Infineon Technologies Durchbruch mit neuer Transistorarchitektur

Redakteur: Holger Heller

Infineon entwickelte eine Halbleiterstruktur, mit der sich die Hindernisse zu noch kleineren, leistungsfähigeren elektronischen Schaltungen und Geräten aus dem Weg räumen lassen. Zehnmal kleinere Ruheströme und rund 50% weniger Energiebedarf zum Schalten als bei heutigen 65-nm-Transistoren sind die Haupteigenschaften der Multigate-Feldeffekt-Technologie.

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Dr. Klaus Schrüfer, Principal für den Bereich CMOS-Logikbausteine bei Infineon Technologies
Dr. Klaus Schrüfer, Principal für den Bereich CMOS-Logikbausteine bei Infineon Technologies
( Archiv: Vogel Business Media )

Infineon-Forscher präsentierten auf dem VLSI Technology Symposium im japanischen Kyoto erstmals Transistoren mit dreidimensional geformtem Gate-Anschluss. Gleichzeitig ist ein Gate-Dielektrikum mit hoher Dielektrizitätskonstante und Metallelektrode integriert. Damit lassen sich hochkomplexe digitale Schaltkreise entwickeln, die in Sachen Schaltgeschwindigkeit, Ruhestrom und Effizienz beim Schaltvorgang neue Leistungsgrade erreichen.

„Um Transistoren sicher ein- und ausschalten zu können und den Energiebedarf auf das absolut Notwendige zu reduzieren, gehen wir neue Wege“, erklärte Dr. Klaus Schrüfer, Principal bei Infineon für den Bereich CMOS-Logikbausteine, „die seit 50 Jahren übliche planare Anordnung der Transistorelemente wird zu einem dreidimensionalen Gebilde geformt. Der steuernde Kontakt des Transistors umschließt den stromführenden Siliziumkanal nun von mehreren Seiten (Multi-Gate) und bietet somit eine um den Faktor zwei größere Angriffsfläche, um den Transistor wesentlich effizienter auszuschalten.“

Infineon testete die Transistorarchitektur in 65-nm-Strukturgröße mit einer Schaltung aus über 23.000 Transistoren. Alle wichtigen Komponenten einer Elektronikschaltung inklusive SRAM-Zellen wurden dabei berücksichtigt. Mit der kürzesten jemals gemessenen Schaltzeit in dieser Architektur (13,9 ps) wurde laut Schrüfer noch ein Rekord aufgestellt, der den alten um 40% überbietet.

Verbesserte Energieeffizienz

Entwickler stehen vor vielen Herausforderungen: Sie müssen die Funktionalität ihrer Produkte erhöhen, die Abmessungen auf ein Minimum reduzieren und gleichzeitig den Energiebedarf so niedrig wie möglich halten. „Forderungen, die sich technisch widersprechen“, meint Schrüfer, „denn kleinere Transistorabmessungen und höhere Arbeitsfrequenzen verlangen mehr Strom. Und höhere Ströme würden sogar dann fließen, wenn die Schaltung im Standby-Betrieb eigentlich nicht aktiv ist; dann machen sich die Ruheströme bemerkbar, die schon so manche Batterie über Nacht leer laufen ließ. Als Lösung präsentieren wir unsere Technologie.“

Im Multimedia-Bereich (Games, Videos) steigt die Leistungsaufnahme immer weiter an, um die erforderliche Geschwindigkeit zur Datenverarbeitung zu garantieren. Das kann schnell zu leeren Batterien führen. Aber auch im Standby-Betrieb kann laut Infineon die Leistungsaufnahme in einem aktuellen Mobiltelefon auf das Dreifache ansteigen, wenn sich z.B. die Umgebungstemperatur des Gerätes – etwa in der Autohalterung – stark erhöht. Die neue Architektur verbessert hier die Energieeffizienz: während des aktiven Betriebs würden die Batterien doppelt so lange halten, verspricht Schrüfer. In der Standby-Phase würde der digitale Basisbandprozessor sogar um den Faktor zehn weniger Leistung aufnehmen.

Die Technologie wird von Infineon im Rahmen seiner Beteiligung am europäischen Forschungszentrum IMEC (Leuven, Belgien) weiter erforscht und könnte nach der 32-nm-Demo-Phase, die bis ins Jahr 2011 reichen wird, ab dem Jahr 2012 als 22-nm-Basistechnologie für die Serienfertigung zum Einsatz kommen.

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