Feature Stories - Schnellere Transistoren sorgen für mehr Sicherheit beim Fahren
Bei derartigen Anwendungen kommt allerdings Elektronik mit höheren Funkfrequenzen als jemals zuvor zum Einsatz. Man verlässt sich deshalb hier auf die Entwicklung neuartiger schnellerer Mikrochips. Ohne sie kann die Sache nicht funktionieren. Das EU-finanzierte DotFive-Projekt ("Towards 0.5 Terahertz Silicon/Germanium hetero-junction bipolar technology") konnte schnellere Transistoren entwickeln, die die Basis für diese neuen Technologien bilden werden. Eine Erhöhung der Betriebsgeschwindigkeit der mikroelektronischen Bauelemente eröffnet völlig neue Anwendungsbereiche: drahtlose Hochgeschwindigkeitskommunikation, Kollisionsvermeidung bei Fahrzeugen oder auch hochaufgelöste, nichtinvasive Bildgebung bei Sicherheitsscannern. Aber die zur Umsetzung dieser neuen Produkte erforderlichen Mikroschaltungen, die bei über 100 GHz arbeiten können, fordern auf Transistorebene eine Leistungsfähigkeit von dreifacher Geschwindigkeit. Hier kommt das auf drei Jahre angelegte DotFive-Projekt ins Spiel: Ziel sind Bipolartransistoren mit Heteroübergang (Hetero-Junction Bipolar Transistors, HBT), mit denen sich 500 GHz (bzw. 0,5 THz) erreichen lassen. Die Herausforderung bestand in der Verdopplung der Frequenz im Vergleich zum Stand der Technik, der zum Zeitpunkt der Einreichung des Projekts vorlag. "Und wir haben diese Zahlen tatsächlich erreicht!", berichtet Projektkoordinator Gilles Thomas von STMicroelectronics, Frankreich, stolz. Im Projektkonsortium waren vier Technologieanbieter vertreten: zwei Unternehmen, Infineon und STMicroelectronics, sowie zwei Forschungsinstitute. Weitere Einzelheiten zu den Projektpartnern finden Sie unter DotFive-Projektdatensatz auf CORDIS . Alle Partner konnten beachtliche Fortschritte verzeichnen. Die beiden Forschungsinstitute entwickelten Transistoren, die mit der gewünschten Geschwindigkeit laufen, wobei die deutsche IHP Microelectronics GmbH bisher die besten Ergebnisse lieferte. Das DotFive-Team unternahm weitaus mehr als nur eine Annäherung an das Problem: eines der Arbeitspakete des Projekts sollte auf existierenden Architekturen aufbauen, während sich ein anderes an wahrlich bahnbrechenden Architekturen versuchte. Gilles Thomas dazu: "Die am besten funktionierende Architektur ist die, bei der ein Großteil der 'parasitären Effekte' im Transistor (z. B. Kapazität, Widerstände und Eingangswiderstand) minimiert werden konnte und die die beste 'Selbstanpassung' von Basis, Emitter und Kollektor aufweist." Zusammenarbeit im Fokus Einer der allerwichtigsten Erfolge des Projekts bestand darin, alle Partner auf die gleiche Methodik, das gleiche elektrische Charakterisierungsverfahren und die gleichen Modellierungstechniken einzuschwören, um unter den Projektbeteiligten vergleichbare Ergebnisse zu erzielen. "Um bei diesen Geschwindigkeiten arbeiten zu können, mussten wir Faktoren, mit denen wir noch nie zuvor in Berührung gekommen waren, berücksichtigen sowie die Physik von deren Effekten verstehen", erklärt Gilles Thomas. "Ohne zusammenzuarbeiten hätten wir das nie geschafft." Die von DotFive verfolgte Art der Technologieentwicklung sei vorwettbewerblich, wie er weiter erläutert. Die Teams nutzen ihre CAD-Plattformen (Computer Aided Design), Messtechnik, Modellparameter und einen Teil der Datenverarbeitung gemeinsam. So wie es auch der Fall war, als man über den GSM-Standard für Mobiltelefone übereinkam, müssen die an einer neuen Technologie beteiligten Unternehmen, auch wenn sie sich auf Produktebene miteinander im Wettbewerb befinden, zusammenarbeiten, um die grundlegenden Technologien und Standards gemeinsam zu entwickeln und zu vereinbaren. Europa ist Gilles Thomas zufolge führend in der Fertigung dieser Art von Technik. "Wir haben den Fahrplan für die Hochfrequenztechnologie (Radio Frequency, RF) erstellt, damit wir besser zusammenarbeiten können, um unseren Vorsprung auch zu halten." Hier liegt ein Grund, warum die EU Finanzmittel in Höhe von 9,7 Mio. EUR zusteuerte. Das Gesamtprojektbudget betrug 14,74 Mio. EUR. "Um die Produkte herzustellen, die den Marktanteil in fünf Jahren vergrößern werden, müssen wir bereits heute miteinander reden", empfiehlt er. Ergebnisse für die kommerzielle Produktion "Was die Kommerzialisierung anbelangt", fährt Gilles Thomas fort, "wollten wir im Lauf der drei Jahre des Projekts drei Lernzyklen absolvieren - verbunden mit stufenweisen Verbesserungen am Design, an Prozessen und Tools." Die Resultate aus dem Zyklus des ersten Jahres sind bereits in die vorbereiteten Schaltungsentwürfe eingebettet, wobei die Schaltungsgeschwindigkeiten von 77 GHz auf 120 GHz zulegten. "Wir befinden uns jetzt in der Qualifikationsphase der Ergebnisse des dritten Zyklus", erläutert Thomas, "die Radardemos laufen mit 140 GHz." "Fahrzeugradargeräte sind dank dieses Projekts in eine neue Ära aufgebrochen", wie Gilles Thomas einschätzt. Zusätzlich zu dem gemäß internationaler Standards zugewiesenen 77 GHz-Band erwartet das Projekt die Eröffnung eines neuen 120 GHz-Bandes für Radar mit größerer Reichweite. "Wir wollen außerdem bildgebende Systeme entwickeln, bei denen Millimeterwellen zum Einsatz kommen", berichtet er. Diese liegen oberhalb des 100 GHz-Bereichs zwischen Mikrowellen und Infrarotstrahlung. Derartige bildgebenden Systeme könnten durch eine Verbesserung der Sicherheitsscanner zur öffentlichen Sicherheit beitragen. "Es gibt solche Systeme schon heute, aber sie sind teuer, unhandlich und verbrauchen viel Strom", wie Gilles erklärt. Sie seien aus separaten Bauteilen und nicht aus Mikroschaltungen aufgebaut. Und da sie nicht aus integrierten Bauteilen bestehen, könnten sie auch nicht zu großen Arrays zusammengefügt werden, was letztlich bedeute, dass ihre Auflösung schlecht bleibt. "Wenn wir mit der Miniaturisierung und Integrierung unserer neuen Hochgeschwindigkeitsbauteile auf Silizium bei den Scannern Erfolg haben", verdeutlicht Thomas, "ist das mit der Weiterentwicklung der Computer von 1950, die einen ganzen klimatisierten Raum anfüllten, zu modernen PCs zu vergleichen." Die verschiedenen Projektpartner sind jetzt mit ihren Produkten auf verschiedenen Wegen zum Markt unterwegs. Nachdem die grundlegenden Technologien festgeschrieben wurden, verlagert sich nun die Arbeit von der reinen Forschung in Richtung kommerzielle Entwicklung. "Wir haben nun ein neues Projekt begonnen, das im Rahmen des CATRENE-Clusters des Eureka-Programms im Bereich Mikroelektronik finanziert wird. Ziel ist die Entwicklung einer BiCMOS-Technologie basierend auf Bipolartransistoren mit Heteroübergang von 500 GHz und digitalen CMOS für die industrielle Produktion", gibt Gilles Thomas einen Ausblick. Auf diese Weise könnten die HF-Komponenten mit der digitalen Bildverarbeitung auf ein und demselben Chip vereint werden. Derart revolutionäre Mikroschaltungen wären natürlich ein ausgezeichneter Beitrag zur Fortsetzung des europäischen Erfolgs auf diesen Märkten, ebenso wie sie unser Leben durch völlig neue Anwendungen verändern würden. DotFive wurde innerhalb des IKT-Unterprogramms, der Haushaltslinie "Next-generation nanoelectronics components and electronics integration" des Siebten EU-Rahmenprogramms (RP7) finanziert. Nützliche Links: - "Towards 0.5 Terahertz Silicon/Germanium hetero-junction bipolar technology" - DotFive-Projektdatensatz auf CORDIS - Nanoelektronikforschung auf CORDIS - Siebtes Rahmenprogramm - Eureka-Programm - "Cluster for application and technology research in Europe on nanoelectronics" - Catrene Weiterführende Artikel: - DotFive-Video - The automotive internet, from vision to reality - Road to integrated vehicle safety systems - Driving the future of in-vehicle ICT - Neues Computersystem warnt Fahrer vor Gefahr