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Ferdinand-Braun-Institut entwickelt neuartigen Halbleiterprozess, der den Zugang zum technisch kaum erschlossenen Terahertz-Frequenzbereich ermöglicht. Bauelemente auch flexibel realisierbar, z.B. zur Integration in gebogene Autobleche

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Wafer mit HBTs auf Indiumphosphid-Basis - Flexible Ausführung
Copyright: FBH/schurian.com

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).

Petra Immerz, M.A. (Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik Berlin),
Geschäftsstelle, Büro Berlin
Leibniz-Gemeinschaft

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