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IEDM 2020

Die Highlights der Halbleiterforschung 2020 – Teil 2

07. Januar 2021, 16:16 Uhr   |  Gerhard Stelzer

Die Highlights der Halbleiterforschung 2020 – Teil 2
© IEDM

Pandemie-bedingt fand das 66. International Electron Devices Meeting (IEDM) im Web statt.

Die Corona-Pandemie zwang auch die traditionsreiche Halbleiterkonferenz IEDM 2020 in den virtuellen Raum. Hier sind die Highlights von der Bildgebung und HF-Technik bis hin zur Medizinelektronik.

Pandemie-bedingt fand das 66. International Electron Devices Meeting (IEDM) im Web statt, was jedoch kaum Einfluss auf die Struktur der Konferenz hatte, abgesehen davon, dass die mehr als 220 Vorträge in 41 Sessions zeitlich auf eine Woche gestreckt wurden.

Hier im zweiten Teil der Highlights geht es nun um die Themen Bildgebung und HF-Technik bis hin zur Medizinelektronik. Im ersten Teil standen CMOS-Technologien, Speicher und Quantencomputing im Mittelpunkt.

Fortschritte in der Bildgebung

Samsung hat außerdem einen ultrahochauflösenden CMOS-Bildsensor mit 108 Megapixeln (MP) im 0,8-µm-Raster für mobile Anwendungen vorgestellt bei dem die Forscher auf eine 3 x 3 geteilte Pixelstruktur setzen, die Nonacell.
© IEDM | Samsung

Samsung hat außerdem einen ultrahochauflösenden CMOS-Bildsensor mit 108 Megapixeln (MP) im 0,8-µm-Raster für mobile Anwendungen vorgestellt bei dem die Forscher auf eine 3 x 3 geteilte Pixelstruktur setzen, die Nonacell.

Ein-Chip-Lidar mit integrierter Lichtquelle:

Lidar (light detection and ranging) ist das optische Gegenstück zum Radar. Während Radarsysteme die Entfernung zu einem Objekt bestimmen, indem sie es mit Radiowellen bestrahlen und die Zeit messen, in der die Reflexionen zurückkommen, verwendet Lidar stattdessen Laserlicht. Lidar funktioniert extrem schnell und eignet sich für eine ausgefeilte Datenverarbeitung, was bedeutet, dass Unterschiede in den Laserlicht-Rücklaufzeiten und Wellenlängen genutzt werden können, um detaillierte 3D-Darstellungen eines Ziels zu erstellen. Eine wichtige Technologie für autonome Fahrzeuge, Robotik und Augmented-Reality-Anwendungen. In einem spät eingereichten Paper berichteten Samsung-Forscher über den ersten Ein-Chip-Lidar-Scanner. Er eröffnet die Möglichkeit von ultra-kostengünstigen, kompakten Lidar-Systemen, da er keine separate Lichtquelle benötigt, im Gegensatz zu aktuellen Systemen, die größer sind und mechanische Strahlscanner mit Motoren und rotierenden Spiegeln verwenden.

 

Es integriert ein voll funktionsfähiges optisches phasengesteuertes Array mit 32 Kanälen, 36 optische Verstärker und eine abstimmbare Laserdiode auf einem 7,5 x 3 mm2 großen Chip, der mit Ill-V-on-Si-Prozessen hergestellt wurde. Außerdem wird ein Kalibrierungsalgorithmus, der auf Prinzipien des maschinellen Lernens basiert, in der digitalen Signalverarbeitung für den Echtzeitbetrieb eingesetzt. Das Gerät erreichte einen Echtzeitbetrieb mit 20 Bildern pro Sekunde bei einer Auflösung von 120 x 20 Zeilen in 10 Metern Entfernung (Paper 7.2).

Ultra-hochauflösender mobiler CMOS-Bildsensor mit 108 MPixel:

Samsung hat außerdem einen ultrahochauflösenden CMOS-Bildsensor mit 108 Megapixeln (MP) im 0,8-µm-Raster für mobile Anwendungen vorgestellt. Da die Nachfrage nach höher auflösenden Bildsensoren für Smartphones und andere mobile Geräte gestiegen ist, hat sich die Anzahl der darin enthaltenen Pixel von 48 über 64 auf 108 MPixel erhöht. Der Pixelabstand hat sich verringert, um höhere Dichten zu ermöglichen, aber dies hat das Pixel-Silizium-Volumen sowie die Menge des einfallenden Lichts, die jedem Pixel zur Verfügung steht, reduziert. Diese Verringerungen haben das Signal-Rausch-Verhältnis und die Full-Well-Kapazität (FWC, oder die Anzahl der Elektronen, die ein Pixel bei Sättigung sammeln kann) der Pixel verschlechtert. Die Samsung-Forscher umgingen dies mit einer 3 x 3 geteilten Pixelstruktur, die sie Nonacell nennen. Sie besteht aus drei gemeinsam genutzten PIN-Photodioden, deren Signale in der Floating Diffusion (FD) des Imagers summiert und deren Spannungen gemittelt werden. Die Shared-Pixel-Einheiten können auf verschiedene Weise kombiniert werden, um eine optimale Leistung bei wechselnden Lichtverhältnissen zu erreichen – eine ultrahohe Auflösung von 108 MPixel für helle Tageslichtbedingungen im Freien und eine Auflösung von 12 MPixel für schwach leuchtende Innenraumbeleuchtung. Diese Arbeit ist ein Schritt in Richtung einer viel höheren Bildqualität für Smartphones und andere mobile Geräte (Paper 16.2).

Leistungssparender, hochauflösender CMOS-Bildsensor für indirekte Lichtlaufzeit:

Indirekte Time-of-Flight (iToF) CMOS-Bildsensoren werden für Entfernungsmessungen in Smartphones und Spielsystemen eingesetzt. Die Verbesserung ihrer Präzision bei gleichbleibender/geringerer Stromaufnahme ist dabei ein wichtiges Ziel. Die Forscher von Sony berichteten, wie sie einen Floating-Diffusion-Speicher-Global-Shutter-Bildsensor mit einer Auflösung von 1280 x 960 bei 10 Metern realisiert haben, der als 3D-gestapelter, rückseitig beleuchteter iToF-Sensor eingesetzt wird. Der iToF-Sensor erreicht 18.000 e-FWC und 32 % Quanteneffizienz (QE), hat eine Struktur mit pyramidaler Oberfläche für die Beugung (PSD), die die QE bei kleineren Pixelgrößen verbessert, und verwendet 3,5 gm-Pixel. Der niedrige Strombedarf wird durch einen geringen iToF-Leckstrom und durch die Verwendung von niederohmigen Cu-Cu-Verbindungen erreicht. Die Forscher behaupten, dass diese Bauelemente-Architekturen eine hochauflösende 3D-Tiefenerfassung mit großem Dynamikbereich für nahe und ferne Objekte ermöglichen (Paper 3.1).

IEDM 2020: Highlights der Konferenz – Teil 2

In einem spät eingereichten Paper berichteten Samsung-Forscher über den ersten Ein-Chip-Lidar-Scanner. a) Mikroskopische Aufnahme des 32-Kanal-Scanners, b) III/V-on-Si-Bauelement (abstimmbare Laserdiode und optischer Verstärker).
Samsung hat außerdem einen ultrahochauflösenden CMOS-Bildsensor mit 108 Megapixeln (MP) im 0,8-µm-Raster für mobile Anwendungen vorgestellt bei dem die Forscher auf eine 3 x 3 geteilte Pixelstruktur setzen, die Nonacell.
Hochauflösender CMOS-Sensor für indirekte Laufzeitmessungen. Schnitt durch den 1,2 MPixel GAPD (gate-assisted photonic demodulator).

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Hochfrequenz- und Leistungs-Transistoren

Lithografisch definierte organische Substrate für HF: THz-tauglicher dielektrischer Wellenleiter.
© IEDM | Intel | MIT

Lithografisch definierte organische Substrate für HF: THz-tauglicher dielektrischer Wellenleiter.

20-GHz-p-Kanal-HFETs:

Die CMOS-Technologie erfordert sowohl n- als auch p-Kanal-Bauelemente, aber die Leistung von p-Kanal-Bauelementen hinkt hinterher - ein Missverhältnis, das behoben werden muss, um maximale Leistung und Energieeffizienz aus zukünftigen Chips zu kitzeln. Auf der IEDM haben Forscher der Cornell Universität und von Intel die ersten GaN-basierten p-Kanal-Transistoren beschrieben, die die GHz-Grenze durchbrechen. Um sie zu bauen, nutzten die Forscher das polarisationsinduzierte 2D-Lochgas in der GaN/AlN-Heterostruktur. (Lochgas bezieht sich auf die Population von freien Löchern in einem metallischen Leiter, die sich darin frei bewegen können, ähnlich wie Gasmoleküle sich in einem Behälter bewegen. »2D« bedeutet, dass sie sich in zwei Dimensionen frei bewegen können.) Die Forscher berichteten, dass die p-Kanal-GaN-HFETs mit skaliertem Source/Drain-Abstand und Gate-Länge sowie niederohmigen Kontakten ON-Ströme >420 mA/mm und Transit- bzw. Maximalfrequenzen von fT/fmax um die 20 GHz aufweisen. In Kombination mit der hervorragenden Leistung von AIN/GaN n-HFET-Bauelementen, über die bereits berichtet wurde, sind diese neuen Ergebnisse geeignet, diese Wide-Bandgap-CMOS-Plattform in neue Anwendungsbereiche in der HF- und Leistungselektronik zu führen (Paper 8.3).

Lithografisch definierte organische Substrate für HF:

Hochfrequenz-ICs (RF) verwenden keramische Gehäusesubstrate, während digitale Schaltungen wie CPUs, GPUs und APUs organische Substrate verwenden. Keramische Substrate eignen sich gut für die Verwendung mit verlustarmen, hochleitenden Metallleitern, während organische Substrate einen größeren Bereich dielektrischer Dicken, engere Fertigungsvariationen, Leiter mit geringer Oberflächenrauhigkeit und feinere Designregeln unterstützen. All dies wird für die erhöhte Schaltungsdichte und Leistung benötigt, die die Hochfrequenzanwendungen von morgen erfordern. Auf der IEDM stellten Intel-Forscher einen neuen Fertigungsprozess für verlustarme organische Substrate vor. Er verwendet lithografisch definierte (im Gegensatz zu lasergebohrten) Durchkontaktierungen, die engere Prozesstoleranzen und Kupferverbindungen im Substrat verbinden. Die Forscher bauten Strukturen und Bauelemente wie koaxiale und koplanare Wellenleiter, High-Q-HF-Induktivitäten, Filter und andere für einen Frequenzbereich von 1 bis 330 GHz, die überlegene elektrische Eigenschaften im Vergleich zu Keramiken zeigten. Sie behaupten, dass die Leistung mit neuen dielektrischen Adhäsionstechniken und fortschrittlichen organischen dielektrischen Aufbaufilmen verbessert werden kann (Paper 17.5).

40-kV-Silizium-Vakuum-Transistor:

Ein Team unter Leitung des MIT hat den ersten Si-Vakuumtransistor beschrieben, der bei ca. 40 kV arbeitet und das Potenzial hat, eine halbleiterähnliche Grundfläche zu haben.  Ein solch hohes Spannungsniveau ist normalerweise für Materialien mit breiter Bandlücke wie SiC und GaN reserviert. Der Proof-of-Concept-Baustein besteht aus einem Gated Field Emission Array (d.h. einer Elektronenquelle), einer Vakuum-Drift-Region und einer Metallanode. Die Elektronen werden vom Gated Field Emission Array durch Tunneln in das Vakuum emittiert, durchlaufen es und werden an der Anode gesammelt. Das Vakuum bestimmt die Transporteigenschaften und die Hochspannungs-Isolation. Mit dieser Technologie lieferten die Forscher intrinsische Benchmarks für Vakuumtransistoren. Die Forscher sagen, dass das hohe kritische elektrische Feld und die unbegrenzte Ladungsträgergeschwindigkeit dieser Bauelemente zu kompakten, hochleistungsfähigen Vakuumbauelementen führen können, die in der Lage sind, Festkörperbauelemente in allen Metriken zu übertreffen, was sie für eine Reihe von Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen und auch als Röntgenquellen der nächsten Generation geeignet macht (Paper 5.2).

5-kV-AIGaN/GaN-Power-Schottky-Barrier-Dioden:

Seit Jahren sind bipolare Si-PN-Dioden die vorherrschende Diodentechnologie für den Bau von Hochspannungs-Gleichrichtern (1,7 - 10 kV) für industrielle Motorantriebe, gepulste Stromversorgungssysteme und Stromnetzanwendungen, aber die Leistung der Dioden ist durch schlechte Rückerholungszeiten begrenzt. In jüngerer Zeit wurden unipolare SiC-Schottky-Barriere-Dioden und Sperrschicht-Schottky-Dioden bis zu 10 kV demonstriert und bei 3,3 kV kommerzialisiert. GaN hat jedoch bessere physikalische Eigenschaften als Si und SiC, und auf der IEDM beschrieb ein Team unter Leitung von Virginia Tech den ersten Multi-kV-Betrieb von lateralen AIGaN/GaN-Schottky-Dioden. Aufgebaut auf 4-Zoll-GaN-auf-Saphir-Wafern, bestehen die Bauelemente aus einem Stapel von fünf parallelen 2D-EG-Kanälen (bidirektionales Elektronengas) in Kombination mit einer auf Rippen (Fin) basierenden 3D-Anodenstruktur, die den p-n-Übergang um die Fins wickelt. Sie demonstrierten eine Durchbruchspannung von 5,2 kV, einen spezifischen On-Widerstand von nur 13,5 mQ cm2 und einen niedrigen Off-State-Leckstrom, was zu einer Kennzahl (FoM – Figure of Merit) von 2 GW/cm2 führt, die die von unipolaren SiC-Schottky-Barriere-Dioden übertrifft. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial von AIGaN/GaN-Mehrkanal-Bauelementen für Leistungsanwendungen im Mittel- und Hochspannungsbereich (Paper 5.4).

Medizinelektronik, Hardware-Sicherheit und mehr

Großflächige Aktiv-Matrix-Mikrofluidik-Plattform: Bild, Layout und Pixel-Schaltplan der Aktivmatrix Electrowetting-on-Dielectric (AM-EWOD) Einheit (links) und digitale Tröpfchen bilden 'IEDM' auf der AM-EWOD-Einheit (rechts).
© IEDM | Suzhou Inst. Chin. Academy of Sc.

Großflächige Aktiv-Matrix-Mikrofluidik-Plattform: Bild, Layout und Pixel-Schaltplan der Aktivmatrix Electrowetting-on-Dielectric (AM-EWOD) Einheit (links) und digitale Tröpfchen bilden 'IEDM' auf der AM-EWOD-Einheit (rechts).

Großflächige Aktiv-Matrix-Mikrofluidik-Plattform:

Ein Team unter der Leitung des Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat gezeigt, wie die ausgereifte, hoch skalierbare Dünnfilmtransistor (TFT)-Technologie aus amorphem Silizium (a-Si), die in Flachbildschirmen (FPDs) verwendet wird, genutzt werden kann, um eine hochpräzise, durchsatzstarke, online und programmierbare Mikrofluidik-Plattform für die Handhabung von Bio-Proben zu schaffen. Elektrobenetzung ist die Modifikation der Benetzungseigenschaften einer Oberfläche mit einem angelegten elektrischen Feld. Ein Elektrodenarray unter der Oberfläche legt nacheinander an bestimmten Stellen Spannungssignale an, und Flüssigkeitströpfchen auf der Oberfläche in diesen Bereichen bewegen sich, verschmelzen, vermischen und/oder trennen sich, indem sie dem elektrischen Feld folgen. Das Team nutzte die FPD-Aktiv-Matrix-Technologie, um einen Chip herzustellen, der ein 32 x 32 Pixel-Array (d. h. ein Elektroden-Array) auf einer aktiven Fläche von 10 cm2 enthält. Jedes Pixel kann einzeln oder gleichzeitig adressiert werden, und es wurde eine Manipulation von Tröpfchen auf Einzelpixel-Ebene mit einem Volumenkoeffizienten von rund 1 % gezeigt.Diese Leistung ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem aktuellen Stand der Technik (9-Pixel-Auflösung und 4 % Variation), ist auf größere Array-Größen skalierbar und eröffnet Möglichkeiten für die On-Chip-Diagnostik bei Point-of-Care-Tests (Paper 35.5).

Nanophotonischer, batterieloser Sensor zur Glaukom-Überwachung:

Das Glaukom, eine der häufigsten Erblindungsursachen, wird größtenteils durch einen erhöhten Augeninnendruck (IOD) verursacht. Aktuelle IOD-Überwachungstechniken sind ungenau, bieten keine Langzeitüberwachung und sind schwierig abzulesen. Ein Team von Samsung und Caltech präsentierte ein hochminiaturisiertes (500 µm Durchmesser, 200 µm Dicke) optomechanisches, nanophotonisches Sensorimplantat für die langfristige, kontinuierliche und bedarfsgesteuerte IOD-Überwachung. Der batteriefreie IOD-Sensor besteht aus einem flexiblen, schwammigen Silikon in medizinischer Qualität, das 3D-photonische Nanostrukturen enthält, die in einem kolloidalen Selbstassemblierungsprozess hergestellt wurden. Er funktioniert als druckempfindlicher optischer Resonator mit einer Empfindlichkeit von 0,1 nm/mmHg und liefert IOD-Messwerte, wenn er mit unsichtbarem Nahinfrarotlicht abgefragt wird. Die Forscher implantierten acht Sensoren in die Augen von weißen neuseeländischen Kaninchen und wiesen dynamische und langfristige Änderungen des IOD bei wachen Kaninchen mit einer durchschnittlichen Genauigkeit von 0,56 mmHg über den Bereich von 0–40 mmHg nach. Mit weiteren Verfeinerungen der Sensoren und der Automatisierung des Detektors könnte es zu einem praktischen Diagnosesystem für das patienteninitiierte Glaukom-Management in der häuslichen Umgebung heranreifen (Paper 14.6).

Resistive-Gate-FinFETs ermöglichen Hardware-Sicherheit:

Digitale Geräte sind in der heutigen Gesellschaft allgegenwärtig, aber die Zahl der Angriffe aus dem Internet hat in den letzten Jahren dramatisch zugenommen. Bisher wurde Software verwendet, um Verschlüsselungsschlüssel zu generieren, aber solche Passwörter sind oft logisch und leicht zu hacken. Ein hardwarebasierter True Random Number Generator (TRNG), der sich auf die Zufälligkeit physikalischer Phänomene wie Schwankungen im Herstellungsprozess verlässt, um Verschlüsselungsschlüssel zu generieren, kann nicht leicht gehackt werden. Bestehende RRAM-basierte TRNGs verfügen jedoch nicht über alle erforderlichen Eigenschaften, wie z.B. hohe Geschwindigkeit, hohe Zuverlässigkeit und einfache Schaltungsdesigns. Ein von der National Chiao Tung University geleitetes Team stellte eine TRNG-Bauelementarchitektur vor, die einen Ein-Transistor-Widerstandsschaltspeicher als Kern und eine 40-nm-Peripherieschaltung umfasst. Ihr Kern ist eine Integration eines Metall-Isolator-Metall (MIM)-Kondensators auf einer FinFET-Plattform – im Wesentlichen ein in den FinFET integriertes Widerstands-Gate vom NOR-Typ. Sein Drain-Strom ist zufällig verteilt als Ergebnis zeitlich variierender leitender Fäden, und die Forscher behaupten, er sei eine ideale Entropiequelle für einen TRNG. Sie haben seine Leistungsfähigkeit getestet und berichteten, dass er alle relevanten statistischen Tests des NIST für Sicherheitsanwendungen bestanden hat (Paper 39.3).

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