(M.Sc.) 3D Elektromagnetischer Entwurf von RTD-Antennen Arrays mit Injection Locking

Hintergrund:

Für den Sub-THz und THz Bereich von 0.3 – 3 THz werden leistungsstarke Oszillatoren und empfindliche Detektoren benötigt. Beispielsweise eignet sich dieses Frequenzspektrum sehr gut für den Sicherheitssektor zur 3D Aufnahme von gefährlichen Objekten unter der Kleidung, da die THz-Wellen von der Kleidung nicht stark absorbiert werden. Eine weitere Möglichkeit der Nutzung dieses Frequenzspektrums liegt in der Kommunikationstechnik. Bei diesen hohen Frequenzen sind hohe Datenraten bei einer drahtlosen Punkt-zu-Punkt Übertragung möglich.

Aufgabe:

Resonanz-Tunnel-Dioden (RTDs) sind ein vielversprechender Kandidat für die Generation und Detektion von THz-Strahlung. Da die Ausgangsleistung einer einzelnen RTD in Oszillator-Konfiguration sehr gering ist, müssen mehrere Elemente miteinander verschaltet werden. In Form eines sogenannten Arrays (ein- oder zweidimensional) kann neben der Addition der jeweiligen Ausgangsleistungen ebenfalls die Form der Abstrahlungscharakteristik beeinflusst werden. Als Ansatz soll hier ein Array aus Patch-Antennen verfolgt werden. Diese ermöglichen ein einfaches Design und eine akzeptable Effizienz. Dieses Konzept lässt sich jedoch nur umsetzen, wenn die einzelnen Elemente innerhalb des Arrays die gleiche Oszillationsfrequenz haben und zudem phasengleich sind. Dies ist aufgrund von Fertigungstoleranzen nicht zweifelsfrei gegeben.

Im Rahmen dieser Arbeit soll zuerst ein Design für ein zwei-dimensionales Patch Antennen-Array auf Basis von RTD-Oszillatoren entworfen werden. Es kann dabei auf vorherige Arbeiten und vorhandene Prozesse für die Herstellung von einzelnen Patch-Antennen auf dem Dielektrikum BCB zurückgegriffen werden. Im Weiteren soll dann der Ansatz von Injection Locking zur Frequenzstabilisierung untersucht werden. Neben direktem Injection-Locking der einzelnen Elemente soll auch die Möglichkeit des Mutual Injection Locking analysiert werden. Mithilfe der 3D EM Simulationssoftware (Ansys HFSS und Empire XPU) sowie Schaltungssimulationen (Keysight ADS) sollen beide Ansätze auf Machbarkeit untersucht und im Anschluss in einem Design für das nächste Maskentapeout umgesetzt werden.

Betreuer: M.Sc. Robin Kreß

(M.Sc.) Entwicklung von RTD THz Emittern

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.

Mögliche Themengebiete:

• Prozessentwicklung von Multilagen Antennenstrukturen für die effiziente Einkopplung eines Injektionssignals für Beamsteering Anwendungen unter Verwendung von gängigen Halbleiterprozessschritten und Materialien, sowie modernster Hochfrequenzmesstechnik.
   
• Schichtentwicklung in der Molekularstrahlepitaxie des aktiven RTD Schichtpakets zur Erhöhung der Performancedaten hinsichtlich höchste erreichbare Frequenz f_max, Leistung P_out und DC-to-RF Effizienz η_dc-to-rf. Nutzung von modernster Hochfrequenzmesstechnik zum Charakterisieren der Diode.
   
• Design von on-wafer Oszillatoren bei unterschiedlichen Frequenzen zur Analyse des Verhaltens der RTD bei hohen Frequenzen unter Verwendung von Industrie relevanter Designsoftware für Hochfrequenzschaltkreise.
   
• Design eines modellierbaren Feed Netzwerks für RTD Oszillatoren zur Modellierung des Signals für zum Beispiel Kommunikationsanwendungen unter Verwendung von Industrie relevanter Designsoftware für Hochfrequenzschaltkreise.

• Weiterentwicklung der geometrischen Struktur der RTD zur Erhöhung der Performance bei höchsten Frequenzen bei Nutzung hochauflösender Elektronenstrahllithographie

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./B.Sc.) Arbeiten in der Aufbau- und Verbindungstechnik

Neben der Herstellung und Optimierung von Terahertz-(THz-)Halbleiterbauelementen, sowie des Schaltkreisdesigns von Hochfrequenz-MMICs, beschäftigen wir uns im Lehrstuhl für Bauelemente der Höchstfrequenzelektronik mit der Entwicklung von neuen Aufbau- und Verbindungstechniken. Die Aufbau- und Verbindungstechnik stellt das Bindeglied zwischen Chips und System dar. Damit können wir unsere THz Bauelemente in konkrete Anwendungen überführen.

Wir untersuchen kompakte, multifunktionale und leistungsstarke Höchstfrequenz-Module für den Einsatz in unterschiedlichen Anwendungsfeldern, wie der Kommunikationstechnik (BMBF 6G-HUB 6GEM) oder der Materialcharakterisierung und -identifizierung (DFG SFB MARIE). Hierbei werden auch verschiedene Halbleitertechnologien miteinander kombiniert, um die Vorteile der verschiedenen Technologien nutzen zu können, z.B. werden in einem Heterointegrationskonzept III-V-Halbleiter Chips aus Indiumphosphid und Silizium-Chips miteinander verschweißt, um gleichzeitig die Hochfrequenzperformanz der III-V-Halbleiter und die hohe Komplexität der Silizium-Chips auszunutzen.

In unserem Reinraum haben wir zur Integration einen speziellen Flip-Chip Ansatz entwickelt, der mit state-of-the-art Anlagen durchgeführt wird, um geeignete Printed Circuit Boards (PCBs) für unsere THz-Halbleiterchips herzustellen. Zum einen vereinfachen diese Aufbauten die Vermessung der Halbleiterchips, und zum anderen werden dadurch kompakte Module für Felddemonstrationen der THz-Halbleiterkomponenten realisiert. Hier entstehen Resonanztunneldioden-Sender und Empfänger für Materialcharakterisierung über 1 THz, sowie Verstärker- und Mischerschaltkreise auf spezieller InP-Transistortechnologie (HBT) für 6G Anwendungen bei 300 GHz. Zur Modulintegration mit Wellenleitern und Antennenstrukturen steht ab Ende des Jahres 2022 eine Mikropräzisionsfräse zur Verfügung, mit der sogenannte Split-Block Gehäuse mit integrierten Hohlwellenleitern hergestellt, welche in zwei Hälften gefräst und im Anschluss zusammengesetzt werden.

Bei Interesse in diesem Bereich können Sie sich gerne bei uns für weitere Informationen melden.

Betreuer: M.Sc. Christian Preuß

Hier finden Sie eine Liste der bisher in unserem Lehrstuhl abgeschlossenen Projekt- und Abschlussarbeiten.

Abgeschlossene Arbeiten 2022

Masterarbeiten

• Entwicklung der Epitaxie von 3D GaN Nano-/Mikrostrukturen auf Saphir
• Development of an integrated thin-film resistor in the frequency range up to 0.5 THz
• Design of over 30 GHz Bandwidth Down-Conversion Active Mixer based on InP-HBTs for 6G Applications
• Design of a Low Noise D-Band Amplifier with more than 20 GHz Bandwidth based on InP-HBTs for 6G Applications

Bachelorarbeiten

• Konzeptionierung eines On-Wafer Messaufbaus und Hochfrequenz Charakterisierung von Indium-Phosphid Doppel-Heteroübergang Bipolar Transistoren
• X-Ray Diffractometry Analysis of Epitaxially Grown Semiconductor Layers for Electronic High Frequency Devices
• Umsetzung eines Transfer-Substrat THzMessaufbaus zur Charakterisierung von RTDOszillatoren
• Modeling of a slot antenna for THz oscillators
• Prozessentwicklung für die Emitter Basis Diode eines InP HBTs

Abgeschlossene Arbeiten 2021

Masterarbeiten

• Design of an InP DHBT and Physical Analysis of Linearity Trade-Offs
• Abrupt Nanowire pn-Heterojunctions for Detector Applications

Bachelorarbeiten

• Optimierung elektrischer Kontakte in Resonanztunneldioden (Abstract)
• Investigation and correction of the proximity effect in the electron-beam lithography process for InP-HBTs
• Prozessentwicklung zur Kontaktierung von GaN Nanodraht-LED Feldern (Abstract)
• Performanceoptimierung und Prozessweiterentwicklung der Resonanztunneldiode für Oszillatoranwendung (Abstract)

Bachelorprojektarbeiten

• Prozessierung und Charakterisierung von transparenten ITO Kontaktschichten als Elektrode für InGaN/GaN Nanodraht LEDs
• Konzeptentwicklung eines Sub-THz Oszillators mit Patch-Antennen