Planare Multichipmodul-Integrationstechnologie für Leistungsanwendungen im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Günter Kompa
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5398411

• Erstellungsjahr: 2010

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Innerhalb dieses Projektes wurde ein Verfahren entwickelt, um ungehäuste High-Power-Hochfrequenztransistoren in Kavitäten, die in einem Siliziumsubstrat erstellt wurden, einzubetten. Das Verfahren kombiniert die Vorteile der monolithischen und hybriden Integration von Hochfrequenzschaltungen und wird als quasi-monolithische Integrationstechnologie (QMIT) bezeichnet. Die Transistoren sind hochwertige HEMTs (High Electron Mobility Transistor, Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit), die auf dem Materialsystem Galliumnitrid basieren und den neuesten Stand der Technik darstellen. Es gelang, durchbiegungsarme Polyimidmembranen herzustellen, die die Kavitäten überspannen und wesentlich dazu beitragen, dass nach der Einbettung die Oberfläche der Transistoren mit der Oberfläche des Siliziumsubstrats eine Ebene bildet. Auf dieser Ebene konnten Transistoren mittels Dünnfilmtechnologie mit koplanaren Hochfrequenzleitungen, welche nur geringe parasitäre Eigenschaften aufweisen, kontaktiert werden. Mithilfe eines speziellen Verfahrens konnte auf eine Zweiseiten-Lithografie verzichtet werden. Aufgrund der entstehenden Verlustleistung der HEMTs war die Entwicklung einer geeigneten Methode zur thermischen Ankopplung der Transistoren von entscheidender Bedeutung. Der mittels der QMIT erzielte thermische Widerstand zwischen dem Transistor und der Wärmesenke ist gering und beträgt gemäß theoretischer Modellrechnungen nur Rm = 1,25 Ω. Der HEMT zeigt im Ausgangskennlinienfeld ein stabiles Verhalten bei gepulster Messung bis zu einer DC-Belastbarkeit von 2 W und bei statischer Messung bis zu einer DC-Belastbarkeit von 1 W. Eine Hochfrequenzmessung ergibt eine Verstärkung von 9 dB bei einer abgeführten Verlustleistung von 1,8 W. Aufgrund des hybriden Charakters der QMIT können prinzipiell auch ungehäuste integrierte Schaltungen (IC, Integrated Circuit oder Chip) eingebettet werden, was die Möglichkeit bietet, auch Multichipmodule (MCM, Multi Chip Module) herzustellen. Es können passive Bauelemente dünnfilmtechnologisch hergestellt werden. Aufgrund der monolithischen Integration bieten sie den Vorteil, dass sie kostengünstig, reproduzierbar und zuverlässig sind. Wegen ihrer kleinen Abmessung besitzen sie nur geringe parasitäre Eigenschaften. Mit der QMIT lassen sich im Vergleich zur hybriden Integration kompaktere Schaltungen mit besserem Hochfrequenzverhalten realisieren. Aufgrund des geringen Verlustfaktors des Substrats lassen sich verlustarme passive Bauelemente herstellen. In Kombination mit den in die Kavitäten eingebetteten ungehäusten Transistoren und ICs besteht mit der QMIT die Möglichkeit, komplexe elektronische Systeme auf dem Siliziumsubstrat zu realisieren (SOP, System On Package).

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2003): An enhanced quasi-monolithic integration technology for microwave and millimeter wave applications. In: IEEE Transactions on advanced packaging, Jg. 26, H. 4, S. 402–409
  M. Joodaki; G. Kompa; H. Hillmer
  
• (2005): Heat transfer improvement in quasi-monolithic integration technology. In: Journal of Microlithography, Microfabrication, and Microsystems, Jg. 4, H. 3, S. 33011
  Mojtaba Joodaki; Gunter Kompa; Hartmut Hillmer; Rainer Kassing
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1117/1.2008968)
• (2005): Thermomechanical stress analysis and measurement in quasi-monolithic integration technology (QMIT). In: IEEE Transactions on device and material reliability, Jg. 5, H. 3, S. 581–594
  M. Joodaki; G. Kompa; H. Hillmer
  
• (2006): Interconnects Analyses in Quasi-Monolithic Integration Technology (QMIT). In: Proc. Electrical Performance of Electronic Packaging, S. 229–232
  M. Joodaki; A. Kricke; H. Hillmer; G. Kompa
  
• Quasi-monolithic integration of high-power GaN-based HEMTs for high-frequency applications. In: Semiconductor Science and Technology 22 (2007), S. 1245-1248
  Kricke ; M. Joodaki ; N. Dharmarasu ; G. Kompa ; H. Hillmer
  
• Dissertation. "Quasi-monolithische Integrationstechnologie (QMIT) für High-Power-Anwendungen im Mikrowellenbereich". Fachbereich Elektrotechnik/Informatik, Universität Kassel, 2009
  Alexander Kricke
  
• Habilitation. Selected advances in nanoelectronic devices – logic, memory and RF. Fachbereich Elektrotechnik/Informatik, Universität Kassel, 2010
  Mojtaba Joodaki