Mikroelektronik als Wegbereiter moderner Kommunikation

Wir leben in einer Zeit schneller technologischer Veränderungen. Die Wissens- und Informationsgesellschaft erfordert mehr Mobilität. Für die weltweite mobile Kommunikation ist mit Hilfe der Mikroelektronik eine Netzinfrastruktur aufzubauen, die den gesamten Erdball umspannt und an jedem Ort eine Zugangsmöglichkeit mit hoher Bandbreite bietet.

Nachdem in den 60er Jahren das in den Bell Labs entwickelte Zellularfunkkonzept eingeführt wurde, haben in regelmäßigen Abständen immer neuere Technologien die Mobilfunkkommunikation verbessert. So wurden die Funkzellen kleiner, bis hin zu Mikro- und Picozellen, und bei der dritten Mobilfunkgeneration stehen integrierte Audio- und Datensignale in hoher Qualität, neue Breitbanddienste und eine intelligente Netzintegration zur Verfügung.
Im neuen weltweiten Netz nun erfolgt die Kommunikation über winzige Funk-Basisstationen, die direkt an die breitbandigen Glasfaserübertragungssysteme angeschlossen sind. Die Bluetooth-Technik ermöglicht darüber hinaus Personal Area Networks (PANs) für die Internet-Datenkommunikation zwischen unzähligen elektronischen Geräten. Schließlich kommen für den Short Message Service (SMS) geeignete Personal Digital Assistants (PDAs) hinzu. Diese drahtlosen Verbindungen ermöglichen das Zusammenwachsen von Applikationen inner- und außerhalb des PC-Sektors und sorgen für noch mehr Mobilität.
Parallel zu den Funknetzentwicklungen ist der Technologiefortschritt auch bei den Endgeräten nachzuvollziehen. Hatten die ersten Mobilfunktelefone noch getrennte Batterie- und Sende-/Empfangseinheiten, so ist heute alles in einem kleinen Gehäuse untergebracht. Die Anzeigeeinheiten werden ständig vergrößert, und in der nächsten Mobilfunkgeneration (UMTS) lassen sich darüber Bewegtbilder ansehen.

Alles hängt am Meganetz
An dieses Meganetz werden alle Geräte angeschlossen die sich steuern lassen. Dazu gehören Thermostate, Druckmesser, Schadstoffmelder, Kameras, Alarmanlagen und Haushaltsgeräte ebenso wie PCs und Automobile. So ist die Abfrage des Kühlschrankinhalts von jedem beliebigen Ort ebenso möglich, wie das Zuschließen des offen gelassenen Autos.

Der Aufbau dieses Meganetzes ist dringend notwendig, denn bereits heute werden in den USA täglich 7,3 Milliarden kommerzielle E-Mails verschickt. Die Zahl der Internet-Nutzungen verdoppelt sich alle 120 Tage und jeden Tag werden 65 Millionen Kurznachrichten verschickt. Im Jahre 2003 wird auch der E-Commerce die Billionengrenze erreichen. Somit ist die Mikroelektronik mit neuen immer kompakteren und leistungsfähigeren Technologien gefordert.

Vertikal-Gate-Transistoren
Die zukünftigen Siliziumtransistoren mit einer Kantenlänge von 50 Nanometern, zur Zeit beträgt sie etwa 200 Nanometer, werden dringend für die neue Netzinfrastruktur benötigt. Ebenso benötigt wird die bei den Bell Labs entwickelte neue leistungsfähige 0,25 Mikrometer-Silizium-Germanium-Technologie. Sie besitzt bipolare NPN-Transistoren mit Cutoff-Frequenzen von über 70 Gigahertz. Die in dieser Technik produzierten Chips können wichtige Schnittstellenfunktionen im neuen weltweiten optischen Netz übernehmen.

Eine noch höhere Packungsdichte lässt sich mit dem Vertical-Gate-Transistor von Lucent erreichen. Er eignet sich für dreidimensionale integrierte Schaltungen mit bisher nicht möglicher Kapazität. Bei dieser Entwicklung handelt es sich um Metalloxid Halbleiter Feldeffekt Transistoren (Mosfet). Der Transistor besteht aus einem Siliziumwiderstand mit zwei Anschlüssen sowie einem Kondensator, der darüber liegt. Der Kondensator arbeitet als Steuerelektrode. Der wesentliche Vorteil dieser Transistortechnik ist die Stapelbarkeit, also die dritte Dimension. Dieser Vertikal-Transistor hat eine Gate-Länge von 50 Nanometern (nm). Die Entwickler sagen, 30 Nanometer kleine Transistoren lassen sich auch noch realisieren. Durch die Anordnung von zwei Steuerpunkten ¿ der Transistor lässt sich von rechts und links steuern ¿ verdoppelt sich die Schaltgeschwindigkeit.

Mikro-Spiegelkabinett als optische Vermittlung
Aber auch mit mikro-elektromechanischen Systemen (MEMS) lassen sich Baugruppen mit Schaltgeschwindigkeiten im Sub-Millisekunden-Bereich realisieren. Die resultierenden Produkte zeichnen sich zudem durch ihre kompakten Abmessungen aus. Die erste rein optische Vermittlung, der WaveStarÔ Lambda Router eröffnet die Ära der rein optischen Kommunikationsnetze. Das neue System hat eine Gesamtvermittlungskapazität von mehr als zehn Terabit pro Sekunde. Mikroskopische Spiegel lenken die optischen Signale verzögerungsfrei zwischen den Glasfasern eines Netzes. In der Vermittlung sind winzige mikromechanische Spiegel so angebracht, dass jeder einzelne von ihnen nur für eine Wellenlänge zuständig ist. Ausgangsseitig lässt sich dann durch entsprechendes Verstellen der Spiegel eine einzelne Wellenlänge zu einer beliebigen von bis zu 256 Glasfasern weiterleiten. Alle 256 Spiegel sind dabei auf einem Siliziumstück mit einer Größe von weniger als sechs Quadratzentimetern untergebracht.

Ende der Packungsdichte noch nicht erreicht
Im Zeitalter der Wissens- und Informationsgesellschaft stellt die Mikroelektronik eine wichtige Komponente dar. Alle steuerbaren und an das Kommunikationsnetz anschließbaren Geräte müssen mit mikroelektronischen Bauelementen ausgestattet sein. Durch die Komplexität der Anforderungen müssen immer mehr Funktionen auf immer engerem Raum untergebracht werden. Dies ist eine Herausforderung an die Mikroelektronik. Neue Entwicklungen zeigen, dass das Ende der Packungsdichte noch nicht erreicht ist.

Norbert Hahn

Links: http://www.lucent.com