(M.Sc.) Physical Analysis and Design of a highly-linear and low-noise InP DHBT in a TCAD Simulator

Background:

With the upcoming demand for higher data-rates (5G) the need for higher frequencies up to 130 GHz arises, which poses great challenges for the measurement instrument market. Among the III-V semiconductor technologies, InP Heterojunction Bipolar Transistor technology is known to be a very promising candidate to realize high-bandwidth, and large voltage swing mm-wave (mmW) analog circuits. Applications in measurement instruments require linear and low-noise integrated circuits. Exact physical design trade-offs to build linear and low-noise InP DHBT structures have not been treated by the scientific world so far, and are thus within the scope of this master´s thesis.

Task:

Goal of this thesis work is the analysis by simulation of the physical trade-offs together with the design of a doubleheterojunction bipolar transistor (DHBT) in InP technology, which exhibits high linearity and lownoise performance at the same time. By means of the TCAD device simulators Taurus Medici (2D) / Sentaurus (3D) the optimal material grading, doping profiles and layout geometries of a triple-mesa DHBT shall be elaborated w.r.t. the measurable quantities harmonic distortion (HD) / 3rd order intercept point (IP3) and noise figure (NF) to find the optimum device structure for realizing a highly linear but low-noise InP DHBT. The resulting structure will be realized by BHE’s epitaxy group and feed into BHE’s InP HBT THz circuit process.

This Master thesis is offered in cooperation with Rohde & Schwarz, Munich.

Aufgabenstellung Masterarbeit

Betreuer: Prof. Dr. Nils Weimann

(M.Sc. Projekt/M.Sc.) 3D Elektromagnetischer Entwurf von RTD-Antennen Arrays

Hintergrund:

Im Terahertz (THz) Bereich zwischen 300 GHz bis zu 4 THz entwickeln sich zurzeit viele neuartige Anwendungen: kontaktlose Materialerkennung und -charakterisierung, ultraschnelle drahtlose Datenübertragung von mehreren Tbit/s, Detektierung versteckter Objekte in Robotik- und Sicherheitsanwendungen. Für diese Anwendungsfelder werden kompakte Signalquellen und -detektoren benötigt, die hohe Ausgangsleistung effizient bereitstellen, empfindlich sowie rauscharm detektieren, und kompakt, robust und kostengünstig hergestellt werden können.

Wir untersuchen im SFB/TRR196 MARIE die Resonante Tunneldiode (RTD), ein auf dem quantenmechanischen Tunneleffekt basierendes Bauelement, mit dem bis heute Signale bis zu 2 THz erzeugt werden können. Durch Verbesserung der Halbleiter-Vertikalstruktur, der Bauelement-Herstellungsprozesse und der Zusammenschaltung in Arrays versuchen wir, die Performanz dieser THz-Komponenten zu verbessern.

Aufgabe:

Die Ausgangsleistung von elektronischen THz-Komponenten kann durch Parallelschaltung erhöht werden. Da passive Wellenleiter-Netzwerke im THz-Bereich sehr verlustbehaftet sind, untersuchen wir die Freistrahl-Kombination von RTD in phasenstarren Arrays. Eine Herausforderung stellt die korrekte Integration der RTD in eine passende Antennenstruktur dar. Hier müssen aktives Bauelement und passive Antennenstruktur aufeinander sinnvoll abgestimmt werden, um bei den gewünschten Frequenzen mit hoher Ausgangsleistung zu schwingen. Mithilfe von Industrie-Standard 3D-EM-Simulationssoftware (Empire XPU und CST Microwave Studio) soll ein sinnvolles Konzept zur Integration der RTD in einer Oszillatorkonfiguration simulatorisch erarbeitet werden. Anschließend wird ein Schaltkreis-Layout erstellt und Komponenten werden im Reinraum des ZHO hergestellt und bei THz-Frequenzen vermesssen.

Betreuer: M.Sc. Robin Kreß

(B.Sc. Projekt) Optimierung der elektrischen Kontakte in Resonanztunneldioden

Hintergrund:

Im Terahertz (THz) Bereich zwischen 300 GHz bis zu 4 THz entwickeln sich zurzeit viele neuartige Anwendungen: kontaktlose Materialerkennung und -charakterisierung, ultraschnelle drahtlose Datenübertragung von mehreren Tbit/s, Detektierung versteckter Objekte in Robotik- und Sicherheitsanwendungen. Für diese Anwendungsfelder werden kompakte Signalquellen und -detektoren benötigt, die hohe Ausgangsleistung effizient bereitstellen, empfindlich sowie rauscharm detektieren, und kompakt, robust und kostengünstig hergestellt werden können.

Wir untersuchen im SFB/TRR196 MARIE die Resonante Tunneldiode (RTD), ein auf dem quantenmechanischen Tunneleffekt basierendes Bauelement, mit dem bis heute Signale bis zu 2 THz erzeugt werden können. Durch Verbesserung der Halbleiter-Vertikalstruktur, der Bauelement-Herstellungsprozesse und der Zusammenschaltung in Arrays versuchen wir, die Performanz dieser THz-Komponenten zu verbessern.

Aufgabe:

Für den Betrieb bei höchsten Frequenzen ist einer der limitierenden Faktoren der Serienwiderstand der RTD, indem er die passive RC-Zeitkonstante bestimmt und die interne Verstärkung der RTD reduziert. In dieser Arbeit soll der elektrische Kontakt der RTD-Struktur experimentell untersucht und verbessert werden. Zur Analyse des Kontakts werden sowohl Test-Strukturen als auch Einzelbauelemente hergestellt und vermessen. Die Charakterisierung des Bauelements erfolgt mit einer Netzwerkanalyse mit unseren hochmodernen Messgeräten. Mit einem einfachen Kleinsignal-Ersatzschaltbild soll die RTD modelliert und Schlüsselparameter wie Serienwiderstand, Leitwert und Gesamtkapazität extrahiert werden.

Betreuer: M.Sc. Enes Mutlu

(B.Sc./M.Sc.) Prozessentwicklung für galvanisch gefertigte RTD-Antennen-Strukturen

Im Terahertz (THz) Bereich zwischen 300 GHz bis zu 4 THz entwickeln sich zurzeit viele neuartige Anwendungen: kontaktlose Materialerkennung und -charakterisierung, ultraschnelle drahtlose Datenübertragung von mehreren Tbit/s, Detektierung versteckter Objekte in Robotik- und Sicherheitsanwendungen. Für diese Anwendungsfelder werden kompakte Signalquellen und -detektoren benötigt, die hohe Ausgangsleistung effizient bereitstellen, empfindlich sowie rauscharm detektieren, und kompakt, robust und kostengünstig hergestellt werden können.

Dafür zu fertigende Sturkturen müssen aufgrund der geringen Wellenlänge besonders klein und detailiert sein. Zur Herstellung solcher metallischen Strukturen aus Gold bietet sich die Abscheidung mit Galvanik an. So können besonders hohe Schichtdicken bei guten Aspekt-Verhältnis zuverlässig hergestellt werden.

Aufgabe:

Ein bestehender Prozess zur sturkuturierten Abscheidung von Gold auf InP Chips muss weiterentwickelt werden. Ziel ist die Integration in den bestehenden RTD-Oszillator Prozess, damit aktuelle und zukünftige Antennen-Strukturen gefertig werden können. Hier muss ein Konzept entwickelt werden, sodass die zuvor bereits vorhandene RTD während des Galvanik-Prozesses nicht beschädigt wird. Eine Optimierung der Anschlüsse der mittels Galvanik gefertigten Antennen an die RTD ist hierbei ein weiterer Meilenstein.

Betreuer: M.Sc. Robin Kreß

(M.Sc.) TCAD Simulation von RTD Strukturen

Hintergrund:

Im Terahertz (THz) Bereich zwischen 300 GHz bis zu 4 THz entwickeln sich zurzeit viele neuartige Anwendungen: kontaktlose Materialerkennung und -charakterisierung, ultraschnelle drahtlose Datenübertragung von mehreren Tbit/s, Detektierung versteckter Objekte in Robotik- und Sicherheitsanwendungen. Für diese Anwendungsfelder werden kompakte Signalquellen und -detektoren benötigt, die hohe Ausgangsleistung effizient bereitstellen, empfindlich sowie rauscharm detektieren, und kompakt, robust und kostengünstig hergestellt werden können.

Wir untersuchen im SFB/TRR196 MARIE die Resonante Tunneldiode (RTD), ein auf dem quantenmechanischen Tunneleffekt basierendes Bauelement, mit dem bis heute Signale bis zu 2 THz erzeugt werden können. Durch Verbesserung der Halbleiter-Vertikalstruktur, der Bauelement-Herstellungsprozesse und der Zusammenschaltung in Arrays versuchen wir, die Performanz dieser THz-Komponenten zu verbessern.

Aufgabe:

Die wesentlichen Eigenschaften der RTD werden durch ihre epitaktisch gewachsene Schichtstruktur bestimmt. Der Kern einer RTD-Schicht enthält mehrere Quantenbarrieren (z.B. AlAs) und Quantentöpfe (z.B. InGaAs), zwischen denen resonante Elektronenzustände existieren. Der resultierende resonante Tunnelstrom ist stark nichtlinear und wird zur Erzeugung von THz-Oszillationen ausgenutzt. Das elektronische Verhalten der RTD-Struktur wird mithilfe von spezialisierten Softwarepaketen berechnet und optimiert, sogenannten TCAD-Simulatoren. Wir setzen hierzu Industrie-Standardsoftware von Synopsys ein. Ziel der Arbeit ist es, ausgehend von vorhandenen Schichtpaketen die Performanz der RTD hinsichtlich höherer Oszillationsfrequenz und Oszillationsleistung durch Simulationen zu optimieren. Eine nachfolgende experimentelle Herstellung von Bauelementen im Reinraum des ZHO und Charakterisierung bei THz-Frequenzen ist vorgesehen.

Betreuer: M.Sc. Enes Mutlu

(M.Sc./B.Sc.) Selektive Kontaktierung und Charakterisierung von (In)GaN Nanodraht LEDs

Gallium-Nitrid (GaN) ist das grundlegende Material für die Herstellung von Licht emittierenden Dioden (LED). Mit der ternären Indium-Gallium-Nitrid (InxGa1-xN) Verbindung kann die Farbe des Lichtes der LED über den kompletten sichtbaren Spektralbereich eingestellt werden. In der BHE werden GaN basierte Nanodraht-LEDs (ND-LEDs) hergestellt. Durch die Nanodrahtgeometrie weist die ND-LED potenziell mehrere Vorteile gegenüber der konventionellen Schicht-LED auf. Es wird die leuchtaktive Fläche im Vergleich zur Oberfläche des Substrates erhöht und die elektro-optischen Eigenschaften der ND-LEDs ermöglichen es diese im hochfrequenten Bereich anzuwenden.

Die ND-LED wird durch hohe Datenraten attraktiv für die Kommunikationstechnologie. Um die LEDs dahingehend zu optimieren ist die elektro-optische Charakterisierung von Einzeldrähten und ganzen Feldern aus mehreren 1000 ND-LEDs notwendig. Aufgrund des komplexen Aufbaus der ND-LED ist die Kontaktierung eine technologische Herausforderung. Optimierung der Strominjektion in die LEDs durch selektive elektrische Isolierung und konformer Bedeckung mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) sind nur Beispiele solcher Herausforderungen zur Kontaktierung ganzer Felder. Weiterhin ist ein Verständnis des Ladungsträgertransportes durch die ND-LEDs für deren Optimierung wichtig. Dazu werden bevorzugt einzelne ND-LEDs kontaktiert und elektrisch vermessen. Durch eine Erklärung der Strom-Spannungs-Charakteristik mit entsprechenden Mechanismen für den Ladungsträgertransport, kann eine modellhafte Beschreibung des Stromtransportes durch die ND-LEDs entwickelt werden. Auf Basis des Modells können limitierende Faktoren extrahiert und optimiert werden.

Bei Interesse an dem Thema können Sie sich gerne bei uns für weitere Informationen melden.

Betreuer: M.Sc. Patrick Häuser

(M.Sc. Projekt, M.Sc.) Design eines differenziellen low-noise Verstärkers im Bereich von 150-250 GHz auf Basis von InP DHBTs

Hintergrund:

Im Rahmen des SFB/TRR 196 MARIE wird, in einem Verbund von sieben Universitäten und Forschungsinstituten, an der mobilen Materialcharakterisierung und -lokalisierung auf Basis von THz- und Sub-THz Strahlung im Bereich von 250 GHz bis 4 THz geforscht. Eine große Problematik sind die hohen Umgebungsverluste von THz-Strahlung in der Luft. Diese machen leistungsfähige kompakte Quellen mit einem gerichteten Strahl attraktiv. Ein Ansatz für gerichtete Strahlen sind sogenannte "phased arrays" bei denen in einem Oszillator-Array die Phasen der einzelnen Oszillatoren kontrolliert werden und sich so durch Interferenz aller Ausgangssignale ein gerichteter Strahl ausbildet. Eine effiziente Methode zur Phasensteuerung von Oszillatoren ist das "Injection-Locking". Bei diesem Phänomen können Phase und Ausgangsfrequenz eines Oszillators durch das Injizieren eines schwachen Signals nahe der ursprünglichen Oszillationsfrequenz kontrolliert werden. Die Signalqualität des Locking Signals ist dabei entscheidend für die Qualität des Ausgangssignals des gelockten Oszillators. Um das Injection-Locking unilateral zu machen und ein ausreichend starkes Locking Signal zu erzeugen, bietet sich der Einsatz von low-noise Verstärkerschaltungen an.

Aufgabenstellung:

Zu diesem Zweck soll ein differentieller Verstärker auf Basis des aktuellen InP DHBT Prozesses des Ferdinand Braun Instituts entwickelt werden. Zunächst soll dazu das schematische Layout mittels eines vom FBH bereitgestellten Design-Kits in einer Schaltungssimulations-Software (Advanced Design Systems) entworfen werden. Dabei soll die Topologie des Verstärkers im Hinblick auf das Signal/Rausch Verhältnis sowie eine hohe Isolation von Eingang und Ausgang optimiert werden. Anschließend soll ein physikalisches Layout entwickelt und mittels state of the Art 3D-EM Software simuliert werden (CST Microwave Studio, Empire XPS). Für die Simulationen steht ein HPC (High Performance Computing) Server Cluster zur Verfügung. Weiterhin soll die Einkopplung des Verstärker-Signals in den Oszillator optimiert werden. Die Entworfene Schaltung wird anschließend beim FBH gefertigt und in den Gesamtschaltkreis integriert.

Tätigkeiten/Profil:

Literaturrecherche zu RF Schaltkreis Design, Arbeit mit Industriestandard Circuit Design Software, 3D-EM Simulationen (FEM, FDTD, Momentum)
Erfahrungen mit Circuit-Design Software sind wünschenswert jedoch keine Voraussetzung.
Eine Betreuung ist sowohl auf Deutsch als auch Englisch möglich.

Bei Interesse an dem Thema können Sie sich gerne bei uns für weitere Informationen melden.

Betreuer: M.Sc. Alexander Poßberg