DE102006061586B4

DE102006061586B4 - Verbindungsnetzwerk zwischen Halbleiterstrukturen sowie damit ausgestatteter Schaltkreis und Verfahren zur Datenübertragung

Info

Publication number: DE102006061586B4
Application number: DE102006061586A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr. sc. Burenkov
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: JP2008187168A; DE102006061586A1; DE602007004816D1; EP1939657A1; JP5328144B2; EP1939657B1; US20080212975A1; US8023891B2

Abstract

Verbindungsnetzwerk zwischen Halbleiterstrukturen, aufweisend einen Plasmonenwellenleiter zur Übertragung eines Signals zwischen den Halbleiterstrukturen, einen MOS-Transistor als Sendeeinrichtung einer Plasmonenwelle und/oder einen MOS-Transistor als Empfangseinrichtung einer Plasmonenwelle, wobei der Kanal des zumindest einen MOS-Transistors zumindest teilweise mit einem Teilbereich des Plasmonenwellenleiters geometrisch überlappt oder dieser so nahe zum Plasmonenwellenleiter steht, dass eine elektromagnetische Kopplung zwischen dem Plasmonenwellenleiter und dem Kanal möglich ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungsnetzwerk zwischen Halbleiterstrukturen, bestehend aus einem Wellenleiter zur Übertragung eines Signals zwischen den Halbleiterstrukturen, einer Sendeeinrichtung zum Empfang des Signals einer ersten Halbleiterstruktur und Einkopplung des Signals in den Wellenleiter und eine Empfangseinrichtung zum Empfang des Signals aus dem Wellenleiter und Weitergabe an eine zweite Halbleiterstruktur sowie ein Verfahren zum Betrieb des Verbindungsnetzwerkes. Solche Verbindungsnetzwerke finden auf integrierten Schaltkreisen Verwendung, um Daten- oder Taktsignale zwischen unterschiedlichen Halbleiterstrukturen zu übertragen. Diese Halbleiterstrukturen können beispielsweise Speicherstrukturen oder Rechenstrukturen sein.
Nach dem Stand der Technik werden die Verbindungen zwischen unterschiedlichen Halbleiterstrukturen auf integrierten Schaltkreisen über ohmsche Leiter hergestellt. Dazu wird ein entsprechender Teilbereich der Oberfläche des Halbleiters mit Aluminium, Gold oder Kupfer metallisiert. Nachteilig daran ist jedoch, dass diese Verdrahtungen elektrische Kapazitäten aufweisen, welche zur Signalleitung jedes Mal umgeladen werden müssen. Da die zur Umladung zur Verfügung stehenden Stromstärken durch die Strombelastbarkeit und den elektrischen Widerstand der Leitung begrenzt sind, ergeben sich durch die Leitungen Signalverzögerungen, welche bei Strukturgrößen von 65 nm bereits einen Faktor 5 größer sind als die Gate-Verzögerungen des Rechenwerkes oder der Speicherzelle.
Aus der EP 0 297 483 A2 ist bekannt, zur Lösung dieses Problems optische Verbindungen zwischen Halbleiterstrukturen einzusetzen. In diesem Fall ist die Signalverarbeitung mit Lichtgeschwindigkeit möglich und damit unabhängig von Ladungsträgerdriftgeschwindigkeiten und Kapazitäten. Der hierzu erforderliche Aufwand ist jedoch nochmals um ein Vielfaches größer. Die elektrischen Signale der Speicherbereiche oder Rechenwerke müssen zunächst in optische Signale gewandelt werden. Hierfür sind spezielle optoelekronische Bauelemente nötig, welche aufgrund der indirekten Bandlücke des Siliziums nicht in der bekannten Siliziumtechnologie ausgeführt werden können. Am Endpunkt des optischen Wellenleiters muss dieses optische Signal dann mit dem gleichen Aufwand wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Weiterhin erfordern effiziente optische Bauelemente geometrische Abmessungen in gleicher Größenordnung wie die Wellenlänge des verwendeten Lichtes. Die derzeit gefertigten und kommerziell eingesetzten CMOS-Strukturen weisen jedoch schon Strukturgrößen von 90 nm auf. Die nächste Generation der Halbleiterbauelemente wird Strukturgrößen von 65 nm aufweisen. Gängige infrarote Bauelemente können also mit solch kleinen Wellenleitern nicht mehr verwendet werden. Für eine Strahlung von 65 nm Wellenlänge stehen keine Halbleiterbauelemente als Sendedioden zur Verfügung.
Zur Lösung dieses Problems schlägt die US 2005/5,249,451 A1 vor, einen dielektrischen Wellenleiter an einen metallischen Wellenleiter anzukoppeln. Auf diese Weise regt die im dielektrischen Wellenleiter geführte optische Welle eine Plasmonenwelle auf der Metalloberfläche an. Diese Plasmonenwelle ist geeignet, eine breitbandige Lichtübertragung sicherzustellen, auch wenn die Wellenleiterstrukturen kleiner sind als die Wellenlänge. Jedoch besteht weiterhin das Problem, dass zunächst eine optische Welle erzeugt werden muss, um die Plasmonenwelle im Plasmonenwellenleiter anzuregen.
Aus M. S. Shur und J.-Q. Lü, Terahertz Sources and Detectors Using Two-Dimensional Electronic Fluid in High Electron-Mobility Transistors, IEEE transactions an microwave theory and techniques, vol. 48, no. 4 ist bekannt, einen Feldeffektransistor als Resonanzkavität für Plasmawellen zu verwenden. Dadurch kann mittels eines elektrischen Stromes eine Plasmawelle erzeugt werden. Auch ist es möglich, eine Plasmawelle in den Kanalbereich eines Feldeffektransistors einzukoppeln und diese in ein elektrisches Signal zu wandeln.
Aus der WO 98/49587 A1 und der US 2003/0179974 A1 sowie der US 2005/0259936 A1 ist bekannt, Plasmonen entlang einer Halbleiter-/Metall-Grenzfläche zu führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektrischen Signale einer Halbleiterstruktur mittels eines Plasmonenwellenleiters auf eine zweite Halbleiterstruktur zu übertragen, ohne eine Umwandlung des elektrischen Signals in ein optisches Signal vornehmen zu müssen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verbindungsnetzwerk gemäß Anspruch 1, einen integrierten Schaltkreis gemäß Anspruch 10 und ein Verfahren zur Signalübertragung gemäß Anspruch 11.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Oberflächenplasmonen, welche im Kanalbereich eines MOS-Transistors bei quasiballistischem Transport der Ladungsträger zwischen Source und Drain entstehen, unmittelbar in einen Plasmonenwellenleiter eingekoppelt werden können. Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein MOS-Transistor als Sendeeinrichtung bzw. Line-Driver für einen Plasmonenwellenleiter verwendet werden. Hierzu wird an Gate- und Drain-Elektroden eine Spannung angelegt, so dass sich im Kanalbereich eine hochangereicherte Ladungsträgerinversionsschicht bildet. Dadurch fließt ein Strom zwischen Source und Drain, welcher im Kanalbereich des Transistors Oberflächenplasmonen anregt. Der Kanal des Feldeffekttransistors dient als Resonanzkavität für die Plasmonenwellen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung reicht ein einzelner MOS-Transistor als Plasmonenemitter aus. In weiteren Ausgestaltungen werden die Plasmonen mehrerer Transistoren auf einen Wellenleiter zusammengeführt. Fallweise wird der Fachmann auch weitere Transistoren vorsehen, um das elektrische Signal aufzubereiten und eine elektrische Impedanzanpassung an den sendenden MOS-Transistor vorzunehmen.
Die Oberflächenplasmonen, welche zur Signalübertragung im Wellenleiter verwendet werden, sind eine Schwingung freier Elektronen, welche sich entlang der Oberfläche eines Metalls oder entlang einer Grenzfläche zwischen Metall und Halbleiter oder in einem zweidimensionalen Elektronengas eines Halbleiters ausbreiten. Dementsprechend ist der Wellenleiter erfindungsgemäß so aufgebaut, dass sich mindestens eine der genannten Bedingungen für eine Plasmonenausbreitung einstellt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Wellenleiter durch eine Grenzschicht zwischen einer Metallschicht und einem Isolator oder Halbleiter gebildet. Ein Metall im Sinne dieser Erfindung ist auch eine Legierung. Bevorzugt enthält die Metallschicht Gold, Kupfer oder Aluminium. Bei einer solchen Ausgestaltung des Wellenleiters kann auf bisher bekannte Verfahren zur Herstellung ohmscher Leitungsverbindungen zurückgegriffen werden. Allerdings wird das Signal erfindungsgemäß nicht durch einen Elektronenstrom transportiert, welcher durch Driftgeschwindigkeit und Streuprozesse der Elektronen im Metall limitiert ist, sondern durch die Plasmonenschwingung des freien Elektronengases, an der Grenzfläche, welche sich annähernd mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung besteht die Metallschicht nicht aus einer durchgängigen Beschichtung, sondern aus einer Teilbeschichtung. Dabei weist jede Teilfläche eine Länge und eine Breite von etwa 10 nm bis etwa 100 nm auf. In Erstreckungsrichtung des Wellenleiters weisen die Teilflächen einen Abstand zueinander auf, welcher kleiner ist als die Abmessung einer einzelnen Teilfläche in Längsrichtung. Durch diese Ausgestaltung des Wellenleiters kann dieser mit sehr kleinen Abmessungen ausgeführt werden und der Platzbedarf auf dem Chip wird verringert.
In einer dritten bevorzugten Ausgestaltung wird der Wellenleiter durch eine MOS-Struktur, bestehend aus einer Metall- und einer Isolatorschicht auf einem Halbleiter gebildet. Auch in diesem Fall kann die Metallschicht auch aus einer Legierung gebildet werden. Die Erfindung lehrt nicht das Einhalten einer besonderen Reinheit als Lösungsprinzip. Die Isolationsschicht besteht bevorzugt aus einer Oxid- oder Nitrid-Keramik. Sofern das Halbleiterbauelement in Silizium-Technologie hergestellt ist, besteht der Isolator bevorzugt aus Siliziumoxid. Im Betrieb wird an die Metallschicht dieses Wellenleiters eine Spannung angelegt, so dass sich eine Ladungsträgerinversionsschicht im Halbleiter unterhalb der Isolatorschicht bildet. Die Ladungsträgerinversionsschicht begrenzt ein zweidimensionales Elektronengas, in welchem sich die Plasmonenwelle geometrisch lokalisiert ausbreitet.
Die Gate-Elektrode des Wellenleiters kann dabei auf dem gleichen Potential liegen wie die Gate-Elektroden des sendenden und/oder empfangenden MOS-Transistors. Besonders bevorzugt ist aber eine Ausführung, bei welcher die Gate-Elektrode des Wellenleiters von denen der MOS-Transistoren isoliert ist. Dadurch wird die Gate-Kapazität der Transistoren verkleinert und ein schnelleres Schaltverhalten ermöglicht.
Ein zweidimensionales Elektronengas im Wellenleiter kann auch durch entsprechende Dotierung des Halbleitersubstrates oder durch Halbleiter-Übergitter erfolgen. Somit kann der Wellenleiter durch dotierte Bereiche im Halbleiter hergestellt werden. Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass der Wellenleiter keinerlei Betriebsspannung mehr benötigt und als passives Bauteil innerhalb des integrierten Schaltkreises ausgeführt werden kann.
Die im sendenden MOS-Transistor erzeugten Oberflächenplasmonen werden erfindungsgemäß dadurch in den Wellenleiter eingekoppelt, dass der Kanal des MOS-Transistors und ein Teilbereich des Wellenleiters geometrisch überlappen oder durch eine Tunnelbarriere aneinandergrenzen. Da der MOS-Transistor auf drei Seiten durch Gate-, Drain- und Source-Elektroden begrenzt ist, propagieren die Plasmonenwellen in Richtung des Wellenleiters. In analoger Weise wird der empfangende MOS-FET mit dem Wellenleiter verbunden.
Eine besonders gute Ankopplung des sendenden und empfangenden MOS-Transistors ergibt sich dabei, wenn die Eigenfrequenzen der Plasmonen im Kanalbereich des mindestens einen MOS-Transistors und im Wellenleiter identisch sind. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Dotierung des Halbleitermaterials im Bereich des Wellenleiters Dotierung im Kanalbereich des mindestens einen MOS-Transistors entspricht. Dadurch wird die Resonanzbedingung für die Ankopplung erfüllt und eine verlustarme Übertragung des Signals ermöglicht. Selbstverständlich ist dem Fachmann geläufig, dass eine identische Dotierung im Sinne der vorliegenden Erfindung auch solche Ausführungsformen erfasst, bei welcher herstellungsbedingt durch Diffusion der Dotierstoffe oder unterschiedliche Implantationstiefen und -mengen eine Abweichung zwischen beiden Bereichen auftritt. Eine 100%ige Übereinstimmung der Dotierung von Wellenleiter und Transistor ist im Herstellungsprozess üblicherweise nicht zu erreichen.
Anders als der optische Wellenleiter nach dem Stand der Technik, welcher eine optische Sendediode aus einem III-V-Halbleiter erfordert, können die erfindungsgemäßen MOS-Transistoren als Plasmonen-Sender und -Empfänger aus Silizium hergestellt werden. Die Integration des erfindungsgemäßen Verbindungsnetzwerkes in einen integrierten Schaltkreis kann daher mit den bekannten Herstellungsverfahren und den bekannten Materialien erfolgen, ohne dass es zusätzlichen Aufwand für die Integration dielektrischer Wellenleiter oder zusätzlicher Verbindungshalbleiter auf dem Silizium-Dye erfordert. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Verbindungsnetzwerkes ist daher mit geringem Aufwand und hoher Zuverlässigkeit möglich.
Nachfolgend soll die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand einer Zeichnung näher erläutert werden.
1 zeigt schematisch eine Halbleitertopographie mit zwei MOS-Transistoren 1 und 2. Dabei wird der sendende MOS-Transistor aus zwei dotierten Gebieten, nämlich Source S1 und Drain D1, und der vom Halbleiter isolierten Gate-Elektrode G1 gebildet. Analog wird der empfangende MOS-Transistor aus den dotierten Halbleiterbereichen Drain D2 und Source S2 sowie der Gate-Elektrode G2 gebildet. Zwischen beiden Transistoren befindet sich die Gate-Elektrode G3. Auch G3 ist vom Halbleiter durch eine Isolationsschicht galvanisch getrennt.
An G3 wird eine Versorgungsspannung angelegt, so dass sich unterhalb von G3 im Halbleiter eine Ladungsträgerinversionsschicht bildet. An D1 und G1 wird eine Spannung angelegt, so dass sich auch im Kanalbereich zwischen D1 und S1 eine Ladungsträgerinversionsschicht bildet. Diese führt dazu, dass Ladungsträger zwischen D1 und S1 einen quasiballistischen Transport erfahren. Dieser quasiballistische Transport ist dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronen von Source nach Drain wandern, ohne an Störstellen oder Phononen signifikant gestreut zu werden. Die Elektronen propergieren im Kanal mit einer zufällig orientierten, thermischen Geschwindigkeitsverteilung. Der Transistor 1 emittiert nun Oberflächenplasmonen aus seinem Kanalbereich. Die Wellengeschwindigkeit der Plasmonenwellen ist dabei proportional zur Wurzel der Elektronendichte und kann daher durch die Gate-Spannung G1 leicht beeinflusst werden.
Diese modulierten Plasmaschwingungen breiten sich entlang der Elektrode G3 in der unter der Elektrode liegenden Ladungsträgerinversionsschicht aus und gelangen so in den Kanalbereich des empfangenden Transistors zwischen D2 und S2. Dabei erfahren die Plasmonenwellen einen Verlust, welcher in Abhängigkeit von der Gestaltung des Wellenleiters bis auf einige dB/cm verringert werden kann. Durch die Plasmonenwelle wird im Kanalbereich des zweiten Transistors ein Strom induziert. Aufgrund des ohmschen Widerstandes des Kanals und der Gleichrichtung durch den MOS-Transistor 2 kann zwischen D2 und S2 eine Spannung gemessen werden. Diese induzierte Spannung liefert das Nutzsignal, welches nun mit einer weiteren Halbleiterstruktur des integrierten Schaltkreises weiterverarbeitet wird.

Claims

Verbindungsnetzwerk zwischen Halbleiterstrukturen, aufweisend einen Plasmonenwellenleiter zur Übertragung eines Signals zwischen den Halbleiterstrukturen, einen MOS-Transistor als Sendeeinrichtung einer Plasmonenwelle und/oder einen MOS-Transistor als Empfangseinrichtung einer Plasmonenwelle, wobei der Kanal des zumindest einen MOS-Transistors zumindest teilweise mit einem Teilbereich des Plasmonenwellenleiters geometrisch überlappt oder dieser so nahe zum Plasmonenwellenleiter steht, dass eine elektromagnetische Kopplung zwischen dem Plasmonenwellenleiter und dem Kanal möglich ist.
Verbindungsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter durch eine Grenzschicht zwischen einer Metallschicht und einem Halbleiter oder einer Metallschicht und einem Isolator gebildet wird.
Verbindungsnetzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht als Teilbeschichtung ausgeführt ist, wobei jede Teilfläche eine Länge und eine Breite von jeweils 10 nm bis 100 nm aufweist und die Teilflächen in Erstreckungsrichtung des Wellenleiters einen Abstand zueinander aufweisen, welcher geringer ist als die Abmessung einer Teilfläche in Erstreckungsrichtung.
Verbindungsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter eine Schichtstruktur bestehend aus einer Metall- und einer Isolatorschicht und einem Halbleiter aufweist.
Verbindungsnetzwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator ein Oxid enthält.
Verbindungsnetzwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht des Wellenleiters galvanisch von der Gate-Elektrode des mindestens einen MOB-Transistors getrennt ist.
Verbindungsnetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung des Halbleitermaterials im Bereich des Wellenleiters der Dotierung im Kanalbereich des mindestens einen MOS-Transistors entspricht.
Verbindungsnetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter einen Halbleiterbereich umfasst, in welchem durch Dotierung ein zweidimensionales Elektronengas ausgebildet ist.
Verbindungsnetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es zusammen mit den Halbleiterstrukturen monolithisch auf einem Silizium-Einkristall angeordnet ist.
Integrierter Schaltkreis, aufweisend ein Verbindungsnetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Verfahren zur Signalübertragung zwischen einer ersten Halbleiterstruktur und einer zweiten Halbleiterstruktur, bei welchem ein Signal von der ersten Halbleiterstruktur an eine Sendeeinrichtung übermittelt wird, welche das Signal in einen Wellenleiter zur Übermittlung an eine Empfangseinrichtung einkoppelt und die Empfangseinrichtung das Signal an die zweite Halbleiterstruktur weiterleitet, wobei das Signal als modulierte Plasmonenwelle im Wellenleiter übertragen wird, welche unmittelbar im Kanal eines MOS-Transistors erzeugt und/oder empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Wellenleiter ein zweidimensionales Elektronengas ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Sendeeinrichtung mindestens ein MOS-Transistor vorgesehen ist, dessen Kanalbereich unmittelbar an den Wellenleiter angekoppelt ist und zwischen Source- und Drainkontakt dieses Transistors ein ballistischer Transport von Ladungsträgern statt findet.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im MOS-Transistor eine Ladungsträgerinversionsschicht ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Empfangseinrichtung mindestens ein MOS-Transistor vorgesehen ist, in dessen Kanalbereich die vom Wellenleiter einlaufenden Plasmonen zu einer Spannung zwischen dem Source- und dem Drainkontakt führen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein MOS-Transistor vorgesehen ist, dessen Eigenfrequenzen der Plasmonen im Kanalbereich identisch zu den Eigenfrequenzen der Plasmonen im Wellenleiter sind.