Interdyscyplinarne badania nad integracją aktywnych i pasywnych elementów subterahercowych w jeden monolityczny obwód wykonany w zaawansowanej technologii azotkowej

Projekt ma na celu przeprowadzenie interdyscyplinarnych badań nad integracją pasywnych i aktywnych elementów elektronicznych w jednym chipie wyprodukowanym w technologii opartej na azotku galu (GaN), zoptymalizowanym pod kątem wydajnej pracy w zakresie ekstremalnie wysokich częstotliwości (EHF) powyżej 100 GHz. Badanie to koncentruje się w szczególności na zakresie sub-terahercowym (sub-THz) (0,1–0,3 THz), który jest przedmiotem dużego zainteresowania w inżynierii wysokich częstotliwości (HF), fizyce półprzewodników i materiałoznawstwie. Opierając się na wcześniejszych pracach i doświadczeniu partnerów konsorcjum [1–3], proponujemy zbadanie możliwości zintegrowania systemu sub-THz składającego się z elementów aktywnych i pasywnych na podłożu GaN w ramach jednego procesu technologicznego. Integracja elementów aktywnych i pasywnych na chipie opartym na GaN stanowi poważne wyzwanie ze względu na zasadniczo różne wymagania elektrodynamiczne i technologiczne dla tych urządzeń. Aby temu zaradzić, nasze badania mają na celu poszukiwanie innowacyjnych rozwiązań łączących promieniujące elementy pasywne, takie jak anteny płaskie, z aktywnymi komponentami elektronicznymi, wszystkie wytwarzane na półizolacyjnym podłożu GaN o szerokiej przerwie energetycznej i niskich stratach. Podłoże to służyłoby zarówno jako półprzewodnik, jak i dielektryczne podłoże dla anten płaskich. Wstępne wyniki wykazały wysoki zysk anteny w systemach wzbogaconych o metapowierzchnie, które skutecznie redukują wzbudzenia pasożytniczych fal powierzchniowych (SW) [3]. Odkrycia te stanowią podstawę naszej hipotezy, że integracja anten otoczonych metapowierzchniami i zmniejszenie grubości podłoży GaN do 200 μm może znacznie ograniczyć wzbudzenia SW i poprawić wydajność systemu. Głównym celem tego projektu jest opracowanie koncepcji projektowych i procesów produkcyjnych dla zintegrowanych systemów sub-THz opartych na technologii GaN na wysokiej jakości podłożach amonotermalnych. Obejmuje to rygorystyczne symulacje numeryczne, walidację eksperymentalną oraz opracowanie projektów wzbogaconych o metapowierzchnie. Interdyscyplinarny charakter tych badań podkreśla współpraca między partnerami konsorcjum: IWC PAN – liderem konsorcjum, specjalizującym się w fizyce półprzewodników, oraz PW, skupiającym się na inżynierii HF. Razem wnoszą one uzupełniającą się wiedzę i metodologię, aby sprostać złożonym wyzwaniom związanym z integracją elementów pasywnych i aktywnych. Znaczenie tego projektu polega na pokonaniu ograniczeń technologicznych i wyzwań materiałowych związanych z rozwojem systemów sub-THz. Wykorzystując dostęp do wysokiej jakości badań i rozwoju podłoży o niskiej stratności oraz zaawansowanych technologii produkcyjnych, dążymy do wprowadzenia nowych podejść do integracji opartej na GaN. Oczekiwane wyniki obejmują uzyskanie głębszego zrozumienia właściwości fizycznych i elektronicznych zintegrowanych obwodów sub-THz oraz interakcji między komponentami aktywnymi i pasywnymi. Ponadto prace te przyczynią się do rozwoju technologii bezprzewodowych, kładąc podwaliny pod systemy wykraczające poza 5G. Przykładem potencjalnego zastosowania w przyszłości mogą być zintegrowane anteny do komunikacji wewnętrznej roju dronów w zakresie sub-terahercowym, gdzie integracja elementów pasywnych i aktywnych może znacznie zmniejszyć wagę i zwiększyć niezawodność modułu komunikacyjnego. Podsumowując, szerszy wpływ tego projektu rozciąga się na rozwój badań interdyscyplinarnych i wspieranie innowacji w elektronice HF, inżynierii materiałowej i fizyce stosowanej. Proponowana integracja elementów pasywnych i aktywnych w ujednoliconej technologii opartej na GaN stanowi znaczący krok naprzód w rozwoju niezawodnych zintegrowanych systemów sub-THz.