Sandwich-Chips: Das Beste aus zwei Technologien

Wolfgang Heinrich und Bernd Tillack sind sich sicher, den Schlüssel für schnellere und leistungsfähigere Terahertz-Chips gefunden zu haben. Die beiden Wissenschaftler leiten Forscherteams vom Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), in Berlin und vom Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP) in Frankfurt/Oder – und kommen damit aus zwei Technologiewelten. Das FBH ist führend in der Entwicklung von III/V-Halbleitern, während das IHP auf Silizium-basierte Systeme und Schaltungen spezialisiert ist. Zwei Technologien, die bisher als getrennte Entwicklungspfade in der Halbleitertechnologie galten.

Beide Leibniz-Institute bündeln ihr Know-how im HiTeK-Projekt, um die Vorzüge Silizium-basierter CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Schaltungen aus dem IHP mit jenen auf Indiumphosphid-Basis aus dem FBH zu verbinden. Einen entscheidenden Schritt haben sie nun geschafft: Ihnen ist es gelungen auf einem Halbleiterwafer beide Schaltungen so miteinander zu verbinden, dass erste Messergebnisse die Leistungsfähigkeit belegen. Mit der Integration auf einem Chip rücken neue, anspruchsvolle Anwendungen in greifbare Nähe, etwa hochauflösende bildgebende Systeme in der Medizin und Sicherheitstechnik oder Mobilfunkanwendungen. Die neuartigen Chips bieten die dafür erforderliche Leistungs¬fähigkeit auch bei höheren Frequenzen bis in den Terahertz-Bereich, um Materialfehler in Rotorblättern von Windanlagen oder Tumore in Geweben aufzuspüren, aber auch um hohe Datenraten in Funknetzen zu übertragen.

Für derartige Anwendungen werden sowohl hohe Ausgangsleistungen als auch schnellere Computerprozessoren benötigt, die mehr Rechenoperationen pro Sekunde ermöglichen. Dazu müssen die Schaltungen auf den Chips immer kleiner werden. Genau dieser Wettlauf treibt die Miniaturisierung in der Halbleiterindustrie voran. Sobald jedoch Frequenzbereiche von 100 Gigahertz und darüber angestrebt werden, sinkt in kleinen CMOS-Schaltkreisen die Durchbruchspannung und damit auch die verfügbare Ausgangsleistung der Chips erheblich, also die Fähigkeit genügend starke Signale zu erzeugen, um eine Funkverbindung aufzubauen oder Materialfehler aufzulösen. Das IHP forscht dazu an bipolarem CMOS auf der Basis von Siliziumgermanium, was die Durchbruchspannung bei hohen Geschwindigkeiten gegenüber reinem CMOS erhöht. Eine weitergehende Verbesserung eröffnet sich nun, indem eine herkömmliche CMOS-Schaltung mit einer zweiten Schaltung aus Indiumphosphid kombiniert wird. Diese wird wie eine Art Sandwich passgenau auf den CMOS-Chip aufgebracht. Die Materialkombination liefert genau die gewünschten Eigenschaften – hohe Leistungen bei hohen Frequenzen –, bei der die traditionelle, Silizium-basierte CMOS-Technologie an ihre Grenzen stößt. Gleichzeitig kann das hohe Maß an Fertigungsroutine und Integration bei CMOS-Schaltungen weiter genutzt werden, immerhin basieren weltweit 95 Prozent aller digitalen oder analog-digitalen Schaltungen auf dieser Technologie.

„Eine besondere Herausforderung war es, beide Technologien an den Schnittstellen kompatibel zu machen“, betont Heinrich. Dazu wurde zunächst die gesamte Entwicklungsumgebung der beiden Prozesse zusammengeführt, wie etwa die Software für das Schaltungslayout. Die beiden Schichten mussten zudem so dimensioniert werden, dass sie die geforderten guten Übertragungseigenschaften für Frequenzen um 200 Gigahertz erreichen. Gefragt war dabei Maßarbeit, um die Schaltungen mit einer Genauigkeit von weniger als 10 Mikrometern präzise zueinander auszurichten.

Nun gilt es den Prozess zu stabilisieren und die Schaltungen weiter zu optimieren. Ein Folgeprojekt wurde bewilligt, das die Möglichkeiten der hybriden Chips voll ausschöpfen und an die Grenzen des Machbaren gehen soll, um die Sandwich-Schaltungen bald in anspruchsvolle Anwendungen integrieren zu können.

FBH / OD