Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR
Hochfrequenz- und Quantensysteme unter kryogenen Bedingungen charakterisieren
Die elektrischen und hochfrequenten Eigenschaften moderner Bauelemente können sich bei extrem niedrigen Temperaturen deutlich verändern. Leitfähigkeit, Rauschverhalten, Verluste, Verstärkung und Zuverlässigkeit sind temperaturabhängig. Eine Charakterisierung unter kryogenen Bedingungen ist daher insbesondere für Komponenten erforderlich, die später bei sehr niedrigen Temperaturen eingesetzt werden, etwa in der Quanteninformatik, Radioastronomie, Raumfahrt oder in hochempfindlichen Sensorsystemen.
Die kryogenen Messplattformen des Fraunhofer FHR ermöglichen die präzise Charakterisierung elektronischer und hochfrequenter Komponenten bis zu 1,5 Kelvin. Im Kryolabor stehen dafür drei spezialisierte Systeme zur Verfügung. Sie decken unterschiedliche Integrationsstufen ab, vom einzelnen Chip und Wafer über Leiterplatten und weitere HF-Komponenten bis hin zu komplexeren Systemen. Messungen sind dabei je nach Plattform im Frequenzbereich von DC bis 67 GHz möglich.
Spezialisierte Infrastruktur bis 1,5 Kelvin
Zur Ausstattung gehören die kryogene Sondenstation CRX-4K, der kryogenfreie SHI-950-LT-Kryostat sowie eine am Fraunhofer FHR entwickelte 4K-Probestation. Die CRX-4K ermöglicht On-Wafer-Messungen zwischen 4 und 300 Kelvin bei Frequenzen bis 67 GHz. Der SHI-950-LT deckt einen Temperaturbereich von 1,5 bis 300 Kelvin ab und verfügt über eine modulare Probenhalterplattform sowie Anschlüsse für bis zu sechs HF-Kabel.
Besonders flexibel einsetzbar ist die FHR-eigene 4K-Probestation. Sie bietet einen Testbereich von 300 × 300 Millimetern, acht individuell anpassbare Schnittstellen und ermöglicht Messungen von 4 bis 300 Kelvin. Neben S-Parameter- und Impedanzmessungen können auch anwendungsspezifische Untersuchungen realisiert werden.
Präzise Charakterisierung von Hochfrequenzelektronik
Zum Leistungsspektrum gehören S-Parameter-Messungen zur Bestimmung von Reflexions- und Transmissionseigenschaften sowie die Untersuchung von Verstärkung, Impedanz, Bandbreite und Einfügedämpfung. Verstärker und Filter können so gezielt hinsichtlich ihres Verhaltens bei kryogenen Temperaturen charakterisiert werden.
Bei Temperaturen bis 1,5 Kelvin werden thermische Störungen stark reduziert. Dadurch können physikalische Phänomene untersucht werden, die bei höheren Temperaturen überdeckt sind. Die gewonnenen Messdaten unterstützen die Entwicklung und Validierung von Bauelementen und helfen dabei, temperaturabhängige Veränderungen bei der Auslegung zukünftiger Systeme zu berücksichtigen.
Von Quanteninformatik bis Radioastronomie
Die Einsatzmöglichkeiten reichen von Qubit-Control-Chips und Mikrowellenkomponenten über MMICs, rauscharme Verstärker, Mischer und Oszillatoren bis hin zu Empfängern für Radioteleskope. Damit bietet das Fraunhofer FHR eine flexible Forschungs- und Entwicklungsinfrastruktur für die Charakterisierung und Validierung moderner Hochfrequenz- und Quantensysteme.