Halbleiter 06.11.1998, 17:19 Uhr

IBM nimmt den Mobilfunkmarkt ins Visier

Die ersten Transistoren beruhten auf Germanium. Erst in den sechziger Jahren wurde Silizium aufgrund seiner wirtschaftlichen Vorteile zum Arbeitspferd der Festkörperelektronik. Jetzt kehrt das Germanium in die Bauelemente zurück – zur leistungssteigernden Veredelung.

Als erster Hersteller geht IBM mit der neuen Si/Ge-Technologie in die Großserienproduktion. Im Oktober gab das Unternehmen bekannt, daß es die 200mm-Wafer-Prozeßtechnik am Standort Burlington im US-Bundesstaat Vermont von der Pilotfertigung in die Produktion überführt habe. „Die Silizium/Germanium-Technologie steht damit einem breiteren Kundenkreis zur Verfügung“, erklärt Mike Attardo, Leiter der IBM Microelectronics Division. „Bisher hatten wir mit einer wachsenden Zahl von Firmen schon einzelne Projekte zu der Technologie durchgeführt – jetzt werden unsere Kapazitäten zur Massenproduktion den Einsatz in einem weiten Bereich der Konsumelektronik schnell beschleunigen“. Ungeachtet aller Beteuerungen, konsequent den Weg zum Dienstleistungsunternehmen zu gehen, der seine Wertschöpfung mit Systemlösungen erzielt, ist IBM immer auch ein Chiphersteller geblieben. Die Microelectronics Division beschäftigt weltweit 21 000 Mitarbeiter und hat sich auf vertikal integrierte Technologielösungen für Anwendungen in der Kommunikation, Datenverarbeitung und Konsumelektronik spezialisiert. Mehr als ein Jahrzehnt hat das Unternehmen unbeirrt auf die Erforschung und Entwicklung der Si/Ge-Technologie gesetzt. Die langfristigen Vorlaufinvestitionen beginnen sich jetzt auszuzahlen und dienen nun als Sprungbrett zur Erschließung neuer Märkte. Die liegen vor allem dort, wo – wie in Satelliten-, Richtfunk- und Mobilfunksystemen – analoge und digitale Signale mit Frequenzen von 1 GHz bis 100 GHz verarbeitet werden müssen. Weil Siliziumschaltkreise in diesen Frequenzbereichen nicht mehr mithalten können, werden dafür bislang Bauelemente aus Galliumarsenid (GaAs) eingesetzt. Deren Höchstfrequenzeigenschaften beruhen auf der im Vergleich zu normalen Si-ICs deutlich höheren Beweglichkeit der Ladungsträger in den Kristallschichten. Diese Beweglichkeit läßt sich auch in Silizium steigern, wenn man es mit Germanium legiert und daraus einen Mischkristall bildet. Der große Vorteil der Si/Ge-Technologie liegt darin, daß sie gemeinsam mit herkömmlichen CMOS-Schaltungen monolithisch auf demselben Si-Substrat aufgebracht werden können und deshalb keine teuren Investitionen in komplette Neuanlagen erfordert. Mit GaAs ist nur die Hybridintegration möglich, das heißt, man benötigt zwei separate Prozeßlinien für GaAs- und Si-Bauelemente und muß die diskreten Chips anschließend auf einem Träger zu Multichip-Modulen montieren und verdrahten. Demgegenüber eröffnet die Si/Ge-Technologie durch sehr viel höhere Integrationsdichten den Weg zu noch stärkerer Miniaturisierung, bis hin zu Ein-Chip-Lösungen kompletter Systeme („System-on-Chip“). Insbesondere läßt sich die analoge und digitale Signalverarbeitung auf einem Chip unterbringen. Vor allem von der Mobilkommunikation ist hier ein neuer Schub zu erwarten. Nach Schätzungen der Marktforscher von Dataquest ist für das Jahr 2002 auf dem Weltmarkt mit einer Jahresproduktion von 450 Mio. mobilen Endgeräten zu rechnen. Allein der Teilmarkt für die Sende- und Empfangschips zur Verarbeitung der Hochfrequenzsignale, bislang die Domäne von GaAs-Bausteinen, wird zu diesem Zeitpunkt auf 7 Mrd. Dollar beziffert. In dieses Segment zielt IBM vorerst mit sieben Grundbausteinen, darunter rauscharmen Verstärkern, spannungsgesteuerten Oszillatoren, Leistungsverstärkern und diskreten Transistoren. Einige der Chips werden als kostengünstigere Alternative zunächst die bisher verwendeten GaAs-Bausteine direkt ersetzen. Doch in der realistischen Einschätzung, daß sich die Entwickler bei den Anwendern im allgemeinen schwertun, sich von einer bewährten Technologie zu lösen, soll ein breites Spektrum von weiteren Aktivitäten die Markteinführung strategisch abstützen. Hochleistungstelefon soll auf einem einzigen Chip integriert werden Das Design-Haus CommQuest Technologies, ein hundertprozentiges Tochterunternehmen, ist bereits auf den Entwurf von kundenspezifischen Mobilfunkchips spezialisiert. Es wird nun eine führende Rolle bei der Einführung der Si/Ge-Technologie übernehmen. „Wir haben uns das ehrgeizige Ziel gesteckt“, erklärt CommQuest-Vorstand Hussein El-Ghoroury, „ein voll-integriertes Hochleistungstelefon auf einem Chip bis zum Jahr 2001 auf den Markt zu bringen“. In einem Joint Venture mit Leica Geosystems entwickeln die Partner Si/Ge-Chips für das Global Positioning System (GPS). Die bisher eher professionellen und High-End-Anwendungen vorbehaltene Technik zur Bestimmung des aktuellen Standorts soll demnächst als attraktives Feature die Handys erobern und damit jedermann verfügbar werden. In den USA hat die Federal Communications Commission (FCC) bereits vorgeschrieben, daß vom Jahre 2001 ab Notrufe, die von einem Handy abgesetzt werden, automatisch mit den momentanen GPS-Standortdaten des Hilferufenden versehen werden. Doch die Hochgeschwindigkeitseigenschaften von Si/Ge-Halbleitern bleiben nicht auf die Mobilfunkanwendungen beschränkt. In der leitungsgebundenen Kommunikation ist Alcatel das erste Unternehmen, daß die flinken Chips in einem neuen faseroptischen Übertragungssystem verwendet. Das von der Alcatel Transmission Systems Division in Vimercate nördlich von Mailand entwickelte System arbeitet im Hochgeschwindigkeits-Zeitmultiplex mit 10 Gbit pro Sekunde und setzt den IBM-Chipsatz zur elektronischen Ansteuerung der Sendelaser und Empfangsdioden ein. Für die Sender und Empfänger der optischen Übertragung sind die klassischen III/V-Materialien wie Galliumarsenid und Indiumphosphid jedoch nach wie vor unverzichtbar. Zwar ist die Tauglichkeit von Si/Ge-Verbindungen als Wellenleiter, Optokoppler und auch als Empfangsdioden für Wellenlängen von 1,3 µm bereits prinzipiell nachgewiesen, doch der für die Telekommunikation wichtige bereich von 1,5 µm wird noch nicht abgedeckt, und auch an Si/Ge-Sendelaser ist einstweilen nicht zu denken. An Ideen, den Wirkungsgrad der Umwandlung von elektronischen in optische Bitpulse z.B. durch Erbiumdotierung, Übergitter oder Ausnutzung von Quanteneffekten zu steigern, mangelt es jedoch nicht.
RICHARD SIETMANN

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