iedm 2000 – Welttreffen der Elektroniker

Brücke in die Zukunft

Das International Electron Devices Meeting (iedm) ist keine Konferenz, die man schnell mal besucht, um dabei gewesen zu sein. Das iedm ist eine Brücke, die uns den Weg in die Zukunft bahnt!

Was man mitbringen sollte, ist reichlich Phantasie und den Willen, sich auch mit völlig Unbekanntem auseinander zusetzen. Zahlreich sind die Beispiele aus der Vergangenheit, dass hier zum ersten Mal öffentlich Überlegungen und Entwicklungen präsentiert wurden, von denen vorher nur Spezialisten gehört hatten. 2000 fand die Konferenz wieder in San Francisco statt, und lockte an die 2.000 Teilnehmer an.

Schneller, höher, weiter – Olympia für die Mikroelektronik
Kaum ist die UMTS-Frequenzversteigerung in den meisten Ländern vorbei, denken die Wissenschaftler schon über neue Frequenzbänder mit noch größeren Bandbreiten nach. Bis 10 GHz gibt es kaum noch freie Frequenzlücken. Also muss man viel höher hinausgreifen, auf 40 GHz und darüber. Was heute Zukunftsmusik zu sein scheint, ist für die Forscher schon Realität. Jetzt geht es nicht mehr darum, ob man Einzelelemente für diesen Bereich schaffen kann, sondern wie man damit Schaltkreise aufbaut.
In mehreren Referaten wurden Entwicklungslinien aufgestellt, wie sich die Halbleitertechnik zu so hohen Frequenzen fortentwickeln könnte. Bis etwa 3 GHz gibt man dem Silizium weiter gute Chancen, zwischen 3 GHz und 15 GHz dürfte Silizium-Germanium (SiGe) das bevorzugte Material sein. Jenseits davon kommen dann die AIIIBV-Verbindungen zum Zuge, vor allem Galliumarsenid. Die Universität von Kalifornien in San Diego referierte dazu mit vielen Details.
Ein wenig Skepsis sei angemerkt: Seit fast 20 Jahren wird das Ende des Siliziums beschworen. Ein berühmtes amerikanisches Unternehmen, das Supercomputer mit GaAs-Chips bauen wollte, ist daran zugrunde gegangen. Zum einen hat sich die Produktion großer GaAs-Chips wegen der Inhomogenitäten auf den Wafern als viel zu teuer erwiesen. Zum anderen hat Silizium die obere Frequenzgrenze für seinen Einsatz immer weiter hinausgeschoben. Das wird in Zukunft zwar nicht mehr so leicht sein, aber kein anderes Material ist den Technologen so vertraut wie Silizium. Und bevor man das teure Herstellungsverfahren für große GaAs-Chips in Kauf nimmt, wird man lieber so lange wie möglich bei einem bewährtem Material wie Si bleiben.
Fujitsu integrierte Hochfrequenz-MOSFET in eine SOI-Technologie (silicon on insulator), und realisierte so mit 130-nm-Strukturen erste Logikschaltungen. Diese MOSFET zeigten eine Transitfrequenz von 140 GHz, was für die Logik eine maximal nutzbare Frequenz von 60 GHz ergab. Die Betriebsspannung lag bei 1,5 V. Von einer Integration des Hochfrequenzteils und der Logik auf einem Chip verspricht man sich gerade bei so hohen Frequenzen deutliche Kostenvorteile. Obendrein verschiebt sich damit die Einsatzgrenze für die (teureren) GaAs-Schaltkreise weiter zu höheren Frequenzen.
Infineon Technologies stellte seine bipolare SiGe-CMOS-Technologie vor, Basistechnologie für Hochfrequenz-IC mit niedriger Leistungsaufnahme. Das Unternehmen entwickelte u. a. einen hochintegrierten HF-Transceiver, dessen Energieaufnahme 50 Prozent geringer ist als bei bisherigen BiCMOS-Techniken. Mit der Entwicklung eines 10-GHz-PLL-Synthesizers wurde die HF-Leistungsfähigkeit demonstriert. Die Transitfrequenz der Transistoren liegt bei 75 GHz.
Seit kurzem wird über Übertragungssysteme geredet, die eines Tages Datenströme von mehr als 1 Tbit/s bewältigen sollen. Rückgrad für solche superschnellen Systeme ist die optische Nachrichtentechnik auf Glasfasern und ganz speziell die optische Zeitmultiplextechnik. Einige wenige Labors in der Welt beschäftigen sich schon mit den Vorarbeiten für solche Systeme, so die Femtosecond Technology Research Association (FESTA) in Tsukuba (Japan). Als optische Lichtquelle werden sogenannte „mode-locked“ Laser diskutiert, die aus Indium-basierten Halbleitern hergestellt werden und bereits Frequenzen zwischen 500 GHz und 1 THz realisieren können. Da bei so hohen Frequenzen die übertragenen Impulse nicht mehr rechteckig sind, braucht man Wellenleiterstrukturen, mit denen man die auseinander fließenden Impulse wieder komprimieren kann. Die FESTA Laboratories haben einen solchen Kompressor aus InP gezeigt. Er kann verschliffene Impulse von 2 ps Breite auf 510 fs Breite (d. h. etwa 1/4) komprimieren. Optische Schaltelemente (z. B. Mach-Zehnder-Wellenleiter mit Halbleiterverstärkern) wurden vorgestellt, die fehlerfrei Signale von 168 Gbit/s auf 10,5 Gbit/s heruntermultiplexen konnten.
Weit in die Zukunft (bis zu Anwendungen im G-Band bei 140 bis 220 GHz) reicht eine Entwicklung von TRW Semiconductor in Kalifornien. Das Unternehmen hatte schon in den vergangenen Jahren auf dem iedm immer wieder rekordverdächtige Hochfrequenzentwicklungen vorgestellt. Diesmal war es ein Verstärker mit HEMT (High Electron Mobility Transistor) – realisiert in Indiumphosphid. Er erreichte eine Cuttoff-Frequenz von 300 GHz und lieferte bei 200 GHz noch Verstärkungen von 7 bis 8 dB pro Verstärkerstufe. Mit einem 4-stufigen kaskadierten Verstärker erreichte TRW rund 20 dB Verstärkung bei 190 GHz sowie einen Rauschfaktor von 8 dB. Mit einem 6-stufigen Verstärker konnte 15 dB Verstärkung bei 215 GHz erzielt werden (Bild 1).
50 W Ausgangsleistung bei 6 GHz – über einen solchen Hochleistungsverstärker berichtete die kleine Firma Cree Lighting aus Kalifornien. Der aus GaN-HEMT gebaute Verstärker arbeitet gepulst im C-Band. Bei den bisherigen Untersuchungen lieferte er bei einer Betriebsspannung von 39 V den Rekord von 51 W bei 6 GHz. Das ist 5 bis 10 mal mehr als bisher mit GaAs-Bauelementen erreicht werden konnte. Geht man mit der Versorgungsspannung auf 29 V herunter, dann liefert der Verstärker noch immer eine Ausgangsleistung von 35 W.
Viele Mobilfunk-Anbieter wären schon froh, wenn man ihnen zwischen 2 und 2,5 GHz ordentliche HF-Leistungen anbieten würde. NEC kann dem abhelfen: Ein Leistungsverstärker aus speziellen Feldeffekttransistoren bringt es auf 230 W bei 2,1 GHz (L-Band) sowie 22 V Versorgungsspannung. NEC spricht von geringen Verzerrungen und hoher Linearität der einzelnen Verstärkerzelle, die 1,5 x 4,4 mm groß ist. Vier Einzelchips werden als Gegentaktverstärker zu der oben genannten Leistungseinheit zusammengefasst.

Organische Elektronik auf dem Vormarsch
Organische Dünnfilmtransistoren haben in den vergangenen Jahren enorme Fortschritte gemacht. Als Trägermaterial wurde dabei zunächst noch teures Glas verwendet. Die Penn State University und das Labor der Sarnoff Corp. zeigten, dass das auch billiger geht: Sie haben die bisher schnellsten organischen Schaltkreise auf biegsamen Polymersubstrat realisiert. Trägermaterial ist ein nur 75 µm dünner, transparenter PEN-Film (Polyethylen-Naphtalat). Die aktiven Schichten der Halbleiter werden aus Pentacene-Kohlenwasserstoff geformt. Transistor-Arrays, Inverter, Ringoszillatoren, Frequenzteiler, Differentialverstärker – alles das konnte man mit befriedigenden elektrischen Eigenschaften und hoher Gleichmäßigkeit herstellen. Nur so als Beispiel: Die Laufzeit des Ringoszillators wurde mit 40 µs pro Stufe angegeben – der beste bisher erzielte Wert für organische Halbleiter auf flexiblen Substraten (Bild 3). Die Betriebsspannung beträgt 8 V. Das Verhältnis von On/Off-Strom liegt mit > 107 in einem anwendungsüblichen Bereich.
Sie wollen sich Ihre Transistoren selbst herstellen? Vielleicht ist es eines Tages so weit. Ein Forscherteam der Universität Cambridge hat organische Dünnfilmtransistoren mit Hilfe eines Ink-Jet-Druckers hergestellt. Sie benutzten dabei einen speziellen piezoelektrischen Druckkopf, der kleinste Gate-Abmessungen von 5 µm strukturieren kann. LEDs hat man in der Vergangenheit schon mit solcher Technik erzeugt – nicht aber Transistoren. Für viele einfache elektronische Anwendungen sind die erzielten technischen Daten durchaus hinreichend: So beträgt z. B. das Verhältnis der On/Off-Ströme mehr als 105.
Die überraschende Verleihung des Nobelpreises für Chemie an die zwei amerikanischen Forscher Alan Heeger und Alan MacDiarmid sowie den Japaner Hideki Shirakawa hat auch auf der iedm 2000 ein sehr positives Echo ausgelöst. Die von den drei Wissenschaftlern vorangetriebenen Arbeiten auf dem Gebiet der elektrisch leitenden Kunststoffe haben ja bereits einen Umbruch in der Elektronik gestartet: Leuchtdioden aus Kunststoffen sind bereits zu haben, Solarzellen auf dem Weg in den Markt. Kommen jetzt auch noch Transistoren, dann geht es rasch in die „Molekül-Elektronik“. Wenn auch die elektrischen Daten mehrheitlich noch nicht mit den „klassischen“ Halbleitern Schritt halten können, so bleiben doch viele einfache Anwendungen, die zunächst als Marktöffner wirken.

Exotische Ideen würzen die Konferenz
Auf der Suche nach neuen Flachdisplays hat die Universität von North Carolina in Charlotte einen mühevollen, aber interessanten Weg gewiesen. Dort hat man einen Bildschirm entwickelt, der sich der Katodolumineszenz bedient, also die Vorteile von Kaltkatoden-Feldemission und Elektrolumineszenz miteinander verbindet. Beide Techniken bieten an sich schon interessante Eigenschaften: einen weiten Betrachtungswinkel und Schnelligkeit beim Bildaufbau. Nachteil der Feldemission ist aber die sehr hohe Genauigkeit, mit der große Arrays von Emitter-Mikrotips gefertigt werden müssen. Obendrein müssen diese Feldemitter im Vakuum betrieben werden. Dagegen sind Elektrolumineszenz-Displays leicht herzustellen. Sie brauchen aber hohe Versorgungsspannungen und liegen in der Helligkeit im Vergleich mit Feldemittern deutlich zurück. Die Forscher der Universität in Charlotte nutzten poröses Silizium als Ausgangsmaterial, brachten darauf eine Schicht Phosphor auf, dann eine Isolierschicht, eine transparente Elektrode für die Pixeladressierung und schließlich eine rückseitige Metallelektrode. Der Elektronenemitter nutzt nun das poröse Silizium, der Lichtemitter den Phosphor für die Abstrahlung. Das neue Displayprinzip benötigt Versorgungsspannungen von 40 bis 60 V. Die Intensität der Lichtemission ist abhängig von der Frequenz, mit der das Array betrieben wird (Bild 5). Das gezeigte Prinzip kann mit existierenden Displays in Sachen Helligkeit derzeit nicht konkurrieren – aber es zeigt, dass auch andere als die bisher bekannten Wege in ein paar Jahren zu neuen Displays führen können.
Mikroelektronik und Biologie – ein Wortpaar, das die Phantasie beflügelt. Dabei geht es heute (noch) nicht um Biochips, sondern um die Möglichkeit, ein kleines biologisches Labor auf einem Chip zu integrieren. Das verspricht schnellere medizinische Laboruntersuchungen. Sie würden die oft kritischen Untersuchungszeiten bis zu einer Operation verkürzen und zugleich die Kosten senken. Die rasch schrumpfenden Strukturen der Chips kommen in die Größenabmessungen von Zellen und Bakterien, in Zukunft auch Viren. Wie aber kann man für den Chip das zu untersuchende Feld fixieren? Die Mikroorganismen sind elektrisch neutral und nur mit bestimmten Verfahren (wie der Dielektrophorese) zu beeinflussen. Die Universität von Bologna und die Silicon Biosystems haben auf der iedm einen Mikroteilchen-Manipulator gezeigt, der in üblicher CMOS-Technik aufgebaut ist. Mit ihm kann man die zu untersuchenden Teilchen innerhalb der sie umgebenden Flüssigkeit an einer bestimmten Stelle manipulieren – ein erster, wichtiger Schritt, weil damit der gezielte Zugriff zu nur wenigen Teilchen unter vielen gezeigt werden konnte.
Philips berichtete, wie man die Empfindlichkeit von Bildaufnehmern für Digitalkameras halten konnte, obwohl man die Größe der Pixel von 5,1 x 5,1 mm auf 4,1 x 4,1 mm verringerte. Das resultiert theoretisch ja in einem Empfindlichkeitsverlust von mehr als 30 Prozent. Die Philips-Forscher haben über die Pixelsensoren winzige Mikrolinsen gesetzt und gleichzeitig den Wirkungsgrad des Ausgangsverstärkers erhöht. Die Mikrolinsen fokussieren das einfallende Licht auf die Mitte der Sensorpixel: Dort ist der Sensor auch am lichtempfindlichsten. So kommt es, das der 3,2-Megapixel-Sensor die gleiche Lichtempfindlichkeit hat wie der ältere 2-Megapixel-Sensor.
Schnell steigende Übertragungsfrequenzen und Chipgrößen (für Systems-on-Chip in CMOS-Technik redet man schon über 950 mm2) sind die Triebfeder für eine neue Entwicklung: Die drahtlose Signalübertragung innerhalb des Chips und der Chips untereinander. Dafür werden Mikrowellen in Betracht gezogen, die die Signalübertragung praktisch mit Lichtgeschwindigkeit möglich machen. Die wohl wichtigste Anwendung ist dabei die Übertragung der Taktfrequenzen per Funk. Dafür braucht man einen zentralen Taktsender und ein Array von Empfängern auf dem Chip. Die geplanten Übertragungsfrequenzen liegen bei 20 GHz und mehr. Das empfangene zentrale Signal wird dann auf die geforderte Taktfrequenz (z. B. 2,5 GHz) herunter geteilt und dann auf die bisher übliche Weise über einen Signalbaum weiter verteilt. Ein wichtiges Bauelement ist dabei die winzige On-Chip-Antenne, die aus Aluminium lithografisch hergestellt wird. Die Universität von Florida zeigte solche Chip-Antennen und ihre Daten. Dabei wurden verschiedene Dipolformen untersucht: Lineare, Zick-Zack oder Meander. Die möglichen Interferenzen mit anderen metallischen Strukturen auf dem Chip werden derzeit weiter untersucht.
Der 1-Elektronen-Transistor und seine Verwandten spielten auch diesmal wieder eine gewichtige Rolle. Man sollte sich vor Augen halten, dass heute solche Bausteine noch bei Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes betrieben werden müssen, weil man sie so mit den heute machbaren feinsten Strukturen herstellen kann. Später einmal, wenn die Strukturen bei 10 nm und darunter liegen, lassen sie sich auch bei Raumtemperatur betreiben.
Die Hokkaido Universität beschäftigte sich dabei mit einem Thema, was für praktische Anwendungen eine große Rolle spielen wird: Die Frage nämlich, wie man mit 1-Elektronen-Transistoren eine reproduzierbare Logik aufbauen kann. Das ist nämlich viel schwieriger als etwa einen Speicher zu realisieren, weil der 1-Elektronen-Transistor eine sehr niedrige Betriebsspannung hat, daher auch sehr kleine Ausgangssignale. 1995 wurde vom Japaner Asahi und anderen ein Binäres Entscheidungsdiagramm als neue Logikarchitektur vorgeschlagen. Die Hokkaido Universität hat sich damit weiter beschäftigt, weil diese neuartige Logikarchitektur einen eigenen Transistoraufbau benötigt. Den hat man jetzt mit Schottky-Elementen in Form von Nanodrähten realisiert. Drei solcher speziellen Schottky-Elemente werden in Form eines T-förmigen Nanodrahtes aus GaAs zusammengefasst. Dabei entstehen drei Tunnelbarrieren mit einem Quantenpunkt dazwischen. Jeder der beiden Eingänge des T kann wie ein 1-Elektronen-Transistor zum gemeinsamen Ausgang betrieben werden und weist eindeutige Logikfunktionen auf wie in dem Binären Entscheidungsdiagramm gefordert. AND-Logikschaltungen werden gegenwärtig getestet.

Europäer holen auf
Auf dem iedm hat sich über die Jahre die Zusammensetzung der Teilnehmer verändert. Noch immer dominieren zwar amerikanische Institute und Firmen bei den Vortragenden die Konferenz: Diesmal stellten die Amerikaner 38 Prozent der Referate. Die Japaner liegen weiterhin mit 28 Prozent auf dem zweiten Platz. Stark aufgeholt haben in den letzten Jahren die Europäer, die mit 22 Prozent auf dem dritten Rang liegen. Korea auf dem vierten Platz hat 8 Prozent der Referate gestellt. Die restlichen 5 Prozent verteilen sich anderweitig. Der Rückgang bei den Amerikanern wird also vollständig kompensiert durch das Wachstum der Europäer, was ein deutliches Zeichen für das Erstarken der europäischen Halbleiterindustrie ist.
Tagungsband und CD zum iedm sind unter nachstehender Adresse erhältlich.
Autor: Dipl.-Ing. Klaus H. Knapp

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