Mikrosystemtechnik Stößt ein neuartiger Bipolar-Prozess CMOS vom Thron?

David Summerland, CEO von Search For The Next, möchte mit der Bizen-Technologie die Halbleiterfertigung revolutionieren.
David Summerland, CEO von Search For The Next, möchte mit der Bizen-Technologie die Halbleiterfertigung revolutionieren.

Nicht weniger als die Halbleiterindustrie auf den Kopf stellen wollen Search For The Next und die Semefab. Mit »Bizen« (Bipolar/Zener) sollen die Vorteile der bewährten Bipolar-Technik erhalten bleiben, aber deren Nachteile durch Nutzen des Zener-Quantentunnels wegfallen.

Vor etwa fünf Jahrzehnten lösten die MOS- und später die CMOS-Technik die bis dahin dominierenden Bipolar-Prozesse ab. Mittlerweile stößt CMOS jedoch an seine Grenzen, denn die weiter schrumpfenden Strukturbreiten kollidieren immer mehr mit den Gesetzen der Physik. Und Firmen wie Samsung, TSMC und Intel investieren zig Milliarden Dollar in diesem Rennen.

Manchmal lohnt sich daher ein Blick zurück. Das haben David Summerland, CEO des englischen Start-ups Search For The Next (SFN), und sein Partner Allan James, Managing Director des schottischen Chipfertigers Semefab, getan. »Mit Bizen – ein Kunstwort aus Bipolar und Zener – haben wir einen Weg gefunden«, so Summerland, »die quantenmechanischen Tunneleffekte in der Fertigung von Halbleiterbauelementen auf Siliziumbasis oder solchen mit großer Bandlücke wirtschaftlich zu machen.« Nach seiner Aussage sinkt dadurch die dynamische Leistungsaufnahme, während die Geschwindigkeit und die Gate-Dichte steigen. Gleichzeitig halbieren sich die erforderlichen Prozessschichten, der Materialauftrag reduziert sich um zwei Drittel und die Fertigungszeiten verkürzen sich von 15 auf drei Wochen.

»CMOS-Alternativen sind nach unserem Verständnis noch ein gutes Stück von der Marktreife entfernt, und zusätzliche Analog- und Leistungsbausteine würden Extrakosten bedeuten«, so Sunderland. Er ergänzt: »Bizen dagegen reduziert die Kosten und soll Engpässe beseitigen. Auch könnte dadurch die Uhr des Moore‘schen Gesetzes in Bezug auf die mögliche Reduzierung der Die-Fläche für den jeweiligen Technologieknoten im Vergleich Bizen- zu CMOS-Logikimplementierung um zehn Jahre oder mehr zurückgedreht und viele Wafer-Fabs der Vorgängergeneration wieder in die Mainstream-Fertigung zurückgeholt werden.«

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Bizen

Stößt ein neuartiger Bipolar-Prozess CMOS vom Thron?

Seit jeher ist die Bipolar-Technik dadurch eingeschränkt gewesen, dass sie hochohmige Widerstände für die Funktion benötigt, die jedoch viel Fläche auf dem Substrat belegen. Beim Bizen-Transistor können Entwickler durch Nutzen der Quantentunnelung auf solche Widerstände verzichten – wie bei MOS-Bauelementen – und sich den jetzt steuerbaren Strom zunutze machen. Dadurch lassen sich stromsparende Schaltungen realisieren, in denen die Transistoren selbstleitend (normally-on; Verarmungstyp) sind, jedoch nicht im Sättigungsbereich arbeiten. Gesteuert werden sie über die Tunnelverbindung zur Basis und nicht einen direkten metallischen Kontakt zur Basis, wie bei bipolaren Transistoren üblich.

Daher können Entwickler dank der Bizen-Technologie eine einfachere Schaltung mit weit weniger Schichten und höherer Logikdichte entwerfen. So bewegt sich die Anzahl der erforderlichen Schichten bei einem Bizen-Bauteil für den Betrieb an niedrigen bis hohen Spannungen zwischen vier bis acht, während es beim CMOS zehn bis siebzehn sind.

Seit Mitte 2017 hat SFN zusammen mit Semefab an der Entwicklung und Qualifizierung des Prozesses gearbeitet. »Unser gemeinsames Ziel war es, Wege zu finden, die Prozesskomplexität bei smarten Leistungs-ICs zu reduzieren und gleichzeitig die Programmierbarkeit des Chips zu erhalten«, erklärt der Semefab-CEO Allan James. »Frühe Ansätze wurden verworfen, weil sie die angestrebte, niedrige Maskenanzahl nicht erfüllen konnten. Schließlich kam SFN die Idee, den Quantentunneleffekt miniaturisierter Strukturen mit in Sperrrichtung betriebenen Zener-Dioden zu nutzen. Es stellte sich heraus, dass sich die Integration konventioneller, lateraler und vertikaler Bipolarstrukturen bei sorgfältiger Modellierung so gestalten lässt, dass Bizen ohne unzulässige zusätzliche Prozesskomplexität integrierbar ist.«