Freescale verkündet Durchbruch beim Galliumarsenid-MOSFET
Trotz über 30-jähriger Forschungsarbeiten gelang bisher die Serienfertigung von MOSFET-Transistoren aus dem III-V-Halbleitermaterial GaAs nicht, mit der Freescale nun bald beginnen will.
Die ehemalige Motorola-Halbleitersparte Freescale will einen praxistauglichen Weg zur Serienfertigung von Galliumarsenid-MOSFETs gefunden haben. Diese Transistoren versprechen die Kombination guter Eigenschaften herkömmlicher Metalloxid-Feldeffekttransistoren auf Silizium-Basis mit der viel höheren Elektronenbeweglichkeit des III-V-Halbleitermaterials GaAs. Weil Elektronen das GaAs-Kristallgitter viel schneller durcheilen können als jenes von Silizium, kommen GaAs-Transistoren vor allem in Hoch- und Höchstfrequenzschaltungen zum Einsatz, etwa in den HF-Verstärkerstufen von Handys, WLAN-Geräten, Satellitenantennen oder Radar-Systemen.
Bisher lassen sich auf dem vergleichsweise teuren Galliumarsenid aber keine guten Gate-Isolierschichten realisieren, weshalb bei Bauelementen wie GaAs-MESFETs (Metal-Semiconductor FET), HEMTs (High Electron Mobility Transistor) oder HBTs (Heterojunction Bipolar Transistor) höhere Verlustleistungen auftreten als bei MOSFETs mit isolierendem Gate-Dielektrikum (etwa aus Silziumdioxid). In den vergangenen Jahren haben Forschergruppen verschiedener Universitäten, Institute und Firmen immer wieder potenzielle Kandidaten für ein Gate-Dielektrikum vorgestellt, etwa die heute bei Lucent angesiedelten Bell Labs mit Gadoliniumoxid oder andere Forscher mit GaAs-AlGaAs-Heterostrukturen. Bisher ist aber keine dieser Lösungen in der Großserientechnik angekommen.
Freescale kündigt nun die Produktion von GaAs-MOSFETs an, nennt aber weder konkrete Typen noch Einsatzbereiche. Stattdessen will Freescale anfangs mit Kunden kooperieren, die die erwarteten besonderen Eigenschaften von GaAs-MOSFETs in speziellen Produkten gut nutzen können. Freescale hat nach eigenen Angaben Materialien für Metalloxid-Dielektrika gefunden, die gut zum GaAs-Substrat passen und mit denen die bisher unvermeidlichen Probleme mit Gitterdefekten nicht mehr auftreten sollen.
Motorola hat bereits 2001 einen Weg gefunden, epitaktische Schichten aus III-V-Materialien wie Galliumarsenid oder Indiumphosphid (InP) auf Silizium-Wafern mit bis zu 300 Millimetern Durchmesser aufwachsen zu lassen. Diese Technik hat Motorola dann in Kooperation mit IQE auf den Markt gebracht und wollte das Know-how mit der Tochterfirma Thoughtbeam weiter verwerten; Thoughtbeam ist aber nach ungefähr zwei Jahren stillschweigend wieder verschwunden.
Während einige Forscher neue und günstigere Schaltelemente aus III-V-Halbleitermaterialien entwickeln, erweitern andere den Frequenzbereich der preiswerten Siliziumtechnik: Durch Verfahren wie Strained Silicon, Silizium-Germanium- (SiGe) oder SiGe:C-Kombinationen, aber auch mit optimierten CMOS-Strukturen lassen sich extrem hohe Frequenzbereiche erschließen. Solche Schaltungen lassen sich potenziell wesentlich leichter in preiswerte CMOS-ICs integrieren, aber es gibt auch Verfahren, bei denen beispielsweise eine epitaktische SiGe-Lage oberhalb der CMOS-Lagen eines Chips aufgebracht wird. Und durch die kontinuierliche Strukturverkleinerung, 3D-Gestaltung, neue Materialien wie poröse Low-k-Dielektrika (zur Isolation der Kupferleiter), High-k-Dielektrika wie Hafniumsilikat oder Zirkondioxid für immer dünnere Gate-Dielektrika und metallischen Materialien wie Kobaltsilzid oder Nickelsilizid statt Polysilizium als (Multi)Gate-Elektroden steigen die Frequenzbereiche von Silziumtransistoren ohnehin weiter an. (ciw)
