Halbleiterfertigung: Abschied vom Silizium für mehr drahtlose Bandbreite

Immer höhere Bandbreite für immer kleinere und effizientere funkende Geräte: Zukünftige Standards brauchen neue Halbleitermaterialien.

Ein Bericht von Johannes Hiltscher veröffentlicht am 13. Juni 2022, 15:45 Uhr

Ein am Imec gefertigter Silizium-Wafer mit GaN-Halbleitern. (Bild: Imec)

Auf den Future Summits hat das belgische Forschungszentrum Imec seine Aktivitäten vorgestellt und die Zukunft der Halbleiterentwicklung diskutiert. Dort wird nicht nur an Techniken für Logikschaltungen, also Prozessoren, gearbeitet. Nadine Collaert, Leiterin des Imec-Programms für High-Speed-Analog- und Funkhardware, und Michael Peeters, stellvertretender Leiter für Forschung und Entwicklung im Bereich Connectivity, sprachen in einem Vortrag über Entwicklungen für analoge Schaltungen.

Analoge integrierte Schaltkreise finden sich an vielen Stellen, beispielsweise in Funk-Hardware. Komponenten wie Verstärker und Frequenzmischer werden ebenfalls mit CMOS-Technik gefertigt. Bei Frequenzen von mehreren dutzend Gigahertz, aufgrund ihrer Wellenlänge oft als mm-Wellen bezeichnet, kommt die Technik aber an ihre Grenzen. Aufgrund der großen verfügbaren Bandbreite sind mm-Wellen zentraler Bestandteil aktueller und künftiger WLAN- und Mobilfunkstandards. Andere Materialien sind bei hohen Frequenzen wesentlich leistungsfähiger als Silizium.

Am besten schlägt sich in den Untersuchungen von Imec Galliumnitrid (GaN). Das Material kommt aufgrund seiner geringen Leitungsverluste vermehrt bei Leistungshalbleitern zum Einsatz. Dieser Vorteil nutzt auch den Funkhalbleitern: Geringere Verluste bedeuten effizientere Verstärker und empfindlichere Empfänger.

Problem: Die Kosten

Eigentlich sind GaN-Halbleiter in Funk-Hardware nichts Neues - NXP produziert sie im US-Bundesstaat Arizona seit 2020. Aktuell sind die effizienten Bauteile allerdings noch verhältnismäßig teuer. Dafür gibt es drei Gründe. Der erste betrifft das Ausgangsmaterial, die Wafer. Während bei Silizium-Wafern ein Durchmesser von zehn oder zwölf Zoll üblich ist, sind bei GaN-Wafern vier bis sechs Zoll üblich. Der Grund hierfür ist, dass das GaN, mit dem die Halbleiter gefertigt werden, auf einem Träger (Substrat) wachsen gelassen wird.

Einen defektfreien Wafer zu fertigen ist anspruchsvoll, die besonders teuren GaN-Substrate wichen aber bereits günstigerem Siliziumkarbid (SiC). Ziel von Imec ist es, normale, preiswerte Silizium-Wafer als Substrat zu verwenden. Die Kosten würden erheblich sinken, da mehr Chips pro (günstigerem) Wafer gefertigt werden. Erfolge lassen sich bereits vorweisen. So erreichen experimentell mit GaN-auf-Si gefertigte Schaltkreise bereits die Effizienz von mit GaN-auf-SiC hergestellten Schaltungen. Lediglich bezüglich der Leistung pro Fläche liegen sie noch zurück, hier gab sich Collaert aber zuversichtlich, den Rückstand mit wachsender Erfahrung aufzuholen.

• 

Diese Roadmap erwartet Imec für Funkkommunikation: Im Rahmen von 6G könnten ab 2025 weit höherere Frequenzen nahe 100 GHz genutzt werden. Zwei Jahre später soll die 100-GHz-Marke überschritten werden. (Bild: Imec)

Der dritte Grund für die höheren Kosten liegt darin, dass andere Fertigungstechniken erforderlich sind. So müssen andere Transistor-Designs genutzt werden, da die von CMOS bekannten p- und n-Kanal-Designs nicht auf GaN übertragbar sind. Der Werkstoff glänzt zwar mit seiner hohen Elektronenbeweglichkeit, die zu geringen Verlusten und hohen möglichen Schaltgeschwindigkeiten führt.

Die Lochleitung (auf welcher der p-Kanal basiert) ist allerdings um einen Faktor 60 schlechter. Das würde bedeuten, dass ein p-Kanal-Transistor in GaN 60 mal so groß sein müsste wie ein n-Kanal-Transistor. Zudem müssen die einzelnen Transistoren durch Isolatoren getrennt werden, die ins GaN eingearbeitet werden. Neben GaN stellten Collaert und Peeters noch ein weiteres aussichtsreiches Material vor.