Die III-V Halbleitermaterialen Galliumarsenid und Indiumphosphid zeichnen sich durch eine extrem hohe Elektronenmobilität, Frequenzen im THz-Bereich sowie kurze Latenzzeiten aus. Darüber hinaus besitzen sie eine direkte Bandlücke, welche es erlaubt, Licht in einem breiten Wellenlängenbereich zu emittieren. Diese elektronischen und optischen Eigenschaften machen sie zu sehr attraktiven Kandidaten für die nächste Bauelementgeneration in 5G & 6G Anwendungen. Sie erfüllen nicht nur die Anforderungen nach gesteigerten Datenraten und höherer Leistung, sondern ermöglichen auch wichtige Funktionen wie z.B. eine Echtzeitübertragung.
Um die Funktionalität weiter zu optimieren und zudem die Wirtschaftlichkeit der neuen Bauelemente zu gewährleisten, ist eine Integration der III-V Materialien in etablierte, kostengünstige CMOS-Technologien auf Siliziumbasis (Si) notwendig. Ein bisheriger Integrationsansatz verfolgt das direkte, epitaktische Aufwachsen von III-V-Schichten auf Si-Substraten. Die Fehlversetzungen (engl. misfit-dislocations), die vor allem durch die großen Unterschiede in den Gitterkonstanten von III-V und Si verursacht werden, verhindern bislang den Gebrauch dieser Methode. Dagegen hat das sogenannte Bonden von Einkristallen auf dem Substrat gegenüber heteroepitaktisch abgeschiedenen Schichten einen klaren strukturellen Vorteil: Die Einkristalle können unabhängig vom Substrat in höchster struktureller Perfektion, quasi defektfrei oder mit gezielt eingebrachten Versetzungen, gezüchtet werden.
In Kooperation mit dem Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP) soll daher ein Transfer-Prozess entwickelt werden, der es ermöglicht, bis auf eine Dicke von wenigen Mikrometern, vereinzelte III-V Plättchen auf Si-Substrate zu bonden. Damit wird ein Ansatz zur Integration dünner, einkristalliner III-V Plättchen auf Si in eine CMOS-Technologie mit hohem Skalierungspotential eröffnet. Die 4-Zoll großen III-V Einkristalle sollen am IKZ mit der VGF-Technik (engl. vertical gradient freeze) durch Homogenisierung der elektrisch leitenden Schmelze mittels wandernder Magnetfelder gezüchtet werden. Dabei sollen die Eigenschaften der Volumenkristalle spezifisch für den anschließenden Vereinzelungs- sowie für den Bonding-Prozess optimiert werden.
Das IHP betreibt Forschung und Entwicklung zu siliziumbasierten Systemen, einschließlich neuer Materialien. Eine Kerntechnologie ist die Electronic-Photonic Integrated Circuit (EPIC)-Technologie, die elektronische mit photonische Bauelementen auf einem einzigen Chip vereint und für zukünftige Anwendungen eine Laserquelle benötigt. Das IHP verfolgt daher verschiedene Konzepte zur Integration von laseraktiven III-V-Materialien. Die Entwicklung eines neuen Integrationsansatzes, ausgehend von hochqualitativen Einkristallen, ist daher für das Institut von großem wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Interesse.
Durch die Kompetenzbündelung der beiden Leibniz-Institute IKZ (III-V Volumenkristallzüchtung für Spezialanwendung, Kristallbearbeitung, Materialcharakterisierung) und IHP (Transfer, Si-Systeme) sollen Grundlagenforschung mit anwendungsorientierter Technologieforschung vereint werden, um einen neuen Integrationsansatz für die nächste Generation von Bauelemente zu realisieren. Für einen optimalen Wissensaustausch besitzt Dr. Karoline Stolze vom IKZ (Nachwuchsgruppenleiterin "III-V Halbleiter für 5G & 6G") bereits Gastwissenschaftlerinnen-Status am IHP, so dass das neue Themengebiet durch eine enge Kooperation bestmöglich eingeleitet werden kann. Sobald es die pandemiebedingten Umstände erlauben, kann der gemeinsame praktische Erfahrungsaustausch vor Ort am IHP beginnen.
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