Leistungsgrenze von Silizium überwunden / Taktraten von bis zu 70 Gigahertz möglich

Durch die Einführung einer Zwischenschicht ist es Forschern der Motorola Labs erstmals gelungen, Verbundhalbleiter aus Silizium und sogenannten III-V-Materialien wie Gallium-Arsenid (GaA) zu fertigen. Damit wurde ein Problem gelöst, das die Halbleiterbranche die vergangenen 30 Jahre über beschäftigt hatte. Mit den neuen Verbundmaterialien können laut Motorola die physikalischen Leistungsbegrenzungen von Silizium überwunden werden, ohne die Vorteile der industriell erprobten Silizium-Halbleitertechnik aufgeben zu müssen.

Beispielsweise war es bis jetzt nicht möglich, Licht aussendende Halbleiter wie die III-V-Materialien mit integrierten Silizium-Schaltkreisen auf einem Chip zu vereinen, da die Werkstoffe als phyikalisch unverbindbar galten. Durch diesen Zwang zu separaten Komponenten ergaben sich Nachteile hinsichtlich Preis, Größe, Geschwindigkeit und Effektivität von Highspeed-Kommunikationsgeräten.

Das neue Verfahren wird laut Motorola zu erheblichen Kostenvorteilen führen und so die Markteinführung von optischen Breitband-Anschlüssen, videofähigen Handys oder moderner Sicherheitstechnik im Straßenverkehr wie sensorgesteuerter Abstandskontrolle deutlich beschleunigen. Weitere potenzielle Zielmärkte sind Speichersysteme, Laser für DVD-Player, Radaranlagen sowie Geräte in der Medizintechnik, Beleuchtung und Solarenergie.

Vorteile auf einen Blick

Die Vorteile des neuen Verfahrens sind schlagwortartig zusammengefasst:

• größere Substratflächen und damit sinkende Material- und Herstellungskosten für die Produktion von III-V-Halbleitern
• die Verschmelzung der überlegenen elektrischen und optischen Leistung von III-V Halbleitern mit der ausgereiften Silizium-Technologie, wodurch ein neuer Markt auf Basis von integrierten Halbleitern entsteht
• die Verlängerung des Lebenszyklus von Silizum und der damit verbundenen Investitionen
• verbessertes Kosten-/Nutzenverhältnis in der Glasfaser-kommunikation
• größere Integration von Funktionen auf einem Chip

„Unsere Forschungsabteilung hat eine beispiellose Entdeckung gemacht. Sie hat, wenn entsprechend vermarktet, das Potenzial die gesamte Branche so zu revolutionieren, wie zuvor nur der Übergang zu integrierten Schaltkreisen“, so Dennis Roberson, Senior Vice President und CTO, Motorola Inc.

„Die Bekanntgabe von Motorola, dass GaAs-Transistoren aus einer dünnen Schicht GaAs auf einer Siliziumwafer hergestellt wurden, könnte als bedeutender Wendepunkt der Halbleiterindustrie in die Geschichte eingehen.“, so Steve Cullen, Director & Principal Analyst, Semiconductor Research, Cahners In-Stat Group.

Hintergrund: Die Technologie

Die Technologie ermöglicht, dass extrem dünne Schichten aus so genannten Gruppe III-V-Halbleitern (unter anderem Galliumarsenid, Indiumphosphid, Galliumnitrid und weitere Hochleistungs- beziehungsweise Licht aussendende Verbindungen) auf einem Siliziumsubstrat gebildet werden können. Bisher hielt man dies für unmöglich, da die zugrundeliegende Kristallstruktur des Siliziums und der verschiedenen III-V Verbindungen nicht zusammen passen. So mündeten alle bisherigen Versuche der Industrie, diese Substanzen zu verbinden, aufgrund deren Unverträglichkeit in Verschiebungen und Cracks (Brüchen) im Material.

Die Motorola-Lösung ist, eine Zwischenschicht zwischen dem Silizium und der III-V Verbindung einzufügen. Die endgültige Lösung brachte die Entdeckung der richtigen Zusammensetzung eines Stoffs, der gute Bindungseigenschaften sowohl zu Silizium als auch zu GaAs aufweist und so die Spannungen zwischen den Stoffen reduziert.

Die Grundidee stammt von Dr. Jamal Ramdani, Forscher bei Motorola Labs. Die endgültige Entwicklung und Erprobung der wirklich passenden Zusammensetzung des Verbundstoffes und des Verfahrens erwuchs aus der Arbeit eines großen Teams aus Wissenschaftlern und Technikern. Motorola Labs entwickelt derzeit die ideale Zwischenschicht für Indiumphosphat und andere III-V Materialien.

Die ersten von Motorola Labs produzierten GaAs-auf-Silizium-Wafer hatten einen Durchmesser von 8-Zoll. Mittlerweile können in Zusammenarbeit mit dem Epitalwafer-Hersteller IQE bereits 12-Zoll-GaA-auf-Silizium-Wafer gefertigt werden. Die Praxistauglichkeit der Bauteile zeigte Motorola am Beispiel von Verstärkereinheiten in Mobiltelefonen. Zusätzlich wurde auch ein Licht aussendender Gerät entwickelt, um die optischen Eigenschaften zu demonstrieren.

„GaAs auf Silizium ist nur der erste Schritt. Der Grundstein für weiterführende Forschungen auf dem Gebiet der Halbleitermaterialien ist nun gelegt“, so Roberson. „Eines unserer nächsten Ziele ist die Verbindung von Indiumphosphid und Silizium. Diese Technologie soll Taktfrequenzen von bis zu 70 GHz ermöglichen und Langwellen-Lasertechnik unterstützen, die für Glasfaserkommunikation notwendig ist.“

Die Glasfaserbranche revolutionieren

Bis jetzt war die Branche für Glasfaserübertragung und Hochgeschwindigkeitsanwendungen abhängig von kostspieligen Galliumarsenid- und Indiumphosphidwafern. Aufgrund der Sprödigkeit des Materials ist es bislang niemandem gelungen, vermarktungsfähige GaAs-Wafer mit einem Durchmesser von mehr als 6 Zoll, beziehungsweise InP-Wafers mit über 4 Zoll Durchmesser zu produzieren. Auch war es nicht möglich Licht aussendende Halbleiter mit integrierten Halbleiter Schaltkreisen (ICs) auf einem einzigen Chip zu vereinen.

„Über 90 Prozent der heute verlegten Glasfasernetze werden kaum oder gar nicht genutzt“, so Bob Merritt, Vice President von Semico Research Corporation. „Diese Technologie könnte der Anstoss für eine weitreichende Nutzung dieser Übertragungswege sein.“

Vermarktungsstrategien

Mo torola hat über 270 Patente im Zusammenhang mit dieser neuen Technologie angemeldet und plant, sie über Lizenzen breit zu vermarkten. Padmasree Warrior, Motorola Corporate Vice President, wird die Vermarktung leiten. Warrior hat weitreichende Erfahrungen in den Bereichen Technologie, Forschung und Entwicklung, Process Engineering und Herstellung.

Kurzprofil Motorola: Motorola ist ein international führendes Technologieunternehmen mit den Schwerpunkten Mobilkommunikation, Halbleiter, Netzwerke und integrierte Elektroniklösungen. Im Jahr 2000 wurden mit 130.000 Mitarbeitern weltweit rund 37,6 Mrd. US-Dollar Umsatz erzielt. In Deutschland ist das Unternehmen durch die Motorola GmbH präsent. Zu ihr zählen die Bereiche Halbleiter, Funk, TK-Lösungen, Mobiltelefone, Computersysteme, Breitbandkommunikation, Telematik sowie Kfz- und Industrie-Elektronik. Die Gesellschaft erzielte 1999 mit über 4.300 Mitarbeitern einen Umsatz von 5,8 Mrd. DM.