InP Devices Lab & SciFab

Der Terahertzbereich (0,1 – 3 THz) im elektromagnetischen Spektrum, der unterhalb der optischen Frequenzen liegt, ist heute technisch weitgehend unerschlossen, da elektronische Komponenten zurzeit nur unter 100 GHz kommerziell erhältlich sind. Die Bereitstellung einer elektronischen Terahertz-Technologie für integrierte Höchstfrequenzschaltungen (MMIC) ist das Ziel der im Folgenden vorgestellten Arbeiten.

Mittels eines Transfersubstrat-Prozesses werden integrierte Höchstfrequenz-Schaltkreise mit Indiumphosphid-Heterobipolartransistoren hergestellt. Die herausragenden Materialeigenschaften des InP (hohe Elektronengeschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Durchbruchfeldstärke) können im Transfersubstrat-Prozess optimal ausgenutzt werden: der justierte lithographische Zugang zur Vorder- und Rückseite des Bauelements erlaubt die Eliminierung von parasitären Kapazitäten, und die Realisierung einer thermisch und Hochfrequenz-optimierten Schaltkreisperipherie.

Mittels 0,5 µm Elektronenstrahl-Lithographie konnten so bereits Grenzfrequenzen von fmax über 450 GHz bei einer Durchbruchspannung BVceo > 4,5 V erreicht werden. Integrierte Höchstfrequenz-Schaltkreise (Verstärker, Mischer und Oszillatoren) wurden im Frequenzbereich von 100 bis über 300 GHz demonstriert.

Die Entwärmung der Höchstfrequenz-Transistoren spielt bei der zur weiteren Erhöhung der Grenzfrequenzen notwendigen Strukturverkleinerung durch die steigende Leistungsdichte eine immer wichtigere Rolle. Durch die Einfügung einer elektrisch isolierenden Diamantschicht in den InP-HBT-Aufbau können die Transistoren sehr gut wärmegesenkt werden, ohne Kompromisse in ihren Hochfrequenzeigenschaften eingehen zu müssen. Diamant-wärmegesenkte InP-HBT zeigen eine Verkleinerung des Wärmewiderstands um mehr als einen Faktor drei auf unter 1 K/mW. Die Ausgangsleistung von Verstärkerschaltkreisen, die um 100 GHz operieren, konnte mittels der Diamant-Wärmesenke verdoppelt werden.

Zur Systemintegration müssen Terahertz-Schaltkreise aufgebaut und z.B. mit Antennenstrukturen verbunden werden. Diese Aufbauten und Verbindungen müssen eine möglichst hohe Bandbreite vorhalten, sollen geringe Verluste aufweisen, reproduzierbar dem Modell entsprechen und kostengünstig herstellbar sein. Klassische Bonddraht-Verbindungen sind jenseits von 100 GHz wegen der Herstellungsvariationen nur schwer beherrschbar. Eine auf Gold-Zinn basierende Flip-Chip-Aufbautechnik wurde mit 10 µm Design-Rule entwickelt, einschließlich passiver Mehrlagen-Trägersubstrate mit abgeschirmten Wellenleitern, die in einem dem InP-HBT-Prozess ähnlichen Aufbau hergestellt wurden. Passive und aktive InP-HBT-Schaltkreise wurden zur Demonstration des Konzepts auf die Trägersubstrate aufgebracht und vermessen. Eine Bandbreite von DC bis 450 GHz konnte erreicht werden. Die Einfügedämpfung der Flip-Chip Übergänge liegt selbst bei den höchsten Frequenzen unter 1 dB.

InP-DHBT-SiGe-BiCMOS-Heterointegration auf Waferebene - SciFab

Monolithisch-integrierte InP-on-SiGe-BiCMOS-Schaltungen
Monolithisch-integrierte InP-on-SiGe-BiCMOS-Schaltungen

Das Transfer-Substrat-Konzept wurde für eine 3D-Integration von InP-DHBTs auf SiGe-BiCMOS weiterentwickelt, bei der die Wafer mit ihren Vorderseiten zusammengeklebt werden, das InP-Substrat anschließend entfernt wird, und vertikale HF-Kontakte zur Verbindung der Teilschaltungen hergestellt werden. Mit dieser Art der Heterointegration werden die Vorteile der beiden Halbleitertechnologien kombiniert: komplexe Analog- und Digitalschaltkreise in SiGe-BiCMOS können mittels einem nachgeschalteten InP DHBT-Verstärker hohe Ausgangsleistung bei hohen Frequenzen abgeben. Als Technologiedemonstratoren wurden unterschiedliche Signalquellen hergestellt, die Ausgangsfrequenzen von gegenwärtig bis zu 330 GHz liefern.

Dieser Prozess wird ab 2016 über die IHP-SciFab-Foundry auch für externe Partner und Kunden  zusammen mit dem Leibniz-Institut IHP (Frankfurt/Oder) angeboten.