Att summera Herbert Ziraths karriär kort är ogörligt. Efter några timmar i hans sällskap är det tydligt. Istället gäller det att plocka några russin ur den välmatade kakan, som började ta form för över 35 år då han av en slump kom in som doktorand på mikrovågor.

En röd tråd i forskningsarbetet har varit att ta fram transistorer med allt högre gränsfrekvens. Genom att kombinera material med olika bandgap går det att få elektronerna att röra sig i ett material utan dopning, och då går hastigheten upp.

− Det kallas bandgap-engineering. Det betyder att vi tar fram artificiella halvledarstrukturer som ger de egenskaper vi eftersträvar. Det har vi arbetat med sedan vi gjorde den första transistorn i labbet här på Chalmers, förklarar Herbert Zirath.

Det första anslaget för transistorutveckling fick han 1986. Dessförinnan hade han simulerat och startat tillvekning av dioder för frekvensblandare upp till 140 GHz med sikte på Onsala rymdobservatorium, liksom dykt ner i Schottkydioder.

Herbert Zirath

− Det var så vi började bygga upp vårt komponentkunnande. Vi gjorde dioder i galliumarsenid som vi också tog fram här på Chalmers.

Samtidigt som intresset för transistorer tog över började Herbert Zirath att bygga upp ett mindre labb med Anders Larsson, idag välkänd Chalmersprofessor i fotonik. Tillsammans köpte de universitetets första förångningsanläggningar.

− Det var pionjärtid, skrattar Herbert Zirath.

Under årens lopp har hans forskningsfokus flyttat från transistornivå till kretsar och vidare till system. Det gäller för varje material som gruppen studerat och studerar – från galliumarsenid, till indiumfosfid, till III-nitrider som gallium-, aluminium- och indiumnitrid.

Transistorutvecklingen är viktig, men det finns alltid en krets i åtanke och för den någon sorts tillämpning inom kommunikation eller avkänning.

− Helst vill man behärska hela kedjan, från material till system, men det är lättare sagt än gjort. Ta exempelvis en mikrovågslänk. Den innehåller väldigt mycket mer än front-end-delarna. Här ingår basbandet, processordelar och annat. Det gör det så intressant att jobba med företag som har systemkompetens.

Huvuddelen av forskningen som Herbert Zirath driver sker i samarbete med industrin. Chalmersgruppen tar fram en ny krets, medan industrin bidrar med sitt systemperspektiv.

Det är också så lejonparten av finansieringen kommer in – projekten stöttas av exempelvis Stiftelsen för strategisk forskning (SSF), Vetenskapsrådet, Vinnova eller EU och delfinansieras av industrin.

Chipet som i labbtest år 2014 överförde 40 Gbit/s vid 140 GHz, då ett ohotat världsrekord.

Ett av de större aktuella projekten är femårigt och finansierat av SSF med drygt 30 miljoner kronor. Vid starten för tre år sedan tog det avstamp i ett tidigare SSF-projekt där forskargruppen utvecklat en världsrekordkrets i indiumfosfid tillverkad av Teledyne. I labbtest lyckades forskarna överföra 40 Gbit/s vid 140 GHz, vilket när det skedde var dubbelt upp mot existerande rekord.

− Vi mätte upp chipet i en probstation som väger cirka 20 kilo. Det fungerar ju inte praktiskt, så i det pågående projektet har vi arbetat intensivt med att hitta lämpliga kapslingstekniker.

Modulen ovan sitter i en länkdemonstrator hos Ericsson ute på Lindholmen i Göteborg.

Han håller upp en liten modul för att visa resultatet – den ryms i en handflata och är gjord av frästa aluminiumdelar. På ena kortsidan finns en minimal vågledaröppning för 110 GHz till 170 GHz, känt som D-bandet. Där inne sitter världsrekordkretsen omgiven av bland annat biaseringskretsar.

− Tillsammans med Ericsson har vi byggt en demonstrator, en mikrovågslänk som sitter ute på Lindholmen och som företaget använder för att visa sina kunder, berättar Herbert Zirath.

Demonstratorn når i dagsläget 5 Gbit/s, alltså klart mindre än i labbet. Förklaringen är att forskarna använde nära nog hela D-bandet – 50 GHz – när världsrekordet slogs. Kommersiellt är det inte tillåtet, vilket gjort att forskningen slagit in på ett annat spår med hjälp av Ericsson.

− Vi tittar istället på mindre bandbredder men mer spektrumeffektiva modulationsformat, typ QAM, med fler bitar per symbol. Vår forskning idag är väldigt mycket inriktad på att få upp spektrumeffektiviteten, alltså antal bitar per hertz.

Demonstratorn på Lindholmen klarar ett länkhopp på drygt tio meter. Utmaningen just nu är att öka avståndet.

Primärt är det signal-brusförhållandet som bestämmer hopplängden, och väldigt förenklat är det uteffekten från sändaren och brusfaktorn i mottagaren som avgör resultatet. Kruxet är att ju högre frekvensen skruvas upp, desto svårare är det att generera effekt.

− Vill man förbättra spektrumeffektiviteten ställer det mer krav på kretsen. Det har varit en utmaning att förstå vilka parametrar som är viktigast och vad som ska förbättras, men vi har kommit fram till att den främsta utmaningen är att trycka ner bruset.

− Det jobbar vi mycket med och har startat en ny aktivitet här för att komma åt problemen. Just nu arbetar vi med att ta fram nästa generation chip med målet att öka länkhoppet till några kilometer.

I det nämnda SSF-projektet ingår många parallella aktiviteter. Förutom konstruktion av krets, modem, antenner och kapsling ingår även att studera frekvenser upp till 500 GHz. I skrivande stund har Teledyne precis levererat de första 500 GHz-kretsarna, som ska mätas upp i labbet.

Ett annat intressant och likartat projekt är M3Tera. Det syftar till att skapa ett mer kostnadseffektivt och kompakt byggsätt på THz-området, och är en del i EU:s ramprogram Horizon 2020.

Här har chipet i indiumfosfid fått ge plats för en krets i kiselgermanium (SiGe) tillverkad i Infineons BiCMOS-process B11HFC. Fördelen är att fler digitala funktioner, även processorer, kan integreras i kisel och i högre volymer blir kisel billigare.

Inom projektet arbetar forskarna med att krympa storleken på modulen genom memsteknik, där vågledare, fasskiftare och annat etsas i kisel. Memskonstruktionen är ett samarbete med KTH.

− Idag har vi prototyper på en sockerbitsstor modul, men den har ännu inte full funktionalitet. Det hoppas vi ha någon gång under mitten av året. Då kan vi mäta och göra ett länkhopp.

Denna artikel har tidigare publicerats i magasinet Elektronik­tidningen. För dig som jobbar i den svenska elektronik­branschen är Elektronik­tidningen gratis att prenumerera på – våra annonsörer betalar kostnaden. Här ansöker du om prenumeration (länk).

Indiumnitrid är ytterligare ett material som studeras i MC2-labbet. Med tanken på att indiumnitrid transporterar elektroner fem gånger snabbare än kisel är materialet som klippt och skuret för kretsar i framtida radar- och kommunikationssystem.

Inom det 5-åriga projekt ”Bridging the THz Gap” – finansierat med drygt 35 miljoner av Wallenbergstiftelsen – arbetar forskarna med ta fram ett indiumnitridmaterial som i framtiden kan användas för transistorer som ger tillräcklig effekt för att driva mobil datatrafik i frekvensområdet mellan 100 GHz och 1 THz.

− Men det är en utmaning att växa indiumnitrid på ett kontrollerat sätt. Detta är ett mer långsiktigt projekt som syftar till att överhuvudtaget få fram ett material som kan användas för transistorer.

Projektet är ett samarbete mellan Chalmers, Linköping och KTH, och är inne på sitt sista år. Det betyder dock inte att den svenska indiumnitridforskningen slår av på takten.

Tvärtom är ett nytt kompetenscentrum döpt till C3NiT med fokus på III-nitrider just på väg att ta form. Det kommer att finansieras av Vinnova med upp till sju miljoner om året under tio år, pengar som industrin ska svara upp mot.

− Strax före årsskiftet skrev parterna på konsortieavtalet, så nu kan vi sätta igång och jobba, säger Herbert Zirath.

C3NiT tar i viss mån över stafettpinnen från Gigahertz Centrum, som pågått under väldigt många år, till en början under namnet Chack – Chalmers Centre for High Speed Technology. Förra året fick Gigahertz Centrum en sista finansiering på 35 miljoner från Vinnova som ska räcka till och med 2021.

Det nya kompetenscentrumet är väldigt brett. Här ska material för både högfrekvens- och kraftkomponenter baserade på III-nitrider utvecklas. Som exempel inom hf-segmentet tar Herbert Zirath upp framtida integrerade kretsar som kan ersätta TWT-förstärkare (travelling wave tubes) för rymdsystem.

− TWT-förstärkare begränsar livslängden på dagens satelliter och man vill gärna ersätta dem med GaN-transistorer. Bland annat Ruag är intresserat av denna typ av komponenter.

C3NiT är ett samarbete mellan Chalmers och Linköpings universitet. Från industrin deltar Ericsson, Saab och Ruag.

− Man får se det som ett slags nav som man kan bygga andra projekt kring, som Horizon 2020-projekt och andra svenska projekt. Det är viktigt att ha en viss grundplåt att stå på. SSF-projektet som jag berättat om har varit en sådan.

Man kan förstå att många projekt krävs för att hålla den cirka 40 personer stora forskargruppen – varav hälften doktorander – som Herbert Zirath ansvarar för sysselsatt.

I arbetsuppgiften ingår även att ta hand om cirka 30 till 40 studenter som varje år väljer Chalmers masterprogram med fokus på mikrovågsfotonik och rymdteknik. Herbert Zirath menar att det i Göteborgsområdet finns ett stort behov av civilingenjörer som har den kompetens som han går i bräschen för.

− Ja, arbetsmarknaden är relativt stor. Vi har många större företag som Saab, Ericsson och Ruag, men också ett stort antal mindre med behov av denna typen av utbildning.

Som exempel på potentiella arbetsgivare i mindre kostym räknar han upp Omnisys som utvecklar rymdburna radiometrar, Low Noise Factory som utvecklar HEMT:ar i indiumfosfid och levererar extremt lågbrusiga förstärkare som kan användas inom radioastronomi eller kvantdatorer, liksom Gotmic, Gapwaves och Bluetest.

De två sistnämnda har framlidne Chalmersprofessorn Per Simon Kildahl startat. Gotmic har Herbert Zirath själv varit med och grundat, medan Low Noise Factory också är en avknoppning från Chalmers.