Feature Stories - Mikrochips für das Zeitalter der mobilen Information
Im vergangenen Jahr übertraf der Absatz an Smartphones erstmals den der Laptops, was darauf hinweist, dass wir geradewegs in eine neue Phase des Informationszeitalters hineinschlittern. Nennen Sie es ruhig das mobile Informationszeitalter! Zu Beginn des Internetzeitalters wurden Desktop-PCs und später auch Laptops miteinander sowie auch mit Informationsquellen über die Telefonfestnetzleitungen in den Gebäuden verbunden. In dieser frühen Ära der Welt der Information waren einige Leute ziemlich oft, viele nur gelegentlich und die meisten eher nie mit dem Internet verbunden. Dieser Zustand hat sich mit der Entwicklung der drahtlosen Kommunikation rapide verändert und mündete vorerst bei den Smartphones, die immer online sind. All dies wird durch leistungsstarke Elektronik ermöglicht, die leichter und kompakter ist und dennoch schneller und besser funktioniert. Neu aufkommende Geräte und Dienstleistungen werden jedoch eine neue Generation kleinerer, weniger Energie verbrauchender Mikrochips erforderlich machen, die noch höhere Datenraten zu bieten haben. Die Europäische Union investiert massiv in modernste Technologien, um die führende Rolle unseres Kontinents in der Informationsgesellschaft sicherzustellen. Das Duallogic-Projekt ("Dual-channel CMOS for (sub)-22 nm high performance logic") ist nur ein Beispiel für diese gesamteuropäischen Anstrengungen. "Unser Ziel war eine Leistungssteigerung bei zukünftigen Geräten, die mit niedrigeren Betriebsspannungen arbeiten, sodass man letztlich mehr Leistung für weniger Energie bekommt. Genau das braucht man für den Typ von Multimediaanwendungen, die auf kleinen, nur begrenzt über Batterien mit Strom versorgten Handhelds laufen", erläutert Dr. Athanasios Dimoulas, Koordinator des Duallogic-Projekts, das 5,8 Mio. EUR seiner Gesamtmittel in Höhe von 9,3 Millionen EUR aus den Fördertöpfen der Europäischen Union erhielt. Leistungsfähigkeit und Betrieb bei geringem Stromverbrauch waren die beiden Ziele des überaus ehrgeizigen gezielten Forschungsprojekts STREP innerhalb des Siebten Rahmenprogramms (RP7). Nach 40 Jahren kontinuierlicher Miniaturisierung ist die weitere Leistungssteigerung bei Mikrochips zunehmend zu einer schwierigen Herausforderung geworden. So mussten Wissenschaftler, Ingenieure und Entwickler bei Duallogic möglichst kreativ an die Arbeit herangehen. Sie blieben Silizium als Substrat treu, suchten allerdings über Silizium hinaus nach weniger üblichen Halbleitermaterialien, um den Leitungskanal innerhalb der Millionen Transistoren herzustellen, die einen Mikrochip erst ausmachen. Das Duallogic-Team hoffte, durch Ausnutzung der einzigartigen Eigenschaften einer Vielzahl von Halbleitermaterialien die Leistung von Mikrochipschaltungen über die für Silizium spezifischen Grenzen hinaus katapultieren zu können und damit den Weg für effizientere Schaltungen und noch kleinere Maßstäbe zu ebnen. "Es ist inzwischen schon Allgemeinwissen, dass eine integrierte Schaltung - das 'Hirn' jeglicher elektronischer Systeme - aus Silizium hergestellt wird. Jedoch gestattet es dieses Material - obwohl es in der Natur häufig vorkommt und leicht zu verarbeiten ist - den Elektronen nicht, es so schnell zu durchqueren, wie wir das gerne hätten, und das gilt ganz besonders für Anwendungen im Niederspannungsbereich", erklärt Dr. Dimoulas das Problem. "Im Duallogic-Projekt wollten wir [die] Siliziumkanäle der Transistoren durch Halbleiterwerkstoffe, die eine bessere Beweglichkeit zulassen, wie Germanium und Verbindungshalbleiter ersetzen, um die Ladungsträger - Elektronen und Löcher - dazu zu bringen, sich schneller durch den Transistor zu bewegen." Hier bekam es das Team mit einer sehr herausfordernden Aufgabe zu tun; es arbeitete unter Einsatz industrieller Verfahren an großen Siliziumwafern. Deshalb vereinte Duallogic so viele der führenden Institute und Industrieunternehmen Europas: zum Beispiel imec und die Katholieke Universiteit Leuven, Belgien, AIXTRON, Deutschland, CEA-LETI und STMicroelectronics, Frankreich, NCSR DEMOCRITOS, Griechenland, die Glasgow University, Vereinigtes Königreich, und IBM-Zürich, Schweiz. Logik im Doppelpack Das Projekt hatte die Bezeichnung Duallogic, da man verschiedene Kanalmaterialien für jeden der beiden Transistoren nutzte, die auf Mikrochips zu finden sind: den positiven p-Typ und den negativen n-Typ. Das Team entschied sich für Germanium (Ge) und Siliziumgermanium (SiGe) für p-Typ-Transistoren und für Indiumgalliumarsenid (InGaAs) - einen Verbindungshalbleiter - als einen aussichtsreichen Kandidaten für n-Typ-Transistoren. Die Materialien wurden aufgrund der Tatsache ausgewählt, dass sie eine hohe Mobilität - Beweglichkeit - der Ladungsträger in jeglichem Transistortyp zu bieten haben. InGaAs ist als ein III-V-Verbindungshalbleiter bekannt. Die Bezeichnung ergibt sich aus der Zusammensetzung aus Elementen der dritten und fünften Spalte des Periodensystems. Diese Verbindungen bieten eine weitaus höhere Mobilität, die ein Maß dafür ist, wie leicht sich die Ladungsträger innerhalb des Halbleitergitters bewegen können. Mehr Mobilität steht letztlich für eine höhere Leistung. Germanium bietet außerdem eine höhere Mobilität für p-Typ-Transistoren. "Für viele FTE- und Technologieintegrationslabors weltweit steht dieser Ansatz ganz oben auf der Prioritätenliste", merkt Dr. Dimoulas an. Auch für das Duallogic-Konsortium stellte er sich als ein sehr erfolgreicher Forschungspfad heraus. "Es ist uns gelungen, Siliziumgermanium-p-Typ-Transistoren zu integrieren und dem Stand der Technik entsprechende Ergebnisse zu erzielen, die sogar noch über die Erwartungen hinausgehen", bestätigt Dr. Dimoulas. Die Resultate bei den Forschungsarbeiten zum n-Typ-Transistor waren eher gemischt, aber immer noch sehr positiv. Das Team konnte einen InGaAs-Transistor realisieren und fand außerdem einen Weg, diesen auf ein Siliziumsubstrat aufzubringen, um so die Fertigungskosten gering zu halten. Ein großer Erfolg! Dieses Ergebnis sticht als ein Meilenstein hervor, da es signifikante Probleme bei Integration und Architektur gibt, wenn ein III-V-basierter Transistor auf einem Siliziumsubstrat aufgebaut wird. Die Integrierung war dem Projektkoordinator zufolge beim p-Typ-Transistor weitaus einfacher: "Da Germanium und Silizium beide in Gruppe IV des Periodensystems zu finden sind, ist ihr Aufbau ähnlich und sie sind chemisch kompatibel, so dass Germanium auf die gleiche Weise wie Silizium bearbeitet werden kann." InGaAs sei jedoch weniger verträglich mit Silizium und weise eine stärkere Gitterfehlanpassung auf, was zwangsläufig zu Fertigungsproblemen führt. Eine Kointegration beider Transistortypen stellte allerdings eine noch schwierigere Herausforderung dar, wie Dr. Dimoulas hinzufügt, aber das Team entwickelte ein neues Fertigungswerkzeug, um das Problem des Aufbauens von III-V-Schichten auf einem großen Siliziumsubstrat in den Griff zu bekommen. Dr. Dimoulas schlägt nun weitere Forschungsanstrengungen zu dem innerhalb des Projekts entwickelten n-Typ-Transistor vor. Duallogic konnte darüber hinaus aussagekräftige Ergebnisse zu einer bestimmten Art von Transistorarchitektur mit der Bezeichnung implantatfreie Quantentopf-Transistoren (implant-free quantum well transistor) erzielen. So sind möglicherweise Mikrochips in greifbarer Nähe, die noch bessere Leistungen als herkömmliche Metalloxidhalbleiter-Transistoren (MOS) zu bieten haben. Hebelzieher in der Industrie "Wir waren überaus glücklich, in unserem Konsortium auf imec und CEA-LETI zählen zu können, da wir durch sie Zugang zu vielen Akteuren der Halbleiterindustrie bekommen konnten", berichtet Dr. Dimoulas. Das Konsortium hofft außerdem auf die Fortsetzung der Forschungsarbeit, idealerweise innerhalb eines größeren Projekts mit noch mehr Partnern, da sich die Resultate, die durchaus dem Stand der Technik entsprechen, noch nicht auf einem Niveau befinden, von dem aus sie von der Industrie aufgegriffen und genutzt werden können. "Wir wollen überdies einfache Schaltungen wie Ringoszillatoren oder Wechselrichter entwickeln, und so suchen wir derzeit nach geeigneten FTE-Instrumenten, um die Arbeit fortzusetzen zu können", verrät Dr. Dimoulas. Die Arbeit im Rahmen von Duallogic hat ebenfalls Auswirkungen auf die Weiterentwicklung der Technologieoptionen, die zur Bewertung durch die International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) vorgeschlagen werden, welche die künftige strategische Forschungsachse zur Realisierung einer weiteren Miniaturisierung festlegt. "Das Projekt konnte mit der Unterstützung von Wissenschaftlern und Prozessentwicklern moderne und riskante Technologieoptionen erkunden", erklärt Dr. Dimoulas. Auf diese Weise werde die Industrie potenziell bessere Lösungen für ihre Produkte ermitteln, Zeit und Geld sparen können. Man könne sich so auf die kurzfristige Fertigung und die anstehende Produktentwicklung konzentrieren. "Die Zusammenarbeit der Hersteller von Mikrochips (Integrated Device Manufacturer, IDM) mit Geräteherstellern im selben Projekt ist eine ausgezeichnete Gelegenheit für die Nanoelektronikindustrie, frühe Entscheidungen zu Investitionen in die Ausrüstung zu treffen, die für die Serienfertigung der Zukunft notwendig sind", so Dr. Dimoulas abschließend. Das Duallogic-Projekt erhielt Finanzmittel im Unterprogramm "Next-generation nanoelectronics components and electronics integration" des Siebten EU-Rahmenprogramms für Forschung (RP7). Nützliche Links: - Projekt "Dual-channel CMOS for sub-22 nm high performance logic" - Duallogic-Projektdatensatz auf CORDIS - Nanoelektronikforschung auf CORDIS Weiterführende Artikel: - Immer kleiner: EU-Projekt arbeitet an der Miniaturisierung von Halbleiterchips - RP6-Projekt soll Vorreiterrolle der EU im Bereich Nanoelektronik sichern - 45-nanometre chips for ultra-fast WiFi - Copper's not coping: new chips call on light speed