IB FRaunhofer IAF · Twin 2 µm diode laser power modul for medical applications. Lasermodul...

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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]

2003

40 µm

12 µm 19,3 µm 8,7 µm

Cover: Single pixel of dual color QWIP focal plane array.Titelseite: Einzelelement einer 2-Farben-Bildfeldmatrize.

Twin 2 µm diode laser power modul for medical applications. Lasermodul mittlerer Leistung für die Medizintechnik mit zweifasergekoppelten 2 µm-Diodenlasern.

topical on one hand, with close indu-strial cooperation and, on the otherhand, aimed at long-term develop-ments. We think that the current in-creased demand on safety and securi-ty will give further inputs to our work.Terahertz technology might be one ofthe important themes in this field.

The present situation of commercialIII-V microelectronics is less comfor-ting. The domestic withdrawal of in-dustry from technology and devicemanufacture requires a new strategy,with emphasis on modules and sub-systems. We will address not only themajor semiconductor manufacturers,but also offer complete solutions tosmaller companies, e. g. in sensor tech-nology. New devices, such as quantumcascade and blue emitting lasers,should open new opportunities.

Reduced efforts in basic material re-search have led to changes in our or-ganization. Our division »Analyticsand Reliability« was closed down, withreduced work on semiconductor sub-strates. Device reliability and lifetimeswill be investigated in our technologydivision in future. Know-how of theformer division is, however, still alivein a new spin-off. Semimap GmbHwent into business in 2003.

Admittedly, 2003 was difficult and2004 will not be easy, either. However,this year's results show that we arealways good for convincing achieve-ments, so, for example low-noiseamplifiers at highest 220 GHz on page16. This report is the first publicationof an extraordinary result, obtained inthe Terahertz project. It is thus heremost appropriate to thank our defen-se authorities, BMVg and BWB, fortheir reliable financing. Thanks arealso due to BMBF and its projectmanagement and our industrial clients.Funding and sponsoring, however, donot suffice. Transforming money intogood research is essential – for this Ithank the entire staff of the IAF.

In last year's Annual Report we expec-ted that the semiconductor and tele-communication markets will see onlya slow recovery, regretfully this cametrue. 2003 was again a meager yearfor the research fields of the IAF, withonly weak signs of improving chances.Technology is presently finding littlesupport, existing technologies are con-sidered to suffice or to be availablesomewhere. The major industrial play-ers in Germany have reduced the de-velopment of III-V components drasti-cally or abandoned it totally. We areconcerned about lacking industrialpartnership, which might serve tochange funding policies. On the otherhand we foresee a lack of key compo-nents for future commercial and mili-tary applications. Examples are the100 Gb/s Ethernet or devices for pri-marily military applications, e. g. lowenergy antimonide based electronics.Restrictions for the export of microel-ectronics for military applications fromthe United States may necessitate areliable domestic supply of strategicdevices. We anticipate increasedEuropean R&D efforts in this field. The research institutes funded by theFederal Ministry of Defense will contri-bute to these efforts.

Our Institute, in cooperation with thedefense related industry, broughtabout significant novel developmentsin the past year. We are thankful forthese excellent cooperations. A strate-gic alliance was signed with EADS,with the aim of developing GaN-based power amplifiers for radar sys-tems and supplying these in sufficientquantities. In the field of infrared de-tectors we have developed, in coope-ration with AIM, bispectral focal planearrays based either on two-band QWIPsin the middle and far infrared or two-color QWIPs in the midwave infraredband. A major new R&D project willcover Terahertz technology to look in-to the potential of this spectral rangebetween microwaves and optics. Ourdefense related research fields are thus

Preface

Die vor einem Jahr an dieser Stelle ge-äußerte Sorge, dass der Halbleiter-markt und die Telekommunikations-industrie sich nur sehr langsam erho-len würden, ist leider wahr geworden.Auch 2003 war auf den für das Fraunhofer IAF relevanten FuE-Gebie-ten wenig erfreulich, die sich abzeich-nenden Trends sind zwar positiv, aberschwach. Wenig erfreulich ist auch dieweit verbreitete »Technologiemüdig-keit«. Technologie hat man, oder mankauft sie ein – die einschlägige Indus-trie in Deutschland hat sich weitge-hend aus der Komponentenentwick-lung auf Basis der III-V-Halbleiterzurückgezogen oder sie ganz aufge-geben. Fehlende Industriekoopera-tionen werden sicherlich auch dieFörderlandschaft verändern. Allerdingsist jetzt bereits abzusehen, dass schonbald Schlüsselkomponenten für zu-künftige zivile und wehrtechnischeEntwicklungen fehlen werden. Bei-spiele hierfür sind das 100 Gb/s-Ethernet sowie Komponenten aus-schließlich für militärische Anwen-dungen, z. B. die besonders leistungs-effiziente Antimonid-Elektronik. Dierestriktive Exportpolitik der USA fürmilitärisch verwendbare Mikroelektro-nik, z. B. auf der Basis der Nitride,erfordert in zunehmendem Maß einegesicherte Verfügbarkeit und einezuverlässige und abrufbare Technolo-gie für strategisch wichtige Bauele-mente und Schaltungen. Hier rechnenwir in Zukunft mit verstärkter euro-päischer FuE für verteidigungs- undsicherheitsrelevante Anwendungen.Die Mitarbeit der BMVg-finanziertenFraunhofer-Institute bietet sich hiergeradezu an.

Auch im vergangenen Jahr hat das IAFin Kooperation mit der einschlägigenIndustrie wesentliche Neuentwick-lungen geliefert, wir bedanken unshier für die ausgezeichnete Zusam-menarbeit. Mit der EADS wurde einKooperationsvertrag abgeschlossenmit dem Ziel, GaN-basierende Leis-tungsverstärker für Radarsysteme zu

entwickeln und in Kleinserien auszu-liefern. Auf dem Sektor der Infrarot-detektoren wurden bispektrale QWIPsmit Detektion in zwei Bändern, d. h.im mittleren und langwelligen Infra-rotbereich entwickelt. Ebenfalls bi-spektral sind neu entwickelte Zwei-farben-Detektoren auf Antimonid-Basis mit zwei Wellenlängen im mittle-ren Infrarot. Ein neues, umfangreichesFuT-Projekt beschäftigt sich mit denTerahertz-Wellen – zwischen Mikro-wellen und optischem Bereich.

Unsere verteidigungsbezogenen FuT-Arbeiten sind aktuell und gleichzeitigauf die Zukunft ausgerichtet, sie wer-den gemeinsam mit der wehrtechni-schen Industrie auf Technologietrans-fer und Anwendung ausgelegt. Wirrechnen mit steigendem Interesse anunseren Entwicklungen in Zeitenerhöhter Sensibilität für innere undäußere Sicherheit. Die Terahertz-Spek-troskopie könnte hier eine wichtigeRolle spielen.

Die derzeitige Situation auf dem Ge-biet der (zivilen) Mikroelektronik, vorallem auf dem Sektor der III-V-Halb-leiter, ist hingegen weniger rosig. Demnationalen Rückzug der Industrie ausTechnologie und Bauelementherstel-lung müssen wir mit einer verändertenStrategie begegnen: Erhöhung derFertigungstiefe, weg vom Bauelementund hin zu Modulen und Subsyste-men. Wir sprechen damit nicht wiebisher ausschließlich die Großindustriean, sondern auch kleine und mittlereUnternehmen mit einsatzfähigenLösungen, z. B. in der Sensorik. Mitneuen Bauelementen wie Quanten-kaskaden- und blau emittierendenLasern wollen wir neue Partner finden.

Diese teilweise Abkehr von denGrundlagen hat auch schon organisa-torische Veränderungen des Institutsmit sich gebracht. Die Abteilung fürAnalytik und Zuverlässigkeit wurdeaufgelöst, da grundlegende Analyse-verfahren, z. B. an Halbleitersubstra-

ten, für uns an Bedeutung verlorenhaben, die Untersuchung von Bauele-mentzuverlässigkeit und -lebensdauerliegt jetzt bei unserer Technologie,also dort, wo Qualität und Zuver-lässigkeit produziert werden. Ein Teildes erarbeiteten Know-how dieserAbteilung bleibt aber in einer neuen,dritten Ausgründung des IAF erhalten.Die Semimap GmbH hat 2003 ihrenBetrieb aufgenommen. Wir hoffen,dass die alten Spin-offs erfolgreichbleiben und die neue erfolgreich wird.

Zugegeben, 2003 war schwierig, und2004 wird auch nicht leicht werden.Dennoch, die vorliegenden Ergebnissezeigen, dass wir immer für überzeu-gende Leistungen gut sind – so z. B.mit den ersten Ergebnissen an rausch-armen Verstärkern bei hohen 220 GHzauf Seite 16. Der Jahresbericht wirddamit diesmal zur Erstveröffentlichungeines herausragenden Ergebnisses,übrigens erzielt im Rahmen des neuenFuT-Projekts zur Terahertz-Technik. Ichmöchte mich gerade hier für die zu-verlässige Finanzierung durch BMVgund BWB bedanken. Dank gebührtauch dem BMBF und seinen Projekt-trägern und unseren Industriepartnernfür die gute Zusammenarbeit in 2003.

Finanzierung und Förderung sind abernicht alles, man muss auch guteForschung damit machen – und dafürdanke ich allen Mitarbeiterinnen undMitarbeitern des Fraunhofer IAF.

Günter Weimann

Vorwort

The Fraunhofer IAF – Profile and Research Areas 3

Advisory Board 6

News, Events, People 8

MMICs 20

- Circuits and Applications Above 94 GHz 22

- GaN MMICs 26

- HEMTs with Cutoff Frequencies > 300 GHz 30

MIXICs 32

- InP Double Heterojunction Bipolar Transistors (DHBTs)

for 80 Gbit/s Applications 34

Infrared Sensors 38

- Dual-Band QWIP Focal Plane Arrays

for 3 – 5 µm and 8 – 12 µm 40

Semiconductor Lasers and LEDs 42

- Violet Diode Lasers for Optical Data Storage 44

- Infrared Semiconductor Lasers for Sensing and Medical Applications 48

- Multiwafer MBE for Phosphide Based HBTs and Lasers 52

- Towards Broad Gain Mid-IR Lasers 56

CVD Diamond 58

Publications, Conferences, and Seminars 60

Committees and Conference Organisation 67

Patents 67

Awards 68

Education and Teaching 68

Our Partners 69

Access 70

Contents Annual Report 2003

-j1.0

-j0.25

1.00

90

180

measured modeledS21

S12

S11

S22

6 ps

430.2 nm

497.3 nm

613.5 nm

-200 0 2000

20

40

CVD-Diamant

°C

Copper

–Fraunhofer IAF 2003–1

Das Fraunhofer IAF – Institutsprofil und Forschungsfelder 3

Kuratorium 6

Menschen und Momente9

MMICs – Monolithisch integrierte Mikrowellen-Schaltungen 20

- Schaltungen und Anwendungen oberhalb von 94 GHz 23

- GaN-MMICs 27

- HEMTs mit Grenzfrequenzen > 300 GHz 31

MIXICs – Mischsignal-Schaltungen 32

- InP-Doppelheterostruktur-Bipolar-Transistoren (DHBTs)

für 80 Gbit/s-Anwendungen 35

Infrarot-Sensoren 38

- Zwei-Band-QWIP-Bildfeldmatrizen

für 3 – 5 µm und 8 – 12 µm 41

Halbleiter-Laser und LEDs 42

- Violett emittierende Diodenlaser für die optische Datenspeicherung 45

- Infrarot-Halbleiterlaser für sensorische und medizinische Anwendungen 49

- Multiwafer-MBE-Anlage für Phosphor-basierende HBTs und Laser 53

- Breitbandige Laser im mittleren IR 57

Diamantscheiben 58

Veröffentlichungen und Vorträge 60

Gremien und Tagungen 67

Patente 67

Auszeichnungen 68

Ausbildung und Lehre 68

Unsere Partner 69

Anfahrt 70

Inhaltsverzeichnis 2003

2–Fraunhofer IAF 2003

Simulated temperature distribution of a GaN field effect transistor (gatelength 0.1 µm, gatewidth 8x125 µm).a) Sapphire substrate with low thermal conductivity. Temperature rise is 58 K for outer gate fingers and 70 K forcentral fingers.b) Silicon carbide substrate with high thermal conductivity. Temperature rise 16 K and 17 K for outer and cen-tral gate finger, respectively.Simulation der Temperaturverteilung eines GaN-Feldeffekt-Transistors (Gatelänge 0,1 µm, Gateweite 8x125 µm).Der Wärmeeintrag ist ein Watt, die Wärmeabfuhr an eine als ideal angenommene Wärmesenke erfolgt durchdas 330 µm dicke Substrat.a) Saphir-Substrat mit geringer Wärmeleitfähigkeit: Die Temperaturerhöhung beträgt 58 K und 70 K für Rand-und Zentral-Gate-Finger.b) Siliciumcarbid-Substrat mit guter Wärmeleitfähigkeit: Die Temperaturerhöhungen betragen für Rand- undZentralfinger 16 K bzw. 17 K.


Fraunhofer-Institut fürAngewandte Festkörperphysik IAF

Profile of the Institute

The Fraunhofer IAF has long-standingtradition and competence in III-V com-pound semiconductors for microelec-tronics and optoelectronics. It is oneof the 58 research institutes of theFraunhofer-Gesellschaft focused onapplied research in government andindustrial contracts.

In 2003 the Fraunhofer IAF had a totalstaff of 194, with 105 scientists andengineers. 145 employees hold per-manent positions and 49 have tem-porary contracts. 12 students fromdifferent universities are working ontheir diploma or doctoral research.

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

The annual budget (operating costs) in 2003 was € 16.2 million (2002: € 16.8 million), the annual invest-ments were € 5.3 million, comparedto € 6.1 million in 2002.

The major part of the operating costswas provided by the Federal Ministryof Defense with 57 % in basic andproject funding. 30 % of the opera-ting costs were supplied by theFederal Ministry of Education andResearch, while only 13 % resultedfrom industrial contracts, leading inpart to the above reductions.Investments in new equipment areshared between the two fundingministries.

Institutsprofil

Das Fraunhofer IAF hat eine lang-jährige Tradition und ausgewieseneKompetenz auf dem Gebiet der III-V-Verbindungshalbleiter für Anwen-dungen in der Mikro- und Optoelek-tronik. Es ist eines der 58 Institute derFraunhofer-Gesellschaft für ange-wandte Forschung.

In 2003 hatte das Fraunhofer IAF 194 Beschäftigte, darunter waren 105 Wissenschaftler und Ingenieure.145 unserer Mitarbeiterinnen undMitarbeiter haben Dauerstellen und49 Zeitverträge. 12 Diplomanden undDoktoranden von verschiedenenUniversitäten forschen am IAF.

Die Gesamtfläche von 8 000 m2 fürBüros und Laboratorien schließt einenReinraum von 800 m2 für Prozesstech-nologie und Epitaxie ein.

Die laufenden Kosten lagen 2003 bei16,2 Mio € gegenüber 16,8 Mio €

im Vorjahr. Die Investitionen warenmit 5,3 Mio € geringer als in 2002 (6,1 Mio €).

Der Großteil der laufenden Kostenwurde mit 57 % vom Bundesminis-terium der Verteidigung mit derGrundfinanzierung und Projektfinan-zierung getragen, 30 % trug dasBundesministerium für Bildung undForschung bei und 13 % resultiertenaus Industrieaufträgen. Dieser Rück-gang spiegelt sich in den obigenZahlen. Die Investitionen wurden vonbeiden Ministerien bereitgestellt.

The InstituteDas Institut


Research Areas and Mission

The IAF is a leading research institu-tion in the field of IIII-V semiconduc-tors, working on materials, devices,and integrated circuits. Our R&D in-cludes design, manufacture, and smallscale production of MMICs, mixed-signal circuits, and optoelectronicdevices. These devices and circuits arebased on GaAs, InP, group-III antimo-nides and nitrides.

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 or, alternatively, antimonides. Weare developing GaN-based LEDs andlaser diodes for the UV-visible (blue-green) spectral range and high-powerdiode lasers emitting around 1 µm fore. g. medical applications and materialprocessing. A further core competen-ce of the Institute is the chemicalvapor deposition of thick diamond lay-ers with diameters up 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 infrareddetectors and detector arrays withpresently up to 640x512 pixels. QWIPs(quantum well IR photodetectors) andantimonide based heterostructures arethe basic building blocks.

Forschungsfelder und Aufgaben

Das IAF ist ein führendes Forschungs-institut auf dem Gebiet der III-V-Halb-leiter, ausgerichtet auf Material-, Bau-element- und Schaltungsentwicklung.Unsere FuE-Arbeiten decken alle Pro-zesse vom Entwurf bis zur Kleinserien-fertigung ab für MMICs, Mischsignal-Schaltungen und optoelektronischeBauelemente auf der Basis von GaAs,InP und der Gruppe-III-Antimonideund -Nitride.

Unsere Hochfrequenzschaltungenbasieren auf modulationsdotiertenFeldeffekt-Transistoren und Hetero-bipolar-Transistoren. An optoelektroni-schen Bauelementen entwickelt dasIAF Infrarotdetektoren für Wellen-längen von 3 – 5 µm und 8 – 12 µm,mit Intersubband-Übergängen inAlGaAs-Quantenfilmen oder mitAntimoniden, kurzwellige (UV-blau-grün emittierende) GaN-basierendeLEDs und Laserdioden und Hoch-leistungsdiodenlaser mit Wellenlängenum 1 µm, z. B. für medizinische An-wendungen und Materialbearbeitung.Eine weitere Kernkompetenz desInstituts ist die Abscheidung vondicken, großflächigen Diamant-schichten aus der Gasphase.

Die verteidigungsbezogene Forschungbeinhaltet einerseits MMICs für X-und K-Band, mit Betonung der GaN-Leistungselektronik für Radarsystemeund andererseits die Entwicklung vonIR-Detektoren und Detektorfeldern mitderzeit 640x512 Bildpunkten. QWIPsund Antimonid-basierende Übergittersind die Grundbausteine.

The InstituteDas Institut

Commercial applications require ana-log MMICs, with frequencies of 20 – 40 GHz for broadband communi-cation systems, 77 GHz for automoti-ve radar systems and 94 GHz for milli-meterwave sensors. Mixed signal anddigital circuits for high bitrate tele-communication systems with 80 Gbit/sand higher are one of our long-termresearch fields. These basic researchfields, especially funded by the FederalMinistry of Education and Research(BMBF), include projects on metamor-phic HEMTs and InP-based HBTs, forextended frequency ranges and bitra-tes of our devices and circuits, and onGaN-based electronics for powerapplications.

The Fraunhofer IAF is thus able tomeet the demands of our industrialpartners, defense oriented or commer-cial, with novel materials, devices andcircuits.

Zivile Anwendungen erfordern analo-ge MMICs mit Arbeitsfrequenzen von20 – 40 GHz für breitbandige Kom-munikationssysteme, 77 GHz fürAutomobilradare und 94 GHz für dieMillimeterwellen-Sensorik. Misch-signal- und Digitalschaltungen für diehochbitratige Nachrichtentechnik mit80 Gbit/s und höher sind ein langfri-stiges Forschungsgebiet. Diese grund-legenden Arbeiten, vom Bundesminis-terium für Bildung und Forschung(BMBF) gefördert, beinhalten Projekteauf der Basis von metamorphenHEMTs und InP-HBTs für höhereFrequenzen und Bitraten sowie dieGaN-Leistungselektronik.

Das Fraunhofer IAF ist damit in derLage, auch die zukünftigen Forde-rungen seiner Industriepartner zuerfüllen, ob verteidigungsbezogenoder zivil, mit neuen Materialien,Bauelementen und Schaltungen.


ContactsKontakte

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

Deputy Director Prof. Peter Koidl Tel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-3 50stellv. Institutsleiter [email protected]

Divisions Devices and High Frequency 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] Dr. Martin Walther Tel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-4 34Epitaxie [email protected]

Infrared Technology Prof. Peter Koidl Tel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-3 50Infrarot-Technologie [email protected] Materials Prof. Joachim Wagner Tel.: +49 (0) 7 61 / 51 59-3 52Optoelektronische Materialien [email protected]

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

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


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:

Dr. Hans BruggerEADS Deutschland GmbH, Ulm

Prof. Hermann GrabertUniversität Freiburg/Br.

Dipl.-Ing. Johann HeitzmannDornier GmbH, Friedrichshafen

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

Prof. Manfred PilkuhnUniversität Stuttgart

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

Die Mitglieder unseres Kuratoriumsaus Industrie, Wissenschaft undMinisterien sind:

Dr. Karl PlatzöderChairman / VorsitzenderInfineon Technologies AG,München

Prof. Werner WiesbeckUniversität Karlsruhe

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

Dr. Erich ZielinskiAlcatel SEL AG, Stuttgart

From left / von links: Prof. W. Wiesbeck, H. Wolff, Prof. D. Tsichritzis (Member Board ofDirectors / Vorstand Fraunhofer-Gesellschaft),Prof. G. Weimann, Dr. K. Platzöder, Dr. H. Brugger, Prof. P. Koidl, K. Kreuzer.


Lifetime testing of high-power AlGaN/GaN HEMTs at 10 GHz.Inset: HEMT in fixture.Zeitgeraffte Lebensdauerbestimmung von AlGaN/GaN-Leistungstransistoren bei 10 GHz. Kleines Bild: AlGaN/GaN-HEMT.


IAF's Technical Service Group

The results and achievements of thisyear's Annual Report are – as in pastyears – crucially dependent on a reli-able infrastructure for maintenanceand service of our complex scientificand technical equipment.

Required uptime of equipment andguaranteed availability of all necessarysupplies, e. g. water, compressed air,processing gases, heating, electricityare major challenges for our technicalservice group »Haus- und Betriebs-technik«, part of the Technical Servicesheaded by Christa Wolf. The experi-enced and competent group consistsof four engineers – with a 3:1 femalemajority – and six technicians. Theytake care of the Fraunhofer IAF with25 000 m2 real estate, 8 000 m2

laboratories and offices, and a cleanroom of around 800 m2.

Prevention or alleviation of interrup-tions in semiconductor processing isgiven by a 24 h/day and 7 days/weekstand-by service of this dedicatedgroup.

Complex technical installations andfacilities are maintained and kept operable by this service group, inclu-ding the supply of deionized water,

the delivery of ultra pure gases, elec-tricity, including emergency powersupply, and the airhandling units ofthe clean room. The group also con-tributes to issues of environment,safety, and health, so e. g. in chemi-cals and materials management andworkplace protection.

The delivery of ultra pure standardgases like hydrogen, nitrogen andhelium as well as around thirty otherspecialties requires a large scale distri-bution system guaranteeing purityand safety. The deionized water plantof the Institute yields 8 000 liters of d. i. water per hour with a resistivityof 18 MΩcm, a total organic carboncontent of 5 ppb and a maximum of10 particles/liter.

To ensure the appropriate environ-ment in our clean room, i. e. constanttemperature of 22 °C and constant 45 % relative humidity we have tocondition 100 000 m3 fresh air perhour, with five refrigeration and oneice storage plants. Heating of theInstitute is by remote heating, friendlyto the environment. Finally, the electri-cal power consumption of theFraunhofer IAF totals to a peak of1.8 MW, with an annual energy con-sumption of around 10 GWh.

Our service group is further involvedin maintenance and remodeling of thebuilding, in the installation and takinginto operation of equipment withinand outside the clean room. All this is done with competence and experi-ence, while not forgetting such trivialthings like dripping water taps orburnt out electric bulbs.

We would like to thank our servicegroup for their professionality anddedication in keeping the IAF running.

News, Events, People

The technical service group. – Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Technischen Dienste.

Die Technischen Dienste am IAF

Auch in diesem Jahr hätten wir dieErgebnisse in diesem Bericht nichterreicht ohne die zuverlässige Infra-struktur für Instandhaltung undWartung unserer wissenschaftlichenund technischen Ausrüstung.

Geringe Ausfallzeiten der Geräte undgarantierte Verfügbarkeit der notwen-digen Medien wie Pressluft, Prozess-gase, Elektrizität und Klimatisierungsind wesentliche Herausforderungenfür unsere »Haus- und Betriebs-technik«, ein Teil unserer AbteilungTechnische Dienste unter der Leitungvon Christa Wolf. Die erfahrene undkompetente Gruppe besteht aus dreiIngenieurinnen und einem Ingenieursowie sechs Technikern. Sie versorgendas Fraunhofer IAF mit seinem25 000 m2 großen Grundstück, seinen8 000 m2 Büro- und Laborfläche unddem 800 m2 großen Reinraum.

Unterbrechungen unserer Halbleiter-prozesse werden verhindert oderschnell behoben durch einen Bereit-schaftsdienst dieser engagiertenGruppe, der rund um die Uhr erreich-bar ist. Die komplexen technischenInstallationen und Gewerke werdenvon unserer Servicegruppe in Betriebgehalten, auch im Reinraum mit derVersorgung von Reinstwasser, ultra-reinen Prozessgasen und Notstrom.Diese Mitarbeiter sind auch zuständigfür Fragen des Umweltschutzes sowieder Sicherheit und Gesundheit amArbeitsplatz, ebenso wie für die Ver-und Entsorgung von Chemikalien.

Alleine die Prozessgasversorgung mitWasserstoff, Stickstoff und Heliumsowie fast dreißig anderen Spezial-gasen erfordern ein komplexes undumfangreiches Verteilungssystem. DieReinstwasseranlage liefert 8 000 ldeionisiertes Wasser stündlich mit

18 MΩcm spezifischem Widerstand,einer Gesamtverunreinigung von orga-nischem Kohlenstoff von 5 ppb undmaximal 10 Partikeln/Liter.

Die konstante Umgebungstemperaturvon 22 °C bei 45 % relativer Luft-feuchte im Reinraum erfordert eineZuluft-Aufbereitung von100 000 m3/h mit fünf Kältemaschi-nen und einer Eisspeicheranlage. Um-weltfreundlich ist die Fernheizung desgesamten Instituts, während wir einenjährlichen Gesamtbedarf an elektri-scher Energie von ca. 10 GWh habenmit Spitzenleistungen von 1,8 MW.

Der Servicegruppe obliegt auch dieInstandhaltung des Gebäudes und dieInstallation und Inbetriebnahme unse-rer Geräte innerhalb und außerhalbdes Reinraums. All dies geschieht mitgroßer Erfahrung und Kompetenz –auch wenn es um triviale Dinge wietropfende Wasserhähne und durchge-brannte Glühbirnen geht.

Wir danken unseren TechnischenDiensten für Professionalität, Könnenund Leistungsbereitschaft, mit der siedas IAF in Betrieb halten.


Menschen und Momente

Norbert Weber, Mathias Siegel und Gertrud Riedl, Karl-Josef Blattmann.



PhDs at the Fraunhofer IAF

One of the major assets of a researchinstitute are young and dedicatedresearchers, eager to solve problems –PhD students are thus ideal candida-tes. This holds for Fraunhofer IAF, too, where PhD students work towards their theses while simulta-neously applying their knowledge inresearch projects.

2003 has been a successful year forour Institute, with six PhD studentscompleting their thesis and movinginto their professional career. Theytake with them our congratulationsand best wishes for their future,together with thanks for their workthey did here.

Eric Pleuler, one of the six new PhDs,completed his thesis at the PhysicsDepartment of the University ofFreiburg: »Microwave plasma simulati-on, deposition and characterization ofpolycrystalline, doped and undopeddiamond layers« (Mikrowellenplasma-Simulation, Abscheidung undCharakterisierung von polykristallinen,dotierten und undotiertenDiamantschichten). He is now a high-school teacher in Switzerland.

Marcel Rattunde, Physics Depart-ment, University of Freiburg: »Infrareddiode lasers based on III-V antimo-nides« (Infrarot-Diodenlaser auf derBasis der III-V-Antimonide). He joinedour Department on OptoelectronicMaterials (OM).

Franz Rinner, Department of Mecha-nical Engineering, Technical UniversityAachen (RWTH): »Enhancement oflong-term stability of InGaAs/AlGaAshigh-power diode lasers« (Verbesse-rung der Langzeitstabilität vonInGaAs/AlGaAs-Hochleistungs-Dioden-lasern). Automobile industry, Austria.

Doktoranden am IAF

Ein wesentlicher Aktivposten einesForschungsinstituts sind junge, enga-gierte und neugierige Wissenschaftler– also Doktoranden. Dies gilt auch fürdas IAF, wo Doktoranden gleichzeitigan ihrer Promotion und in Projektenarbeiten.

2003 war ein erfolgreiches Jahr mitsechs abgeschlossenen Promotionen.Wir gratulieren unseren Absolventenund danken ihnen für ihre Arbeit amFraunhofer IAF.

Joseph Rogg, Department of Mecha-nical Engineering, Technical UniversityAachen (RWTH): »High-power diodelasers of high beam quality with inte-grated angle selective mode filters«(Hochleistungsdiodenlaser hoherStrahlqualität mit integrierten winkel-selektiven Modenfiltern). InfineonTechnologies AG.

Sascha Steinkogler, Physics Depart-ment, University of Freiburg: »Quan-tum well infrared photodetectors forhigh-speed applications and thermo-graphy« (Quantentopf-Infrarot-Photo-detektoren für Hochgeschwindigkeits-anwendungen und Thermographie).Robert Bosch GmbH.

Thilo Stephan, Physics Department,University of Freiburg: »Dependenceof efficiency of InGaN LEDs on lumi-nescence mechanisms and electricalcontacts« (Einfluss der Lumineszenz-mechanismen und der elektrischenKontakte auf die Effizienz von InGaN-Leuchtdioden). Fraunhofer IAF, OM.


A further ten students are working attheir PhD theses in the research de-partments of Fraunhofer IAF. They willbe presented on the following pagestogether with their scientific work. Wehope that these pages, should they beread by university students, will serveto hire at least some of them to jointhe IAF for their PhD work.

Four PhD students are currently wor-king in IAF's HF Department (HighFrequency Devices and Circuits) onMMICs and high-speed integrated circuits. They will, in due course, sub-mit their theses to the Department ofElectrical Engineering and InformationTechnology of the University ofKarlsruhe.

Weitere zehn Doktoranden arbeitenan ihren Promotionsarbeiten. Wir stel-len sie und ihre Aufgaben auf den fol-genden Seiten vor und hoffen, dassStudenten, sollten sie diesen Jahres-bericht lesen, sich für Arbeiten am IAFinteressieren.

Vier Doktoranden arbeiten zur Zeit inunserer Abteilung HF (Hochfrequenz-Bauelemente und -Schaltungen). Siewerden an der Fakultät für Elektro-technik und Informationstechnik der Universität Karlsruhe promoviertwerden.


Thomas Merkle studied electrical enginee-ring at the University of Stuttgart and isnow engaged in the investigation of thelinearity of HEMTs. His thesis is on »Investi-gation of intermodulation distortion in highelectron mobility transistors« (Unter-suchungen zu Intermodulationsver-zerrungen in HEMTs).

Christoph Schwörer studied electricalengineering with emphasis on microelec-tronics at the University of Ulm. He spenttwo years as MMIC design engineer withUnited Monolithic Semiconductors. Thesis:»Circuits and systems for frequencies of100 GHz and higher« (Schaltungen undSysteme für Arbeitsfrequenzen von100 GHz und höher). His work coversdesign and functional integration MMICsfor active and passive imaging systems,including packaging.

Karl Schneider, electrical engineering withemphasis on communication technology, Uni-versity of Karlsruhe. Thesis: »Modeling andoptimization of InP double heterobipolar transi-stors for high-speed mixed signal applications«(Modellierung und Optimierung von InP-basie-renden Doppelheterobipolartransistoren fürschnelle Mischsignal-Schaltungen). Karl is de-veloping large signal device models for opti-mization of InP-based double heterobipolartransistors and computer-aided circuit design.

Robert Elvis Makon, electrical engineering withemphasis on semiconductor circuits, Ruhr-University, Bochum. Thesis: »InP-based HBT circuits for ultra high-speed data transmission«(InP-basierte HBT-Schaltungen für die ultra-schnelle Datenübertragung). The interest ofRobert is focused on high-speed digital integratedcircuits, e. g. clock and data recovery circuits.



Christian Pfahler also studied physics. Hewas at the Ludwig-Maximilian University inMunich and at the University of Freiburg.He is applying the concept of trapezoidallaser geometry to GaSb-based structures inthe manufacture of power diode lasers formaterials processing. Thesis: »Trapezoidallasers on the basis of III-V antimonides«(Trapezlaser auf der Basis der III-V-Anti-monide). The thesis will be submitted tothe Physics Department of the University ofFreiburg.

Frank Vollrath, physics, Technical University of Braunschweig. Frank is developing techno-logies to realize GaN-based optoelectronic devices with self-adjusting processes. Thesis:»Self-adjusting process for 2 µm wide, blueemitting ridge waveguide lasers« (Entwicklungeines selbstjustierenden Prozesses zur Fertigung2 µm schmaler blauer Rippenwellenleiterlaser).He will submit his thesis to the Department ofMicrosystem Technology at the University ofFreiburg.

Senta Kallenbach studied physics at the Uni-versities of Dortmund and of Arizona, Tuscon(USA). She is developing trapezoidal lasers emit-ting between 1.4 and 1.5 µm on InGaAs/InP basisfor optical amplifiers. Her thesis is »Pumplasers for 14xx nm for Raman amplifiers« (Pumplaser bei 14xx nm für Ramanverstärker), and will besubmitted to the Electrical EngineeringDepartment of the University of Karlsruhe.

Six of our colleagues are workingtowards their PhD theses in the fieldof optoelectronics, three of them inour Department III-V Technology.

In unserer Abteilung III/V-Technologieerstellen drei unserer jungen Kollegenihre Doktorarbeiten auf dem Gebietder Optoelektronik.


Fraunhofer IAF 2003 13

Two PhD students, Christian Mannand Frank Sommer, are affiliated tothe IAF's Department of Optoelec-tronic Materials, while Thomas Maieris with Infrared Technologies.

Zwei weitere Doktoranden, ChristianMann und Frank Sommer, arbeiten inunserer Abteilung für Optoelektro-nische Materialien, ein weiterer,Thomas Maier, gehört zu unsererAbteilung Infrarot-Technologie.

Christian Mann, physics, University ofDortmund, is working towards his PhD the-sis »Design and characterization of quan-tum cascade lasers« (Entwurf und Charak-terisierung von Quantenkaskadenlasern) incooperation with the Physics Department ofFreiburg University. His work deals with thedevelopment of QCLs for spectroscopy.

Frank Sommer, physics, University ofFreiburg. Frank is active in a joint researchprogram with Osram Opto Semiconductorsaiming at novel laser diodes based ongroup-III nitrides. His thesis »Design andcharacterization of short wavelength diodelasers based on group-III nitrides« (Entwurfund Charakterisierung kurzwelliger Dioden-laser auf der Basis der Gruppe III-Nitride)will be handed into the Physics Departmentof Freiburg University.

Thomas Maier, physics at Freiburg University,is working on bispectral quantum well photo-detectors (QWIPs) for a dual band infraredcamera. His thesis »Simulation and design of abispectral QWIP camera« (BispektraleQuantentopf-Infrarot-Kamera: Simulation undRealisierung) is in collaboration with the PhysicsDepartment of Freiburg University.



IAF – FMF Joint Research

In May 2003, Prof. Joachim Wagner,the head of our OptoelectronicMaterials Department, joined the»Freiburger Materialforschungszen-trum« (FMF, Materials Research CenterFreiburg) as an associated member.This interdisciplinary central researchlaboratory of the Albert-Ludwigs-Uni-versity in Freiburg is dedicated tomaterials science, including semicon-ductors, thin films and clusters, elec-tro-active materials and sensors, andpolymers. The FMF has a total staff of160, with around 120 PhD students.University departments and researchinstitutes contributing to the FMFinclude physics, chemistry, pharmacy,microsystems technology, and crystall-ography. Basic and applied research atthe FMF is aimed at the developmentof new materials and their applicationin technology and engineering. Oneof the major assets of the FMF is pro-motion of cooperation and exchangewithin the university and between uni-versity, Freiburg's Fraunhofer institu-tes, and industry.

The cooperation between FraunhoferIAF and the FMF deals with joint ma-terials research on advanced – or lesscommon – inorganic compound semi-conductors. A part of this is carriedout by Nicolas Graf working towardshis PhD thesis on »Growth of GaBiSband InBiSb Alloys by Molecular BeamEpitaxy«. These bismuth containingcompounds hold potential for infraredphotodetectors at long wavelengths.

Joachim Wagner's affiliation to theFMF, with its excellent research facili-ties, gives us access to the interestingmaterials system, while Nicolas Grafbenefits from the supervision by ex-perts from both, university andFraunhofer IAF.

IAF und FMF forschen gemeinsam

Professor Joachim Wagner, der Leiterunserer Abteilung OptoelektronischeMaterialien, wurde im Mai 2003 zumassoziierten Mitglied des »FreiburgerMaterialforschungszentrums« (FMF)ernannt. Dieses interdisziplinäre Zen-tralinstitut der Albert-Ludwigs-Uni-versität Freiburg betreibt Materialfor-schung an Halbleitern, dünnenSchichten und Clustern, elektroaktivenMaterialien und Sensoren sowie Poly-meren. Das FMF hat 160 Mitarbeiter,davon 120 Doktoranden. Unterschied-liche Institute aus den FachbereichenPhysik, Chemie, Pharmazie, Mikro-systemtechnik und Kristallographietragen zum FMF bei. Eines derwesentlichen Ziele des FMF ist dieFörderung der Zusammenarbeit inner-halb der Universität und zwischenUniversität, Freiburger Fraunhofer-Instituten und Industrie.

Grundlagen- und angewandte For-schung sind auf Entwicklung undAnwendung neuer Materialien ausge-richtet. Die Zusammenarbeit zwischenIAF und FMF liegt so auf dem Gebietder neuen – oder weniger bekannten– inorganischen Verbindungshalbleiter.Die Promotionsarbeit von Nicolas Graf»Wachstum von GaBiSb- und InBiSb-Legierungen mit Molekularstrahlepi-taxie« ist ein Teil davon. Diese Wis-mut-haltigen Verbindungen könntenGrundlage für langwellige Infrarot-Photodetektoren sein.

Die Anbindung von Joachim Wagneran das FMF, mit seinen ausgezeichne-ten Forschungsmöglichkeiten, erlaubtuns den Zugang zu neuen Material-systemen. Nicolas Graf andererseitshat den Vorteil, mit Fachleuten ausbeiden Instituten zusammenarbeitenzu können.

Nicolas Graf

Joachim Wagner


Cooperation with EADS

EADS Deutschland GmbH, Ulm, hasbeen a partner of the Fraunhofer IAFin various joint BMBF-funded researchprograms in the past. We have nowextended our longstanding coopera-tion to defense electronics, with focuson the group-III nitrides. The contractagreeing on a strategic collaborationbetween Fraunhofer IAF and EADSwas signed on July 10, 2003 in Ulm.The status of our relevant R&D workand future plans were presented byboth partners at this meeting.

The signatures were witnessed by therepresentatives of the Federal Ministryof Defense (BMVg), Dieter Teichmann,responsible for our Institute, and theFederal Office of Defense Technologyand Procurement (BWB), Dr. Karl-HeinzRippert, who accompanies our defenserelated research projects. Both agreedthat this cooperation has model cha-racter for the relation between re-search institutes and industry.

The technological advantages of theGaN-related wide bandgap semicon-ductors, e. g. in power electronics forradar systems and broadband circuitsfor electronic warfare, are well knownand need not be repeated here. In themeantime, the cooperation has matu-red into an open and trustful exchan-ge of ideas, results, and hardware inpursuing our common goal of puttingGaN electronics into the field.

Zusammenarbeit mit EADS

Die EADS Deutschland GmbH, Ulm,war langjähriger Partner des Fraun-hofer IAF in verschiedenen BMBF-Verbundprogrammen. Wir habenunsere gute Zusammenarbeit jetztauch auf die wehrtechnische For-schung ausgedehnt, mit Schwerpunktauf den Gruppe III-Nitriden. Ein Ver-trag über strategische Zusammen-arbeit wurde am 10. Juli 2003 in Ulmabgeschlossen. Der Kooperations-vertrag wurde im Beisein von Dipl.-Ing. Dieter Teichmann, unserem zu-ständigen Referenten im BMVg, undDr. Karl-Heinz Rippert, BWB, als zu-ständigem Technologiefeld-Verant-wortlichen, unterzeichnet. Man warsich einig, dass diese KooperationModellcharakter hat für die Zusam-menarbeit zwischen Forschungsinsti-tuten und (wehrtechnischer) Industrie.

Die technischen Vorteile der GaN-basierenden Verbindungshalbleiter mitgroßer Bandlücke, z. B. in der Leis-tungselektronik für Radarsysteme undin breitbandigen Schaltungen für elek-tronische Kampfführung, sind bekanntund sollen hier nicht wiederholt wer-den. Unsere Kooperation hat inzwi-schen zu einem offenen und vertrau-ensvollen Austausch von Ideen, Ergeb-nissen und Bauelementen geführt mitdem gemeinsamen Ziel, die GaN-Elek-tronik einzusetzen.


From left / von links: Dr. Brugger, H. Roschmann (both EADS); Dr. Rippert (BWB); Dr. Compans (EADS); D. Teichmann (BMVg);Prof. Weimann, Dr. Mikulla, Dr. Quay (all IAF);Ms. Gräter, M. Jacobsen (both EADS); Dr. Kiefer, S. Müller (both IAF); Dr. Feldle, B. Adelseck (both EADS).



Terahertz Electronics or Optics – A Viable Technology?

The Fraunhofer IAF has started amajor research project, financed bythe Federal Ministry of Defense(BMVg) for the coming three years, toexplore the potential of the Terahertzspectral region, usually referred to asthe Terahertz gap (Fig. 1). Based onour experience in highest frequencyelectronics (> 100 GHz) and in infra-red detectors and emitters, we willenter this gap from the »low frequen-cy«, i. e. the electronic side. This part

of the electromagnetic spectrum, between microwaves and the infraredpart of the optical spectrum is widelyunclaimed land, due to the lack ofradiation sources with adequate out-put power and suitable detectors. TheTerahertz gap in the range between100 GHz and 10 THz – correspondingto wavelengths from 3 mm to 30 µm –is currently receiving worldwide inte-rest for, but not limited to, militaryand security applications.

Terahertz waves have fascinating pro-perties: They penetrate materialswhich are opaque to optical radiation,passing through fog, paper, wood,ceramics and even brick walls, so ide-ally suited to detect concealed wea-pons or explosives, and analyze thecontents of suspicious envelopes orcontainers. Polar liquids – water aboveall – show strong absorption in thiswavelength region, limiting atmosphe-ric propagation (at sea level) to 100 mor less. Short range terrestrial and air-borne communication and near objectanalysis are just two potentials in thisspectral range.

Terahertz waves are of low energy,with hν equaling a few meV, thusnon-ionizing and without hazardousinteraction with living tissue. Terahertzrays will, however, not replace X-rays,due to their limited penetration of thehuman body with its high water con-tent. Cell dynamics can be investiga-ted with THz waves. Furthermore, as

Fig. 1: The IAF will bridge the THz gap, withlongstanding experience in optics, visible andinfrared, and millimeter waves.Abb. 1: Das IAF dringt in die THz-Lücke vor, mitlangjähriger Erfahrung auf dem Gebiet der IR-Technik und der Millimeterwellen-Technik.


Terahertz-Elektronik oder -Optik – eine Zukunftstechnologie?

Das Fraunhofer IAF hat ein dreijähri-ges BMVg-finanziertes FuT-Projekt be-gonnen, um das Potenzial des »Tera-hertz«-Spektrums auszuloten. Wegenfehlender geeigneter Sende- undEmpfangskomponenten ist dieser Teildes elektromagnetischen Spektrumszwischen Mikrowellen und demInfraroten üblicherweise als Terahertz-Lücke bekannt (Abb.1). Diese Tera-hertz-Lücke, zwischen 100 GHz und10 THz – mit Wellenlängen von 3 mmbis 30 µm – wird heute weltweituntersucht, weitgehend – aber nichtausschließlich – für militärische undsicherheitstechnische Anwendungen.

Terahertz-Wellen haben faszinierendeEigenschaften: Sie durchdringenMaterialien, die im Optischen opaksind, wie z. B. Nebel, Papier, Holz,Keramik und sogar Ziegelwände. Sieeignen sich so zur Detektion von ver-steckten Waffen oder Sprengstoff undzur Durchleuchtung verdächtiger Ver-packungen oder Behälter. Polare Sub-stanzen, Wasser vor allem, zeigenstarke Absorption in diesem Wellen-längenbereich und begrenzen dieAusbreitung in der Atmosphäre inMeereshöhe auf 100 Meter oderweniger. Kurzreichweitige landgebun-dene oder luftgestützte Kommuni-kation und kurzreichweitige Objekt-erfassung sind aber zwei potenzielleAnwendungen.

Terahertz-Wellen sind niederenerge-tisch, die Energie hν beträgt nur weni-ge Millielektronenvolt. Sie sind dahernicht-ionisierend und ungefährlich fürlebendes Gewebe. Terahertz-Strahlenwerden allerdings die Röntgenstrahlenin der Medizin nicht ersetzen, wegenihrer geringen Eindringtiefe in denmenschlichen Körper mit seinemhohen Wassergehalt. THz-Wellen eig-

nen sich wiederum für die Unter-suchung von dynamischen Vorgängenin Zellen. Ferner, da Rotations- undSchwingungsübergänge von Mole-külen scharfe Absorptionslinien in die-sem Bereich haben, eignet sich dieTHz-Spektroskopie für die Detektionvon chemischen und biologischenAgenzien. Mit der THz-Spektroskopiehat man darüber hinaus die einzigarti-ge Möglichkeit, die komplexe Dielek-trizitätsfunktion zu messen, d. h.Änderungen von Amplitude undPhase durch Modifikation der Wellen-form von transmittierten oder reflek-tierten Sub-ps-Pulsen im Zeit-Bereich.

Bildgebung und Spektroskopie imTHz-Spektralbereich werden Anwen-dung finden als schnelles Werkzeugauf verteidigungs- und sicherheitsrele-vanten Sektoren, in der Medizin,Pharmazie, Sensorik in der Atmos-phäre und vielleicht auch in breitban-diger Weltraumkommunikation.

Die Terahertz-Thematik ist hochaktuell(und modisch), die diskutierten An-wendungen sind vielfältig und stehenim Gegensatz zum Fehlen kompakter,kohärenter Strahlungsquellen mit aus-reichender Ausgangsleistung: Optischgepumpte THz-Laser liefern bis zu100 mW im Bereich zwischen 0,3 und10 THz. Sie emittieren jedoch in dis-kreten Spektrallinien, sie sind teuer,groß und aufwändig im Betrieb, alsoungeeignet z. B. für Weltrauman-wendungen. Elektronenröhren habenbrauchbare Ausgangsleistungen, abervergleichbare Nachteile.

Halbleiterquellen zeigen einen drama-tischen Abfall in der Ausgangsleistungmit steigenden Frequenzen, genausowie die Frequenzmultiplikation mit ca.1 mW unterhalb von 1 THz und nur




most rotational and vibrational mole-cular transitions have sharp absorptionlines in this part of the spectrum, THzspectroscopy is ideally suited fordetection and identification of chemi-cal and biological agents. THz spec-troscopy has additionally the uniqueadvantage of measuring the complexdielectric function, i. e. both amplitu-de and phase, by waveform modifica-tion of transmitted or reflected sub-pspulses in time domain spectroscopy.

THz imaging and spectroscopy willhave manifold applications as a fastworking tool in defense and securityrelated fields, but also in medicine,pharmacy, atmospheric sensing andspace applications, such as widebandwidths communication andupper atmosphere imagery. The futurepotential of Terahertz – today one ofthe most talked about topics in pho-tonics (or electronics) – stands in con-trast to the lack of compact, powerfulcoherent radiation sources. Opticallypumped THz lasers deliver up to100 mW at frequencies between 0.3to 10 THz. They emit, however, indiscrete spectral lines, are bulky,expensive, and difficult to maintain,so, e. g. unthinkable for space appli-cations. Electron tubes have usefuloutput powers, but suffer from mostof the afore mentioned disadvantages,too. Semiconductor devices show dra-matic decreases in output power withincreasing frequency, as does harmo-nic generation or frequency multiplica-tion, too, with 1 mW at 0.5 THz andonly tens of microwatts above oneTHz. Quantum cascade lasers (QCL),entering the THz gap from the opticalside, seem to be good candidates forhigher output powers giving typicallya few milliwatts. The longest wave-length reached so far is around100 µm, corresponding to 3 THz. Theperformance of sources enclosing the

THz gap are summarized in Fig. 2,also showing the goal to be reached.

Our future work in this project willfocus on two approaches. Based onour experience with modulationdoped field effect transistors (HEMTs),we will develop integrated circuitswith operating frequencies well abovethe present 94 GHz. HEMTs with fur-ther reduced gate lengths of 30 –50 nm will serve to increase cutoff fre-quencies to above 400 GHz, allowingoperating frequencies of MMICs up to300 GHz. Low-noise amplifiers will bekey components for 220 GHz imagingsystems, which will be investigatedtogether with our colleagues from theFGAN-FHR Institute in Wachtberg-Werthhoven. Fig. 3 shows first resultsof amplifiers at 220 GHz, with a 4-stage metamorphic HEMT circuitgiving more than 20 dB gain.

A second approach, again enteringfrom the low frequency side of elec-tronics, will be in frequency multiplica-tion with e. g. Schottky diodes. In theinitial stage – to get fast results –medium power amplifiers, with outputpowers of 100 mW at 100 GHz, willbe developed and frequency multipli-cation will be done with commercialSchottky diodes. Planar Schottkydiodes will then be developed at alater stage to reach the goal of opera-ting frequencies exceeding 1 THz, i. e.the real THz region.



einigen 10 µWatt darüber. Die Quan-tenkaskadenlaser dringen in die Tera-hertz-Lücke von der optischen Seiteein, mit einigen Milliwatt Ausgangs-leistung. Die längsten bislang erreich-ten Wellen liegen bei etwa 100 µmoder 3 THz. In Abb. 2 werden typischeAusgangsleistungen von Strahlungs-quellen um die Terahertz-Lücke zu-sammengefasst sowie das Projektziel.

Im anlaufenden Projekt werden wirzwei Ansätze verfolgen: Mit unsererErfahrung mit modulationsdotierenFeldeffekttransistoren (HEMTs) werdenwir MMICs mit Betriebsfrequenzenweit über den heutigen 94 GHz ent-wickeln durch Reduktion der Gate-längen bis zu einigen 10 nm. Grenz-frequenzen über 400 GHz sind dabeinotwendig. Als Demonstratoren werden bildgebende Systeme bei220 GHz für Hochfrequenz- undRadartechnik in Zusammenarbeit mitdem FGAN-FHR-Institut in Wachtberg-Werthhoven entwickelt. Hier stehenrauscharme Verstärker als Schlüssel-komponenten im Vordergrund. Abb. 3 zeigt erste Ergebnisse für220 GHz, ein vierstufiger Verstärkerliefert 20 dB Verstärkung. Die Schal-tung basiert auf metamorphen HEMTs.

Auch der zweite Ansatz erfolgt vonder niederfrequenten elektronischenSeite durch Frequenzmultiplikation z. B. mit Schottky-Dioden. Im erstenProjektabschnitt werden Verstärker mitAusgangsleistungen von 100 mW beica. 100 GHz entwickelt und die Fre-quenzmultiplikation mit kommerziel-len Dioden bewirkt. Diese Lösung sollschnell zu Ergebnissen führen undunnötige Doppelentwicklungen erspa-ren. Für noch höhere Frequenzen, alsoim wirklichen Terahertz-Bereich, sinddann möglicherweise eigene Neu-entwicklungen nötig.

0.01 0.1 1 10 100 10001 µ

10 µ

100 µ

1 m

10 m

100 m

1

10

100

Goal

GunnDiode

Impatt

Frequency Multiplication

SLED

RTD

QC Lasers

Lead Salts

III-V's

Electronics Lasers

Out

put

Pow

er (W

)

Frequency (THz)

Fig. 2: Typical output powers of electronic and optical radiation sources, showing the lack of emitters in the THz gap.Abb. 2: Ausgangsleistungen von elektronischen und optischen Strahlungs-quellen mit THz-Lücke ohne adäquate Emitter.

Fig. 3: 4-stage MHEMT amplifier for 220 GHz (gatelength 0.1 µm, gatewidth 30 µm). S-parameters of amplifier from 140 – 220 GHz, gain 20 dB at 220 GHz.Abb. 3: Vierstufiger MHEMT-Verstärker für 220 GHz (Gatelänge 0,1 µm,Gateweite 30 µm). S-Parameter des Verstärkers von 140 - 220 GHz, Verstär-kung 20 dB bei 220 GHz.

140 160 180 200 220-30

-20

-10

0

10

20

30

S-Pa

ram

eter

(dB)

Frequency (GHz)

S21

S11

S21


MMICsMonolithisch integrierteMikrowellen-Schaltungen

-j1.0

-j0.25

1.00

90

180

measured modeledS21

S12

S11

S22


Our MMICs or monolithic integratedmicrowave and millimeter-wave cir-cuits for wireless communication andmicrowave sensors (radar applications)are based on modulation doped fieldeffect transistors or HEMTs (high elec-tron mobility transistors) in GaAs orInP. (AlGa)N heterostructures are usedfor high power applications.

Applications - wireless communication- phased array radars- imaging systems- automotive radars- ranging and velocity

measurement

MMICs – oder monolithisch integ-rierte Mikrowellen- und Millimeter-wellenschaltungen – werden für diedrahtlose Kommunikation und dieMikrowellensensorik (Radare) ent-wickelt. Unsere ICs basieren aufmodulationsdotierten Feldeffekt-transistoren (High Electron MobilityTransistor HEMT) aus GaAs oder InP.Für Leistungsanwendungen verwen-den wir (AlGa)N-Heterostrukturen.

Anwendungen- drahtlose Kommunikation- phasengesteuerte Gruppen-

antennen (Radare)- passive bildgebende Systeme- Kfz-Radare- Abstandsmessung - Geschwindigkeitsmessung


Passive imaging is one of the mainapplications of submillimeter-wavesensors. In contrast to radar systems,which emit electromagnetic radiationand use its echo to determine distanceor speed of a target, these passivesystems use the black body radiationof the observed target for imaging.These radiometers rely on the excel-lent signal-to-noise ratios of millime-ter-wave detectors, as only a minorpart of the emitted radiation is in therelevant submillimeter-wave region,the maximum being in the infraredspectral region.

The radiometer consists essentially ofa high gain, low noise amplifier (LNA)followed by a rectifier or detectordiode giving an output signal propor-tional to the average temperature ofthe scene covered by the receiver'santenna. Objects with high reflectivity,e. g. metal surfaces, reflect radiationfrom their environment, however, soleading to enhanced contrast ofobjects within the scanned scene. Thiscan be seen from the images of theradome covering the 35 mm dishantenna of the FGAN-FHR researchinstitute (Fig. 1). The radome is opa-que in the optical picture, and trans-parent to the radiation detected by

the 94 GHz radiometer built withcomponents from our Institute.

The lower part of the dish reflects thecold background of the sky, increasingthe contrast of the passive image. Sub-millimeter-wave radiometry can thusbe used in safety and security applica-tions, e. g. in the remote detection ofweapons hidden in clothing on a per-son, replacing X-rays or other irradia-tive sources.

The high cutoff frequencies of ourmetamorphic high electron mobilitytransistors (MHEMTs) allow the exploi-tation of the frequency bands beyond100 GHz. Passive and active imagingsystems in the atmospheric windowsaround 140 GHz and 220 GHz yieldhigher resolution. Water and oxygenshow absorption at 118 GHz and180 GHz, respectively, spectrometry atthese frequencies could therefore beused for gas detection.

The characterization of circuits at fre-quencies well above 100 GHz calls forsophisticated and accurate measuringsystems. We address the frequencyband from 130 to 220 GHz with anOleson S-parameter measurementsystem.

Key elements for these imagingsystems are LNAs to amplify the recei-ved signal with good signal-to-noiseratios and mixers for the down-con-version. A set of appropriate circuitswas developed using our provenMHEMT technology with a reducedgate length of 70 nm.

The broadband coplanar amplifiercovering frequencies from 85 to150 GHz (Fig. 2) has a minimal gainof 15 dB across the whole frequencyrange. Measurements up to 120 GHzwere obtained with an Agilent XFsystem while the before mentioned

Circuits and Applications Above 94 GHz

Fig. 1: Radome with a 35 m dish antenna, taken with an optical camera (left), and with a radiome-tric imaging system (right).Abb. 1: Radom einer 35 m-Parabolantenne, links aufgenommen mit einer optischen Kamera undrechts mit einem Radiometer-System.

Passive abbildende Verfahren sind einHauptanwendungsgebiet der Submil-limeterwellen-Sensorik. Im Gegensatzzu Radarsystemen, welche hochfre-quente Signale aussenden und ausderen Echo Geschwindigkeit und Ab-stand eines Objekts bestimmen, basie-ren passive Systeme auf der ausge-sandten schwarzen Strahlung der zubeobachtenden Objekte. Diese Radio-metersysteme sind auf ein sehr gutesSignal-zu-Rausch-Verhältnis angewie-sen, da nur ein Bruchteil der ausge-sendeten Strahlung im Submillimeter-wellen-Bereich liegt. Der Hauptanteilliegt im Infrarotbereich.

Ein Radiometer besteht hauptsächlichaus einem rauscharmen Verstärker(LNA) mit hoher Verstärkung undeiner Gleichrichterdiode oder einemDetektor. Das Ausgangssignal desDetektors ist proportional zu dergemittelten Strahlungsleistung oderTemperatur der von der Antenneerfassten Szene. Objekte mit hoherReflektivität wie Metalloberflächenreflektieren hauptsächlich die Strah-lung aus der Umgebung und erhöhenauf diese Weise den Kontrast derbetrachteten Szene. Dies wird deutlichin den Aufnahmen des Radoms einer35 m-Parabolantenne des FGAN-FHR-Instituts in Abb. 1. Im optischen Bildwird die Antenne durch das Radomverdeckt, für Millimeterwellen ist dasRadom jedoch transparent und kanndurch ein 94 GHz-Radiometer abgebil-det werden. Die Komponenten diesesRadiometers stammen aus unseremInstitut. Der untere Teil der Parabol-antenne reflektiert die kalte Hinter-grundstrahlung des Himmels underhöht auf diese Weise den Kontrastder radiometrischen Aufnahme.

Submillimeterwellen-Radiometrie eig-net sich besonders für Sicherheitsan-wendungen, wie z. B. der Detektionvon unter Kleidung verstecktenWaffen an Personen, anstelle von

Röntgenstrahlen oder anderenStrahlungsquellen.

Die hohen Grenzfrequenzen unserermetamorphen HEMT-Technologieermöglichen es, den Frequenzbereichoberhalb von 100 GHz zu nutzen.Passive und aktive bildgebende Sys-teme in den atmosphärischen Fens-tern bei 140 GHz und 220 GHz errei-chen eine noch höhere Auflösung.Wasser- und Sauerstoffabsorptions-linien bei 118 GHz und 180 GHz kön-nen für die spektroskopische Unter-suchung von Gasen genutzt werden.

Die Charakterisierung von Schal-tungen weit oberhalb von 100 GHzstellt hohe Anforderungen an dieMesstechnik. Der Bereich von 130 bis220 GHz wird in unserem Labor voneinem Oleson S-Parameter-Mess-system abgedeckt.

Schlüsselbausteine für bildgebendeSysteme sind rauscharme Verstärker,um die Empfangssignale mit einemguten Signal-zu-Rauschverhältnis zuverstärken, sowie Mischer für die Fre-quenzumsetzung. Einen Chipsatzgeeigneter Schaltungen haben wirbasierend auf unserer zuverlässigenmetamorphen HEMT-Technologie ent-wickelt. Die Gatelänge der Transis-toren ist dabei auf 70 nm reduziertworden.


Fig. 2: Chip photo of a 85 to 150 GHz amplifier MMIC, chip size 1x3 mm2.Abb. 2: Chipfoto eines 85 bis 150 GHz-Verstärker-MMICs, die Chipgrösse beträgt 1x3 mm2.

Schaltungen und Anwendungen oberhalb von 94 GHz


Oleson set-up was used above130 GHz (Fig. 3). The amplifier MMIC(millimeter-wave monolithic integrated circuit) uses four common-source stages of 2x15 µm FETs with gatelengths of 70 nm. The power supplyneeds 1 V and 25 mA.

Coplanar amplifiers using the cascodeconfiguration, where a common-sour-ce FET and a common-gate FET areconnected in series, were also develo-ped. A 155 GHz amplifier with twocascode stages is shown in Fig. 4,with chip dimensions of 1x2 mm2.Fig. 5 gives the measured data, with15 dB gain and -15 dB input and out-put matching.

Down conversion is required to trans-late the signal from submillimeter-wave frequencies to frequencies allo-wing simple information processing.Mixers have to be used, also to retainthe phase information. Low conver-sion loss and low local oscillator (LO)power consumption are a necessity.With our MMIC technology we wereable to integrate a resistive FET mixerat 150 GHz monolithically. (Usuallybeam-lead mounted Schottky diodesare used at these high frequencies.) In

resistive mixers the LO signal isapplied to the gate of the FET tomodulate the drain source resistance.If the RF frequency is applied to thedrain, the intermediate frequency (IF)can be extracted at the drain terminal,too, due to the modulation of the RFsignal by the time varying drain sourceresistance. RF and IF signals are sepa-rated by filtering.

The resistive mixer is shown in Fig. 6,the employed topology results in lowLO power and low conversion loss, asshown in Fig. 7. Used as a down con-verter, the average conversion loss is11.5 dB for RF signals between 147and 154 GHz, the IF signal was at200 MHz. The test measurementswere limited by the LO source, drivenby a Gunn oscillator with followingfrequency doubler. The power of0 dBm was only available in the rangefrom 147 to 154 GHz. The RF signalwas generated using one waveguidemodule of the Oleson set-up.

Circuits and Applications Above 94 GHz

Fig. 4: Chip photo of the 155 GHz cascode MMIC.Abb. 4: Chipfoto des 155 GHz-Kaskoden-MMICs.

Fig. 3: Measured gain of broadband amplifierwith 4 stages.Abb. 3: Gemessene Verstärkung des vierstufi-gen Breitband-Verstärkers.

60 80 100 120 140 160 180

-20

-10

0

10

20

OlesonG-Band System

AgilentXF System

S 21 (d

B)

Frequency (GHz)

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

Der in Abb. 2 gezeigte, in koplanarerLeitungstechnik ausgeführte Verstär-ker weist eine Verstärkung von minde-stens 15 dB im Frequenzbereich von85 bis 150 GHz auf. Bis 120 GHzwurde für die Messung der S-Parame-ter das Agilent XF-System verwendet,die Messungen oberhalb von 130 GHzwurden mit dem oben erwähntenOleson-Messsystem ausgeführt(Abb. 3). Für die monolithisch inte-grierte Verstärkerschaltung (MMIC,millimeter-wave monolithic integrated circuit) sind vier 2x15 µm FETs mit70 nm Gatelänge in Sourceschaltungverwendet worden. Die Betriebsspan-nung beträgt 1 V bei 25 mA.

Koplanare Verstärker in Kaskoden-schaltung (ein FET in Sourceschaltungist mit einem FET in Gateschaltungverbunden) wurden ebenfalls ent-wickelt. Ein zweistufiger Kaskodenver-stärker bei 155 GHz ist in Abb. 4gezeigt. Die Chipfläche beträgt1x2 mm2. In Abb. 5 sind die Mess-ergebnisse dargestellt, die Verstärkungbeträgt 15 dB bei einer Ein- und Aus-gangsanpassung von -15 dB.

Frequenzumsetzer (Mischer) werdenbenötigt, um Signale aus dem Sub-millimeterwellen-Bereich zu niedrigenFrequenzen umzusetzen, wo einfacheSignalverarbeitung möglich ist.Mischer werden auch benötigt, umPhaseninformationen von Signalen imSubmillimeterwellen-Bereich zu erhal-ten. Niedrige Konversionsverluste undniedrige Lokaloszillatorleistung (LO)sind wichtige Voraussetzungen in die-sem Frequenzbereich. Auf unsererMMIC-Technologie haben wir erfolg-reich einen Mischerchip vom resistivenTyp bei 150 GHz realisiert. (Normaler-weise werden in diesem Frequenz-bereich diskrete Schottkydioden einge-setzt.) Resistive Mischer nutzen denEffekt aus, dass der Widerstand derDrain-Source-Strecke eines FETs durchdie Gatespannung (Lokaloszillator-

Signal) moduliert werden kann. Wirddie Hochfrequenzleistung (HF) amDrain angelegt, entsteht durch dieModulation des Drain-Source-Wider-stands ein Spektralanteil bei derZwischenfrequenz (ZF), der ebenfallsam Drain anliegt. Die Spektralanteilewerden dann durch ein Filter getrennt.

Der resistive Mischer ist in Abb. 6 ab-gebildet. Die Schaltungstechnik führtzu einem niedrigen LO-Leistungsbe-darf bei gleichzeitig guten Konver-sionseigenschaften, wie in Abb. 7ersichtlich ist. Als Abwärtsmischer ver-wendet, beträgt der Konversionsver-lust durchschnittlich 11,5 dB für HF-Signale zwischen 147 und 154 GHzund einer Zwischenfrequenz von200 MHz. Der limitierende Faktor beiden Messungen war die LO-Quelle,die sich aus einem Gunn-Oszillatorund einem nachfolgenden Frequenz-Verdoppler zusammensetzt. DieAusgangsleistung der Quelle von0 dBm war lediglich im Frequenzbe-reich von 147 bis 154 GHz verfügbar.Das HF-Signal wurde von einem Hoch-frequenzmodul des Oleson-Mess-systems geliefert.


Schaltungen und Anwendungen oberhalb von 94 GHz

Fig. 5: Measured S-parameters of 2-stage155 GHz cascode MMIC shown in Fig. 4.Abb. 5: Gemessene S-Parameter des zwei-stufigen Kaskodenverstärkers aus Abb. 4.

Fig. 6: Chip photo of the 150 GHz resistivemixer MMIC.Abb. 6: Chipfoto des resistiven 150 GHz-Mischers.

Fig. 7: Conversion loss of the resistive mixermeasured from 147 to 154 GHz.Abb. 7: Konversionsverlust des resistivenMischers zwischen 147 und 154 GHz.

140 150 160 170 180-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

S22

S11

S21

S-Pa

ram

eter

s (d

B)

Frequency (GHz)

147 148 149 150 151 152 153 154-14

-13

-12

-11

-10

-9

ZF Frequency: 200 MHz

Con

vers

ion

Loss

(dB)

RF Frequency (GHz)


Intensive worldwide research anddevelopment in the field of group III-nitride based microelectronics is dri-ven by both, military and commercialapplications, with increasing Europeanefforts. The strategic importance of areliable source of MMICs based onGaN/AlGaN HEMTs has led to a closecooperation of Fraunhofer IAF withindustrial partners, e. g. EADS Air-borne Systems, Ulm, with the deve-lopment of high-power amplifiers(HPAs) for X-band synthetic apertureradars (SAR). While this work is beingfinanced by the Federal Ministry ofDefense (BMVg) and the FederalOffice of Defense Technology andProcurement (BWB), we are simulta-neously continuing in the develop-ment of broadband power amplifierswith high linearity for mobile commu-nication (for frequencies between0.9 GHz and 35 GHz) in a joint projectfunded by the Federal Ministry ofEducation and Research (BMBF), againteamed up with industrial partners(EADS, Ulm, Alcatel-SEL, Stuttgart,and UMS, Ulm).

The technical advantages ofGaN/AlGaN HEMTs on SiC substrates,repeated over and over again, includehigh operating voltages and outputpower, and increased linearity. Withour first nitride-based MMICs havingbeen realized in 2002, we have impro-ved device and circuit performanceand reproducibility continuouslyduring the last year. One major leap in2003, however, has been the inclusionof microstrip MMICs into our productportfolio by developing a microstripback-end process compatible withstandard module and packaging techniques of our industrial partners.

We can now rely on a sound materialbasis having the experience of severalhundred MOCVD grown wafers withoptimized heterostructures. The pro-cessing technology was simultaneous-

ly improved and now delivers HEMTsof large gate widths with high yield,thus enabling us to fabricate high-power MMICs. The gate lengths areusually below 300 nm. Fig. 1 showsan example of these MMICs, as fullyintegrated X-band amplifier. The dualstage HPA is for radar applications,requiring robust transmission lines andreliable high voltage metal-insulator-metal (MIM) capacitances. This MMIC,in coplanar design, has a chip size of4.5x3 mm2, operating frequencies lie in the range from 8 GHz to 11 GHz.Fig. 2 shows output power, gain, andpower added efficiency (PAE) of thiscircuit, measured at 11 GHz. A satura-ted output power of 7.3 W was foundat the source drain voltage of 18 V,the linear gain exceeded 18 dB, with astill moderate PAE value of 22 %.Although the power density of1.8 W/mm gate width falls short ofthe state-of-the-art values on devicelevel, it does exceed the best GaAs-PHEMT performance already. Futureefforts are directed to increase poweroutput and PAE on circuit level, andthis preferentially with microstripMMICs.

In future radar systems, with increa-sing power levels, special attentionhas to be paid to the receiver path.Here GaN-based HEMTs may well bethe devices of choice for SAR systems,as they are robust, have a high dyna-mic range and high linearity. The cir-cuit shown in Fig. 3 serves to provethis. The dual-stage low-noise ampli-fier (LNA) is realized in our GaN-HEMTtechnology with 150 nm gatelength.The chip size is 2.5x1.5 mm2. At theoperating frequency of 11 GHz a line-ar gain of 18 dB was measured.

Fig. 4 gives the noise figure as func-tion of drain current and drain sourcevoltage. The minimum noise figure of1.5 dB is an extremely promising firstresult.

GaN MMICs

Fig. 1: 2-stage X-band high-power amplifier incoplanar layout.Abb. 1: Zweistufiger HPA in koplanarerAnordnung.

Die intensive weltweite Forschung undEntwicklung auf dem Gebiet derGruppe III-Nitrid-Mikroelektronik wirdsowohl durch militärische als auchzivile Anwendungen vorangetrieben.Die europäischen Anstrengungen neh-men dabei zu. Die strategische Bedeu-tung einer zuverlässigen Quelle fürMMICs auf der Basis von GaN/AlGaN-HEMTs führte zu einer engen Zusam-menarbeit des Fraunhofer IAF mitEADS Airborne Systems bei der Ent-wicklung von Hochleistungsverstär-kern (HPAs) für synthetische Apertur-Radar (SAR)-Anwendungen im X-Band.Während diese Arbeiten durch dasBundesministerium der Verteidigung(BMVg) und das Bundesamt für Wehr-technik und Beschaffung (BWB) finan-ziert werden, verfolgen wir gleichzei-tig die Entwicklung hochlinearer Breit-bandverstärker für den Mobilfunk (fürFrequenzen zwischen 0,9 GHz und35 GHz) in einem gemeinsamen Pro-jekt mit den Industriepartnern EADS,Ulm, Alcatel-SEL, Stuttgart, und UMS,Ulm. Die Förderung erfolgt durch dasBundesministerium für Bildung undForschung (BMBF).

Die technischen Vorzüge vonAlGaN/GaN-HEMTs auf SiC-Substratensind wieder und wieder genannt wor-den. Sie umfassen hohe Versorgungs-spannungen und hohe Ausgangs-leistungen und erhöhte Linearität.Während im Jahr 2002 unsere erstennitridbasierten MMICs realisiert wur-den, haben wir im letzten Jahr dieLeistungsfähigkeit der Bauelementeund Schaltungen und die Reprodu-zierbarkeit kontinuierlich verbessert.

Ein großer Erfolg des Jahres 2003 wardie Einführung von Mikrostreifen-MMICs in unser Produktportfolio.Diese wurde möglich durch die Ent-wicklung eines Mikrostreifenrücksei-tenprozesses, welcher mit der indu-strieüblichen Modul- und Aufbau-technik unserer Partner kompatibel ist.

Wir greifen seit längerem auf eine stabile Material- und Epitaxiebasis zurück, die auf der Realisierung voneinigen hundert MOCVD-Wafern mitoptimierten Heterostrukturen beruht.Die Prozesstechnologie wurde eben-falls verbessert und liefert nun HEMTsgroßer Gateweite mit hoher Ausbeu-te, was die Herstellung von MMICsmit hoher Leistung erlaubt. Die Gate-längen liegen üblicherweise unter300 nm. Abb. 1 zeigt als Beispieleinen integrierten X-Band-Verstärker.

Der zweistufige HPA ist für Radaran-wendungen vorgesehen und benötigtneben robusten Übertragungsleitun-gen zuverlässige Hochspannungs-Me-tall-Isolator-Metall (MIM)-Kapazitäten.Dieser in koplanarer Umgebung ent-worfene MMIC mit einer Chipgrößevon 4,5x3 mm2 arbeitet zwischen8 GHz und 11 GHz. Abb. 2 zeigtAusgangsleistung, Verstärkung undWirkungsgrad (PAE = power addedefficiency) dieser Schaltung bei11 GHz. Eine gesättigte Ausgangs-leistung von 7,3 W trat bei einerSource-Drain-Spannung von 18 V auf,die lineare Verstärkung war größer als18 dB, bei einem noch moderatenWirkungsgrad von 22 %. Obwohl dieLeistungsdichte von 1,8 W/mm Gate-weite im Vergleich zum Stand derTechnik auf Einzelbauelementebenegering ausfällt, übersteigt sie schondas beste GaAs-PHEMT-Ergebnis. InZukunft wird man weitere Anstren-gungen unternehmen, um die Aus-gangsspannung und den Wirkungs-grad auf Schaltungsebene zu erhöhen,und dies vorzugsweise mit Mikro-streifen-MMICs.

In künftigen Radarsystemen mit zu-nehmenden Leistungspegeln mussauch dem Empfangszweig besondereBeachtung geschenkt werden. Hierkönnten auf GaN-basierende HEMTsfür SAR-Systeme das Mittel der Wahlsein, da sie robuster sind, über einen


GaN-MMICs

Fig. 2: Output power, gain, and efficiency at11 GHz for power amplifier shown in Fig.1.Abb. 2: Ausgangsleistung, Verstärkung undWirkungsgrad bei 11 GHz für den in Abb. 1dargestellten Leistungsverstärker.

0

10

20

30

40

10 15 20 250

10

20

30

40

PA

E (%

)

Pout (dBm) Gain (dB) PAE (%)

Pmax = 7.3 W = 1.8 W/mm @ 11 GHz

22 % PAE at VDS = 18 V, VGS = -3.75 V

Gain

(dB)

P ou

t (d

Bm

)

Pin (dBm)

Fig. 3: 2-stage X-band low-noise amplifier.Abb. 3: Zweistufiger, rauscharmer Verstärker imX-Band.

Fig. 4: Noise figure as function of drain currentat operating frequency of 11 GHz.Abb. 4: Rauschzahl als Funktion eines Drain-Stroms bei einer Betriebsfrequenz von 11 GHz.

150 200 250 300

1.50

1.55

1.60

1.65

1.70

1.75 VDS = 5 V VDS = 7 V VDS = 10 V

Noi

se F

igur

e at

11

GH

z (d

B)

ID (mA/mm)


GaN-based MMICs will also serve higher frequency bands, as shown inFig. 5 with a K-band power amplifieroperating in the range from 17 GHzto 21 GHz. It is again a dual-stageHPA with 12 dB gain, more than1.8 W output power at a source drainvoltage of 21 V. These characteristics,shown in Fig. 6, hold for 18 GHz.GaN-based MMICs are thus well suited for broadband amplifiers withhigh linearity working at 20 GHz andbeyond.

The necessity of being compatiblewith module and packaging standardsof our partners in industry – who willtake our circuits into applications andservice – required our developing apassive microstrip MMIC back-endtechnology. The heterosubstrate SiChas its advantages and disadvantages.The superior thermal conductivity isideal for power applications, theextreme hardness makes numerousprocessing steps and wafer handlingdifficult, so, e. g. wafer thinning.Fig. 7 shows the successful thinningof a full 2" SiC wafer to a thickness of100 µm. The chemical inertness of SiC

requires skill and patience in etching,e. g. for viaholes. Here we have madeprogress. The geometry of viaholesthrough 100 µm thick SiC wafersshown in Fig. 8 and the reproducibilityof the etching process suffice for firstmicrostrip circuits.

Viahole metallization and handling ofthin, brittle wafers are further prere-quisites which are now available andwill be integrated into a full 2" wafermicrostrip MMIC back-end process.We have, in 2003, so acquired thebasic technologies to fabricate GaN-based MMICs for future radars.

GaN MMICs

Fig. 5: K-band high-power amplifier.Abb. 5: K-Band-Hochleistungsverstärker.

höheren Dynamikbereich und hoheLinearität verfügen. Die in Abb. 3 dar-gestellte Schaltung beweist dies. Derzweistufige rauscharme Verstärker(LNA) wird in unserer GaN-HEMT-Technologie mit einer Gatelänge von150 nm realisiert. Die Chip-Größe ist2,5x1,5 mm2. Bei einer Betriebsfre-quenz von 11 GHz wurde eine lineareVerstärkung von 18 dB gemessen.Abb. 4 stellt die Rauschzahl als Funk-tion von Drain-Strom und Drain-Source-Spannung dar. Die minimaleRauschzahl von 1,5 dB ist als erstesErgebnis vielversprechend.

Mit GaN-basierenden MMICs werdenauch höhere Frequenzbänder erschlos-sen, wie der K-Band-Leistungsverstär-ker in Abb. 5 zeigt, der mit einerBandbreite von 17 GHz bis 21 GHzbetrieben wird. Hier handelt es sichwiederum um einen zweistufigen HPAmit 12 dB Verstärkung, über 1,8 WAusgangsleistung bei einer Source-Drain-Spannung von 21 V. Diese inAbb. 6 dargestellten Eigenschaftengelten für 18 GHz. Auf GaN-basieren-de MMICs sind somit auch für Breit-bandverstärker mit hoher Linearität ab20 GHz besonders geeignet.

Die Notwendigkeit der Kompatibilitätzu industrieüblichen Modulen undAufbaustandards unserer Industrie-partner, die unsere Schaltungen inModule einbauen, veranlasste uns zurEntwicklung eines Mikrostreifen-Rück-seitenprozesses. Das HeterosubstratSiC hat dabei Vor- und Nachteile. Die überlegene Wärmeleitfähigkeit ist ideal für Leistungsanwendungen,seine extreme mechanische Härteerschwert viele Prozessschritte, z. B.den Umgang mit dem Wafer oder dasDünnen des Wafers. Abb. 7 zeigt daserfolgreiche Dünnen eines 2"-SiC-Wafers auf eine Dicke von 100 µm.Die chemische Robustheit von SiCerfordert Geschick und Geduld beimÄtzen, z. B. für die Durchkontaktie-

rungen (»viaholes«). Hier waren wirbesonders erfolgreich. Die Geometrievon »viaholes« durch 100 µm dickeSiC-Wafer (Abb. 8) und die Reprodu-zierbarkeit des Ätzprozesses sind zu-friedenstellend für erste Mikrostreifen-Schaltungen.

Die Viahole-Metallisierung und dieHandhabung von dünnen, brüchigenWafern sind weitere Voraussetzungen,die uns nun zur Verfügung stehenund gegenwärtig in einen 2"-Wafer-Mikrostreifen-Rückseitenprozess inte-griert werden. Im Jahr 2003 haben wirdamit die Basistechnologie zur Her-stellung von GaN-basierten MMICs fürkünftige Radarsysteme erworben.


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

Fig. 6: Output power, gain, and power addedefficiency of K-band amplifier at 18 GHz.Abb. 6: Ausgangsleistung, Verstärkung undWirkungsgrad eines K-Band-Verstärkers bei 18 GHz.

Fig. 7: 2" semi-insulating SiC substrate thinnedto 100 µm.Abb. 7: Auf 100 µm abgedünntes 2"-SiC-Substrat.

Fig. 8: SEM image of a viahole etched into a100 µm thick SiC substrate.Abb. 8: SEM-Bild eines »Viaholes«, das in ein100 µm dickes SiC-Substrat geätzt wurde.

10 15 200

10

20

30

40

0

10

20

30

40

PAE (%

)

Pout Gain PAE

P out

(dBm

)

Gai

n (d

B)

Pin (dBm)

GaN-MMICs


Transit frequencies of modern hetero-structure transistors have increasedcontinuously in the past decade, forboth HEMTs and HBTs. These activedevices, with cutoff frequencies ofseveral 100 GHz will be the key ele-ments in future communication, activeradar, passive imaging, and radiome-ter systems. HEMTs based onInAlAs/InGaAs heterostructures will beone type of generic transistors forthese highest frequency bands. Theyare usually grown by molecular beamepitaxy, either on InP or GaAs substra-tes, resulting in lattice matched ormetamorphic devices.

Transit frequencies of these field effecttransistors can be raised by improvingthe electrical transport properties, i. e.increasing the average electron velocity,so by increasing the In-content in thechannel, and by reducing the gatelength into the region of several tennanometers. Gate lengths of 50 nmwere reached in this year's work,down from the previous 70 nm. Thisgate length reduction was essentiallydue to the higher acceleration voltageof 100 kV of our JEOL e-beam writerJBX 9300 FS installed in 2002. Thehigher electron energy leads to lessscattering in the resist layer, so givinga reduced broadening of the electronbeam in the three-layer PMMA resistof 50 nm. Such a 50 nm T-gate isshown in cross section in Fig. 1, theSEM micrograph also shows the wetetched gate recess.

The short gate lengths lead to increa-sed electrical field straights, the in-creased In-content in the channel causes a reduction of the impact ioni-sation threshold, or a reduction of theon-state breakdown voltage. This canbe alleviated by using a compositechannel with two, high and low In-contents. The upper lyingIn0.8Ga0.2As channel ensures goodtransport properties and high effective

electron velocities. Electrons with highenergies, at the drain end, travel inthe In0.53Ga0.47As channel with re-duced impact ionisation. Thus on-state breakdown voltages of 1.7 Vcould be obtained. High transit fre-quencies of 340 GHz were extrapola-ted, shown in Fig. 2 for a transistorwith 2x60 µm gate width. The deviceswere passivated with 250 nm of SiN.

A further technological problem is thewet etching of the gate recess.Attempting to keep the ungated areain the recess small, necessitates smal-ler and smaller openings in the resist,making homogeneous etching acrossthe 4" wafers difficult. Careful remo-val of surface oxide is essential forpreventing etch delay at the begin-ning of the chemical etch process.Homogeneous and reproducible recessetch has been achieved, as shown bythe topogram of maximum transcon-ductance gm across a 4" wafer inFig. 3. The gm values directly reflectthe source resistance and so the un-gated recess region.

Further down scaling of these HEMTsis limited by the leakage currentthrough the thin Schottky barrier, astunnelling increases markedly forthicknesses below 10 nm, preventinga further reduction of gate-channelseparation. To retain a satisfactoryratio of gate-source to gate-draincapacitances, the gate-drain capaci-tance has to be reduced. This can bedone with different gate cross sectionsand low-k dielectrics for encapsu-lation, experiments are under way.

HEMTs with Cutoff Frequencies > 300 GHz

Fig. 1: Cross section of 50 nm T-gate.Abb. 1: Schnittbild durch ein 50 nm-T-Gate.

Die Grenzfrequenzen modernerHeterostruktur-Transistoren wie HEMTsoder HBTs wurden in der Vergangen-heit kontinuierlich gesteigert. DieseBauelemente mit Grenzfrequenzenvon einigen 100 GHz sind die Schlüs-selkomponenten in aktiven und pas-siven Radar- sowie abbildenden Systemen. HEMTs, basierend aufInAlAs/InGaAs-Heterostrukturen, sindein Transistortyp für Anwendungen indiesen höchsten Frequenzbändern. Fürgewöhnlich werden diese Heterostruk-turen mit Hilfe der Molekularstrahl-epitaxie entweder auf InP- oder GaAs-Substraten abgeschieden, was zu git-terangepassten oder metamorphenBauelementen führt.

Die Grenzfrequenzen dieser Feld-effekttransistoren kann angehobenwerden durch Verbesserung der elek-trischen Transporteigenschaften, ins-besondere der Erhöhung der mittlerenElektronengeschwindigkeit durch Er-höhung des In-Gehaltes im Kanal oderdurch Reduzierung der Gate-Länge.Verglichen zum Vorjahr konnte dieGate-Länge von 70 nm auf 50 nmreduziert werden (Abb. 1). Diese Ver-kleinerung wurde im Wesentlichendurch die höhere Beschleunigungs-spannung von 100 kV unseres 2002neu installierten Elektronenstrahl-schreibers JBX 9300 FS der Firma JEOLermöglicht. Die höhere Elektronen-energie reduziert die Streuung, waseine geringere Aufweitung des Elek-tronenstrahls im 3-Lagen PMMA-Lackauf nun 50 nm zur Folge hat.

Die aufgrund der geringeren Gate-Länge erhöhte Feldstärke im Bauele-ment verursacht zusammen mit demerhöhten In-Gehalt eine verstärkteStossionisation und somit eine gerin-gere Durchbruchsspannung. Demkann entgegengewirkt werden durcheinen Elektronenkanal mit zweiSchichten, mit hohem und reduzier-tem In-Gehalt. Der oben liegende

In0.8Ga0.2As-Kanal sorgt für eine hoheElektronengeschwindigkeit und somitgute Transporteigenschaften. Die aufder Drain-Seite erzeugten hochener-getischen Elektronen bewegen sichverstärkt innerhalb der In0.53Ga0.47As-Schicht mit reduzierter Stossionisation.Auf diese Weise konnte eine on-state-Durchbruchsspannung von 1,7 Verreicht werden. Für einen Transistormit 2x60 µm Gate-Weite und 250 nmSiN-Passivierung wurde eine Grenz-frequenz fT für die Stromverstärkungvon 340 GHz extrapoliert (Abb. 2).

Eine besondere technologische Her-ausforderung stellt die nasschemischeRezess-Ätzung dar. Die laterale Unter-ätzung muss hierbei trotz abnehmen-der Gate-Länge sehr reproduzierbarüber den gesamten 4"-Wafer verlau-fen, da diese die elektrischen Parame-ter des HEMTs stark beeinflusst. Einesorgfältige Entfernung des Oberflä-chenoxides ist wesentlich, um einenÄtzverzug zu Beginn des chemischenÄtzprozesses zu verhindern. Abb. 3zeigt die Verteilung der maximalenSteilheit gm über einen 4"-Wafer. Dasgm der Bauelemente hängt direkt vonder Weite des nicht metallisierten Re-zessbereichs über dessen Beitrag zumSource-Widerstand ab.

Die weitere Skalierung des HEMTswird von Gate-Leckströmen durch diedünne Schottky-Barriere hindurch be-grenzt. Tunnelströme für Barrieren-dicken unterhalb von 10 nm steigendrastisch an und verhindern so eineweitere Verringerung des Gate-Kanal-Abstandes. Um dennoch ein zufrieden-stellendes Verhältnis von Gate-Source-zu Gate-Drain-Kapazität beibehaltenzu können, muss die Gate-Drain-Kapazität reduziert werden. Hierzulaufen Experimente, in denen diesdurch Variation des Gate-Querschnittsoder durch Einkapselung des Gates inein Material mit niedriger Dielektrizi-tätskonstante erzielt werden soll.


HEMTs mit Grenzfrequenzen > 300 GHz

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

Fig. 2: Extrapolated transit frequency fT of339 GHz for a 2x60 µm device.Abb. 2: Extrapolierte Grenzfrequenz fT von 339 GHz für einen 2x60 µm-HEMT.

Fig. 3: Topogram of max. transconductance fora 2x60 µm HEMT across the 4" wafer.Abb. 3: Verteilung der maximalen Steilheit gmfür einen 2x60 µm-HEMT über 4"-Wafer.

40

30

20

10

0

Gai

n (d

B)

1 10 100Frequency (GHz)

Current gain

fT = 339 GHz

800 1000 1200 1400 1600 18000

4

8

12

16

g (mS/mm)m max

Cou

nts


MIXICsMischsignal-Schaltungen

6 ps


We develop mixed signal and multi-functional ICs for highest bitrates upto 80 Gbit/s using our well-establishedGaAs HEMT-technology. A comple-mentary InP-based heterobipolartransistor (HBT) technology is underdevelopment. ICs with a complexity ofseveral 100 transistors are availableand can be mounted and packaged inmodules.

Applications - optical communication with

bitrates up to 80 Gbit/s- test and measuring systems- parallel optical links

Wir stellen Mischsignal- und multi-funktionale ICs für Datenraten bis80 Gbit/s mit unserer bewährtenGaAs-basierenden HEMT-Technolo-gie her. Diese wird durch eine in derEntwicklung befindliche InP-Hetero-bipolar-Transistor (HBT)-Technologieergänzt. Die Schaltungen mit bis zueinigen 100 Transistoren werden alsPrototypen oder in Kleinserien her-gestellt.

Anwendungen - ICs für die optische

Nachrichtentechnik bis 80 Gbit/s- Mess- und Testsysteme für

hohe Bitraten- parallele optische Verbindungen


Many advanced technologies, inclu-ding III-V-based heterojunction elec-tron mobility transistors (HEMTs) andheterojunction bipolar transistors(HBTs) and even SiGe HBTs, are beingactively investigated for the develop-ment of ultra-high-speed electronicintegrated circuit functions, operatingat 80 Gbit/s and beyond. Thanks totheir excellent transport propertiesand ability to be monolithically inte-grated with photonic devices, InP-based HBTs have been identified asone of the most viable contenders.However, technological breakthroughsin circuit design as well as improvedtransistor performance are required to reach the operating region of80 Gbit/s and beyond.

Within a research project funded bythe Federal Ministry of Education andResearch (BMBF), we have developedan in-house InP HBT technology, star-ting from epitaxial layer growth usingsolid phosphorus molecular beam epi-taxy (MBE) to complete IC-fabrication.A set of basic circuits for future80 Gbit/s systems, including VCOs,frequency dividers and multiplexershave been successfully achieved in thisfirst stage of development.

The initial layer structures and processdevelopments have been performedon MOCVD material grown at theFerdinand-Braun-Institut (FBH), Berlin.These structures included anInGaAs/InP collector and a carbondoped InGaAs base (~ 2x1019 cm-3).The material quality and layer specifi-cations of the InGaAs/InP DHBTs havebeen systematically characterizedbefore device processing, using secon-dary ion mass spectroscopy (SIMS) andX-Ray diffraction.

The fabrication process of InP-basedDHBT devices and ICs is based on astandard triple mesa process using self-aligned base-emitter contacts and

selective wet chemical etching (Fig. 1).Benzocyclobutene (BCB) is used fordevice passivation and planarization.The back-end IC process has beenduplicated from a well established in-house HEMT-based IC process. Thisincludes thin film MIM capacitors andNiCr resistors, two levels of Au-basedinterconnect metals, and gold platedair bridges.

The first DHBT structures (grown byMOCVD) exhibited a current gain of~ 30 and cutoff frequencies (fT andfmax) in the range of 140 and100 GHz, respectively. These relativelylow values were attributed to non-optimal carbon activation andblocking effects that occur at thebase-collector heterojunction.

After the acquisition and installationof our solid phosphorus molecularbeam epitaxy (GEN 200), new DHBTlayer structures with optimized desi-gns have been grown by MBE. Thedoping of the base layer has beenincreased to 4x1019 cm-3, to reducethe base resistance. Moreover, a stepgraded InGaAs/InGaAsP/InP collectorhas been implemented to eliminatethe blocking effect.

Fig. 2 shows typical output charac-teristics of 1x8 µm2 emitter sizeInGaAs/InP DHBTs. These devices dis-played a common-emitter current gainof β ~ 65, a turn-on offset voltage of0.12 V and a breakdown voltageBVCEo > 5 V. The microwave perfor-mance of these devices are summa-rized in Fig. 3. Cutoff frequency valuesof more than 200 GHz for both fT andfmax have been achieved at a collectorcurrent density of ~ 3x105 A/cm2.

The maximum value of fT correspondsto a minimum total delay time of ~ 0.77 ps. The increase of fT has beenattributed to the suppressed blockingeffect. The higher fmax is a result of

InP Double Heterojunction Bipolar Transistors (DHBTs)for 80 Gbit/s Applications

Fig. 1: Schematic sectional view and layer structure of fabricated InP-based DHBTs.Abb. 1: Schematische Darstellung undSchichtstruktur des InP-basierten DHBTs.

E

B

C

n+ InGaAsn+ InP

n+ InGaAsn+ InP

n- InP

nid InGaAsnid InGaAsP

n+ InPnid InP

InP-Substrate

BCB

p+ InGaAs:C

Für die Anwendung in ultra-hoch-bitratigen Übertragungssystemen bei80 Gbit/s und darüber werden gegen-wärtig Technologien auf der Basis vonIII/V-Verbindungshalbleitern wie highelectron mobility transistors (HEMTs)und Hetero-Bipolar-Transistoren (HBTs),aber auch SiGe-HBTs entwickelt unduntersucht. Dank ihrer exzellentenelektronischen Transporteigenschaftenund der Möglichkeit, sie mit photoni-schen Komponenten monolithisch zuintegrieren, scheinen InP-basierendeHBTs vielversprechende Kandidaten fürdiese Anwendungen zu sein. Trotzdemsind weitere bahnbrechende Fort-schritte sowohl im Schaltungsentwurfals auch hinsichtlich der Leistungs-fähigkeit der Einzel-Transistoren not-wendig, um die Übertragungsge-schwindigkeit bis über 80 Gbit/s zusteigern.

Innerhalb eines vom BMBF geförder-ten Projekts wurde am Fraunhofer IAFeine vollständige InP-HBT-Technologieetabliert, die von dem epitaktischenWachstum der Transistor-Schichtenmittels Phosphor-Molekularstrahlepi-taxie (P-MBE) bis zu Herstellung vonkompletten integrierten Schaltungenreicht. Grundlegende Schaltungen fürzukünftige Übertragungssysteme bei80 Gbit/s, wie spannungsgesteuerteOszillatoren, Frequenzteiler und Multi-plexer, konnten bereits in einemfrühen Stadium der Entwicklung erfol-greich demonstriert werden.

Erste Entwicklungen wurden mitSchichtstrukturen aus der metall-organischen Gasphasenepitaxie des Ferdinand-Braun-Instituts (FBH),Berlin, durchgeführt. Diese Strukturenhaben einen InGaAs/InP-Kollektor undeine mit Kohlenstoff (~ 2x1019 cm-3)dotierte InGaAs-Basis. Die Material-qualität und die Schichtspezifikationenwurden vor der Prozessierung derInGaAs/InP-DHBTs mit Hilfe derSekundärionen-Massenspektroskopie

(SIMS) und der Röntgenbeugung cha-rakterisiert.

Der Herstellungsprozess der InP-DHBTsund der integrierten Schaltungen be-ruht auf einem Standardprozess mitdrei Mesa-Ebenen, selbstjustierendenBasis-Emitter-Kontakten und selekti-vem nasschemischen Ätzen (Abb. 1).Für die Bauelementpassivierung und -planarisierung wird Benzocyclobutene(BCB) verwendet. Für den back-end-Prozess wird der im Fraunhofer IAFetablierte Prozess für HEMT-basierteintegrierte Schaltungen verwendet. Er beinhaltet Dünnfilm-MIM-Kapazi-täten, NiCr-Widerstände, Au-basierteVerbindungsmetalle in zwei Ebenenund galvanisch hergestellte Au-Luft-brücken.

Erste Transistoren (mit Schichten ausder MOCVD) wiesen eine Stromver-stärkung von ~ 30, eine Grenzfre-quenz fT von 140 GHz und eine maxi-male Schwingfrequenz fmax von100 GHz auf. Diese relativ geringenWerte wurden auf ungenügendeKohlenstoffaktivierung in der Basisund auf die Leitungsbandbarriere amBasis-Kollektor-Übergang zurückge-führt.

Nach der Inbetriebnahme der Fest-stoff-Phosphor-MBE (Molecular BeamEpitaxy) wurden neue, verbesserteStrukturen gewachsen. Die Kohlen-stoffdotierung in der Basis wurde auf4x1019 cm-3 angehoben, um denBasiswiderstand zu verringern. Zusätzlich wurde eine gradierteInGaAs/InGaAsP/InP-Kollektorschichteingesetzt, um die Barriere am Über-gang zu beseitigen.

In Abb. 2 ist das Ausgangskennlinien-feld eines InGaAs/InP-DHBTs mit einerEmitterfläche von 1x8 µm2 dargestellt.Der Transistor hat eine Gleichstrom-verstärkung β von ~ 65 und eine Off-set-Spannung von 0,12 V.


InP-Doppelheterostruktur-Bipolar-Transistoren (DHBTs)für 80 Gbit/s-Anwendungen

Fig. 2: Typical output characteristics ofInGaAs/InP DHBTs.Abb. 2: Typische Ausgangscharakteristik einesInGaAs/InP-DHBTs.

Fig. 3: Variation of the cutoff frequencies as afunction of the collector current of InGaAs/InPDHBTs.Abb. 3: Variation der Cutoff-Frequenz alsFunktion des Kollektorstroms eines InGaAs/InP-DHBTs.

1 10 10050

100

150

200

250

SEB = 1x8 µm2

VCE = 2 V

fmax

fT

Freq

uenc

y (G

Hz)

IC (mA)

0 1 2 3 40

2

4

6

8

10 SEB = 1x8 µm2

IB: 50 µA/step

I C (mA

)

VCE (V)

InP Double Heterojunction Bipolar Transistors (DHBTs)for 80 Gbit/s Applications


reduced base resistance. The currentgain β being sufficiently high, somegain could still be traded off againsthigher doping in the base to furtherreduce the base resistance. Further-more, these figures of merit areexpected to substantially improve withscaling of the epitaxial structure anddesign geometries.

Using this technology, a 40 GHz vol-tage controlled oscillator (VCO) for40 Gbit/s and 80 Gbit/s clock anddata recovery (CDR) circuits has beensuccessfully designed and fabricated.The VCO exhibited a single-endedoutput power of -0.5 dBm across anexternal 50 Ω load. It also exhibited, a frequency tuning range of 5.5 GHzover 2 V tuning voltage, which is largeenough to compensate for processand temperature variations, as well asdesign inaccuracy. The total powerconsumption at a source voltage of -6 V was 455 mW. The spectrum ofthe VCO output signal at 40 GHz, isshown in Fig. 4.

A static frequency divider-by-two cir-cuit has been realized in emitter coup-led logic (ECL) and was designed tooperate with a single-ended input toground. The input termination is50 ohms. The divider circuit consistsof two emitter coupled data latches.The outputs of these are connected tothe inputs of the output buffer stagedesigned in current mode logic (CML).This stage is able to drive a 50 Ωexternal load. An on-chip output ter-mination resistor of 100 Ω is providedin order to reduce the output returnloss. Fig. 5 shows a photograph of thefrequency divider chip. The number ofactive elements is approximately 70and the chip size is 1.25x1 mm2. Thechips were measured on-wafer using50 Ω coplanar test probes. The mea-sured input sensitivity Vin versus theinput frequency fin of the divider circuit is shown in Fig. 6. The opera-

tional frequency of the circuit rangesfrom 1 GHz to 40 GHz for a sinusoidalinput signal. The resonance frequencyof the static frequency divider isapproximately 25 GHz. The outputvoltage swing amounts to 500 mVppper output channel. The total powerconsumption is < 400 mW at supplyvoltages VCC = +3 V and VEE = -3 V.

A 2:1 multiplexer core including threetwo-stage input drivers and a one-stage output driver has also beendeveloped and manufactured. Theinputs and outputs are differentiallyimplemented. The circuit comprises 90transistors. The chip area is 1x1 mm2.As shown in Fig. 7, the multiplexerhas been successfully tested at datarates up to 50 Gbit/s. The supply cur-rent is about 260 mA at 5.5 V supplyvoltage. The output signal voltageswing of the circuit is about 350 mVinto a 50 Ω load.

These results confirm the great potential of InGaAs/InP DHBTs andhold great promise for future opticalcommunication systems. Future de-velopments are being concentrated on the development of smaller HBTdimensions to allow for higher RF performance and reduced power consumption in more complex ICs.

Fig. 4: VCO output spectrum at 40 GHz.Abb. 4: VCO-Ausgangsspektrum bei 40 GHz.

Fig. 5: Frequency divider (chip size 1.25x1 mm2).Abb. 5: Frequenzteiler (Chipgröße 1,25x1 mm2).

InP-Doppelheterostruktur-Bipolar-Transistoren (DHBTs)für 80 Gbit/s-Anwendungen

Die Durchbruchspannung ist größerals 5 V. Die Hochfrequenzeigen-schaften dieses Bauelements sind inAbb. 3 zusammengefasst. Bei einerKollektorstromdichte von 3x105 A/cm2

erreichen fT und fmax Werte von über200 GHz.

Der maximale Wert der GrenzfrequenzfT entspricht einer minimalen Gesamt-laufzeit von 0,77 ps. Die Vergröße-rung der Grenzfrequenz wurde auf dieBeseitigung der Leitungsbandbarrierezurückgeführt. Die höhere Schwing-frequenz ist das Ergebnis eines verklei-nerten Basiswiderstands. Die hoheStromverstärkung würde eine höhereBasisdotierung erlauben. Dies würdezwar die Stromverstärkung absenken,aber der Basiswiderstand würde wei-ter verkleinert. Eine Skalierung derTransistorgeometrie und der Halb-leiterschichtstruktur wird eine deutli-che Verbesserung der Transistorkenn-werte bewirken.

Mit dieser Technologie wurden ein40 GHz spannungsgesteuerter Oszil-lator (VCO) für 40 Gbit/s und80 Gbit/s Takt- und Datenrückge-winnungsschaltungen (CDR) entwi-ckelt und realisiert. Der in differentiellerTopologie ausgeführte VCO zeigt eineauf einen Ausgang bezogene Aus-gangsleistung von -0,5 dBm an 50 ΩLastwiderstand und einen Abstimm-bereich von 5,5 GHz bei Variation derAbstimmspannung über 2 V. Dieserbreite Frequenzbereich ermöglicht es,sowohl Prozess- und Temperatur-schwankungen als auch Entwurfsab-weichungen entgegenzuwirken. Diegesamte Verlustleistung bei einer Ver-sorgungsspannung von -6 V beträgt455 mW. Abb. 4 zeigt das Spektrumdes Ausgangssignals vom Oszillatorbei 40 GHz.

Ein 2:1 statischer Frequenzteiler wurdein ECL (Emitter Coupled Logic) reali-siert. Der einphasige Eingang der

Schaltung ist mit 50 Ω gegen Masseabgeschlossen. Die Schaltung beinhal-tet zwei Datenlatches. Die Ausgängedes zweiten Latches gehen überEmitterfolger an die Eingänge derAusgangstreiberstufe. Diese ist in CML(Current Mode Logic) ausgeführt undtreibt zwei 50 Ohm-Lasten. Zur aus-gangsseitigen Anpassung wurden anbeiden Ausgängen des Chips 100 ΩWiderstände integriert. Abb. 5 zeigtdas Chipfoto der Teilerschaltung mitca. 70 aktiven Bauelementen. DieChipmaße sind 1,25x1 mm2. Die Ein-gangsempfindlichkeit der Schaltungzeigt Abb. 6. Der Arbeitsbereich derTeilerschaltung geht von 1 GHz bis40 GHz, bezogen auf ein sinusförmi-ges Eingangssignal. Die höchsteEmpfindlichkeit liegt bei ca. 25 GHz.Die Signalamplitude an jedem Aus-gang beträgt 500 mVpp. Die Verlust-leistung, bezogen auf beide Ver-sorgungsspannungen, VCC = +3 Vund VEE = -3 V, ist < 400 mW.

Es wurde auch ein 2:1 Multiplexer-Kern mit drei zweistufigen Eingangs-treibern und einem einstufigen Aus-gangstreiber hergestellt. Die Ein- undAusgänge sind differentiell ausge-führt. Die Schaltung beinhaltet 90Transistoren bei einer Chipfläche von1 mm2. Der Multiplexer wurde bis zueiner Datenrate von 50 Gbit/s erfolg-reich getestet (siehe Abb. 7). DieStromaufnahme beträgt ca. 260 mAbei 5,5 V Versorgungsspannung. DerSpannungshub des Ausgangssignalsliegt bei ca. 350 mV an einer 50 Ω-Last.

Diese Ergebnisse bestätigen das großePotential von InGaAs/InP-DHBTs vorallem für zukünftige optische Kommu-nikationssysteme. Die Weiterent-wicklung der Technologie setzt aufHBTs mit kleineren Abmessungen fürhöhere Operationsfrequenzen undreduzierten Verlustleistungen in kom-plexeren Schaltungen.


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

Fig. 6: Input sensitivity Vin vs. input frequencyfin of the divider-by-two circuit.Abb. 6: Eingangsempfindlichkeit Vin eines 2:1-Teilers.

Fig. 7: Eye diagram of 50 Gbit/s data fromInGaAs/InP DHBT-based multiplexer.Abb. 7: Augendiagramm mit 50 Gbit/sDatenrate eines InGaAs/InP-DHBT-basiertenMultiplexers.

0 10 20 30 40 500.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 Static Divider

0 dBm

UI_

min

(V p

p)

fin (GHz)


Infrared SensorsInfrarot-Sensoren


Infrared sensors for wavelengths from3 – 20 µm are in the focus of our IR-technology. These quantum well infra-red photodetectors (QWIP) based onintersubband transitions in super-lattices show record thermal and spa-tial resolution. For the next detectorgeneration with even higher sensitivitywe will make use of our experience inantimonides and their superlattices.

Applications - IR detectors for 3 – 5 µm

and 8 – 12 µm- QWIP cameras with

640x512 pixels- medical thermography- surveillance and security

Infrarot-Sensoren für den Spektral-bereich von 3 – 20 µm stehen imMittelpunkt unserer IR-Technologie.Diese Quantenfilm-Infrarot-Photo-detektoren (Quantum Well InfraredPhotodetector QWIP) nutzen Intersub-bandübergänge in (AlGa)As-Halb-leiterübergittern aus. AntimonidischeHalbleiter und Übergitter sind für dienächste Detektorgeneration mit nochhöherer Empfindlichkeit vorgesehen.

Anwendungen- QWIPs für 3 – 5 µm und

8 – 12 µm- hochauflösende Wärmebild-

kameras mit 640x512 Bildpunkten- medizinische Thermographie- Überwachung und Sicherheit


Dual-band focal plane arrays (FPA) arecapable of simultaneous thermal ima-ging in two spectral bands, e. g., mid-wavelength infrared (MWIR, 3 – 5 µm)and long-wavelength infrared (LWIR,8 – 12 µm). Due to their enhancedfunctionality, these dual-band FPAs are the new, »third« generation ofthermal imagers. They allow remoteabsolute temperature measurementand improved discrimination betweentargets and background clutter. FPAswill be less vulnerable to countermea-sures and camouflage, e. g. smoke,flares, and laser glare.

Quantum well infrared photodetectors(QWIPs) are ideally suited for FPAsinvolving multiple spectral bands orseveral colors within the same band.In fact, QWIPs are the only genuinenarrow-band infrared detectors with a relative spectral width ∆λ/λ of 10 – 20 %. In addition, the maturityof their GaAs-based technology is wellsuited for fabricating highly complexdual-band FPAs.

We are developing a dual-band QWIPFPA with pixel-registered, simulta-neous integration of thermal radiationfrom MWIR and LWIR bands. Our FPAcomprises 384x288 pixels with a pitchof 40 µm. The structure, grown bymolecular beam epitaxy, contains twostacked QWIP multilayers designed forwavelengths in the MWIR and LWIR,respectively. N-type InGaAs/AlGaAsmultiple quantum wells are used forthe MWIR, while a photovoltaic »low-noise« QWIP is exploited for the LWIR.The two active regions are sandwi-ched between three n-type GaAscontact layers. Due to the strongly differing photoconductive gain in thetwo QWIP structures, similar signallevels are provided for both bands,even though the photon flux in theLWIR is almost an order of magnitudehigher than the flux in the MWIR.

Fig. 1 shows a SEM picture of a singledetector pixel in a processed dual-band QWIP FPA. The pixel has threecontact pads (bright areas) for electri-cal connection with the readout inte-grated circuit (ROIC). The micrographalso shows the two-dimensional gra-ting used for optical coupling. Here agrating period of 1.65 µm is chosen,which is optimized to a peak wave-length of about 4.8 µm.

Hybridization with a custom-designedROIC and integration into the dewarand cooler assembly is carried out byour industrial partner, AEG Infrarot-Module (AIM), Heilbronn. Preliminaryarray data concerning the noise-equi-valent temperature difference (NETD)in the MWIR and LWIR bands, respec-tively, are presented in Fig. 2 andFig. 3. In addition to NETD histo-grams, the figures show Gaussian fitfunctions for the average NETDs. Weobtain NETDs of 43 mK for the LWIRand 17 mK for the MWIR. Taking intoaccount the short integration time ofonly 7.6 ms at an f/2 field-of-view,both values represent excellent NETDsfor these our first dual-band FPAs.

Modified diffraction gratings will beused to improve the NETD for thelong wavelengths at the expense ofthe MWIR performance. The aim is to obtain NETD values of less than20 mK for both bands, with integra-tion times of 16.8 ms or less.

Dual-Band QWIP Focal Plane Arraysfor 3 – 5 µm and 8 – 12 µm

Fig. 1: SEM picture of single pixel within dual-band QWIP array.Abb. 1: REM-Aufnahme eines Einzelpixels ineiner Zwei-Band-QWIP-Bildfeldmatrize.

Zwei-Band-Bildfeldmatrizen (dual-band focal plane arrays, FPAs) erzeu-gen Wärmebilder in zwei Spektralbän-dern, z. B. in den Bereichen 3 – 5 µm(MWIR) und 8 – 12 µm (LWIR). Auf-grund dieser verbesserten Funktionali-tät ermöglichen derartige Zwei-Band-FPAs eine neue, »dritte« Generationvon Wärmebildgeräten. Hiermit lassensich absolute Temperaturen aus derFerne bestimmen und Ziele besser vonStörsignalen unterscheiden. Zwei-Band-FPAs sind weniger anfällig gegenTarn- und Gegenmaßnahmen, z. B.durch Rauch, Leuchtkugeln undBlendlaser.

Quantumwell-Infrarot-Photodetek-toren (QWIPs) sind ideal geeignet fürFPAs mit mehreren Spektralbändernoder mehreren Farben innerhalb desgleichen Bandes. In der Tat sindQWIPs die einzigen »echten« Schmal-band-IR-Detektoren mit relativen spek-tralen Breiten ∆λ/λ von 10 – 20 %.Deren technisch ausgereifte GaAs-Technologie ist zudem sehr gut für dieHerstellung dieser hochkomplexenZwei-Band-FPAs geeignet.

Wir entwickeln ein Zwei-Band-QWIP-FPA mit simultaner Detektion vonWärmestrahlung sowohl im LWIR- alsauch im MWIR-Bereich in jedem Pixel.Dieses FPA besteht aus 384x288Bildpunkten mit einem Rastermaß von40 µm. Die mit Molekularstrahlepi-taxie realisierte Schichtstruktur enthältzwei übereinanderliegende QWIP-Schichtenstapel, die für das MWIRbzw. LWIR vorgesehen sind. N-dotierteInGaAs/AlGaAs-Mehrfachquantenfilmewerden im MWIR, ein photovoltai-scher »low-noise« QWIP im LWIR ein-gesetzt. Diese beiden aktiven Zonensind zwischen drei n-GaAs-Kontakt-schichten eingebettet. Aufgrund desstark unterschiedlichen Photoleitungs-gewinns in beiden QWIP-Strukturensind ähnliche Signalstärken in beidenBändern verfügbar, obwohl der

Photonfluss im LWIR fast zehnmal sohoch ist wie der Photonfluss imMWIR.

Abb. 1 zeigt eine REM-Aufnahmeeines Einzeldetektors in einem Zwei-Band-QWIP-FPA. Das Pixel hat dreiKontakte (helle Flächen) zur elektri-schen Verbindung mit dem Auslese-schaltkreis (readout integrated circuit,ROIC). Die Aufnahme zeigt außerdemdas zweidimensionale optischeKoppelgitter. Die hier gewählte Gitter-periode von 1,65 µm ist für eineWellenlänge von 4,8 µm ausgelegt.

Die Hybridisierung mit einem speziellangepassten ROIC und die Integrationin einen Dewar mit Kühlmaschinewird durch unseren IndustriepartnerAEG Infrarot-Module (AIM), Heilbronn,durchgeführt. Vorläufige Histogrammeder Temperaturauflösung (noise-equi-valent temperature difference, NETD)im MWIR und LWIR sind in Abb. 2und Abb. 3 dargestellt. NETDs von43 mK im LWIR bzw. 17 mK im MWIRwerden durch Gauss'sche Fitfunk-tionen angezeigt. In Anbetracht derkurzen Integrationszeiten von nur7,6 ms bei einer Öffnungszahl f/2handelt es sich in beiden Fällen umhervorragende NETD-Werte.

Als nächster Schritt sollen NETD-Werte< 20 mK in beiden Bändern bei Inte-grationszeiten von maximal 16,8 msrealisiert werden. Hierzu werdenmodifizierte Beugungsgitter verwen-det, um die NETD im LWIR – aufKosten einer reduzierten Einkopplungim MWIR – weiter zu verbessern.


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

Zwei-Band-QWIP-Bildfeldmatrizen für 3 – 5 µm and 8 – 12 µm

Fig. 3: NETD-histogram of LWIR response ofdual-band QWIP FPA.Abb. 3: NETD-Histogramm des LWIR-Signalseines Zwei-Band-QWIP-FPAs.

Fig. 2: NETD-histogram of MWIR response ofdual-band QWIP FPA.Abb. 2: NETD-Histogramm des MWIR-Signalseines Zwei-Band-QWIP-FPAs.

0 20 40 60 80 1000

5

10

15

20

LWIR7.6 ms, f/2

Pixe

l (%

)

NETD (mK)

20 40 60 80 1000

10

20

30

40MWIR7.6 ms, f/2

Pixe

l (%

)

NETD (mK)


Semiconductor Lasers and LEDsHalbleiter-Laser und LEDs

430.2 nm

497.3 nm

613.5 nm


A variety of semiconductor lasers,with emission wavelengths coveringthe entire spectral range from ultra-violet (UV) to infrared (IR), are avail-able from the Fraunhofer IAF: (AlGa)N lasers for short wavelengths,GaAs power lasers with wavelengthsaround 1 µm and quantum cascadelasers (QCL) for the mid-IR. We workon GaN-based LEDs with UV or blueemission which is converted intogreen, red or even white light by lumi-nescence conversion in LUCO-LEDs.

Applications- diode lasers for materials

processing and optical pumping

- QCLs for environmental control- blue lasers for optical data

storage- LUCO-LEDs for illumination

Vom Ultravioletten bis zum Infrarotenreicht der Spektralbereich, der von un-seren Halbleiterlasern abgedeckt wird:(AlGa)N-Laser für kurzwellige Laser-emission, Hochleistungslaser mit Wel-lenlängen um 1 µm aus GaAs undQuantenkaskadenlaser (QCL) für dasmittlere Infrarot werden im FraunhoferIAF hergestellt. Wir entwickeln GaN-basierende LEDs, deren ultraviolettesoder blaues Licht in LUCO-LEDs durchLumineszenzkonversion in grün oderrot und sogar in weiß verwandeltwird.

Anwendungen- Leistungslaser für Material-

bearbeitung und optisches Pumpen

- QCLs für Umweltmesstechnik- blaue Laser für Daten-

speicherung- LUCO-LEDs für Beleuchtung


Violet emitting semiconductor diodelasers with wavelengths ranging from400 to 410 nm will find a volume market in ultra high density DVDsystems, with storage capacities ex-ceeding 10 gigabytes. With furtherprogress in increasing output powerand extending the emission wave-lengths into the visible (blue) spectralrange new applications will includelaser printers and projection displays.

The favorite material combination incurrent use for these short-wavelengthdiode lasers are the (AlGaIn)-nitrides.One of the major drawbacks is thelack of bulk GaN-, i. e. native, substra-tes. Therefore heteroepitaxy on sapphi-re or SiC substrates has to be used inthe growth of these GaN/AlGaN/GaInNlayers. The heteroepitaxial layers havehigh defect densities, particularly detri-mental in semiconductor diode lasers,limiting lifetimes.

Fraunhofer IAF is participating in ajoint research program on blue diodelasers funded by the Federal Ministryof Education and Research (BMBF).The leading industrial partner is OsramOpto Semiconductors, Regensburg;research groups from several universi-

ties are also taking part. The work ofthe Fraunhofer IAF is focused on deve-loping (AlGaIn)N lasers on sapphire,using metal organic chemical vapordeposition (MOCVD) for layer growth.This choice of substrate excludes clea-ving the laser facets, i. e. the laserfacets have to be prepared by etching,here using chemically assisted ionbeam etching (CAIBE) with photo-lithographically defined resist etchingmasks. Furthermore, as these substra-tes are insulating, contacting of thebottom n-contact layer has to bemade by mesa etching.

Etched laser facets, on the other hand,have the advantage of allowing on-wafer testing and measuring the lasersin large quantities, without cleavingand mounting diced lasers. Thus relia-ble and comprehensive statistics oflaser parameters can be obtained.Fig. 1 shows the on-wafer testing ofour lasers with etched facets.

To improve the laser performance, par-ticularly the device lifetime, the electri-cal power dissipation at threshold hasto be reduced as much as possible. Tothis end the width of the ridge wave-guide was reduced to 2 µm or evenless, parasitic voltage drops were keptas low as possible. A self-aligned pro-cess has been developed to fabricatethese narrow ridge waveguide (RW)diode lasers. Fig. 2 shows a SEM picture of a 2 µm wide RW laser with etched mirror facets.

Representative output power vs. cur-rent (P-I) characteristics are given inFig. 3 for RW lasers emitting between400 nm and 410 nm, resulting fromfour different epitaxial and processingsequences.

Within the last year the threshold currents have been reduced drasticallyfrom 0.6 A for the first generation tobelow 0.1 A for the latest laser diodes.

Violet Diode Lasers for Optical Data Storage

Fig. 1: On-wafer testing of (AlGaIn)N diode lasers with etched mirror facets. Abb. 1: Messung eines (AlGaIn)N-Diodenlasers mit geätzten Spiegelfacetten imWaferverbund.

Für violett emittierende Halbleiter-Diodenlaser mit Emissionswellen-längen im Bereich von 400 bis410 nm wird sich in DVD-Systemenhöchster Speicherkapazität oberhalbvon 10 GB ein Massenmarkt eröffnen.Ihre Weiterentwicklung im Hinblickauf höhere Ausgangsleistungen undErweiterung des Wellenlängenbereichszum sichtbaren (blauen) Spektralbe-reich hin wird zusätzliche Anwen-dungen in Laserdruckern und Pro-jektionsdisplays eröffnen.

Die Gruppe III-Nitride sind das derzeitfür die Realisierung von kurzwelligemittierenden Diodenlasern am mei-sten verwendete Halbleitermaterial-system. Ein wesentlicher Nachteil die-ses Materialsystems ist jedoch dasFehlen von GaN-Volumenkristallen alsEigensubstrat. Deshalb muss Hetero-epitaxie auf Fremdsubstraten wieSaphir oder SiC zur Herstellung dererforderlichen GaN/AlGaN/GaInN-Schichtenfolgen verwendet werden.Derartige heteroepitaktische Schichtenweisen jedoch eine hohe Dichte anKristalldefekten auf, die vor allem beiDiodenlasern für deren Lebensdaueräußerst nachteilig sind.

Das Fraunhofer IAF beteiligt sich aneinem Verbundforschungsvorhabenzur Entwicklung von blauen Dioden-lasern, das vom Bundesministeriumfür Bildung und Forschung (BMBF)gefördert wird. Der führende Indus-triepartner ist hierbei Osram OptoSemiconductors in Regensburg;Forschergruppen verschiedener Uni-versitäten sind ebenfalls beteiligt. DieArbeit am Fraunhofer IAF konzentriertsich auf die Entwicklung von(AlGaIn)N-Diodenlasern auf Saphir-substraten unter Verwendung dermetallorganischen Gasphasenepitaxie(MOCVD) zur Herstellung derSchichtenfolgen. Diese Substratwahlerlaubt es nicht, die Laserspiegeldurch Spalten herzustellen, d. h. die

Laserspiegel müssen mittels chemischassistiertem Ionenstrahlätzens (CAIBE)unter Verwendung einer photolitho-graphisch definierten Lackmaske ge-ätzt werden.

Geätzte Spiegelfacetten haben ande-rerseits den Vorteil, dass die so herge-stellten Diodenlaser in großer Anzahlauf dem Wafer vermessen werdenkönnen, ohne die Laser vereinzeln undaufbauen zu müssen. Dadurch kanneine hohe statistische Signifikanz undVerlässlichkeit der so ermitteltenLaserparameter erreicht werden.Abb. 1 zeigt einen blauen Dioden-laser beim Test im Waferverbund.

Um die Lasereigenschaften, und insbe-sondere die Bauelement-Lebensdauerzu verbessern, muss die an derLaserschwelle injizierte elektrischeLeistung so weit wie möglich abge-senkt werden. Um dieses zu erreichen,wurde die Breite des Rippenwellen-leiters auf 2 µm oder weniger redu-ziert. Ferner wurden die parasitärenSpannungsabfälle minimiert. Eineselbstjustierende Prozessabfolge zurHerstellung derartiger schmalerRippenwellenleiter-Diodenlaser wurdehierfür entwickelt. Abb. 2 zeigt eineREM-Aufnahme eines 2 µm-Rippen-wellenleiterlasers mit geätztenSpiegelfacetten.

Repräsentative Lichtleistungs-Strom-Kennlinien sind in Abb. 3 für Rippen-wellenleiterlaser mit Emissionswellen-längen im Bereich von 400 bis410 nm dargestellt, die aus vier suk-zessive verbesserten Epitaxie- undProzessdurchläufen stammen.

Innerhalb des letzten Jahres konnteder Schwellstrom von 0,6 A für dieLaser der ersten Generation auf unter0,1 A für die jüngste Generation vonBauelementen reduziert werden.Gleichzeitig wurde auch die Spannungan der Laserschwelle reduziert, so dass


Violett emittierende Diodenlaser für die optische Datenspeicherung

Fig. 2: Top view of a 2 µm wide (AlGaIn)Nridge waveguide diode laser with etched mirrorfacets and mesa etched n-contact.Abb. 2: Aufsicht eines 2 µm breiten (AlGaIn)N-Rippenwellenleiterdiodenlasers mit geätztenSpiegelfacetten sowie mesageätztem n-Kontakt.

Fig. 3: Pulsed output power vs. current of(AlGaIn)N diode lasers for 4 growth/processingruns. Cavity length was 500 µm, ridge width4 µm for Gen. 1 – 3 and 2 µm for Gen. 4.Abb. 3: Im Pulsbetrieb aufgenommeneLichtleistungs-Strom-Kennlinien von (AlGaIn)N-Diodenlasern aus vier verschieden Epitaxie-bzw. Prozessläufen. Die Resonatorlänge beträgteinheitlich 500 µm, während die Rippenbreitevon 4 µm (1. bis 3. Generation) auf 2 µm (4.Generation) reduziert wurde.

2µm-Ridge

p-Contact

n-Contact

Facet

2 µm-Ridge

p-Contact

n-Contact

Facet

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70

5

10

15

20

1. Gen. (05/02) 2. Gen. (10/02) 3. Gen. (03/03) 4. Gen. (09/03)

Opt

ical

Out

put

Pow

er (m

W)

Current (A)

Violet Diode Lasers for Optical Data Storage


The operating voltage at threshold wassimultaneously reduced which leads toreduced power dissipation (Pth) atthreshold, as shown in Fig. 4 for thesecond, third and fourth processingsequence. The first step which reducedPth from 6 W (for a 500 µm long and4 µm wide diode) to less than 4 Wresulted from improved ohmic contactsand thus lower series resistances. Theuse of commercially available GaNtemplates, with lower defect density of 7 to 8x107 cm-2, instead of sap-phire, reduced the defect densities inthe epitaxial laser structures from2x109 cm-2 to the high 107 cm-2

range, so lowering Pth to about 2.5 W.These GaN templates with 8 – 10 µmthickness were grown by MOCVD on sapphire using lateral overgrowth onSiN-masked substrates. The final im-provement resulted from the reductionof the ridge width from 4 µm to 2 µmusing the novel self-aligned process,giving Pth below 1.5 W.

All these data have been measuredon-wafer in pulsed operation, withtypical pulse lengths of 200 ns and aduty cycle of 0.1 %. The laser facetswere uncoated, there was no devicemounting for increased heat removal.High-reflectivity facet coating andappropriate heat sinking will lowerthreshold currents and power dissipa-tion further, making cw operation viable.

Using the »low defect density« GaNtemplates as substrates for theMOCVD growth led not only to a marked reduction in threshold current,but also to an increase in sub-thresholdspontaneous emission by a factor oftwo.

This increase in spontaneous emissionat low injection currents is shown inFig. 5, comparing the P-I characteristicsof two nominally identical light emit-ting diodes (LED) emitting at 400 nm,

one grown on sapphire with the stan-dard nucleation and buffer layer, theother grown on a GaN template. TheLED efficiency increases by a factor of1.6. These measurements were madeon-wafer through the substrate usingIndium ball contacts. The reduction ofthe defect densities will, of course, bebeneficial for next generation LEDs.These will form the basis for lumines-cence converted white LED lamps,which will find application in automo-tive and general lighting.

Fig. 4: Dissipated electrical power at lasingthreshold in pulsed operation for (AlGaIn)Ndiode lasers for three different generation devices (Gen. 2 – 4).Abb. 4: An der Laserschwelle injizierte elektri-sche Leistung im Pulsbetrieb für (AlGaIn)N-Diodenlaser dreier aufeinanderfolgenderEntwicklungsstufen (2. bis 4. Generation).

0

1

2

3

4

5

6

7

Reduction of ridge width from 4 µm to 2 µm

Reduction ofdefect density

Optimisation of contacts(reduction of U0)

N0656-4AN0652-1B

N0656-4DN0652-1C

GN4473BGN4451C

GN4451BGN4451B

(AlGaIn)N ridge laserRidge length: 500 µm

Elec

tric

al T

hre

sho

ld P

ow

er (

W)

Wafer Number

Violett emittierende Diodenlaser für die optische Datenspeicherung

die an der Schwelle injizierte Leistung(Pth), wie in Abb. 4 für Laser der zwei-ten, dritten und vierten Generationdargestellt, wesentlich verringert wer-den konnte. Der erste Schritt, der zueiner Reduktion von Pth von 6 W (für500 µm lange und 4 µm breiteDiodenlaser) auf weniger als 4 Wführte, wurde durch verbesserte ohm-sche Kontakte und damit einem ver-ringerten Serienwiderstand erreicht.Der Einsatz kommerziell erhältlicherGaN-»Templates« mit einer Defekt-dichte von nur (7 – 8)x107 cm-2 anStelle von Saphir hatte eine Reduktionder Defektdichte in der epitaktischenLaserschichtenfolge von 2x109 cm-2

in den oberen 107 cm-2-Bereich zurFolge, was zu einer Verringerung vonPth auf etwa 2,5 W führte. Diese GaN-»Templates« mit einer Schichtdickevon 8 – 10 µm wurden mittelsMOCVD unter Einsatz eines lateralenÜberwachsschritts auf einer in-situerzeugten SiN-Maske auf Saphirsub-strat hergestellt. Die weitere Verbes-serung von Pth auf Werte unter 1,5 Wwurde durch eine Verringerung derRippenbreite von 4 µm auf 2 µmunter Einsatz des neu entwickeltenselbstjustierenden Prozesses erzielt.

Alle hier vorgestellten Daten wurdenim Waferverbund im gepulsten Betriebmit einer Pulslänge von 200 ns undeinem Füllfaktor von 0,1 % aufge-nommen. Ferner waren die Laser-facetten nicht beschichtet, und eserfolgte keine Montage der Bauele-mente für eine verbesserte Abfuhr derVerlustwärme. Der Einsatz einer hoch-reflektierenden Facettenbeschichtungsowie einer entsprechenden Aufbau-technik wird zu einer weiteren Re-duktion des Schwellstroms und derVerlustleistung führen, wodurchDauerstrichbetrieb möglich werdenwird.

Der Einsatz der GaN-»Templates« mitniedriger Defektdichte als Substrat für

das MOCVD-Wachstum führte zueiner deutlichen Verringerung desSchwellstroms und zu einer Verdop-plung der Intensität der spontanenEmission unterhalb der Laserschwelle.

Diese Verbesserung in der spontanenEmission bei niedrigen Injektions-strömen ist in Abb. 5 an Hand vonLeuchtdioden (LEDs) dargestellt. Essind die Lichtleistungs-Strom-Kenn-linien zweier nominell identischer bei400 nm emittierender LEDs aufgetra-gen. Die eine LED wurde auf Saphirunter Verwendung einer standard-mäßigen Nukleations- und Puffer-schicht, die andere auf einem GaN-»Template« aufgewachsen. Die Effi-zienz der letzteren ist um den Faktor1,6 höher. Diese Messungen wurdenim Waferverbund durch das transpa-rente Saphirsubstrat hindurch unterVerwendung von Indiumkugeln alsKontakte durchgeführt. Eine solcheverringerte Defektdichte wird selbst-verständlich auch vorteilhaft sein fürdie LEDs der nächsten Generation.Diese werden die Grundlage für weißeLumineszenzkonversions-LED-Licht-quellen sein, die im Automobilbereichund der Allgemeinbeleuchtung zumEinsatz kommen werden.


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

Fig. 5: cw output power vs. current character-istic for two nominally identical LED structuresgrown on a) sapphire with defect density of 109 cm-2 and b) low-defect density (7-8)x107 cm-2) GaN template.Abb. 5: Im Dauerstrichbetrieb aufgenommeneLichtleistungs-Strom-Kennlinien zweier nominellidentischer LEDs, die a) auf Saphirsubstrat miteiner Defektdichte von 109 cm-2 und b) aufeinem GaN-»Template« mit einer Defektdichtevon (7-8)x107 cm-2 aufgewachsen wurden.

0 10 20 30 400

2

4

6

8

(AlGaIn)N QW LEDIndium contacton-waferO

ptic

al O

utpu

t Po

wer

(mW

)

Current (mA)

on sapphire: (1-2)x109 cm-2

on GaN template: (7-8)x107 cm-2

LED = 400 nmλ


Infrared solid-state lasers will findapplications in trace gas detection,process control in environmentalengineering, as well as in medical dia-gnostics and therapy. Compact, robustand reliable semiconductor lasers canbe realized with III-V compoundheterostructures, with different deviceconcepts for differing emission wave-lengths from visible to tens of microns(THz range).

Specifically, the 2 – 3 µm wavelengthrange can be covered by the group III-AsSb materials system, employingGaInAsSb/AlGaAsSb quantum wells(QW) as the active region. Besidesspectroscopic trace gas detection, thiswavelength range is of increasingimportance for medical applications asthe human skin tissue exhibits a relati-ve maximum in transmission from 2.1to 2.4 µm. Thus, this spectral windowis ideally suited for multi-wavelengthdensitometric diagnostics of e. g. glucose or other substances in humanblood, as well as for laser therapy.

GaInAsSb/AlGaAsSb triple-QW diodelasers fabricated at the Fraunhofer IAFby solid-source molecular-beam epitaxy on n-GaSb substrates havealready shown excellent power perfor-mance at 2 µm. A maximum cw out-put power of 1.7 W has been measu-red at 300 K for 150 µm wide and1000 µm long broad area (BA) deviceswith high-reflection/anti-reflectioncoated facets. These lasers weremounted p-side down for improvedthermal management. This cw outputpower is limited by thermal roll-over.In pulsed operation, however, signifi-cantly higher output powers can beachieved, as illustrated in Fig. 1. Therea pulsed output power vs. currentcharacteristic (0.5 µs pulse width,0.01 % duty cycle) is shown for sucha 2 µm broad area laser operated at aheat sink temperature of 300 K. Themaximum peak output power of 9 W

is limited by the power supply ratherthan by thermal roll-over or catastro-phic optical damage (COD) to the mir-ror facets. These results show that thepresent group III-antimonide baseddiode lasers can be used in applica-tions requiring (pulsed) high-poweroperation, as in LIDARs. In cw opera-tion a lifetime of 16 000 h has beendemonstrated for 2 µm broad arealasers, operated at 300 K at an outputpower of 0.9 W.

The impressive performance of theabove 2 µm diode lasers with strainedternary GaInSb QWs as the activeregion can be transferred to longerwavelengths by switching to quater-nary GaInAsSb QWs with appropri-ately designed strain and band offsets.Fig. 2 displays pulsed and cw outputpower vs. current characteristics of atriple-QW ridge waveguide (RW)diode laser (ridge width 64 µm, cavitylength 1000 µm) emitting around2.38 µm (see lasing spectrum in theinset of Fig. 2). Device mounting wassubstrate-side down with no coatingapplied to the laser facets. Contrary toprevious results which indicated adecrease in laser performance withincreasing wavelength forGaInAsSb/AlGaAsSb QW lasers onGaSb, the present 2.38 µm devicesshow a low threshold current densityof Jth = 164 A/cm2 and a differentialquantum efficiency of ηd = 43 %;these values are almost identical tothose found for described 2 µm lasers(Jth = 176 A/cm2, ηd = 45 %).

Laser modules for various applicationsare under development, a prototypefor medical instrumentation is shownin Fig. 3. The laser chips are packedtogether with a thermistor (NTC) on athermo-electric cooler (TEC) into ahermetically sealed butterfly package.Laser wavelengths can be tuned byTEC control, laser power can be con-trolled by an optional monitor diode,

Infrared Semiconductor Lasers for Sensing and Medical Applications

Fig. 1: Pulsed (0.5 µs pulse width, 0.01 % dutycycle) output power vs. current characteristic ofa 2 µm GaInSb/AlGaAsSb triple-QW BA diodelaser.Abb. 1: Im Pulsbetrieb (0,5 µs Pulslänge, 0,01 % Füllfaktor) aufgenommene Licht-leistungs-Strom-Kennlinien eines bei 2 µmemittierenden GaInSb/AlGaAsSb-QW-Breitstreifen-Diodenlasers.

Fig. 2: Pulsed and cw 280 K output power vs.current characteristics and cw lasing spectrumof a 2.38 µm GaInAsSb/AlGaAsSb triple-QWRW diode laser (5 µs pulse width, 5 % dutycycle). Abb. 2: Im Pulsbetrieb sowie im kontinuierli-chen Betrieb aufgenommene Lichtleistungs-Strom-Kennlinien eines bei 280 K betriebenen2,38 µm-GaInAsSb/AlGaAsSb-QW-Rippen-wellenleiter-Diodenlasers (5 µs Pulslänge, 5 %Füllfaktor).

0 5 10 15 20 25 300

2

4

6

8

10

BA-Laser1000 x 150 µm2

λ = 2.0 µm

Current (A)

9 Wpulsed, 300 K

Out

put

Pow

er (W

)

2.37 2.38

0.0 0.5 1.0 1.50

20

40

60

80

100

120

140 RW-Laser1000 x 64 µm2

T = 280 K

CW

pulsed

Out

put

pow

er (m

W)

Current (A)

λ (µm)

Infrarotlaser finden zunehmend An-wendung in der Spurengasanalytik,der Prozesskontrolle und Umwelt-analytik sowie in der medizinischenDiagnostik und Therapie. Kompakte,robuste und zuverlässige Halbleiter-laser können mittels Heterostrukturenauf der Basis der III-V-Verbindungs-halbleiter realisiert werden, wobeiunterschiedliche Bauelementkonzeptefür unterschiedliche Wellenlängenbe-reiche vom Sichtbaren bis zu einigen10 µm (THz-Bereich) zur Anwendungkommen.

Der Wellenlängenbereich zwischen 2und 3 µm kann mit dem Materialsys-tem der Gruppe III-AsSb abgedecktwerden, wobei GaInAsSb/AlGaAsSb-Quantenfilme (quantum wells, QW)als aktiver Bereich verwendet werden.Abgesehen von der Spurengasanalytikist dieser Wellenlängenbereich für dieMedizintechnik von zunehmendem In-teresse, da die menschliche Haut einrelatives Maximum in ihrer Transmis-sion in dem Wellenlängenfenster von2,1 bis 2,4 µm aufweist. Daher ist dieser Wellenlängenbereich in idealerWeise für die Diagnostik von z. B. Blut-zucker auf der Basis der Multiwellen-längen-Densitometrie sowie für Anwen-dungen in der Lasertherapie geeignet.

Am Fraunhofer IAF entwickelteGaInAsSb/AlGaAsSb-dreifach-QW-Diodenlaser, die mittels der Molekular-strahlepitaxie auf n-GaSb-Substratenhergestellt wurden, haben bei Emis-sionswellenlängen von 2 µm schonausgezeichnete Leistungskenndatengezeigt. So wurde bei 300 K für1000 µm lange und 150 µm breiteBreitstreifenlaser eine maximaleAusgangsleistung im Dauerstrichbe-trieb von 1,7 W erzielt. Die Facettendieser Laser waren hochreflektierendbzw. antireflektierend beschichtet,und die Bauelemente waren zur Ver-besserung der Abfuhr der Verlust-wärme mit der p-Seite nach unten

aufgebaut. Die maximale Ausgangs-leistung im Dauerstrichbetrieb istdurch thermisches Überrollen be-grenzt. Im gepulsten Betrieb können,wie Abb. 1 zeigt, wesentlich höhereAusgangsleistungen erzielt werden.Bei einer Pulslänge von 0,5 µs undeinem Füllfaktor von 0,01 % lassensich bei 300 K und einer Wellenlängevon 2 µm eine maximale Leistung imPuls von mindestens 9 W erreichen.Dieser Wert wird durch das verwende-te Netzteil und nicht durch thermi-sches Überrollen oder Schädigung derLaserfacetten (COD) begrenzt. DiesesErgebnis zeigt, dass die hier realisier-ten Diodenlaser auf der Basis derGruppe III-Antimonide für Anwen-dungen wie z. B. LIDAR geeignet sind,die hohe gepulste Ausgangsleistungenerfordern. Im Dauerstrichbetrieb wur-den bei 2 µm schon Lebensdauern von16 000 Stunden bei 300 K und einerAusgangsleistung von 0,9 W gezeigt.

Diese beeindruckenden Leistungs-daten, die für bei 2 µm emittierendeLaser mit verspannten GaInSb-QW alsaktivem Bereich demonstriert wurden,können durch die Verwendung vonquaternären GaInAsSb-QW zu länge-ren Wellenlängen übertragen werden.Die Abb. 2 zeigt im Pulsbetrieb sowieim kontinuierlichen Betrieb aufgenom-mene Lichtleistungs-Strom-Kennlinieneines Rippenwellenleiterlasers miteiner Emissionswellenlänge im Bereichvon 2,38 µm. Der Laser wurde mit derSubstratseite nach unten aufgebautund die Laserfacetten verblieben un-beschichtet. Im Gegensatz zu früherenErgebnissen, die eine Abnahme derLaserleistung mit zunehmenderWellenlänge zeigten, sind für denhier vorgestellten 2,38 µm-Dioden-laser die Schwellstromdichte von Jth = 164 A/cm2 und die differentielleQuanteneffizienz von ηd = 43 %nahezu identisch zu den Werten eines2 µm-Diodenlasers (Jth = 176 A/cm2,ηd = 45 %).


Infrarot-Halbleiterlaser für sensorische und medizinische Anwendungen

Fig. 3: Prototype module with a 2 µmGaInSb/AlGaAsSb QW diode laser mounted ona TEC in a butterfly package. Laser beam iscoupled to an IR transmitting MMF-pigtail.Abb. 3: Prototyp eines Lasermoduls, bestehendaus einem auf einen thermoelektrischen Kühleraufgebauten 2 µm-GaInSb/AlGaAsSb-QW-Diodenlaser in einem »Butterfly«-Gehäuse mitLichtleitfaserausgang für das Laserlicht.

Infrared Semiconductor Lasers for Sensing and Medical Applications


mounted close to the back facet ofthe laser. The laser beam is coupled toan IR transmitting multimode fiberpigtail with SMA connector.

For spectroscopic sensors at wave-lengths around and above 5 µm,quantum cascade lasers (QCL) on thebasis of the materials combinationGaInAs/AlInAs/InP are currently underdevelopment at the Fraunhofer IAF. As high-resolution absorption spec-troscopy of molecular species requiressingle-mode operation and tuning ofthe laser source, the distributed feed-back (DFB) laser concept is adopted.

The active region with 25 periods aswell as the surrounding lattice mat-ched GaInAs separate confinementlayers are grown by solid-source mole-cular beam epitaxy on InP substrates.The three-QW active region consists of lattice matched GaInAs QWs andAlInAs barriers in combination withAlAs blocking barriers and strain-com-pensating InAs layers inserted into theactive QW. Prior to the growth of theupper InP cladding and contact layersby low-pressure metal-organic vaporphase epitaxy (MOVPE), the DFB grating is defined by electron beamlithography and transferred into thetop GaInAs separate confinementlayer by chemically assisted ion beametching (CAIBE). Following MOVPEregrowth, mesa waveguides werefabricated by photolithography andCAIBE. A SEM cross-sectional micro-graph through the mesa as well as atop view onto a mesa waveguide areshown in Fig. 4.

Temperature-dependent pulsed (100 ns pulse length, 5 kHz repetitionrate) lasing spectra of such a DFB QCLlaser are plotted in Fig. 5. The laserwas mounted substrate-side downwithout any facet coating. The lasingspectra show clear single-mode opera-tion over the whole temperature

interval from 240 to 350 K, with atemperature tuning coefficient of 0.37 nm/K.

Such a DFB QCL with emission wave-lengths of 5.5 µm has been used atthe Fraunhofer IPM in a fast gas spec-troscopy experiment for the quantita-tive detection of NO by tunable diodelaser absorption spectroscopy (TDLAS).The QCL was operated at 273 K inpulsed mode driven by 100 ns pulsesand at a current equaling 1.4 timesthe threshold current. The transmittedsignal was detected with a thermoel-ectrically cooled fast CdHgZnTe photo-detector. Resulting extinction spectracovering a characteristic NO absorp-tion line at 1828.06 cm-1 are display-ed in Fig. 6. Data were recorded forvarious concentrations of NO dilutedin N2 at ambient pressure and tempe-rature. The gas mixture was containedin a multi-pass White cell with aneffective optical path length of 2.4 m.

The R&D work on QCL is carried outas part of a joint research project(QUANKAS) funded by the FederalMinistry of Education and Research(BMBF).

Fig. 4: SEM micrographs of a GaInAs/AlInAs/InPDFB QCL; top view onto the mesa waveguideand cross-sectional view through the epitaxiallayer sequence including DFB grating.Abb. 4: REM-Aufsicht auf den Mesawellenleitereines GaInAs/AlInAs/InP-DFB-QCL sowie Quer-schnitt durch den Wellenleiterbereich mit DFB-Gitter.

InP

InP

GaInAs

GaInAs

active region

2 µm

5 µm

Infrarot-Halbleiterlaser für sensorische und medizinische Anwendungen

Für verschiedene Anwendungen wer-den derzeit Lasermodule entwickelt;ein Prototyp für den Einsatz in derMedizintechnik zeigt Abb. 3. DerLaserchip ist zusammen mit einemTemperatursensor (NTC) und einemthermoelektrischen Kühler (TEC) in ein hermetisch dichtes »Butterfly«-Gehäuse eingebaut. Die Laserwellen-länge kann über die Temperatur desTEC eingestellt, die Lichtleistung kannmittels einer optionalen Monitordiodegeregelt werden. Der Laserstrahl wirdin eine für das Infrarote durchlässigeLichtleitfaser mit SMA-Stecker einge-koppelt.

Für spektroskopische Sensoren imWellenlängenbereich um 5 µm werden derzeit am Fraunhofer IAFQuantenkaskadenlaser (QCL) auf der Basis der MaterialkombinationGaInAs/AlInAs/InP entwickelt. Da diehochauflösende Absorptionsspektro-skopie an Molekülen den einmodigenBetrieb und Durchstimmbarkeit derLaserquelle erfordert, kommt dasKonzept der verteilten Rückkopplung(distributed feed back, DFB) zur An-wendung.

Der aus 25 Perioden bestehende akti-ve Bereich des QCL sowie die ihn um-gebenden GaInAs-Wellenführungs-schichten werden mittels der Mole-kularstrahlepitaxie auf InP-Substratenhergestellt. Eine Periode des aktivenBereichs besteht aus gitterangepas-sten GaInAs-QW und AlInAs-Barrierensowie zusätzlichen AlAs-Barrieren-schichten und der Verspannungskom-pensation dienenden InAs-Schichten,die in die aktiven QW eingefügt sind.Vor dem Aufwachsen der oberen InP-Mantelschicht, das mittels metallorga-nischer Gasphasenepitaxie (MOVPE)erfolgt, wird das DFB-Gitter mittelsElektronenstrahllithographie und che-misch assistiertem Ionenstrahlätzens in die obere GaInAs-Wellenführungs-schicht eingeschrieben. Nach dem

Überwachsen mit der MOVPE erfolgtdie Herstellung der Mesawellenleiter.Abb. 4 zeigt die REM-Aufsicht sowieeinen Querschnitt durch den Wellen-leiter.

Im Pulsbetrieb (100 ns Pulslänge,5 kHz Wiederholrate) in Abhängigkeitvon der Temperatur aufgenommeneEmissionsspektren eines solchen DFB-QCL sind in Abb. 5 dargestellt. DieSpektren zeigen einmodigen Laser-betrieb für den ganzen Temperatur-bereich von 240 bis 350 K; der Koeffi-zient für das Durchstimmen mit derTemperatur beträgt 0,37 nm/K.

Obige DFB-QCL mit einer Emissions-wellenlänge im Bereich von 5,5 µmwurden am Fraunhofer IPM für dieGasspektroskopie zur quantitativenBestimmung von NO eingesetzt. DerQCL wurde nahe Raumtemperatur(273 K) im gepulsten Betrieb (100 nsPulslänge) bei dem 1,4fachen desSchwellstroms betrieben. Zur Detek-tion diente ein thermoelektrisch ge-kühlter CdHgZnTe-Photodetektor. Diecharakteristische Absorptionslinie desNO bei 1828,06 cm-1 überdeckendeAbsorptionsspektren sind in Abb. 6für verschiedene Konzentrationen vonNO im N2-Trägergas gezeigt. DieMessung erfolgte bei Atmosphären-druck und Raumtemperatur. DasGasgemisch wurde durch eine sog.White-Absorptionszelle mit mehrfa-chem Durchgang des Messlichtes ent-sprechend einer optischen Weglängevon 2,4 m geleitet.

Die oben beschriebenen FuE-Arbeitenzum Thema QCL werden im Rahmeneines durch das Bundesministerium fürBildung und Forschung (BMBF) geför-derten Verbundvorhabens (QUANKAS)durchgeführt.


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

Fig. 5: Temperature-dependent pulsed single-mode lasing spectra of a GaInAs/AlInAs/InP DFB QCL (pulse width 100 ns, repetition rate 5 kHz).Abb. 5: Temperaturabhängige einmodigeEmissionsspektren eines im gepulsten Modusbetriebenen GaInAs/AlInAs/InP-DFB-QCL (100 ns Pulslänge, 5 kHz Wiederholrate).

5.52 5.48 5.44

1810 1820 1830 1840

Inte

nsity

(nor

mal

ized

)

Wavenumber (cm -1)

350 K 240 K

Wavelength (µm)

1827.9 1828.0 1828.1 1828.20.00

0.05

0.10

0.15

14

28

42

56

70 ppm NO

Extin

ctio

n

Wavenumber (cm-1)

5.4708 5.4704 5.4700

Wavelength (µm)

Fig. 6: Concentration-dependent TDLAS data ofNO recorded using a pulsed GaInAs/AlInAs/InPDFB QCL.Abb. 6: Konzentrationsabhängige Absorptions-spektren eines NO/N2-Gasgemisches, aufge-nommen mit Hilfe eines gepulstenGaInAs/AlInAs/InP-DFB-QCL.


A new multiwafer molecular beamepitaxy (MBE) system for growth ofgroup III-phosphide based doubleheterobipolar transistors (DHBTs) and14xx Raman pump lasers was deliv-ered in February 2003. This systemwill broaden the material scope ofFraunhofer IAF considerably by addingthe MBE growth of P-containing com-pounds on a scale compatible withindustrial standards.

The acquisition of this MBE systemwas possible due to research grants bythe Federal Ministry of Education andResearch for the development of80 Gbit/s integrated circuits and high-power pump lasers for Raman ampli-fiers.

The new GEN 200 MBE reactor fromVeeco is equipped with high capaci-tance effusion cells for Ga, In, and Al,and valved cracker cells for phos-phorus and arsenic. Si, Be, and CBr4are used as dopants. Four 4" wafersor seven 3" wafers can be grown inone run. After delivery the system wascompletely installed within six weeks,

thanks to the excellent work of thestaff of our technical services. MBEgrowth runs for calibration and quali-fication were started immediately afterinstallation and system bake. Afterbasic calibration of the system, aseries of growth runs was carried outto demonstrate material quality andlayer uniformity. Final acceptance was signed by the end of May, only eightweeks after the first growth run in thesystem.

The uniformity of the grown layers, interms of thickness, composition anddoping level is excellent. Layer compo-sition of lattice matched InGaAs andInAlAs on InP is within ± 0.15 % overthe 7x3" substrate holder (Fig. 2). De-viations in doping levels over the pla-ten are found to be less than ± 1 %for InGaAs and InAlAs doped with Siand Be.

The material quality of the epitaxiallayers is excellent with low tempera-ture photoluminescence (PL) of thickAl0.3Ga0.7As layers revealing a freeexciton with a FWHM linewidth below3 meV.

The use of solid phosphorus requires a procedure to remove white phos-phorus from the chamber withoutventing. This phosphorus recoveryprocedure is regularly employed afterevaporating a certain amount of phos-phorus into the chamber.

InP layers, grown under optimizedgrowth conditions on InP substratesare perfectly lattice matched, asshown by high resolution x-ray diffrac-tion (HRXRD). Low temperature PLspectra display well resolved free exciton, donor, and acceptor boundexciton as well as donor acceptor pairtransitions.

DHBTs on InP substrates usually con-sist of InP-based emitter and collector

Multiwafer MBE for Phosphide Based HBTs and Lasers

Fig. 1: Multiwafer MBE system for phosphorus based devices.Abb. 1: Multiwafer-MBE-Anlage für Phosphor-basierende Bauelemente.

Im Februar 2003 wurde eine neueMolekularstrahlepitaxieanlage (MBE)geliefert. Sie wird für das Wachstumvon Doppelheterobipolartransitoren(DHBT) und Raman-Pumplaser ver-wendet, die auf Phosphor-haltigen III-V-Halbleiterverbindungen beruhen.Das MBE-Wachstum dieser Verbin-dungen in einer industriekompatiblenAnlage erweitert die Möglichkeitendes Instituts auf der Materialseite.

Die Beschaffung der Anlage erfolgteüber ein Forschungsprojekt desBundesministeriums für Bildung undForschung zur Entwicklung integrierterHochgeschwindigkeitsschaltkreise fürBitraten von 80 Gbit/s und Hochleis-tungsdiodenlaser für Ramanverstärker.

Der neue GEN 200-MBE-Reaktor von Veeco ist mit großvolumigenEffusionszellen für Ga, In und Al sowieVentil-Crackerzellen für As und P aus-gestattet. Als Dotierstoffe werden Si,Be und CBr4 verwendet. Bis zu vier4"- oder sieben 3"-Wafer könnengleichzeitig epitaxiert werden. DieInstallation der Anlage konnte Dankder hervorragenden Arbeit der Mit-arbeiter unserer technischen Diensteinnerhalb von sechs Wochen abge-schlossen werden. Für die anschlie-ßende Kalibrierung und Qualifizierungder Anlage wurde eine Reihe vonEpitaxieläufen durchgeführt, dieMaterialqualität und -homogenitätnachwiesen. Die Endabnahme erfolgteEnde Mai 2003, lediglich achtWochen nach dem ersten Epitaxielauf.

Die Homogenität bezüglich Dicke,Zusammensetzung und Dotierung dergewachsenen Schichten ist hervorra-gend. Die Zusammensetzung gitteran-gepassten InGaAs und InAlAs auf InP-Substrat variiert innerhalb ± 0,15 %über einen 7x3"-Substrathalter(Abb. 2). Abweichungen der Dotie-rung von InGaAs und InAlAs dotiertmit Si oder Be liegen unterhalb

± 1 %. Eine exzellente Materialquali-tät konnte beispielsweise durch Tief-temperatur-Photolumineszenz-Mes-sungen (PL) an dicken Al0.3Ga0.7As-Schichten nachgewiesen werden, dieeine Halbwertsbreite kleiner 3 meV derLinie des freien Excitons aufzeigen.

Die Verwendung von elementaremPhosphor in einer MBE-Anlage erfor-dert ein Verfahren, weißen Phosphoraus der Wachstumskammer zu entfer-nen, ohne diese zu belüften. DieseProzedur wird regelmäßig nach demVerdampfen einer bestimmten MengePhosphor durchgeführt.

Hochaufgelöste Röntgenbeugungs-spektroskopie (HRXRD) verdeutlicht,dass InP, das unter optimierten Be-dingungen auf InP-Substraten wächst,perfekt gitterangepasst ist. Tieftempe-ratur-PL-Messungen können deutlichfreie und an Donator- und Akzeptor-stellen gebundene Excitonen sowieDonator-Akzeptor-Paarübergängenachweisen.

DHBTs auf InP-Substrat bestehen übli-cherweise aus InP-basierenden Emit-ter- und Kollektorschichten sowieeiner hoch p-dotierten InGaAs-Basis.Um gute Bauelementeigenschaften zugewährleisten, sind scharfe Übergän-ge zwischen den einzelnen Schichtenerforderlich.

Um eine hohe p-Dotierung derInGaAs-Basis zu erreichen, verwen-den wir CBr4, das durch ein Leckven-til in die Wachstumskammer eingelas-sen und an der heißen Substratober-fläche gecrackt wird. Die Ladungs-trägerkonzentration wird dabei durchden CBr4-Druck im Gaskabinett ein-gestellt, wobei sich ein linearer Zu-sammenhang zwischen Dotierung und Druck ergibt. Die Beweglichkeitfällt von 100 cm2/Vs im niedrigen1018 cm-3-Dotierbereich auf53 cm2/Vs bei 9x1019 cm-3 (Abb. 3).


Multiwafer-MBE-Anlage für Phosphor-basierende HBTs und Laser

Fig. 2: Lattice mismatch of In0.53Ga0.47As andIn0.52Al0.48As on InP over a 7x3" wafer holder.Abb. 2: Gitterfehlanpassung von In0.53Ga0.47Asund In0.52Al0.48As auf InP-Substrat über einen7x3"-Substrathalter.

0 40 80 120

-1x10-3

0

1x10-3

InGaAs InAlAs

Distance from Platen Center (mm)

Latt

ice

Mis

mat

ch ∆

a/a

Multiwafer MBE for Phosphide Based HBTs and Lasers


layers as well as highly p-dopedInGaAs base regions. In order toachieve good device results, sharpinterfaces and minimum carry over of As, P, and C in base and emitterregions are required.

For the highly p-doped InGaAs baseregion we use CBr4, which is introdu-ced through a leak valve into the growth chamber and cracked at thehot substrate surface. The carrier con-centration is controlled by the CBr4pressure in the gas manifold andincreases linearly with the inlet gaspressure. Room temperature mobilityvalues around 100 cm2/Vs are mea-sured in the low 1018 cm-3 dopingregime, decreasing to 53 cm2/Vs at adoping level of 9x1019 cm-3 (Fig. 3).

The incorporation of arsenic, phos-phorus and carbon at the heterointer-faces was investigated by secondaryion mass spectroscopy (SIMS). InInGaAs layers grown on InP, the amount of P decreases about threeorders of magnitude at the interfaceand declines rapidly below the detec-tion limit. InP grown on top of InGaAsshows a different behavior as can beseen in Fig. 4. The As concentrationdrops about two orders of magnitudeat the InP/InGaAs interface, resultingin an arsenic intake into the InP emit-ter in the low per mille range. Theshape of the carbon profile in the C-doped InGaAs base is characterizedby sharp transitions within the re-solution of the SIMS.

Various structures for DHBTs on InPhave been grown in the new MBEsystem for process development anddevice fabrication during the course ofthe year. Device results and IC perfor-mance are presented separately in thisreport.

Besides MBE growth of InP-basedDHBTs, the system is also used for the

fabrication of aluminum free 14xxlaser structures. These devices requirequaternary InGaAsP layers with diffe-rent material compositions for lasercore and waveguide region.

Composition of ternary group III alloysis in general determined by the ratioof the group III molecular fluxes rea-ching the substrate and the growthtemperature. The situation is morecomplicated for layers with mixedgroup V elements like InGaAsP. Thecomposition, i. e. the relative group V-incorporation depends on substratetemperature, fluxes, and growth rates.In order to control the mole fractionof group V elements in InGaAsP wave-guide and cladding layers, the flux ofthe component with the higher molefraction is kept constant and the fluxof the other group V element is adju-sted with the needle valve of thecracker cell. After epitaxy, compositionand bandgap are characterized usingHRXRD and PL measurements.

In InGaAsP quantum wells (QWs), the composition is adjusted to meet the desired bandgap and strain.Typical laser cores structures consist of compressively strainedIn0.76Ga0.24As0.84P0.16 QWs andagain show narrow PL spectra withFWHM linewidths of 6.7 meV (Fig. 5).

First lasers grown on 3" substrateswith an InGaAsP large optical cavitywaveguide show emission around 1.5 µm. Broad area lasers (150x2000 µm2) reach continuous wave(cw) output power levels of 2 W atroom temperature and operate in cw mode up to 60 °C. Far field angles below 65° and internal losses < 2 cm-1 have been obtained.

To conclude, our new MBE system forthe growth of phosphorus containingcompounds meets all requirements fordevice quality heterostructures.

Fig. 3: Carrier concentration and hole mobilityof carbon doped In0.53Ga0.47As at room temperature.Abb. 3: Ladungsträgerdichte und Beweglichkeitvon Kohlenstoff-dotierten In0.53Ga0.47As beiRaumtemperatur.

Fig. 4: SIMS depth profile of an InP-based SHBTstructure.Abb. 4: SIMS-Tiefenprofil einer InP-basierendenSHBT-Struktur.

1018 1019 1020

60

80

100

120

0 20 40 60 800

4x1016

8x1016

Carrier Concentration (cm-3)

µ 300

(cm

2 /V

s)

CBr4 Pressure (mTorr)

Car

rier

Con

cent

ratio

n (c

m-3

)

100 20010

1

102

103

104

105

700 800

Inte

nsity

(a.u

.)

Depth (nm)

InG

aAs

InP

InG

aAs

InP

P As C

Multiwafer-MBE-Anlage für Phosphor-basierende HBTs und Laser

Der Einbau von As, P und C an denHeterogrenzflächen wurde mit Sekun-därionenmassenspektroskopie (SIMS)untersucht. In InGaAs, das auf InP-Schichten gewachsen wird, fällt der P-Anteil an der Grenzfläche steil um dreiGrößenordnungen ab und sinkt mitwachsender Schichtdicke schnell unterdie Nachweisgrenze der Messung(Abb. 4). In InP, gewachsen aufInGaAs, bleibt der As-Anteil nacheinem scharfen Abfall um etwa zweiGrößenordnungen an der Grenzflächeim niedrigen Promillebereich. DasProfil der Kohlenstoffdotierung derInGaAs-Basis ist innerhalb des Auf-lösungsvermögens der Messung durchscharfe Übergänge gekennzeichnet.

Im Laufe des Jahres wurde eine Viel-zahl von DHBT-Strukturen gewachsen,die sowohl für Prozessentwicklung alsauch für Bauelementeherstellung ver-wendet wurden. Die Ergebnisse derEinzel-HBTs und der integriertenSchaltkreise werden an anderer Stellein diesem Jahresbericht vorgestellt.

Neben dem Wachstum von InP-basie-render DHBTs wird die Anlage für dieHerstellung aluminiumfreier Laser-strukturen für den Wellenlängenbe-reich 1400 – 1500 nm verwendet.Diese Strukturen bestehen aus qua-ternären InGaAsP-Schichten verschie-dener Zusammensetzung für Laser-kern und -wellenleiter.

Die Zusammensetzung von ternärenIII-V-Verbindungen, die nur einGruppe-V-Element enthalten, ist imWesentlichen durch das Verhältnis derGruppe-III-Molekularflüsse und dieWachstumstemperatur bestimmt. BeiVerbindungen mit mehreren Gruppe-V-Elementen wie InGaAsP hängt derEinbau der Gruppe-V-Elemente so-wohl von den entsprechenden Flüssenals auch von Substrattemperatur undWachstumsrate ab. Um das Verhältnisder Gruppe-V-Elemente in den ver-

schiedenen InGaAsP-Schichten zukontrollieren, wird der Fluss derjeni-gen Komponente mit dem größerenAnteil konstant gehalten und der Flussdes anderen Gruppe-V-Elementes überdie Stellung des Nadelventils derCrackerzelle eingestellt. Zusammen-setzung und Bandabstand werdennach der Epitaxie mittels HRXRD undPL bestimmt.

In Quantenfilmen (QWs), die ausInGaAsP bestehen, wird die Zusam-mensetzung so eingestellt, dass sichder gewünschte Bandabstand und diegewünschte Verspannung einstellen.Üblicherweise bestehen die Laser-kerne aus kompressiv verspanntenIn0.76Ga0.24As0.84P0.16 QWs, derenPL-Spektren Halbwertsbreiten von6,7 meV zeigen (Abb. 5).

Erste Breitstreifenlaser(150x2000 µm2) mit LOC-Wellen-leiterstruktur (large optical cavity)konnten realisiert werden. Sie errei-chen bei Raumtemperatur im Dauer-betrieb bei einer Wellenlänge von1,5 µm 2 W Ausgangsleistung(Abb. 6). Die maximale Betriebs-temperatur liegt bei 60 °C, der Öff-nungswinkel im Fernfeld ist unterhalb65° und die internen Verluste sindkleiner 2 cm-1.

Die Ergebnisse zeigen, dass mit derneuen MBE-Anlage Heterostrukturenmit P-haltigen Komponenten abge-schieden werden können, die alleVoraussetzungen für qualitativ hoch-wertige Bauelemente erfüllen.


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

Fig. 5: Room temperature and 10 K PL spectraof an InGaAsP laser core.Abb. 5: Raum- und Tieftemperatur-PL-Spektreneines InGaAsP-Laserkerns.

Fig. 6: Injection current vs. output power forbroad area lasers at different operating tem-peratures.Abb. 6: Ausgangsleistung eines Breitstreifen-lasers bei verschiedenen Betriebstemperaturen.

0 2 4 6 80.0

0.5

1.0

1.5

2.0

60 °C

30 °C

40 °C

50 °C

20 °C

Current (A)

Out

put

Pow

er (W

)

0.8 0.9 1.00.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

PL

Effic

ienc

y (a

.u.) RT

Int*101458 nm

10 K1359 nmFWHM 6.7 meV

Photon Energy (eV)


High-power quantum well (QW) laserswith emission wavelengths ≥ 2 µmhave been fabricated at FraunhoferIAF for various applications. In addi-tion to lasers with fixed wavelengthsin this spectral range, the developmentof wavelength tunable coherent lightsources will open new areas of appli-cation, e. g. in medical diagnostics,such as non-invasive optical blood glucose monitoring through the skin.Wavelength tunability is usually achieved with an external cavity set-up and is limited by the width of thegain spectrum of the diode laser.

Diode lasers based on GaInSb quan-tum wells have been fabricated withemission wavelengths from 1.7 µm to2.3 µm by varying the In-content. Tobroaden the gain spectrum a fractio-nal monolayer of InSb is inserted intothe QW. Photoluminescence (PL) spectra (Fig. 1) reveal that half of amonolayer (ML) yields a FWHM ofabout 100 nm, while the integratedPL intensity is almost preserved. Sucha fractional monolayer can be incor-porated into the QW active region ofa standard laser structure.

Increasing the amount of InSb in theQW results in the formation of quan-tum dots (QDs) when the growthmode changes from two dimensions(2D) to three dimensions (3D). Self-assembled QDs are formed during thisprocess, similar to the breakup of aliquid film with high surface tensioninto droplets. The driving force equi-valent to the surface tension of aliquid is the strain induced in the epitaxial layer due to the lattice mis-match with the underlying material.

This so called Stranski-Krastanov growth mode has been extensivelystudied for InAs QDs on GaAs sub-strates. Typical dot densities rangefrom 1010 to 1011 dots per cm2 withemission wavelengths around 1 µm.

An intrinsic asset of these QDs is thebroad gain spectrum caused by thesize distribution of the dots. Further-more, by embedding InAs QDs in anInGaAs quantum well (»dots in awell«, DWELL) a shift to longer wave-lengths can be achieved.

To obtain QD lasers emitting at wave-lengths beyond 2 µm, we applied theDWELL concept to the InSb/GaSbmaterial system. Our first goal was tooptimize MBE growth parameters toachieve similar dot dimensions anddensities as for InAs QDs on GaAs.

By lowering the deposition tempera-ture and decreasing the V/III-ratio ascompared to typical growth condi-tions, and by using substrates with aslight misorientation to increase thedensity of nucleation sites, a dot den-sity of the order of 1010 per cm2 wasobtained. Atomic force microscopy(AFM) topography images (Figs. 2and 3) show how strongly the mor-phology of the QDs depends on growth conditions, the amount ofInSb (4 ML vs. 2.5 ML) and the thick-ness (12 ML vs. 3 ML) of the lowerpart of the GaInSb QW, which acts asa strain relief layer.

So far no photoluminescence wasobserved from these QDs and theluminescence of the surrounding QWwas almost completely quenched bythe dots. There are two possibleexplanations for this behavior: Firstly,the band alignment is not as favorableas for the InAs/GaAs material system,i. e. for the InSb dots there may notbe enough confinement of electronsin the conduction band. Secondly,these dots act as non-radiative re-combination centers. Further investi-gations are currently underway.

Towards Broad Gain Mid-IR Lasers

Fig. 1: Photoluminescence spectra of a pureGaInSb quantum well, one with 0.5 mono-layers of InSb and one with quantum dots.Abb. 1: Photolumineszenzspektren eines reinenGaInSb-Quantenfilms, eines Quantenfilms mit0,5 Monolagen InSb und eines mit Quanten-punkten.

0.60 0.65 0.70

0

1x104 InGaSb QW 0.5 ML InSb in QW QDs in QW (x200)

Energy (eV)

PL In

tens

ity (a

. u.)

2.2 2 1.8 Wavelength (µm)

Dioden-Laser mit Wellenlängen über2 µm werden am Fraunhofer IAF fürdiverse Anwendungen hergestellt.Durch die Entwicklung von kohären-ten, durchstimmbaren Lichtquellenkönnen neue Anwendungsgebieteeröffnet werden, z. B. in der medizini-schen Diagnostik die nicht-invasiveBlutzucker-Messung durch die Haut.Bis jetzt wird das Durchstimmen derWellenlänge durch einen externenResonator erzielt und ist durch dieBreite des Gewinn-Spektrums desDiodenlasers limitiert.

Diodenlaser, basierend auf GaInSb-Quantenfilmen (quantum wells, QWs)werden mit Wellenlängen von 1,7 µmbis 2,3 µm realisiert, indem der In-Ge-halt des Quantenfilms variiert wird. Umdas Emissions-Spektrum zu verbreitern,wird der Bruchteil einer InSb-Mono-lage in den QW eingebaut. Photo-lumineszenz (PL)-Spektren (Abb. 1) zei-gen, dass bereits eine halbe Monolage(ML) zu einer Halbwertsbreite (FWHM)von etwa 100 nm führt, wobei dieintegrierte PL-Intensität fast erhaltenbleibt. Solche Strukturen können leichtin den aktiven Bereich einer Laser-struktur eingebaut werden.

Erhöht man die InSb-Menge im QW,so entstehen Quanten-Punkte (quan-tum dots, QDs), analog zum Auf-brechen eines Flüssigkeitfilms mithoher Oberflächenspannung in Tröpf-chen, wenn eine kritische Schichtdickeerreicht ist. Die treibende Kraft, die derOberflächenspannung einer Flüssigkeitentspricht, ist die Verspannung, die ineiner Epitaxieschicht durch die Gitter-fehlanpassung zum Substrat entsteht.

Der sogenannte Stranski-Krastanov-Wachstumsmodus ist für InAs-QDs auf GaAs-Substraten eingehend untersucht worden. Typische Dichtenrangieren von 1010 – 1011 QDs/cm2

bei einer Emissionswellenlänge vonetwa 1 µm.

Entscheidender Vorzug dieser QDs istdas inhärent breite Emissionsspektrumaufgrund der Größenverteilung derQDs. Darüber hinaus wird eineVerschiebung zu längeren Wellen-längen erzielt, wenn InAs-QDs in einenInGaAs-Quantenfilm eingebettet wer-den (dots in a well, DWELL).

Um QD-Laser mit einer Wellenlänge≥ 2 µm zu erhalten, haben wir dasDWELL-Konzept auf das InSb/GaSb-Materialsystem angewendet. Unsererstes Ziel war, die MBE-Wachstums-parameter soweit zu optimieren, dassQDs mit ähnlicher Größe und Dichteentstehen wie bei InAs-QDs auf GaAs.

QD-Dichten der Größenordnung1010 pro cm2 werden durch niedrigeWachstumstemperatur, verringertesV/III-Verhältnis sowie durch leichtfehlorientierte Substrate erreicht, umdie Anzahl der Nukleationskeime zuerhöhen. Rasterkraftmikroskopbilder(atomic force microscopy, AFM) derOberflächentopographie (Abb. 2 und3) zeigen, wie sehr die Morphologieder QDs darüber hinaus abhängt vonder InSb-Menge (4 ML ggü. 2,5 ML)und der Dicke (12 ML ggü. 3 ML) desTeils des GaInSb-QWs unter den QDs,der die Verspannung mindert.

Bis jetzt konnte keine Photolumines-zenz dieses InSb/GaSb-DWELL-Systemsnachgewiesen werden. Dafür gibt eszwei mögliche Erklärungen: Erstens,die Bandstruktur ist ungünstiger als beiInAs/GaAs, d. h. die Banddiskontinui-tät im Leitungsband reicht für Elektro-nenlokalisierung womöglich nicht aus.Zweitens, diese Quanten-Punkte fun-gieren als nicht-strahlende Rekombina-tionszentren. Weitere Untersuchungensind geplant.


Breitbandige Laser im mittleren IR

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

Fig. 3: AFM topography image of InSb quan-tum dots grown under optimized growth conditions on a substrate with slight mis-orientation. Abb. 3: AFM-Topographie-Bild von InSb-Quanten-Punkten, die bei optimiertenWachstumsbedingungen auf einem Substratmit leichter Fehlorientierung erzeugt wurden.

Fig. 2: AFM topography image of InSb quan-tum dots grown without optimized growthparameters on a substrate with exact orientation. Abb. 2: AFM-Topographie-Bild von InSb-Quanten-Punkten, die bei noch nicht optimier-ten Wachstumsbedingungen auf einem Sub-strat ohne Fehlorientierung erzeugt wurden.


CVD DiamondDiamantscheiben

-200 0 2000

20

40

CVD-Diamant

°C

Copper


The unique properties of diamonds, itsunequalled hardness, its transparenceover wide spectral range and its out-standing thermal conductivity are putto use with large, thick synthetic dia-mond layers, which are deposited bychemical vapor deposition (CVD). Ourproprietary CVD microwave reactorsguarantee homogeneous and repro-ducible diamond layers.

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lasers and microwave tubes- highly refractive microoptics- dielectric substrates for

microelectronics- heat spreaders for micro- and

optoelectronic applications- dressing tools

Die einmaligen Eigenschaften desDiamants – seine Härte, seine Trans-parenz und seine hohe Wärmeleit-fähigkeit – werden technisch genutztmit großflächigen, dicken syntheti-schen Diamantscheiben, die wir miteinem chemischen Abscheidever-fahren (Chemical Vapor DepositionCVD) herstellen. Unsere patentiertenCVD-Mikrowellen-Reaktoren garantie-ren homogene und reproduzierbareDiamantschichten.

Anwendungen - Fenster für Leistungslaser

und Mikrowellenröhren- hochbrechende Mikrooptiken- dielektrische Substrate für

die Elektronik- Wärmespreizer für elektroni-

sche und optoelektronische Bauelemente

- Einsatz für Schneidwerkzeuge


PublicationsVeröffentlichungen

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Schneider, H.; Fleißner, J.; Rehm, R.;Walther, M.; Pletschen, W.; Koidl, P.;Weimann, G.; Ziegler, J.; Breiter, R.; Cabanski, W.High-Resolution QWIP FPAs for the 8 – 12 µmand 3 – 5 µm RegimesAndresen, B. F. (ed.): Infrared Technology andApplications XXVIII Bellingham, WA: SPIE, 2003, 297(SPIE-Proceedings 4820)

Cabanski, W.; Breiter, R.; Koch, R.; Mauk, K.-H.; Rode, W.; Ziegler, J.; Schneider, H.; Walther, M.; Oelmaier, R.Status of 3rd Gen Focal Plane Array IRDetection Modules in GermanyProceedings of the 5th Int. Military SensingSymp. Vol. 47, No. 1Ft. Belvoir: DTIC, 2003

Cabanski, W.; Breiter, R.; Koch, R.; Mauk, K.-H.; Rode, W.; Ziegler, J.; Schneider, H.; Walther, M.; Oelmaier, R.Status of Third-Generation Focal Plane Array IRDetection Modules at AIMAndresen, B. F. (ed.): Infrared Technology andApplications XXIXBellingham, WA: SPIE, 2003, 72(SPIE-Proceedings 5074)

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Ilegems, M.; Weimann, G.; Wagner, J. (eds.):Compound Semiconductors 2002. Proceedingsof the 29th Int. Symp. on CompoundSemiconductorsBristol: IOP Publishing, 2003(IOP Conf. Series 174)

Wild, C.; Wörner, E.Diamant in seiner reinsten Form: CVDDiamantscheiben aus dem Mikrowellen-PlasmareaktorDiamond Business (2003), 22

Wörner, E.; Pleuler, E.; Wild, C.; Koidl, P.Thermal and Optical Properties of High PurityCVD Diamond Discs Doped with Boron andNitrogenDiamond and Related Materials 12 (2003), 744

Yang, Q. K.; Mann, C.; Fuchs, F.; Kiefer, R.;Köhler, K.; Schneider, H.Mid-Infrared Quantum Cascade LasersOperating Above Room TemperatureIlegems, M. (ed.): Compound Semiconductors2002. Proceedings of the 29th Int. Symp. onCompound SemiconductorsBristol: IOP Publishing, 2003, 447(IOP Conf. Series 174)

Yang, Q. K.; Pfahler, C.; Schmitz, J.;Pletschen, W.; Fuchs, F.Trap Centers and Minority Carrier Lifetimes inInAs/(GaIn)Sb Superlattice Long WavelengthPhotodetectorsRazeghi, M. (ed.): Quantum Sensing: Evolutionand Revolution From Past to FutureBellingham, WA: SPIE, 2003, 448(SPIE-Proceedings 4999)



Conferences and SeminarsVorträge

Bronner, W.Viaholes in GaAs und SiC mit dem ICPPlasmaätzsystem SI 500Plasma Prozess Technologie, SENTECH, Berlin (D)27 Oct 2003

Dammann, M.; Benkhelifa, F.; Jantz, W.;Konstanzer, H.; Leuther, A.; Meng, M.;Mikulla, M.Reliability and Degradation Mechanism ofMetamorphic InAlAs/InGaAs HEMTsWorkshop on Reliability of Microwave Devices,GAAS 2003, München (D)6 – 7 Oct 2003

Fuchs, F.; Schmitz, J.; Pfahler, C.; Yang, Q. K.; Rehm, R.; Pletschen, W. (invited)IR-Detection Devices Based on InAs/(GaIn)SbShort Period Superlattices- Workshop on Antimonide Semiconductors,

Office of the Naval Research (ONR), Padre Island, TX (USA)13 – 16 Jan 2003

- Rockwell, Thousand Oaks, CA (USA)17 Jan 2002

Fuchs, F.; Mann, C.; Yang, Q. K.; Bronner, W.; Kiefer, R.; Köhler, K.;Schneider, H. (invited)Quantum Cascade Lasers for the Mid-InfraredSpectral RangeFrühjahrstagung Deutsche PhysikalischeGesellschaft, Dresden (D)24 – 28 Mar 2003

Hiesinger, P.Polarisationsoptische Untersuchungen der ther-moelastischen Eigenspannungen von GaAs-ScheibenDGKK, Freiberg (D)15 – 16 Oct 2003

Kelemen, M. T.; Kiefer, R.; Mikulla, M.;Walther, M.Höchstbrillante Diodenlaser – Ein Lichtstrahl,der alles in den Schatten stellt Landesforschungspreis Baden-Württemberg2002, Stuttgart (D)14 Feb 2003

Kelemen, M. T.; Weber, J.; Mikulla, M.Astigmatismus von hochbrillantenInGaAs/(Al)GaAs-Ridge-TrapezlasernFrühjahrstagung Deutsche PhysikalischeGesellschaft, Dresden (D)24 – 28 Mar 2003

Mann, C.; Yang, Q. K.; Fuchs, F.; Bronner, W.; Kiefer, R.; Köhler, K.;Schneider, H.Quantenkaskadenlaser für das mittlere Infrarot33. Infrarot-Kolloquium, Freiburg/Br. (D)8 – 9 Apr 2003

Beyer, T.; Braun, M.; Peter, A.; Plescher, G.;Hartwig, S.; Pfaff, T.; Lambrecht, A.; Mann, C.Compact, all Thermoelectrically CooledQuantum Cascade Laser System4th Int. Conf. on Tunable Diode LaserSpectroscopy TDLS, Zermatt (CH)14 – 18 Jul 2003

Kormann, R.; Fischer, H.; Gurk, C.; Mann, C.;Fuchs, F.Comparison of Trace Gas MeasurementsBetween a Quantum Cascade Laser and aLead-Chalcogenide Laser4th Int. Conf. on Tunable Diode LaserSpectroscopy TDLS, Zermatt (CH)14 – 18 Jul 2003

Mann, C.; Yang, Q. K.; Fuchs, F.; Bronner, W.; Kiefer, R.; Köhler, K.;Schneider, H.Pulsed and CW Operation of InP-BasedQuantum Cascade Lasers Employing Strain-Compensated Active Regions with AlAsBlocking Barriers7th Int. Conf. on Intersubband Transition inQuantum Wells, Evolène (CH)1 – 5 Sep 2003

Mann, C.; Yang, Q. K.; Fuchs, F.; Bronner, W.; Köhler, K.; Beyer, T.; Braun, M.;Hartwig, S.; Lambrecht, A.Single Frequency Quantum Cascade Lasers forApplications in Trace Gas Sensing4th Workshop on Quantum Cascade Lasers,Freiburg/Br. (D)25 Sep 2003

Beyer, T.; Braun, M.; Hartwig, S.; Peter, A.;Plescher, G.; Lambrecht, A.; Mann, C.Quantum Cascade Laser System Developmentat Fraunhofer IPM4th Workshop on Quantum Cascade Lasers,Freiburg/Br. (D)25 Sep 2003

Merkle, T.; Ramberger, S.; van Raay, F.A n-State Time-Domain Measurement Test-Bench for Characterization of IntermodulationDistortion on Device Level2003 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp.,Philadelphia, PA (USA)8 – 13 Jun 2003

Kelemen, M. T.HLDL mit hoher Brillanz – Lichtblick für dieAnwendungUniversität Freiburg, Freiburg/Br. (D)9 May 2003

Kelemen, M. T.; Weber, J.; Mikulla, M.;Weimann, G.Improved Brightness Using Tapered DiodeLasersCLEO Europe EQEC 2003, München (D)23 – 27 July 2003

Kelemen, M. T.High-Brightness Tapered Diode LasersCanada-German Young Photonics ResearchWorkshop, Ottawa, Ontario (CAN)2 – 4 Sep 2003

Kiefer, R.; Quay, R.; Müller, S.; Feltgen, T.;Raynor, B.; Schleife, J.; Köhler, K.; Massler, H.; Ramberger, S.; van Raay, F.;Tessmann, A.; Mikulla, M.; Weimann, G.Development of 2" AlGaN/GaN HEMTTechnology on Sapphire and SiC for mm-WaveHigh-Voltage Power ApplicationsInt. Conf. on Nitride Semiconductors, Nara (J)25 – 30 May 2003

Koidl, P.Diamant aus der Gasphase: Herstellung,Eigenschaften, AnwendungenUniv. Hamburg (D)5 Nov 2003

Leich, M.; Bronner, W.; Hurm, V.; Berger, J.;Dietrich, E.; Köhler, K.; Leuther, A.; Lösch, R.;Rosenzweig, J.; Schlechtweg, M.; Walcher, H.Hybrid Integrated Optical Receivers for High-Speed Data TransmissionSPIE Int. Symp. ITCom 2003, Orlando, FL (USA) 7 – 11 Sep 2003

Leuther, A.; Tessmann, A.; Dammann, M.;Reinert, W.; Schlechtweg, M.; Mikulla, M.;Walther, M.; Weimann, G.70 nm Low-Noise Metamorphic HEMTTechnology on 4 Inch GaAs WafersIndium Phosphide and Related Materials IPRM,Santa Barbara, CA (USA)12 – 16 May 2003

Maier, T.; Schneider, H.; Liu, H. C.; Walther, M.; Koidl, P.Highly Efficient Two Photon Absorption inQuantum Well Infrared Photodectors7th Int. Conf. on Intersubband Transitions inQuantum Wells 2003, Evolène (CH)1 – 5 Sep 2003



Mermelstein, C.Mid-Infrared Semiconductor Diode Lasers atFraunhofer IAFGlucon Medical Ltd., Petach-Tikava (IL)13 Jan 2003

Mermelstein, C.Mid-Infrared Semiconductor QW Diode LasersStanford Univ., Stanford, CA (USA)31 Jan 2003

Mermelstein, C.Type-II W-Laser Based on III-Arsenid/Antimonides33. Infrarot-Kolloquium, Freiburg/Br. (D)8 – 9 Apr 2003

Mermelstein, C.Semiconductor QW Diode Lasers for the Mid-InfraredSoreq Nuclear Research Center, Yavne (IL)30 Apr 2003

Mikulla, M.; Kelemen, M. T.; Weber, J.;Walther, M.; Weimann, G.Developments in Tapered Lasers at 980 nm to 1060 nmLEOS 2003, Laser & Electro-Optics Society,Tucson, AZ (USA)27 – 30 Oct 2003

Müller, S.; Kiefer, R.; Köhler, K.; Quay, R.;Wagner, J.; Sommer, F.; Vollrath, F. (invited)Epitaxial Growth and Device Fabrication of GaNBased Electronic and Optoelectronic StructuresEuropean Workshop MOVPE, Leece (I)8 – 11 Jun 2003

Müller-Sebert, W.; Wild, C.; Wörner, E.;Koidl, P. (invited)Growth and Applications of Large Area CVDDiamondInt. Conf. on Metallurgical Coatings and ThinFilms, San Diego, CA (USA)28 Apr – 2 May 2003

Quay, R.Overview of AlGaN/GaN HEMTs for mm-WaveApplicationsCEPA 2 Workshop, Göteborg (S)27 – 28 May 2003

Quay, R.; Müller, S.AlGaN/GaN HEMTs: Material AspectsWeag Workshop CEPA 2, Göteborg (S)27 – 28 May 2003

Quay, R. ; Schlechtweg, M. ; Leuther, A.;Lang, M.; Nowotny, U.; Kappeler, O.; Benz, W.; Ludwig, M.; Leich, M.; Driad, R.;Bronner, W.; Weimann, G.High-Speed III-V HEMT and HBT Devices andCircuits for ETDM Transmission Beyond 80 Gbit/sSSDM 2003, Tokyo (J)16 – 18 Sep 2003

Quay, R.; Kiefer, R.; Kuri, M.; Massler, H.;Müller, S.; van Raay, F.; Riessle, M.;Schlechtweg, M.; Tessmann, A .; Weber, R.;Weimann, G.AlGaN/GaN HEMTs on SiC: Towards PowerOperation at V-Band2003 IEEE Int. Electron Devices Meeting,Washington, DC (USA)7 – 10 Dec 2003

Rattunde, M.; Mermelstein, C.; Schmitz, J.;Kiefer, R.; Pletschen, W.; Walther, M.;Wagner, J.GaSb-Based Diode Lasers for PowerApplications in the 2 µm Spectral RangeCLEO Europe Conf. on Lasers and Electro-Optics, München (D)24 Jun 2003

Rattunde, M.; Schmitz, J.; Kiefer, R.;Wagner, J.Gain and Internal Losses in GaSb-Based 2 µmQuantum-Well Diode LasersIEEE / Laser and Electro Optical Society (LEOS)16th Annual Meeting, Tucson, AZ (USA)26 – 30 Oct 2003

Schlechtweg, M.; Tessmann, A.; Leuther, A.;Schwörer, C.; Lang, M.; Nowotny, U.;Kappeler, O.Integrated Circuits Based on 300 GHz fTMetamorphic HEMTs for Millimeter-Wave andMixed-Signal ApplicationsGAAS 2003, München (D)6 – 10 Oct 2003

Schmitz, J. (invited)MBE Growth of Sb-Based Infrared Lasers andDetectors12th Euro-MBE Workshop, Bad Hofgastein (A)16 – 19 Feb 2003

Schneider, H.Quantum Well Infrared Photodetectors forThermal Imaging and High-Frequency Detection- Univ. of California, Berkeley, CA (USA)

3 Feb 2003- Lawrence Livermore National Laboratory,

Livermore, CA (USA)3 Feb 2003

- Soreq Nuclear Research Center, Yavne (IL)30 Apr 2003

Schneider, H.Quantenkryptografie – "when Alice entanglesBob"Universität Freiburg/Br. (D)24 Nov 2003

Schneider, H.; Fleißner, J.; Rehm, R.; Maier, T.; Walther, M.; Koidl, P.; Weimann, G.; Ziegler, J.; Breiter, R.; Cabanski, W. (invited)High Resolution QWIP Focal Plane Arrays atFraunhofer IAFPhotonics West, San Jose, CA (USA)25 – 31 Jan 2003

Schneider, H.; Rehm, R.; Walther, M.; Koidl, P.; Liu, H. C.; Aslan, B.; Bezinger, A.;Poole, P. J.; Buchanan, M.Avalanche Noise in Quantum Well InfraredPhotodetectors7th Int. Conf. on Intersubband Transitions inQuantum Wells 2003, Evolène (CH)1 – 5 Sept 2003

Münzberg, M.; Cabanski, W.; Wendler, J.;Ziegler, J.; Adomeit, U.; Schuberth, W.;Schneider, H.; Walther, M.Status of 3rd Gen Focal Plane Array IRDetection Modules and Applications inGermanyShephard’s Night Vision USA 2003,Washington, DC (USA),2 – 3 Oct 2003

Schwörer, C.; Kudszus, S.; Schlechtweg, M.;Design of Monolithic Integrated Microwave andMillimeter-Wave Oscillators2003 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp.,Philadelphia, PA (USA)8 – 13 Jun 2003

Schwörer, C.Rauscharme und regelbare VerstärkerCarl-Cranz-Gesellschaft, Oberpfaffenhofen (D)23 – 26 Sep 2003


Schwörer, C.; Tessmann, A; Leuther, A.;Massler, H.; Reinert, W.; Schlechtweg, M.Low-Noise W-Band Amplifiers for RadiometerApplications Using a 70 nm MetamorphicHEMT TechnologyGAAS 2003, München, (D)6 – 10 Oct 2003

Seemann, K.; Kiefer, R.; Kuri, M.; Quay, R.;Ramberger, S.; Riessle, M.; Schlechtweg, M.;Schneider, J.; Tessmann, A.; Walcher, H.Flip-Chip Integration of Power HEMTs: A StepTowards a GaN MMIC TechologyGAAS 2003, München (D)6 – 10 Oct 2003

Steinkogler, S.; Schneider, H.; Rehm, R.;Walther, M.; Koidl, P.Ultraschnelle Quantum Well Infrarot-Photodetektoren33. Infrarot-Kolloquium, Freiburg/Br. (D)8 – 9 Apr 2003

Stephan, T.; Köhler, K.; Kunzer, M.;Schlotter, P.; Wagner, J.Electroluminescence Efficiency of InGaN LightEmitting Diodes: Dependence on AlGaN:MgElectron Blocking Layer Width and Mg DopingProfile5th Int. Conf. on Nitride Semiconductors, Nara (J)25 – 30 May 2003

Stibal, R.; Jantz, W.; Müller, S.; Rasp, M.;Schmitt, E.; Straubinger, Th.Topographie des spezifischen Widerstandssemi-isolierender SiC-SubstrateDGKK, Erlangen (D)2 – 3 Apr 2003

Tessmann, A.; Leuther, A.; Maßler, H.;Reinert, W.; Schwörer, C.; Dammann, M.;Walther, M.; Schlechtweg, M.; Weimann, G.Metamorphic HEMT Technologies forMillimeter-Wave Low-Noise Applications3rd ESA Workshop on Millimeter-WaveTechnology and Applications, Espoo (SF)21 – 23 May 2003

Tessmann, A.; Kudszus, S.; Leuther, A.;Maßler, H.; Reinert, W.; Schlechtweg, M.;Schwörer, C.A Coplanar 94 GHz Low Noise Amplifier MMICUsing 0.07 µm Metamorphic Cascode HEMTs2003 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp.,Philadelphia, PA (USA)8 – 13 Jun 2003

Wagner, J. (invited)Bonding of Nitrogen in Dilute Group III-Arsenid/Nitrides: A Raman Spectroscopic StudyWorkshop on Raman Spectroscopy ofMaterials, London (GB)15 Jan 2003

Wagner, J.Gruppe III-Nitride: Von der Materialforschungzum optoelektronischen BauelementUniversität Ulm (D)15 Jul 2003

Wagner, J.; Mermelstein, C.; Schmitz, J.;Kiefer, R.; Walther, M.InAs/GaInSb/AlGaAsSb-Based Type-II W-Lasers30th Int. Symp. on Compound Semiconductors,San Diego, CA (USA)25 – 27 Aug 2003

Wagner, J.; Serries, D.; Köhler, K.; Ganser, P.Gruppe III-Arsenid/Nitrid-Halbleiter: ein interes-santes Materialsystem mit stark unterschiedli-chen Gruppe V-KomponentenFMF-Kolloquium, Titisee (D)9 – 10 Oct 2003

Wagner, J.; Serries, D.; Ganser, P.; Köhler, K.Gruppe III-Arsenid/Nitrid Halbleiter auf GaAs und InPUniversität Marburg, Marburg (D)10 Nov 2003

Wagner, J.LEDs für die BeleuchtungstechnikInnovative Beleuchtung mit LED, VDI, Düsseldorf (D)17 – 18 Nov 2003

Weber, J.; Kallenbach, S.; Kelemen, M. T.;Deubert, S.; Reithmaier, J. P.; Forchel, A.;Mikulla, M.Vergleich von InGaAs/AlGaAs-Quantenpunkt-und Quantenfilm-Ridge-Trapez-LasernFrühjahrstagung Deutsche PhysikalischeGesellschaft, Dresden (D)24 – 28 Mar 2003

Reichart, P.; Dollinger, G.; Bergmaier, A.;Hauptner, A.; Wild, C.; Körner, H.; Krücken, R.Detection of Hydrogen at Grain Boundaries ofCVD-Grown DiamondDiamond 2003, Salzburg (A)7 – 12 Sep 2003

Yang, Q. K.; Pfahler, C.; Schmitz, J.;Pletschen, W.; Fuchs, F.Trap Centers and Minority Carrier Lifetimes inInAs/(GaIn)Sb SL Long WavelengthPhotodetectorsPhotonics West 2003, San Jose, CA (USA)25 – 31 Jan 2003



Committee ActivitiesArbeit in Fachgremien

Dr. Martina Baeumler- Steering Committee of »Defect Recognition

and Image Processing«; Member

Dr. Wolfgang Jantz- Normenausschüsse des DIN

NMP 221 »Prüfung von Materialien für die Halbleiter-Technologie«; ChairmanNMP 221.4 »Prüfung von Element- und Verbindungshalbleitern«; Chairman

- National Coordination Group on GaAs; Member

- International Steering Committee EXMATEC 2003; Member

- SEMI European Compound Semiconductor Technical Committee; Chairman

Dr. Carmen Mermelstein- Program Committee SPIE Photonics West

Conference »Novel In-Plane, Semiconductor Lasers«, San José, CA (USA); Member

Prof. 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«; Member

- Program Committee Int. Conference on Infrared Sensors & Systems 2003, Nürnberg (D); Member

- Advisory Committee Int. Conference on NewDiamond Science and Technology 2003, Tokyo (J); Member

Dr. Michael Schlechtweg- Steering Committee »Gallium Arsenide

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

Electron Devices Society - German Chapter; Member

Dr. Herbert Walcher- Deutsche Gesellschaft für Kristallwachstum

und Kristallzüchtung (DGKK); Member of theBoard

Prof. Günter Weimann- National Steering Committee BMBF-Verbund

»KomModul«; Speaker- Scientific Advisory Board Institut für

Kristallzüchtung, Berlin (D); Member- International Advisory Committee Int. Symp.

on Compound Semiconductors; Member

Conference OrganisationTagungsorganisation

Prof. Peter Koidl33. IR-KolloquiumFreiburg/Br. (D), 8 – 9 Apr 2003

Dr. Michael Schlechtweg,Prof. Andreas Thiede, Dr. Friedbert van RaayGallium Arsenide Application SymposiumGAAS2003München (D), 6 – 10 Oct 2003

Committees and ConferencesGremien und Tagungen

PatentsPatente

Schneider, H.; Schönbein, C.Halbleiterheterostruktur-Strahlungsdetektor, mitzwei spektralen EmpfindlichkeitsbereichenEP 0 856 201 B1DE 596 10 134.1-08

Koidl, P.; Wild, C.; Wörner, E.Diamond BodyUS 6,536,509 B1

Reeh, U.; Höhn, K.; Stath, N.; Waitl, G.;Schlotter, P.; Schneider, J.; Schmidt, R.(Patent holder/Patenthalter: Osram OptoSemiconductors GmbH)Light-Radiating Semiconductor Componentwith a Luminescence Conversion ElementUS 6,576,930 B2

Höhn, K.; Debray, A.; Schlotter, P.; Schmidt, R.; Schneider, J.(Patent holder/Patenthalter: Osram OptoSemiconductors GmbH)Wavelength-Converting Casting Compositionand White Light-Emitting SemiconductorComponentUS 6,592,780 B2US 6,613,247 B1

Wild, C.; Koidl, P.Plasma ReactorUS 6,645,343 B1

Leich, M.; Schlechtweg, M.Supply Voltage Decoupling Device for HFAmplifier CircuitsUS 6,653,903 B2


Doctoral ThesesPromotionen

16 young scientists are working at theFraunhofer IAF towards their doctoral theses inelectrical engineering and physics in cooperati-on with different universities, e. g. Aachen,Freiburg, Karlsruhe.Six dissertations were completed in 2003,details please see page 10.

Insgesamt 16 junge Wissenschaftlerinnen undWissenschaftler arbeiteten 2003 am FraunhoferIAF an ihren Doktorarbeiten aus den Fachge-bieten Elektrotechnik und Physik. Das IAF ko-operiert hier im Wesentlichen mit den Uni-versitäten Aachen, Freiburg und Karlsruhe.Sechs Promotionen wurden 2003 abgeschlos-sen, Näheres siehe Seite 10.

Diploma ThesesDiplomarbeiten

Six students have been working on their diplo-ma theses in 2003 with cooperation of diffe-rent universities and "Fachhochschulen".Three "Diplom-Arbeiten" were completed:

In Zusammenarbeit mit verschiedenenUniversitäten und Fachhochschulen arbeiteten2003 sechs Studenten am Fraunhofer IAF ander Erstellung ihrer Diplomarbeiten.Drei Arbeiten wurden 2003 abgeschlossen:

Leena JayamohanPhase Noise Measurement System for MMICBetween 40 GHz and 110 GHzFachhochschule Offenburg

Christian PfahlerUntersuchung zur Lebensdauer vonMinoritätsladungsträger in InAs/(GaIn)Sb-Über-gitternUniversität Freiburg/Br.

Rainer WeberAktives Load-Pull-Messsystem für Transistoren > 60 GHz auf der Basis eines Agilent 8510-NetzwerkanalysatorsFachhochschule Offenburg

Academic LecturesVorlesungen

Prof. Peter KoidlLaserphysik und OptoelektronikUniv. Freiburg/Br., SS 03

Prof. Joachim WagnerTheorie und Technologie der HalbleiterUniv. Freiburg/Br., WS 02/03, WS 03/04

Prof. Günter WeimannIII-V-Halbleiterbauelemente(Heterostrukturbauelemente)Univ. Karlsruhe (TH), SS 03

Education and TeachingAusbildung und Lehre

SEMI Europe Standards Award

W. JantzSEMI Leadership Award 2003

AwardsAuszeichnungen


National CooperationsKooperationen Inland

German Industry- Aixtron, Aachen- AIM, Heilbronn- Alcatel, Stuttgart- BGT, Überlingen- Bosch, Stuttgart- Ceram Optec, Bonn- EADS, Ulm- DaimlerChrysler, Ulm/Frankfurt- DaimlerChrysler Aerospace, Ulm- Dilas Diodenlaser, Mainz- EpiNova, Freiburg/Br.- Freiberger Compound Materials,

Freiberg/Sachsen- GFD, Ulm- Infineon Technologies, München/Berlin- Innovation Berlin Laser, Berlin- Jenoptik, Laser, Optik, Systeme GmbH, Jena- Dr. Kaiser, Celle- Laser Components, Olching- Leybold Systems, Hanau- Lucent Technologies Network Systems,

Nürnberg- m2k-Laser, Freiburg/Br.- 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, Erlangen- SHF-Design, Berlin- Siemens, München/Erlangen/

Regensburg- 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- FhG-HHI, Berlin- FhG-IIS, Erlangen- FhG-ILT, Aachen- FhG-IPM, Freiburg/Br.- 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 Darmstadt- TU Dresden- TU Hamburg-Harburg- TU München- Ulm- Würzburg

International CooperationsKooperationen Ausland

Industry- BAE-Systems, Pomona, CA (USA)- Farran Technologies, Cork (IRL)- Hitachi, Cambridge (GB)- Hitachi Cable, Hitachi City (J)- IBM, Yorktown Heights, NY (USA)- IQE, Cardiff, UK- Lucent Technologies, Bell Laboratories,

Murray Hill/Holmdel, NJ (USA)- Lumilog, Vallauris (F)- M/A-COM, Lowell, MA (USA)- Nippon Telegraph and Telephone Corp.

NTT, Kanagawa (J)- Nortel, Ottawa (CDN)- OmniCorder Technol., Stony Brook, NY (USA)- Philips Analytical, Eindhoven (NL)- Picogiga, Paris (F)- Thales, Paris (F)- Torsana Laser Technologies, Kristgaard (DK)- 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)- LAAS, Toulouse (F)- NTB, Buchs (CH)- Paul Scherrer Institute, Villigen (CH)- 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- Cornell University, Ithaca, NY (USA)- ETH, Zürich (CH)- Hebrew University of Jerusalem (IL)- Middlesex University London (GB)- Technion, Haifa (IL)- University of Iowa, Iowa City, IA (USA)- University of Michigan,

Ann Arbor, IL (USA)- University of Surrey, Guildford (GB)- Université de Montpellier (F)- Université Pierre et Marie Curie, Paris (F)- 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


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FreiburgStadtmitte

Hauptbahnhof

Basler LandstraßeBasler Straße

B 31 vom/zumSchwarzwald

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Mooswaldallee

AusfahrtIndustriegebiet

Nord

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AccessAnfahrt


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

Photos:Fotos:Liana MarekEADS, Ulm (p. 15)FGAN-FHR, Werthhoven (p. 22)

Layout, Typesetting, Printing:Layout, Satz, Druck:netsyn, Joachim Würger, Freiburg

All rights reserved.Reproduction requires the permission of the Director of the Institute.Alle Rechte vorbehalten.Nachdruck nur mit Genehmigungder Institutsleitung.

© Fraunhofer-Institut fürAngewandte FestkörperphysikFreiburg 2004

Annual Report 2003Jahresbericht 2003

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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]

2003

40 µm

12 µm 19,3 µm 8,7 µm

IB FRaunhofer IAF · Twin 2 µm diode laser power modul for medical applications. Lasermodul...

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