Mikrosystemtechnik MIT integriert Silizium- und Verbindungshalbleiter miteinander

In der Optoelektronik und der Mobilfunktechnik dominiert immer noch Bauelemente aus Silizium, obwohl Verbindunghalbleiter besser wären. Nun hat der Forschungsableger des MIT in Singapur ein wirtschaftlich tragfähiges Verfahren entwickelt, um beide Halbleitertechnologien miteinander zu integrieren.

In den meisten heute verwendeten elektronischen Komponenten kommen siliziumbasierte CMOS-Chips zum Einsatz. Für Beleuchtungs- und Kommunikationszwecke arbeiten diese allerdings nicht effizient genug. Aus diesem Grund werden aktuelle 5G-Mobilgeräte auf dem Markt bei Gebrauch sehr heiß und würden sich nach relativ kurzer Zeit abschalten.

Dort sind Verbindungshalbleiter (III-V-Halbleiter) wertvoll, die aus Elementen der dritten und fünften Spalte des Periodensystems hergestellt werden. Beispiele dafür sind Galliumnitrid (GaN) und Indium-Galliumarsenid (InGaAs).

Nun hat die Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), das Forschungsunternehmen des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Singapur, bekanntgegeben, dass es erfolgreich eine kommerziell tragfähige Herstellungsmethode für integrierte Silizium-III-V-Chips entwickelt hat.

»Eine der größten Herausforderungen für die Halbleiterindustrie ist die wirtschaftlich tragfähige Integration von III-V-Halbleiterbauelementen in Silizium, auch wenn solche integrierten Schaltungen seit Jahrzehnten gewünscht sind«, erklärt Kenneth Lee, leitender wissenschaftlicher Direktor des Forschungsprogramms SMART Low Energy Electronic Systems (LEES). »Derzeitige Verfahren sind teuer und ineffizient. Mit unserem neuen Prozess können wir bereits vorhandene Ressourcen nutzen, um diese neuen integrierten Silizium-III-V-Chips kostengünstig herzustellen und die Entwicklung und Einführung neuer Technologien zu beschleunigen.«

Bei dieser neuen Technik werden zunächst zwei Schichten von Silizium- und III-V-Bauelementen auf separaten Substraten aufgebaut und in einem zweiten Schritt mikrometergenau vertikal integriert. Der Prozess kann auf bestehende 200-mm-Ausrüstung zurückgreifen, sodass Halbleiterhersteller weltweit ihre bereits installierten Anlagen weiter nutzen können. Heute liegen die Investitionskosten für eine neue Fertigungstechnik im Bereich von mehreren zehn Milliarden Dollar. Somit ist diese neue Plattform für integrierte Schaltungen recht kostengünstig und könnte zu wesentlich niedrigeren Kosten für neuartige Schaltungen und elektronische Systeme führen.

SMART konzentriert sich auf die Entwicklung neuer Chips für die Beleuchtungs- und Displaytechnik sowie für den 5G-Markt, dessen Gesamtmarkt über 100 Mrd. US-Dollar groß ist. Weitere Märkte, die durch die neuen integrierten Silizium-III-V-Chips von SMART abgedeckt werden können, sind tragbare Mini-Displays, Virtual-Reality-Anwendungen und andere bildgebende Verfahren.

Das Patentportfolio wurde exklusiv an New Silicon lizenziert, ein in Singapur ansässiges Spin-off von SMART. Die neuen integrierten Silizium III-V-Chips von SMART werden im nächsten Jahr verfügbar sein und bis 2021 in den Produkten erwartet.