Rtd Microscop Sem
THz-Indiumphosphid-Resonanztunneldiode mit integrierter Antenne


Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der kontaktierten GaN-Kern-Mantel- Nanodrahtstrukturen für die optische Datenübertragung
Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der kontaktierten
GaN-Kern-Mantel-Nanodrahtstrukturen für
die optische Datenübertragung

​Die Geschwindigkeit der Elektronen im Halbleiter ist materialabhängig, sie ist besonders hoch in den Mischkristallen des Indiumphosphid-Materialsystems. Spezielle Bauelement-Konzepte werden durch Heterostrukturen ermöglicht, unter anderem Resonanztunneldioden, die unter Ausnutzung des quantenmechanischen Tunneleffekts bei THz-Frequenzen als Oszillator arbeiten, sowie Heterostruktur-Bipolartransistoren, die bei höchsten Frequenzen noch hohe Verstärkung liefern. In der darauffolgenden Prozesstechnik werden kleinste Strukturen definiert und Kontakte gebildet, wobei gleichzeitig Anschlusswiderstände und Kapazitäten minimiert werden müssen, um höchste Frequenzen erreichen zu können. Das Fachgebiet BHE unternimmt diese Forschungsarbeiten unter anderem im DFG-Sonderforschungsbereich „MARIE“ und im EU-Verbundprojekt TeraApps. Für optoelektronische Bauelemente ist neben der Bewegung der Elektronen die Rate der strahlenden Elektron-Loch-Rekombination ausschlaggebend für die Grenzfrequenz. Der Halbleiter Galliumnitrid (GaN) ist mittlerweile allgegenwärtig – daraus bestehen weiße Leuchtdioden, die heute in (fast) jedem Leuchtmittel stecken. Die GaN-Leuchtmittel könnten auch zur Datenübertragung eingesetzt werden, beispielsweise in Flugzeugen oder der Bahn, um WiFi zu entlasten. Durch eine seitwärtige Orientierung des GaN-Kristalls kann die Rekombinationsgeschwindigkeit stark erhöht werden. Dies wird in GaN-Kern-Mantel-Nanodrahtstrukturen untersucht.

Besondere Materialien und Wachstumsprozesse für höchste Frequenzen

​​Movpe Reaktor
Reaktor der Metallorganischen Gasphasenepitaxie zur Herstellung
der Halbleiterschichten (MOVPE)
Verbindungshalbleiter-Schichten wie InP werden synthetisch „gewachsen“. Mit atomarer Schichtdickenpräzision werden Stapel verschiedener Zusammensetzung – sogenannte Heterostrukturen – in Epitaxiemaschinen abgeschieden. Im Rahmen des Investitionsprojekts ForLab SmartBeam des BMBF wird im Fachgebiet BHE eine neue Epitaxieanlage für InP-Strukturen aufgebaut. Atomar dünne Schichten werden mithilfe einer im NRW/EFRE-Projekt THzIZ neu beschafften Röntgendiffraktometrie (XRD) charakterisiert und optimiert. Ein weiteres Materialforschungs-Thema im Fachgebiet sind epitaktische Nanodrähte. In speziellen Epitaxieprozessen entstehen selbst-limitierte kristalline Drähte mit einem Durchmesser um 100 nm. Diese werden in den Materialsystemen GaN und Galliumarsenid (GaAs) im Fachgebiet BHE gewachsen und für Bauelementanwendungen untersucht.

Xrd
Röntgendiffraktometer

Exakte Entwürfe mit Hochleistungsrechnern

Wie üblich steht am Anfang der Entwurf. Sowohl Materialien als auch THz-Bauelemente, Höchstfrequenz-Schaltkreise, optoelektronische Integration und Antennenabstrahlung lassen sich mit heutigen High-Performance-Computing-Clustern und spezialisierten Softwarepaketen berechnen. Am ZHO stehen parallele Rechner mit sogenannten GPU-Karten zur Verfügung, mit denen auch komplexe Strukturen in kurzer Rechenzeit simuliert werden können. Eine genaue Vorhersage ist umso wichtiger, je komplexer die Herstellungstechnologie wird und je höher die Integration getrieben wird – bis hin zu Modulen auf der Systemebene.

Nanotechnologien für schnellste Bauelemente

Je kürzer die Strecke ist, die von den Elektronen im Bauelement zurückgelegt werden muss, umso schneller schalten die Transistoren und umso mehr Daten lassen sich mit optoelektronischen Bauelementen übertragen. Kleine Größen führen auch zu reduzierten Kapazitäten und damit kürzeren Aufladezeiten der Strukturen. Mit einer Prozesstechnologie auf der Nanoskala wird beides erreicht. Besondere Verfahren zur Strukturdefinition mittels Elektronenstrahlen und Nanoimprint sowie die plasmagestützte Ätztechnik werden im Reinraum des ZHO eingesetzt, um Terahertz-Bauelemente zu realisieren. Ein großer Teil des Gebäudes dient zur Filterung und Klimatisierung der Laborluft, damit nanoskalige Strukturen ohne Defekte hergestellt werden können.

Vertikale Integrationstechniken erlauben die monolithische Integration von Antennenstrukturen mit aktiven THz-Sendern und -Empfängern. Ein neuer Schwerpunkt über den Halbleiter-Prozess hinaus entsteht zurzeit im EFRE-geförderten „THz-Integrationszentrum“ – aufgrund der kurzen Wellenlänge unter 1 mm im THz-Bereich muss das Gehäuse in den Entwurf der THz-Komponenten mit einbezogen werden. Zu den Halbleiter-Chips passende THz-Module werden mit Präzisionswerkzeugen und 3D-Druckverfahren hergestellt.

Hf Messung
On-Wafer-Messungen zur Charakterisierung von im Reinraum hergestellten
THz-Bauelementen und -Schaltkreisen