Tropics-satellit och bild på cyklonen Emnati
Till vänster: TROPICS kubsatellit Pathfinder med utfälld solpanel och radiometer. Foto: Blue Canyon Technologies.
Till höger: Radiometerdata från TROPICS Pathfinder registrerade med LNF:s förstärkare vid 91.65 GHz. Bilden visar utbredningen av cyklonen Emnati mellan Madagaskar och Mauritius den 20 feb 2022. Bild: NASA och MIT Lincoln Laboratory, P.I. William J. Blackwell.

Chalmers transistorteknik i Nasas klimatsatelliter

​Sedan förra året skjuter Nasa upp flera kubsatelliter i syfte att studera tropiska cykloner från rymden. I satelliterna finns förstärkare från företaget Low Noise Factory med transistorteknik utvecklad på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap (MC2) på Chalmers. Förstärkarna är konstruerade för att detektera syre och vatten i atmosfären med mycket hög känslighet, och halvledarchipen i förstärkarna är tillverkade i Chalmers renrum.
​Sedan lång tid tillbaka är Chalmers i framkant när det gäller forskning och utveckling av mycket lågbrusig transistorteknik för detektion inom mikrovågsområdet. Spin-off-företaget Low Noise Factory (LNF) i Göteborg har kommersialiserat tekniken och erbjuder i dag de känsligaste mikrovågsförstärkarna som finns på marknaden.

Samarbetet med Chalmers hjälpte LNF att få uppdraget att leverera förstärkare till Massachusetts Institute of Technology för Nasa-projektet Tropics (Time-Resolved Observations of Precipitation structure and storm intensity with a Constellation of Smallsats). Målet med Tropics är att studera tropiska cykloner från rymden med hjälp av en konstellation av mikrosatelliter, så kallade kubsatelliter.

Att använda kubsatelliter är en relativt ny och kostnadseffektiv metod där man konstruerar och skjuter upp en svärm med små enheter i stället för en enskild stor satellit. I Tropics är varje kubsatellit 10x10x30 cm, det vill säga ungefär lika stor som en skokartong.

Förvarnar vid uppkomst av cykloner

Tack vare kubsatelliterna i Tropics kan väderdata snabbt uppdateras vilket förbättrar möjligheten att i god tid förvarna vid uppkomst av cykloner och deras rörelsemönster. Väderövervakningen från Tropics-satelliterna sker med radiometrar som detekterar vatten, syre och fuktighet i atmosfären med hög upplösning.

Inuti radiometrarna sitter mikrovågsförstärkare konstruerade med transistorer i halvledaren indiumfosfid, och halvledarchipen är tillverkade i MC2:s renrum på Chalmers. Förstärkarna och de ingående transistorerna är specialdesignade för lägsta brus vilket innebär att de aktuella radiometrarna kan leverera data till jorden med högsta känslighet.

Sommaren 2021 sköts den första Tropics-kubsatelliten, benämnd Pathfinder, upp med mycket lovande resultat. Detta följdes upp i juni i år av ytterligare två kubsatelliter som tyvärr gick förlorade efter uppskjutningen. Bedömningen är dock att de fyra återstående kubsatelliterna som planeras skickas upp 2023 ska räcka för att klara Tropics-projektets vetenskapliga mål.

Kräver både djupa och breda kunskaper

För att kunna tillverka transistorer med mycket lågt brus krävs djupa kunskaper inom halvledarmaterial, transistorteknik, mikrovågsdesign och brusmätningar, forskning som har möjliggjorts tack vare ett långsiktigt samarbete mellan Chalmers och industrin i en värdekedja som går hela vägen från materialvetenskap till brusmätningar i industriella testbäddar.

– Forskning mellan Chalmers och LNF har lett till att vi fått se våra halvledarchip i kubsatelliter i rymden. Det är förstås väldigt inspirerande för mig och mina doktorander och samarbetet med industrin att se hur grundforskning inom transistorer hjälper till i spännande klimatprojekt som Tropics, säger Jan Grahn, professor och forskargruppledare på Chalmers.

Bildtexter till bilderna i brödtexten

Figur 1: Genomskärning av indiumfosfidtransistor. Förstoring 130000 gånger. Foto: Chalmers.
Figur 2: Förstärkarchip med transistorer processat i MC2s renrum. Bild: Chalmers och Low Noise Factory AB.
Figur 3: Kapslad lågbrusig mikrovågsförstärkare innehållande transistorchip. Bild: Low Noise Factory AB.

Fördjupning: Aktuell forskning i ämnet

I en nyligen publicerad forskningsartikel från Chalmers och LNF påvisas hur positionen av ett dopningsplan på nanometernivå i transistorn påverkar brusprestandan i mikrovågsförstärkaren. Dopningsplanets roll är att skapa en tvådimensionell gas av fria elektroner som ger transistorn dess enastående känslighet vid förstärkning av en svag elektrisk signal i gigahertzområdet. Mätning och modellering av förstärkare och halvledarkomponent har väglett forskarna att föreslå en alternativ fysikalisk mekanism till vad som begränsar lägsta brusnivån i transistorn. 

Junjie Li, Arsalan Pourkabirian, Johan Bergsten, Niklas Wadefalk, Jan Grahn
IEEE Electron Device Letters 2022 43(7) 1029 July 2022 
 
Forskningen har finansierats av Vetenskapsrådet, Vinnova samt inom GigaHertz Centrum, ett samarbete mellan Chalmers och industri inom mikrovågsteknik.

Kontakt

Jan Grahn
Professor och forskargruppsledare, Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Terahertz- och millimetervågsteknik
jan.grahn@chalmers.se, +46317721055
 

Sidansvarig Publicerad: to 13 okt 2022.