6G-Terahertz-Geräte erfordern 3D-Elektronik

Smartphones haben ein Skalierungsproblem. Insbesondere sind die Radiofrequenzfilter (RF), die jedes Telefon (und jedes drahtlose Gerät im Allgemeinen) verwendet, um Informationen aus isolierten drahtlosen Signalen zu extrahieren, zu groß, zu flach und zu zahlreich. Und ohne diese Filter würde die drahtlose Kommunikation einfach nicht funktionieren.

„Sie sind buchstäblich das Rückgrat drahtloser Systeme“, sagt Roozbeh Tabrizian, Forscher an der University of Florida in Gainesville.

Deshalb entwickelten Tabrizian und andere Forscher der University of Florida einen alternativen dreidimensionalen HF-Filter, der Platz in Smartphones und IoT-Geräten spart. Wenn diese 3D-Filter eines Tages sperrige Stapel von 2D-Filtern ersetzen würden, würde das mehr Platz für andere Komponenten, wie zum Beispiel Batterien, schaffen. Sie könnten auch den Einsatz drahtloser Kommunikation im Terahertz-Frequenzbereich erleichtern, einem wichtigen Spektrumsbereich, der für 6G-Mobilfunktechnologien erforscht wird.

„Sehr bald werden wir Milliarden von Geräten haben, die mit drahtlosen Netzwerken verbunden sind, und Sie brauchen neue Bänder, Sie brauchen nur eine ganze Reihe von Frequenzen und eine ganze Reihe von Filtern.“ –Roozbeh Tabrizian, University of Florida

Die derzeit von drahtlosen Geräten verwendeten Filter werden als planare piezoelektrische Resonatoren bezeichnet. Jeder Resonator hat eine andere Dicke: Die spezifische Dicke eines Resonators steht in direktem Zusammenhang mit dem drahtlosen Frequenzband, auf das der Resonator reagiert. Jedes drahtlose Gerät, das auf mehreren Spektrumsbändern basiert (heutzutage immer häufiger), benötigt immer mehr dieser flachen Resonatoren.

Die Planarresonator-Technologie hat jedoch eine Reihe von Schwächen offenbart, da sich drahtlose Signale vermehren und das Spektrum, auf dem diese Signale basieren, zunimmt. Erstens wird es immer schwieriger, Filter fein genug für die neuen Spektrumsbänder zu machen, die Wireless-Forscher für die Kommunikation der nächsten Generation nutzen wollen. Ein anderer betrifft den Platz. Es wird immer schwieriger, alle notwendigen Signalfilter in Geräte zu integrieren.

Die vertikalen Rippen ferroelektrischer Rippenresonatoren können ähnlich wie FinFET-Halbleiter aufgebaut sein.Faysal Hakim/Roozbeh Tabrizian/University of Florida

„Sehr bald werden wir Milliarden von Geräten haben, die mit drahtlosen Netzwerken verbunden sind, und Sie werden neue Bänder brauchen, Sie brauchen nur eine ganze Reihe von Frequenzen und eine ganze Reihe von Filtern“, sagt Tabrizian. „Wenn man ein Handy öffnet, gibt es fünf oder sechs spezifische Frequenzen, und das war’s. Fünf oder sechs Frequenzen können das nicht verkraften. „Es ist, als hätte man fünf oder sechs Straßen und möchte nun den Verkehr einer Stadt mit 10 Millionen Einwohnern bewältigen.“

Um auf einen 3D-Filter umzusteigen, ließen sich Tabrizian und seine Forscherkollegen von einer anderen Branche inspirieren, die den Sprung in die dritte Dimension geschafft hat: Halbleiter. Gerade als es so aussah, als ob die Industrie in ihrem anhaltenden Bemühen, die Chipgröße zu verkleinern, endlich am Ende angelangt wäre, erweckte ein neuer Ansatz zur Anhebung der elektronischen Kanäle über dem Halbleitersubstrat neues Leben in das Mooresche Gesetz. Das Chip-Design heißt FinFET (für „flossenförmiger Feldeffekttransistor“, wobei „Fin“ sich auf den vertikalen elektronischen Kanal in Form einer Haifischflosse bezieht).

„Die Tatsache, dass wir die Breite der Flosse ändern können, spielt eine große Rolle dabei, die Technologie viel leistungsfähiger zu machen.“ –Roozbeh Tabrizian, University of Florida

„Wir waren wirklich inspiriert [by FinFETS]”, sagt Tabrizian. „Die Tatsache, dass planare Transistoren in Finnen umgewandelt wurden, diente lediglich dazu, sicherzustellen, dass die effektive Größe des Transistors kleiner ist und gleichzeitig die gleiche aktive Fläche aufweist.“

Obwohl es von FinFETs inspiriert ist, gibt es laut Tabrizian grundlegende Unterschiede in der Art und Weise, wie vertikale Rippen für HF-Filter im Vergleich zu Chips implementiert werden sollten. „Wenn man an FinFETs denkt, sind alle Rippen fast gleich breit. Menschen verändern die Größe der Flosse nicht.

Dies ist bei Filtern nicht der Fall, die unterschiedlich breite Lamellen haben müssen. Auf diese Weise kann jede Rippe des Filters auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt werden, sodass ein 3D-Filter mehrere Spektralbänder verarbeiten kann. „Die Tatsache, dass wir die Breite der Flosse ändern können, spielt eine große Rolle dabei, die Technologie viel leistungsfähiger zu machen“, sagt Tabrizian.

Tabrizians Gruppe hat bereits mehrere dreidimensionale Filter, sogenannte ferroelektrische Flossenresonatoren (FGFs), hergestellt, die Frequenzen zwischen 3 und 28 GHz abdecken. Sie bauten außerdem einen Spektralprozessor, der aus sechs integrierten FGF-Resonatoren besteht, die Frequenzen zwischen 9 und 12 GHz abdecken (zum Vergleich: Das begehrte Mittelbandspektrum von 5G liegt zwischen 1 und 6 GHz). Die Forscher veröffentlichten ihre Arbeit im Januar Natürliche Elektronik.

Die Entwicklung von 3D-Filtern befindet sich noch in einem frühen Stadium und Tabrizian räumt ein, dass noch ein langer Weg vor uns liegt. Aber er lässt sich erneut von FinFETs inspirieren und sieht einen klaren Entwicklungspfad für FGF-Resonatoren. „Die gute Nachricht ist, dass wir viele dieser Herausforderungen bereits erahnen können, wenn wir uns die FinFET-Technologie ansehen“, sagt er.

Für die Integration von FGF-Resonatoren in kommerzielle Geräte müssen eines Tages mehrere Herstellungsprobleme gelöst werden, beispielsweise muss herausgefunden werden, wie die Rippendichte am Filter erhöht und die elektrischen Kontakte verbessert werden können. „Da sich FinFETs bereits viele dieser Antworten ansehen, ist der Herstellungsteil glücklicherweise bereits angesprochen“, sagt Tabrizian.

Die Forschungsgruppe arbeitet bereits am Process Design Kit (PDK) für FGF-Resonatoren. PDKs sind in der Halbleiterindustrie weit verbreitet und fungieren als eine Art Leitfaden für Designer bei der Herstellung von Chips auf der Grundlage von Bauteilen, die von einer Chip-Foundry detailliert beschrieben wurden.

Tabrizian sieht aufgrund ihrer Ähnlichkeiten in Design und Herstellung auch großes zukünftiges Fertigungspotenzial für die Integration von FGF-Resonatoren und Halbleitern in einer einzigen Komponente. „Es ist menschliche Innovation und Kreativität, neue Arten von Architekturen vorzuschlagen, die die Art und Weise, wie wir Resonatoren, Filter und Transistoren entwerfen, revolutionieren könnten.“