THzPowerElectronics

InP-Heterobipolartransistoren für Leistungsanwendungen in der THz-Elektronik

Die Terahertzregion (300 GHz – 3 THz) des elektromagnetischen Spektrums wird bislang kaum genutzt, da elektronische Komponenten mit Terahertz-Bandbreite noch nicht verfügbar sind. Interessante potenzielle Anwendungen, die die Eigenschaften der Terahertz-Strahlung nutzen, finden sich in vielen technischen, wissenschaftlichen und medizinischen Gebieten. Dazu zählen zum Beispiel die Materialanalyse, hochbitratige (≥ 100 Gb/s) drahtlose Kommunikationsverbindungen, hochauflösendes RADAR in der Robotik und in Automobilen, die Suche nach versteckten Objekten im Sicherheitsbereich und strahlungsarme bildgebende Verfahren in der Medizin.

Forschungsprojekt THzPowerElectronics

Layout Elektronenstrahl-Lithografie
Korrigiertes Layout zur Elektronenstrahl-Lithografie
Doppelemitter-HBT
0,4 µm breiter Doppelemitter-HBT, mit Elektronenstrahllithografie definiert
fmax bei VCE = 1,5 V von InP-HBT
fmax bei VCE = 1,5 V von InP-HBT (Elektronenstrahllithografie). Die gestrichelte Linie zeigt das geschätzte thermische Limit der Bauelemente

Die Realisierung elektronischer THz-Bauelemente mit signifikanter Ausgangsleistung, die in kompakte Schaltkreise monolithisch integriert werden können, wird zurzeit intensiv erforscht. Dazu müssen die Grenzfrequenzen geeigneter Transistor-Architekturen erhöht werden. Indiumphosphid-Heterobipolartransistoren (InP-HBTs) können – aufgrund der hohen Elektronenbeweglichkeit und -geschwindigkeit in diesem Halbleitermaterial – mit Emitterbreiten kleiner 100 nm Grenzfrequenzen über 1 THz erreichen. Dank der hohen Durchbruchfeldstärke in InP lassen sich Transistoren bei relativ hohen Kollektorspannungen (4 V) auch bei den höchsten Frequenzen betreiben. Dadurch kann eine signifikante HF-Ausgangsleistung erreicht werden.

Am FBH soll nun im EU-Forschungsprojekt "THzPowerElectronics" über einen Zeitraum von vier Jahren die Grenzfrequenz von InP-HBTs erhöht werden. Dies soll durch geometrische Skalierung und Optimierung der vertikalen Struktur sowie der ohmschen Kontakte erreicht werden. Im ersten Schritt wird dazu die Emitterbreite von 800 nm über 500 nm bis 200 nm verringert. Die kleinen Strukturen werden mit Elektronenstrahllithografie definiert. Das Layout wird dann mit Proximitykorrektur korrigiert, um auf einem Wafer verschieden breite sowie Einzel- und Doppelemitter herstellen zu können. Im nächsten Schritt erfolgen notwendige Anpassungen am HBT-Prozess wie etwa das Einfügen lateraler Isolationsschichten zwischen Emitter- und Basiskontakt, um Emitterbreiten bis zu 50 nm realisieren zu können.

Erste Ergebnisse

Auf einem ersten Waferlos, das mit Elektronenstrahllithografie statt der bisher eingesetzten optischen Stepperlithografie strukturiert wurde, konnten im Juni 2014 funktionierende HBTs mit Emitterbreiten zwischen 500 nm und 300 nm vermessen werden. Das fmax dieser Transistoren zeigte eine leichte Erhöhung im Vergleich zu den 800 nm breiten InP-HBTs. Um die angepeilten Frequenzen um 700 GHz zu erreichen, wurde mit 2D-Simulation der InP-HBTs das epitaktische vertikale Profil neu berechnet. Wafer mit der neuen Epitaxie werden zurzeit prozessiert.

Dieses Vorhaben wird durch den Marie-Curie Career Integration Grant "THzPowerElectronics" der Europäischen Union unterstützt (Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) under grant agreement n° 2012-333858).