Forschung für THz-Halbleiter Joint Lab für Höchstfrequenz-Halbleiter gegründet

Metallorganische Gasphasen-Epitaxie (MOVPE) des Zentrums für Halbleitertechnik und Optoelektronik (ZHO) der Universität Duisburg-Essen (UDE) für InP-Höchstfrequenzbauelemente.
Metallorganische Gasphasen-Epitaxie (MOVPE) des Zentrums für Halbleitertechnik und Optoelektronik (ZHO) der Universität Duisburg-Essen (UDE) für InP-Höchstfrequenzbauelemente.

Wissenschaftler der Universität Duisburg-Essen und dem Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik, in Berlin arbeiten zusammen um ICs für Höchstfrequenzen zu entwickeln.

An der Universität Duisburg-Essen (UDE) entsteht derzeit ein deutschlandweit einmaliges Terahertz-Integrationszentrum, das vom Land Nordrhein-Westfalen und der EU mit 6,5 Millionen Euro gefördert wird. Unter der Leitung von Prof. Dr. Nils Weimann arbeiten die Wissenschaftler am Zentrum für Halbleitertechnik und Optoelektronik (ZHO) der UDE bereits an den notwendigen Halbleitermaterialen, wie z.B. Indiumphosphid (InP).

Dieses Halbleitermaterial eignet sich gut für höchstfrequente Bauteile, kann aktuell aber nur sehr aufwändig und in geringen Mengen hergestellt werden. Um das zu ändern, hat das ZHO eine neue Produktionsanlage beschafft – für das Terahertz-Integrationszentrum.

Ihr Know-how bringen die Halbleiterexperten der UDE nun in das neu gegründete »Joint Lab InP Devices« ein, an dem sich auch das Ferdinand-Braun-Institut, Leibnitz-Institut für Hochfrequenztechnik (FBH), in Berlin beteiligt. Gemeinsam sollen Halbleitermaterialien, Bauelemente und Schaltkreise für mm-Wellen- und Terahertz-Anwendungen entwickelt werden.

Halbleiter für Höchstfrequenzen

Der Terahertzbereich (0,1–3 THz) ist noch weitgehend unerschlossen, da elektronische Komponenten zurzeit nur für Frequenzen unter 100 GHz kommerziell erhältlich sind. Um den Höchstfrequenzbereich zu erschließen müssen geeignete Halbleitermaterialien, wie Indiumphosphid (InP), und auf Höchstfrequenz optimierte Bauelementstrukturen erforscht und entwickelt werden. Die Forschung im Fachgebiet zu THz-Komponenten wird seit Januar 2017 im Sonderforschungsbereich / Transregio (SFB/TRR) 196 – Mobile Materialcharakterisierung durch elektromagnetische Abtastung (MARIE) gefördert. Dieser Sonderforschungsbereich der Deutschen Forschungsgemeinschaft, DFG, wurde an der UDE eingerichtet.

Die herausragenden Materialeigenschaften von InP – hohe Elektronengeschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Durchbruchfeldstärke – erlauben die Realisierung von Bauelementen mit höchsten Grenzfrequenzen und hoher Ausgangsleistung. Das Materialsystem InP wird an der UDE eingehend untersucht: mit auf eine Atomlage genauen Epitaxieverfahren werden Strukturen für Resonanztunneldioden (RTD) und Heterostruktur-Bipolartransistoren (HBT) erzeugt.

Dazu stehen dem Fachgebiet Bauelemente der Höchstfrequenzelektronik (BHE) in den Laboren des Zentrums für Halbleitertechnik und Optoelektronik (ZHO) der UDE zwei Epitaxieanlagen zur Verfügung: eine Molekularstrahlepitaxie (MBE) und eine Metallorganische Gasphasen-Epitaxie (MOVPE). Die MOVPE-Anlage wurde neu beschafft, im Rahmen der BMBF-Initiative ForLab SmartBeam.

An der UDE werden RTD und HBT entwickelt und auf höchste Frequenz und Leistung optimiert. Die notwendigen Fabrikationsprozesse werden im Reinraum des ZHO durchgeführt. Hierbei werden kritische Bauelementstrukturen mit Elektronenstrahllithographie definiert, die Strukturbreiten weit unter 1 μm erlaubt.

Die Halbleiterbauelemente RTD und HBT bilden die Bausteine für komplexe Schaltkreise und Module. Die an der UDE entwickelten InP-Wafer mit HBTs für THz-Anwendungen werden am FBH zu komplexen Schaltkreisen weiterverarbeitet. Beide Partner im neuen Joint Lab InP Devices nutzen den gleichen Waferdurchmesser und kompatible Prozesse – dies ermöglicht eine schnelle Umsetzung neuer grundlegender Forschungsergebnisse der Universität in der anwendungsbezogenen Entwicklung des FBH.

An der UDE entstehen THz-RTD mit integrierten Antennen, die mittels Chip-Aufbautechnik in Module integriert werden. Diese Arbeiten finden im neuen Terahertz-Integrationszentrum der UDE im ZHO statt.