Neuartiger Halbleiterprozess – eröffnet Weg zur Terahertz-Elektronik

Im Elektronikbereich werden immer höher frequente Signale verarbeitet. Dadurch werden die derzeit weitgehend ungenutzten, hohen Terahertz-Frequenzen zunehmend attraktiver.

Zugleich steigen die Anforderungen an Transistoren, die in jedem elektronischen High-Tech-Produkt stecken. Ein Terahertz (THz) ist die Frequenz von einer Billion Schwingungen pro Sekunde und liegt im Frequenzbereich zwischen Optik und Elektronik. Mit Entwicklungen, die den Zugang zum Terahertz-Frequenzfenster im Bereich zwischen 0,1 – 10 THz ermöglichen, kann beispielsweise die Auflösung herkömmlicher Radarsysteme deutlich gesteigert werden. Da die Strahlung sowohl Verpackungen als auch Kleidung durchdringt, können Sicherheitskontrollen auf Flughäfen künftig verbessert werden. Solche bildgebenden Systeme können auch in der industriellen Qualitätssicherung oder der Medizin- und Sicherheitstechnik eingesetzt werden. Eine weitere Anwendung liegt in der hochbitratigen drahtlosen Kommunikation.

Das Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) ist nun mit Elektronikkomponenten für integrierte Schaltungen in die Lücke zwischen 0,1 – 1,0 THz vorgestoßen. Dazu wurde am FBH auf Basis von Hetero-Bipolar-Transistoren (HBT) ein Transfer-Substrat-Prozess (TS) entwickelt. Dabei wird nicht wie bisher nur eine Seite des Wafers strukturiert, sondern es werden beide Seiten genutzt.

Mittels Epitaxie werden zunächst hauchdünne – zum Teil unter 10 Nanometer (nm) dicke – Materialschichten aus Indiumphosphid (InP)/Indium-Galliumarsenid (InGaAs) auf einen Substratwafer aufgebracht. Diese Schichten werden anschließend in verschiedenen Ätz- und Metallisierungsschritten strukturiert. Bei dem neuartigen TS-Prozess wird die strukturierte Vorderseite des Wafers auf eine Aluminiumnitrid-Keramik geklebt und der Substratwafer entfernt. Damit wird die Rückseite der Epitaxieschichten freigelegt; diese kann nun wie die Vorderseite in einer industriellen Belichtungsanlage weiterbearbeitet werden. Ein Schlüsselelement der Technologie ist dabei die präzise Ausrichtung von der Vorder- zur Rückseite, die genauer als 100 nm ist.

Das innovative Verfahren erlaubt einen verbesserten Zuschnitt der Bauelemente. Durch die beidseitige lithografische Strukturierung ist es möglich, kompakte und damit schnellere Transistoren zu realisieren. Der Transferprozess ist ein erster Schritt zum Aufbau von dreidimensional integrierten Schaltungen, die zukünftig weiter entwickelt werden sollen. Mit diesem Verfahren lässt sich Elektronik sogar flexibel realisieren. So können elektronische Bauelemente auch an schwer zugänglichen Stellen, beispielsweise in gebogenen Autoblechen oder in funktionaler Kleidung, integriert werden.

Das FBH konnte damit weltweit erstmalig flexible Hochfrequenzelektronik mit Grenzfrequenzen deutlich jenseits von 200 GHz, das sind 0,2 THz, demonstrieren. Die Transfer-Substrat-Transistoren zeigen maximale Transitfrequenzen von bis zu ft = 410 GHz (Stromverstärkung wird 1) bei Schwingfrequenzen von fmax = 480 GHz (Leistungsverstärkung wird 1).

Weitere Informationen
Petra Immerz, M.A.
Referentin Kommunikation & Marketing
Ferdinand-Braun-Institut
für Höchstfrequenztechnik
Gustav-Kirchhoff-Straße 4, 12489 Berlin
Tel. +49.30.6392-2626, Fax +49.30.6392-2602
E-Mail petra.immerz@fbh-berlin.de
Das FBH
Das Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik ist eines der weltweit führenden Institute für anwendungsorientierte und industrienahe Forschung in der Mikrowellentechnik und Optoelektronik. Auf der Basis von III/V-Verbindungshalbleitern realisiert es Hochfrequenz-Bauelemente und Schaltungen für Anwendungen in der Kommunikationstechnik und Sensorik. Leistungsstarke und hochbrillante Diodenlaser entwickelt das Institut für die Materialbearbeitung, Lasertechnologie, Medizintechnik und Präzisionsmesstechnik. Für künftige Anwendungen führt das FBH grundlegende Untersuchungen an Nitriden durch, beispielsweise für die Realisierung von kurzwelligen UV-Lichtquellen oder Transistoren für sehr hohe Spannungen. Die enge Zusammenarbeit des FBH mit Industriepartnern und Forschungseinrichtungen garantiert die schnelle Umsetzung der Ergebnisse in praktische Anwendungen. Das Institut beschäftigt 230 Mitarbeiter und hat einen Etat von 17,1 Millionen Euro. Es gehört zum Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB) und ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.