symposium GAAS«; Member - Managing Committee of the IEEE

Electron Devices Society - German Chapter; Member of Steering Committee

- Fachausschuss 3 der Ges. Mikroelektronik,Mikro- und Feinwerktechnik im VDE/VDI;Member

Joachim Wagner- Program Committee »Mid-Infrared

Optoelectronic Materials and Devices« (MIOMD); Member

Martin Walther- Program Committee »International

Symposium on Compound Semi-conductors 2005«; Co-chair

Günter Weimann- National Steering Committee BMBF-Verbund

»Mobile Kommunikation«; Member- Scientific Advisory Board Institut für

Kristallzüchtung, Berlin (D); Chairman- International Advisory Committee

»International Symposium on Compound Semiconductors«; Member

- Technical Program Committee »European Solid-State Device Research Conference ESSDERC 2005«, Grenoble (F); Member

Conference OrganisationTagungsorganisation

Peter Koidl35. IR-Kolloquium12 – 13 Apr 2005, Freiburg/Br. (D)

Günter Weimann, Joachim Wagner32nd International Symposium on CompoundSemiconductors (ISCS 2005)18 – 22 Sep 2005, Rust (D)

Michael SchlechtwegGallium Arsenide Application Symposium(GAAS 2005)03 – 05 Oct 2005, Paris (F)

Committees, Conferences, and ExhibitionsGremien, Tagungen und Ausstellungen

Exhibitions and FairsAusstellungen und Messen

SPIE Photonics West 200522 – 27 Jan 2005, San Jose, CA (USA)

LASER 2005World of Photonics13 – 16 Jun 2005, München (D)

32nd International Symposium on CompoundSemiconductors (ISCS 2005)18 – 22 Sep 2005, Rust (D)

EuMW – European Microwave Week 200503 – 07 Oct 2005, Paris (F)


Doctoral ThesesPromotionen

Young scientists are working at the FraunhoferIAF towards their doctoral theses in electricalengineering and physics in cooperation withthe universities of Freiburg and Karlsruhe mainly.Four dissertations were completed in 2005:

Auch im Jahr 2005 arbeiteten junge Wissen-schaftlerinnen und Wissenschaftler amFraunhofer IAF an Promotionsarbeiten in denFachgebieten Elektrotechnik und Physik. DasIAF kooperiert hier schwerpunktmäßig mit denUniversitäten Freiburg und Karlsruhe.Vier Promotionen wurden 2005 abgeschlossen:

Senta KallenbachInP-basierte Diodenlaser hoher Brillanz bei 14xx nmUniverstität Karlsruhe (TH)

Thomas MaierBispektrale Detektion und optischeNichtlinearitäten in Quantentopf-Infrarot-PhotodetektorenUniversität Freiburg/Br.

Frank SommerKurzwellige Diodenlaser auf der Basis derGruppe III-NitrideUniversität Freiburg/Br.

Marc Eichhorn*Untersuchung diodengepumpterFaserverstärker mit Emission bei 2 µmUniversität Freiburg/Br.* in Kooperation mit ISL, Saint Lous (F)

Diploma and Master ThesesDiplom- und Master-Arbeiten

Also in 2005 students have been working atFraunhofer IAF on their diploma and mastertheses in cooperation with different universitiesand »Fachhochschulen«.One master thesis was completed:

In Zusammenarbeit mit verschiedenenUniversitäten und Fachhochschulen arbeitetenauch im Jahr 2005 Studenten am FraunhoferIAF an der Erstellung ihrer Diplom- bzw.Master-Arbeiten.Eine Master-Arbeit wurde 2005 abgeschlossen:

Daniel KrausseInvestigation into Efficiency Enhancements inWide Bandgap Semiconductor CircuitsHochschule Offenburg

Academic LecturesVorlesungen

Rüdiger QuayHochfrequenz-Bauelemente und -Schaltungenfür moderne KommunikationsanwendungenTU Wien, SS 05

Harald SchneiderHalbleiterbauelemente und -technologieUniversität Freiburg/Br., SS 05

Joachim WagnerTheorie der HalbleiterUniversität Freiburg/Br., WS 04/05, WS 05/06

Günter WeimannIII-V-Halbleiterbauelemente(Heterostrukturbauelemente)Universität Karlsruhe (TH), SS 05

Education and TeachingAusbildung und Lehre

Scientific AwardsWissenschaftliche Preise

Rachid DriadGAAS®2005 Best Paper Award»InP DHBT-Based IC Technology for High-SpeedData Communications«GAAS Gallium Arsenide ApplicationSymposium, Paris (F)

Visiting ScientistsGäste

Kazuhiro NagaseAsahi KASEI Corp., Fuji, Shizuoka (J)starting 01 Oct 2005

AwardsAuszeichnungen


National CooperationsKooperationen Inland

German Industry- Aixtron, Aachen- AIM, Heilbronn- Alcatel, Stuttgart- Bosch, Stuttgart- EADS, Ulm- DaimlerChrysler, Ulm/Frankfurt- DaimlerChrysler Aerospace, Ulm- Diamond Materials GmbH, Freiburg/Br.- Diehl BGT Defence, Überlingen- EpiNova, Freiburg/Br.- Freiberger Compound Materials,

Freiberg/Sachsen- GFD, Ulm- Infineon Technologies, München- Jenoptik, Laser, Optik, Systeme GmbH, Jena- Laser Components, Olching- Leybold Systems, Hanau- Lucent Technologies Network Systems,

Nürnberg- m2k-Laser, Freiburg/Br.- nanoplus GmbH, Gerbrunn- Osram Opto Semiconductors,

Regensburg- Rhodia Acetow, Freiburg/Br.- Rofin-Sinar, Hamburg- RPG Radiometer Physics, Meckenheim- Sacher Lasertechnik, Marburg- SEL Verteidigungssysteme,

Pforzheim/Weilimdorf- Semic RF Electronic GmbH, Taufkirchen- Sick, Waldkirch- SiCrystal, Eschenfelden- SHF-Design, Berlin- Siemens, München/Erlangen/

Regensburg- Smiths-Heimann, Wiesbaden- Sony International (Europe) GmbH, Stuttgart- Spectra Physics, Darmstadt- STOE, Darmstadt- Telekom, Darmstadt- Tesat-Spacecom, Backnang- Thiel & Partner, Pulheim- Trumpf-Laser, Schramberg- United Monolithic Semiconductors, Ulm- Winter CVD-Technik, Hamburg- Zeiss Optronik, Oberkochen

Research Institutions- DESY, Zeuthen- FhG-HHI, Berlin- FhG-IIS, Erlangen- FhG-IISB, Erlangen- FhG-ILT, Aachen- FhG-IPM, Freiburg/Br.- FhG-IPMS, Dresden- FhG-IST, Braunschweig- FhG-IWM, Freiburg/Br.- FhG-IZFP, Saarbrücken- Forschungszentrum Jülich- Forschungszentrum Karlsruhe- Ferdinand-Braun-Institut, Berlin- FGAN/FHR, Wachtberg-Werthhoven- FGAN/FOM, Ettlingen- Institut für Kristallzüchtung, Berlin- Max-Born-Institut, Berlin- MPI für Festkörperforschung, Stuttgart- MPI für Mikrostrukturphysik, Halle- Paul-Drude-Institut, Berlin- Physikalisch-Technische Bundesanstalt,

Braunschweig

Universities- Bergakademie Freiberg/Sachsen- Duisburg- Erlangen- FH München- Frankfurt/M.- Freiburg/Br.- FU Berlin- Hamburg- Ilmenau- Karlsruhe- Kassel- Paderborn- Potsdam- RWTH Aachen- Stuttgart- TU Berlin- TU Braunschweig- TU Darmstadt- TU Dresden- TU Hamburg-Harburg- TU München- Ulm- Würzburg

International CooperationsKooperationen Ausland

Industry- Alpes Laser, Neuchâtel (CH)- A.L.S.I., Beuningen (NL)- Asahi KASEI, Fuji, Shizuoka (J)- BAE-Systems, Pomona, CA (USA)- CPI, Palo Alto, CA (USA)- e2v Technologies, Lincoln (UK)- Farran Technologies, Cork (IRL)- Hitachi, Cambridge (GB)- Hitachi Cable, Hitachi City (J)- IQE, Cardiff (UK)- Lucent Technologies, Bell Laboratories,

Murray Hill/Holmdel, NJ (USA)- Lumilog, Vallauris (F)- Nippon Telegraph and Telephone Corp.

NTT, Kanagawa (J)- Nortel, Ottawa (CDN)- Advanced BioPhotonics, Stony Brook, NY (USA)- Philips Analytical, Eindhoven (NL)- Picogiga, Paris (F)- Thales III-V Labs, Paris (F)- Bookham Technology, Zürich (CH)- United Monolithic Semiconductors, Orsay (F)- XENICS, Leuven (B)

Research Institutions- Defence Evaluation and Research Agency

(DERA), Malvern (GB)- ESRF, Grenoble (F)- IMEC, Leuven (B)- Institut d'Electronique et de Micro-

electronique du Nord (IEMN), Lille (F)- IRAM, Grenoble (F)- Jefferson Lab, Newport News, VA (USA)- LAAS, Toulouse (F)- Lawrence Livermore National Lab (US)- NTB, Buchs (CH)- Paul-Scherrer-Institut, Villigen (CH)- Risø National Laboratory, Roskilde (DK)- TNO, Den Haag/Delft (NL)- US Naval Research Lab., Wash. DC (USA)- Waseda University, Tokyo (J)- Wright Laboratory, WL/MCPO, Wright

Patterson AFB (USA)

Universities- Chalmers University of Technology (S)- Cornell University, Ithaca, NY (USA)- ETH, Zürich (CH)- Middlesex University London (GB)- Northwestern University, Evanston, IL (USA)- University of Bari (I)- University of Michigan, Ann Arbor, IL (USA)- University of Neuchatel (CH)- University of Sheffield (UK)- University of Surrey, Guildford (GB)- Université de Montpellier (F)- University of Paris 7 (F)- Université Pierre et Marie Curie, Paris (F)- Universidad de Extremadura, Caceres (E)- Universidad de Vigo (E)- Universita di Roma (I)- Universität Wien (A)

Our PartnersUnsere Partner


So finden Sie uns

Autovon Süden:Autobahn A5 Basel – Karlsruhe, Aus-fahrt 62 »Freiburg Mitte«, RichtungFreiburg. Dritte Ausfahrt »Offenburg /Industriegebiet Freiburg-Nord / Land-wasser« (Paduaallee / Granadaallee /Lembergallee). An der viertenKreuzung rechts in die Tullastraße.

von Norden:Autobahn A5 Karlsruhe – Basel, Aus-fahrt 61 »Freiburg Nord«, RichtungFreiburg bis Abfahrt »Industriegebiet-Nord«. An der ersten Ampel gerade-aus Richtung Lörrach (Mooswaldallee /Lembergallee), an der fünften Ampellinks in die Tullastraße.

ZugIC- und EC-Züge im Stundentakt nachFreiburg-Hauptbahnhof. Von dort ca.12 Minuten mit dem Taxi zum IAF.

FlugzeugFlughafen Basel-Mulhouse, eineStunde mit Bus oder Auto nachFreiburg.Flughafen Frankfurt/M., 2,5 Stundenmit Zug oder Auto nach Freiburg.

How to find us

By carfrom the south:Autobahn A5 Basel – Karlsruhe, exit 62 »Freiburg Mitte«, towardsFreiburg, 3rd exit »Offenburg /Industriegebiet Freiburg-Nord /Landwasser« (Paduaallee /Granadaallee / Lembergallee). Turnright at the 4th exit into Tullastrasse.

from the north:Autobahn A5 Karlsruhe – Basel, exit61 »Freiburg Nord« towards Freiburguntil exit »Industriegebiet-Nord«. At1st traffic light drive straight aheaddirection Lörrach (Mooswaldallee /Lembergallee). At 5th traffic light turnleft into Tullastrasse.

By trainHourly IC- and EC-trains to Freiburgcentral station. From there 12 minutesby taxi.

By planeAirport Basel-Mulhouse, one hour bybus or car to Freiburg.Airport Frankfurt/M., 2.5 hours bytrain or car to Freiburg.

AccessAnfahrt


AccessAnfahrt

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Von KarlsruheVon Basel

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Messe

Flugplatz

Uniklinikum

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Ausfahrt

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Fraunhofer-Institut fürAngewandte FestkörperphysikTullastrasse 7279108 FreiburgGermanyTel: +49 (0) 7 61 / 51 59-0Fax: +49 (0) 7 61 / 51 59-4 [email protected]

Editorial Board:Redaktion:Helga KönigStefan Müller

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Annual Report 2005Jahresbericht 2005

Cover: High-power amplifier in GaN HEMT tech-nology, developed in cooperation with Alcatel.Titelseite: Leistungsverstärker mit GaN-HEMTs,entwickelt in Zusammenarbeit mit Alcatel.

GaN, a wide bandgap III-V compound for high operating voltages and high power.GaN, ein III-V-Verbindungshalbleiter mit großer Bandlückefür hohe Spannungen und Leistungen.

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Annual ReportJahresbericht

Fraunhofer-Institut fürAngewandte Festkörperphysik IAFTullastrasse 7279108 FreiburgGermanyTel: +49 (0) 7 61 / 51 59-0Fax: +49 (0) 7 61 / 51 59-4 [email protected]

DirectorProf. Dr. rer. nat. Günter Weimann

InformationDr. rer. nat. Harald D. MüllerTel: +49 (0) 7 61 / 51 59-4 58Fax: +49 (0) 7 61 / 51 59-1 [email protected]

2005

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2005 Annual Report - Fraunhofer IAF · 2005 Annual Report Jahresbericht Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF Tullastrasse 72 79108 Freiburg ... von überzeugenden