Weltrekord in Deutschland IHP entwickelt schnellsten Silizium-Chip der Welt

Ein Wafer im Testlabor

Den derzeit schnellsten siliziumbasierten Chip der Welt haben Forscher des Leibniz-Insitutes für innovative Mikroelektronik IHP in Frankfurt/Oder in einem gemeinsamen Projekt mit dem Georgia Institute of Technology entwickelt. Die Wissenschaftler erreichten mit einem Silizium-Germanium-Transistor 798 GHz und übertrafen damit den derzeitigen Geschwindigkeitsrekord, der für Silizium-Germanium-Chips bei 200 GHz liegt.

Obwohl diese Arbeitsgeschwindigkeit bei extrem niedrigen Temperaturen erreicht worden ist, weisen die Forschungsergebnisse darauf hin, dass auch bei Zimmertemperatur Geschwindigkeitsrekorde erreichbar sind. Informationen darüber sind dieser Tage im IEEE Electron Device Letters veröffentlicht worden.

Der getestete Transistor hat ein konservatives Design und die Ergebnisse zeigen, dass es ein signifikantes Potential gibt, ähnliche Geschwindigkeiten auch bei Zimmertemperatur zu erzielen – was eventuell einen Quantensprung bei der Datenübertragung mit hohen Datenraten sowohl im Mobilfunk als auch bei der kabelgebundenen Kommunikation ermöglichen könnte, ebenso wie bei Anwendungen im Bereich der Datenverarbeitung, Bildgebung, Sensorik und beim Radar. Die Forscher sind sogar davon überzeugt, dass diese Ergebnisse auch darauf hinweisen, dass das Ziel, die sogenannte THz-Grenze zu durchbrechen, in Reichweite liegt.

Der getestete Chip kann dort eingesetzt werden, wo es ohnehin kalt ist – beispielsweise im Weltraum, wo die Temperaturen extrem niedrig sein können. Das IHP hat den Chip entworfen und hergestellt. Es handelt sich dabei um einen Heterojunction-Bipolar-Transistor (HBT), erzeugt aus einer Silizium-Germanium-Nanolegierung, eingebettet in einen Silizium-Transistor. Er wurde mit dem 130-nm-BiCMOS-Prozess des IHP gefertigt.

Das Team hat das neuartige Bauelement analysiert, getestet und evaluiert. Den Rekord haben die Wissenschaftler erzielt, indem sie flüssiges Helium zur Kühlung eingesetzt haben. Bei extrem niedrigen Temperaturen von 4,3 K haben sie die vermeldeten 798 GHz erreicht. Bei Zimmertemperatur arbeitete er immerhin noch mit 417 GHz und ist damit immer noch schneller als 98 Prozent aller Transistoren, die heute verfügbar sind.

Auf Siliziumwafern werden heute die meisten Halbleiterchips gefertigt. Doch wenn es um Anwendungen geht, die Höchstleistungen benötigen, wie Mobilkommunikation oder Signalverarbeitung, sind derzeit andere Halbleitermaterialien die erste Wahl – beispielsweise Indiumphosphid, Galliumarsenid und Galliumnitrid. Diese Materialien sind extrem teuer, und ihre Verarbeitung ist schwierig.

Die Silizium-Germanium-Technologie soll dem abhelfen. Dabei werden kleinste Mengen von Germanium mit Standard-Produktionsprozessen in die Siliziumstrukturen eingebracht. Sie erhöhen die Leistung der Chips deutlich. Im Ergebnis entstehen Hochleistungschips wie der 798-GHz-Transistor. Sie kombinieren die enorme Leistungsfähigkeit der Silizium-Germanium-Chips mit den bekannten Vorteilen des Siliziums – niedrige Kosten, hohe Ausbeuten, kleinere Abmessungen und ein hohes Niveau von Integration und Herstellbarkeit. So wird das Silizium auch im Vergleich zu den Compoundmaterialien wieder wettbewerbsfähig.