INSIGHT: Neue Herausforderungen im Millimeterwellenbereich

INSIGHT: Neue Herausforderungen im Millimeterwellenbereich
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Durch die Kombination analoger und digitaler Funktionen auf kleinsten Bauteilen könnte die zukünftige Mobilkommunikation noch schneller werden, bei geringeren Kosten und Energieverbrauch.

Größere Datenmengen, höhere Bildauflösungen, schnellerer Datentransport: durch den Betrieb auf immer höheren Frequenzen bieten künftige 5G-Kommunikationssysteme stetig bessere Leistungen – jedoch auf Kosten eines erhöhten Energieverbrauchs. Um die Leistung der Systeme zu steigern und dabei gleichzeitig Energie einzusparen sowie Kosten zu senken, entwickeln Wissenschaftler des Fraunhofer IAF gemeinsam mit Projektpartnern im europaweiten Forschungsprojekt INSIGHT (Integration of lll-V Nanowire Semiconductors for Next Generation High Performance CMOS-SoC-Technologies) eine neue Technologie: in minimierten Bauteilen sollen damit sowohl analoge als auch digitale Funktionen im Millimeterwellen-Frequenzbereich realisiert und somit gesteigerte Leistungen erzielt werden.

Die INSIGHT-Projektpartner haben sich zum Ziel gesetzt, die Parameter Energieeffizienz, Leistungssteigerung und Kostensenkung in neuartigen integrierten Schaltungen für Hochfrequenzanwendungen zu vereinen. Dafür verwenden sie leistungsstarke lll-V-Halbleitermaterialien in Verbindung mit konventioneller Silizium-Technologie.

lll-V-CMOS eröffnet neue Perspektiven

Erstmals soll durch die Kombination der CMOS (complementary Metal Oxide Semiconductor)-Technologie mit lll-V-Halbleitern sowohl die analoge als auch digitale Funktionsweise integrierter Schaltungen im Millimeterwellen-Frequenzbereich erzielt werden. In den Transistoren werden Nanodrähte basierend auf lll-V-Halbleitermaterialien zur Ladungssteuerung eingesetzt. Der kleine Querschnitt der Nanodrähte erlaubt die Integration auf Silizium (Si)-Substrate mittels Nanotechnologie. »Die Herstellung hochleistungsfähiger Komponenten aus lll-V-Halbleitermaterialien auf großen Si-Substraten anhand CMOS-kompatibler Technologien öffnet neue Wege für die Reduzierung der Kosten für Schlüsselkomponenten der Millimeterwellen-Technologie, bei minimaler Verwendung kritischer Materialien«, sagt Lars-Erik Wernersson, Professor an der Universität Lund in Schweden und Koordinator des INSIGHT-Projektes. Unter der Projektleitung der Universität Lund arbeiten insgesamt sechs Projektpartner zusammen an dem Forschungsprojekt, welches im Rahmen des Horizont-2020-Programmes von der EU mit 4,3 Millionen Euro für 36 Monate finanziert wird.

Laut Vorhersagen von IBM wird es immer wichtiger, die Grenzen der herkömmlichen Chip-Technologie zu überwinden, um die neu entstehenden Anforderungen intelligenter Computer, dem Internet der Dinge oder Cloud-Plattformen erfüllen zu können: denn diese neuen Technologien verarbeiten ein enorm großes Datenvolumen, wovon 90 % unstrukturiert ist. Die neue Technologie, welche im Projekt INSIGHT entwickelt wird, bietet möglicherweise eine Lösung, die Chip-Technologie über die 10-nm-Marke hinaus zu erweitern und somit neue Anwendungsfelder zu erschließen. Durch die Integration von lll-V-Halbleitermaterialien auf Silizium kann die CMOS-Technologie bessere logische Schaltungen mit niedrigerem Energieverbrauch ermöglichen. Zudem kann so die Realisierung von System-on-chip (SoC)-Produkten ermöglicht werden, indem die aktuellsten Bausteine der lll-V-Halbleitermaterialien ausgenutzt werden.

Gesteigerte Performance: digital und analog auf nur einem Chip

Der Bedarf einer erhöhten Leistungsfähigkeit von Schlüsselkomponenten im Millimeterwellen-Bereich steigt und immer neue Verbraucheranwendungen verlangen nach geringeren Kosten. Die neue Technologie kann eine Lösung bieten, da sie die Performanz steigern könnte – und dies sowohl in analoger als auch digitaler Funktionsweise auf einer einzigen Plattform, womit durch die verbesserte Produzierbarkeit die Herstellung auf größeren Wafern möglich wird. Das INSIGHT-Konsortium widmet sich diesem Technologiebedarf mit dem Ziel, neue Schaltungen und Systeme hervorzubringen, indem sowohl die Material- als auch die Komponenteneigenschaften optimiert werden.

Die Integration von lll-V-Halbleitermaterialien auf Silizium-Substraten durch die Verwendung von Nanodrähten ist aktuell einer der innovativsten heterogenen Integrierungsansätze. Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF wird seine Erfahrungen in der Prozessierung von lll-V-Halbleitermaterialien sowie im Schaltungsdesign in das Projekt einbringen und verfolgt das Interesse, die erzielten Ergebnisse und Erkenntnisse auf zukünftige Technologien von lll-V-Halbleiterbauteilen zu übertragen.

Der Beitrag des LETI zum INSIGHT-Projekt involviert sowohl die Abteilungen »Siliziumkomponenten«, als auch »Integrierte Schaltungen und Embedded Systems«: deren Kompetenzen von den Materialien bis hin zu Schaltungsdemonstratoren reichen. Die neue Technologie erweitert das LETI-Portfolio von den intelligenten Bauteilen und dem »Internet der Dinge« mit dem Potential, mehrere Funktionen auf einem Chip zu vereinen.

Die lll-V-CMOS-Technologie könnte sich besonders gut für Millimeterwellen-Frontends eignen, in denen sie für den Empfang und die Generierung von Signalen für Kommunikations- sowie Radar- und Bildsysteme dienen wird. Es ist das Ziel des INSIGHT-Konsortiums, Schlüsseltechnologien sowohl für Sender als auch Empfänger zu entwickeln und zugleich die Grenzen der Geometrie und des Layouts der Transistoren zu untersuchen.

Gemeinsam mit dem Fraunhofer IAF arbeiten das LETI (Frankreich), die Universität Lund (Schweden), die Universität Glasgow (UK), das Tyndall National Institute (Irland) sowie IBM (Schweiz) in dem Projekt. Die Expertise der Projektpartner deckt ein breites Spektrum ab – beginnend bei den Materialien, über Bauteile, bis hin zu Schaltungen und Systemen. Dies ermöglicht es den Projektpartnern, diese vielversprechende Technologie auf dem Weg zu kommerziellen Produkten weiterzubringen. INSIGHT wird im Rahmen des Horizont-2020-Programms für Forschung und Entwicklung der Europäischen Union gefördert.