Ultra-Breitband-Übergänge durch InP-auf-BiCMOS-Integration
Abb. 1: Hetero-Integration von InP auf BiCMOS und der hier interessierende Übergang.
Abb. 2: Messergebnis (keine Daten 110 - 140 GHz) einer Testleitung mit 1250 µm Länge und 2 Übergängen, gem. Abb. 1.
Die verfügbare Bandbreite bei Mikrowellen- und Millimeterwellen-Modulen wird derzeit häufig nicht durch die auf dem Chip integrierten elektronischen Schaltungen selbst, sondern durch die Verbindungstechnik begrenzt. Dies gilt für die konventionelle Technik des Drahtbondens, aber auch verfeinerte Ansätze wie die Flip-Chip-Technologie sind im Allgemeinen auf einen Frequenzbereich kleiner 100 GHz beschränkt. Das entscheidende Kriterium für die erreichbare Grenzfrequenz und Bandbreite eines Übergangs sind die physikalischen Abmessungen und die damit verknüpften parasitären Hochfrequenzeffekte. Deshalb gilt: Will man die Schranke von 100 GHz deutlich erhöhen, bedarf es einer anderen Technologie der Einbettung und Verbindung der hochfrequenten Chips.
FBH und IHP (Frankfurt/Oder) haben deshalb einen Hetero-Integrations-Prozess entwickelt, der BiCMOS- mit InP-Schaltungen auf einem Wafer kombiniert. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist, dass durch die gemeinsame Integration die Übergänge zwischen den einzelnen Schaltungsteilen deutlich verkleinert werden und deshalb bis zu weit höheren Frequenzen tauglich sind. Die räumliche Distanz zwischen den BiCMOS und den InP-Schaltungen beträgt in der vertikalen Richtung nur 8...10 µm. Zunächst ist es erforderlich, dass die Übergänge die in ihrer Geometrie und Gestaltung so definiert sein müssen, dass sie den Anforderungen beider Technologien genügen (Abb. 1). Dann muss durch geeignete Dimensionierung und Platzierung der Vias, der Leitungen und der Massemetallisierungen das Höchstfrequenzverhalten optimiert werden.
Bei diesen Arbeiten wurde mittlerweile ein wichtiger Meilenstein erreicht: Die Breitbandfunktion bis 220 GHz wurde nachgewiesen. In Abb. 2 ist ein Messergebnis für eine Testleitung dargestellt, die auf der BiCMOS-Seite eine Länge von 1250 µm hat und zwei in Back-to-Back-Anordnung angefügte Übergänge mit Messpads aufweist. Die Dämpfung der Leitung wird bestimmt durch die Verluste der Leitungen im BiCMOS-Teil, die kurzen Anschlussleitungen im InP-Teil hin zu den Messpads sowie durch die Messpads und die Übergänge selbst. Tatsächlich sind die Einfügedämpfungen der Übergänge so klein, dass sie bei der Messung kaum sichtbar sind. Eine eher konservative Schätzung ergibt für die Einfügedämpfung eines Übergangs einen Wert von unter 0,5 dB bei 100 GHz und unter 1 dB bei 220 GHz, mit exzellentem Breitbandverhalten über den gesamten Frequenzbereich.
Referenz:
I. Ostermay, F.-J. Schmueckle, R. Doerner, A. Thies, W. Heinrich, O. Krueger, V. Krozer, T. Jensen, T. Kraemer, M. Lisker, A. Trusch, E. Matthus, Y. Borokhovych, B. Tillack, "200 GHz Interconnects for InP-on-BiCMOS Integration", to be presented at IMS 2013, Seattle.
FBH-Forschung: 27.03.2013