Schaltungssimulation und Layout

Bauelementsimulation und Schaltungsentwurf

Parallel zu den technologischen Arbeiten werden physikalische Bauelementmodelle erstellt und permanent weiterentwickelt. Die theoretischen Ergebnisse werden mit den im Labor gewonnenen Messdaten verglichen, um letztendlich zuverlässige, vor allem aber auch skalierbare "Werkzeuge" zur Beschreibung des Bauelementverhaltens zu erhalten, die eine gezielte Optimierung der Bauelemente erlauben. Darüber hinaus werden Verfahren entwickelt, die es erlauben, das frequenzabhängige Bauelementverhalten auf Basis elektrischer Ersatzschaltbilder zu modellieren, um Rückschlüsse auf das intrinsische Verhalten, und damit auch auf die Technologie schliessen zu können. Die so gewonnenen Informationen bilden die Grundlage für die Entwicklung einfacherer Modelle, die in verschiedenen Simulationsumgebungen eingesetzt werden und die Simulation komplexer Schaltungen und auch Mikrowellenschaltungen erlaubt. Anschliessend werden die auf diese Weise entwickelten und optimierten Schaltungen in der Technologie realisiert und später im Labor vermessen.

REM Aufnahmen von gewachsenen Nanodrähten

Epitaxie von III/V Halbleitern

Für das epitaktische Wachstum Verbindungshalbleitern aus Atomen aus der III- (Ga, Al, In) und der V-Hauptgruppe (As, N, P) werden drei Metallorganische Gasphasenepitaxieanlagen von der Firma Aixtron (MOVPE) sowie eine Molekularstrahlepitaxieanlage (MBE) der Firma Varian eingesetzt. Die vier Anlagen werden für verschiedene Halbleiterverbindugen und für unterschiedliche primäre Anwendungsgebiete eingesetzt. Somit steht ein weites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten zur Verfügung, welches durch den Probentransfer zwischen den Anlagen unter Reinraumbedingungen noch erweitert wird.

Folgende Anlagen und ihr primäres Einsatzgebiet sind vorhanden:

  • AIX 200 RF MOVPE Anlage zur Herstellung von III/As- und III/P-Nanodrahtstrukturen und experimentellen Verbindungen von Arsenid- und Nirtridverbindungen.
  • 3 x 2" Showerhead MOVPE Anlage für III/N-Halbleitern in Form von core-shell Nanodrähten und weiteren dreidimensionalen Strukturen. Ausgestattet mit in situ Messinstrumenten.
  • 3 x 3" Showerhead MOVPE Anlage für InGaAs/InP-basierte Schichten für Heterobipolartransistor. Ausgestattet mit in situ Messinstrumenten.
  • 3 Zoll Substratheizer MBE zur Präzisionsabscheidung von Schichten im atomaren Bereich aus In(Ga)As, welche zur Herstellung von Resonanztunneldioden nötig sind.

Die verschiedenen Halbleiterschichten und 3D-Strukturen bilden die Basis für sämtliche nachfolgenden Arbeiten in der eigenen Technologie oder stehen Projektpartnern, sowie weiteren kooperierenden Instituten zur Verfügung.

Bei Interesse an Probenmaterial oder der gemeinsamen Entwicklung von epitaktischen Strukturen und Projekten, kontaktieren Sie uns gerne.

 

Prozesstechnologie

Die in der Epitaxie auf einen Wafer aufgewachsenen Halbleiterschichten werden in der Prozesstechnlogie mit dem sogenannten Top-Down Verfahren strukturiert. Dies ermöglicht es aus einem komplexen Schichtpacket elektronische Bauelemente, wie zum Beispiel Heterobipolartransistoren (HBT), „high-electron-mobility transistors“ (HEMT) und Resonanztunneldioden (RTD) zu fertigen. Dazu stehen uns im Fachgebiet vielerlei Prozesse der Halbleitertechnologie zur Verfügung. Von der Lithographie mit Elektronenstrahl und ultraviolettem Licht, nass- und trockenchemische Ätzprozesse bis hin zur (elektro-)chemischen und physikalischen Depositionsanlage. Durch Wiederholung dieser Prozesse können um die Bauelemente herum funktionale Schaltungen oder Antennen für die Freiraumstrahlung hergestellt werden. Diese Prozesse finden in unserem Reinstraum statt, um ideale Prozessbedingungen zu schaffen. Zur Analyse der Oberflächen und Strukturen nach einzelnen Prozessschritten stehen uns für feinste Auflösung Feldemission-Rasterelektronenstrahlmikroskopie (FSEM), die Rasterkraftmikroskopie (AFM) und bald auch die Konfokalmikroskopie zur Verfügung.

Messplatz für DC on-wafer Messungen

Messtechnik

Die BHE besitzt drei verschiedene Labore zur Messung und Charakterisierung der im Reinraum des ZHO gefertigten elektronischen Bauelemente. Zum einen können in der BHE Photolumineszenz (PL) sowie Elektrolumineszenz (EL) Messungen und zum anderen Hochfrequenz (HF) sowie Gleichspannungs- (DC) Messungen durchgeführt werden.

DC-Messtechnik

Mithilfe des DC-Messplatz können die für ein elektronisches Bauteil charakteristischen Strom-Spannungs-Kennlinien gemessen werden. Beispielweeise kann die Kennlinie einer Resonanz Tunnel Diode (RTD) oder das Ausgangskennlinienfeld eines Hetero Bipolar Transistors (HBT) gemessen werden. Hierzu besitzt der Messplatz vier Source Measurement Units (SMUs), welche sowohl als Quelle als auch als Messgerät arbeiten können. Diese lassen sich mit Hilfe eines Steuer-Computers kontrollieren und somit der Eingangsstrom oder -spannung definieren. Des Weiteren bietet der Messplatz aufgrund seiner vier SMUs die Möglichkeit Vierpunktmessungen durchzuführen um präzise kleinste Widerstände zu messen. Eine weitere typische Messmethode in der Halbleitertechnologie, die sogenannte Transmission Line Measuremts (TLM) Methode, bietet die Möglichkeit zur Messung von Kontaktwiderstände sowie Flächenwiderstände von Metall-Halbleiter Kontakten.

HF Messplatz mit R&S ZVA67

HF-Messtechnik

Um die Hochfreqenzeigenschaften der gefertigten Bauelemente zu charakterisieren besitzt die BHE ebenfalls ein Messlabor. Dieser HF-Messplatz stellt zwei Vektor Netzwerk Analysatoren (VNA) zur Verfügung. Mit diesen lassen sich Streuparameter Messungen durchführen. Streuparameter geben dabei die Reflexions- sowie Transmissionskoeffizienten an einem n-Tor (1-Tor: z.B. Diode, 2-Tor: z.B. einfacher Verstärkerschaltung aufgebaut mittels eines Transistors) an. Hierzu wird an den Toren eine Welle eingekoppelt und die Reflexion sowie die Transmission bezogen auf die eingekoppelte Welle gemessen. In der BHE werden an diesem Messplatz zum Beispiel die gefertigten RTDs vermessen. Mit diesen Messungen lässt sich dann ein Ersatzschaltbild der RTD ableiten, um dieses Bauteil in Schaltungssimulationen zugänglich zu machen. Des Weiteren besitzt dieses Labor ein Terahertz-Freistrahl Messplatz in dem über eine Anordnung von Linsen und Spiegeln die Strahlung im Freiraum (Luft) geführt wird. Dieser wird verwendet um die Eigenschaften der gefertigten RTDs als Detektor sowie als Oszillator zu charakterisieren. Hierzu wird der VNA im Falle des RTD Detektors als Hochfrequenzquelle verwendet. Das Quellensignal wird über die Linsen und Spiegel in die RTD eingekoppelt und die Spannung an dieser gemessen. Ist die eingekoppelte Leistung bekannt, lässt sich hiermit die spektrale Empfindlichkeit des Detektors bestimmen. Wird die RTD als Oszillator betrieben so wird das gesendete Signal über den Messaufbau in den VNA eingekoppelt. Dieser arbeitet nun als Spektrumanalysator und detektiert die Frequenz des empfangenen Signals. Somit lässt sich die Oszillationsfrequenz der RTD bestimmen.

Kontaktierter On-Chip Detektor auf Silizium-Linse

Hochsensitive THz-Detektoren

Eine Schlüsselkomponente für den Einstieg in die Welt der THz-Anwendungen ist neben der Erzeugung die Detektion der THz-Strahlung. Hierzu werden kompakte und sehr empfindliche Hochgeschwindigkeits-Detektoren, welche bei Raumtemperatur funktionieren, dringend benötigt. Im Fachgebiet BHE liegt ein Forschungsschwerpunkt im Design und der Charakterisierung von Halbleiter THz Detektoren. Im Fokus liegt hier die Triple-Barrier Resonanztunneldiode (TB-RTD). Das Bauelement wird ohne Versorgungsspannung (Zero-Bias) betrieben, wodurch der Schaltungsaufwand verringert wird. Zudem wird hierdurch auf eine zusätzliche Rauschquelle verzichtet, wodurch das Gesamtrauschen verringert wird.
Systeme mit einer direkten Detektion, aufgebaut mit einer oder mehreren Dioden, haben die Vorteile einer großen Bandbreite und einem einfachen Schaltungslayout. Die RTD kann dabei in eine planare Schaltungstechnologie oder eine On-Chip Antenne integriert werden. Dies ermöglicht eine einfache Realisierung einer Array Architektur. Aus diesem Grund sind RTD basierte Detektoren für kompakte Systeme attraktiv.

Die fertige Detektor-Struktur besteht aus einer TB-RTD, welche monolithisch in eine On-Chip Antenne integriert wird. Dieser Chip wird im Anschluss auf einer hyper-hemisphärischen Siliziumlinse platziert, um die eintreffende Leistung des THz-Signals zu fokussieren. Dabei werden verschiedene Topologien von planaren Antennen verfolgt, mit dem Fokus auf eine möglichst breitbandige Signal-Detektion bei niedriger Eingangsleistung.
Bauelemente, welche auf dem resonanten Tunneln basieren, sind die kompaktesten und energieeffizientesten Halbleiterbauelemente welche bei THz-Frequenzen arbeiten. Dabei weist die Triple-Barrier Resonanz Tunnel Diode (TB-RTD) eine asymmetrische Strom-Spannungs-Charakteristik mit einer starken Nichtlinearität im Arbeitspunkt ohne angelegte Versorgungsspannung auf. Diese Eigenschaft macht die TB-RTD zu einem vielversprechenden Bauelement für hohe Effizienz und niedrige NEP (Noise-equivalent power) bei THz-Frequenzen, verglichen mit den gewöhnlich verwendeten III-V Halbleiter Schottky Barrieren Dioden.

GaN Nanodrähte

Nanodrähte

Nanodrähte sind Strukturen mit einem hohen Aspektverhältnis, aufgrund ihres Durchmessers im Bereich einiger zehn bis weniger hundert Nanometer bei einer Länge von meist mehreren Mikrometern. Ihre Herstellung erfolgt per „top-down“-Ansatz durch Ätzprozesse aus Kristallschichten oder per „bottom up“-Ansatz epitaktisch aus der Gasphase. Letzteres bietet den Vorteil, dass Gitterverspannungen innerhalb weniger Monolagen zu den Seitenfacetten des wachsenden Drahts hin entspannt werden können, wodurch Materialkombinationen möglich werden, die im herkömmlichen Schichtwachstum aufgrund großer Gitterfehlanpassung so nicht möglich sind. Hierdurch und durch weitere nanodraht-spezifische Mechanismen, entstehen weniger Defekte im Kristall und somit sind leistungsfähigere elektrische und elektro-optische Bauelemente potenziell realisierbar.
Nanodrähte weisen eine große Oberfläche im Verhältnis zu ihrem Volumen auf, was insbesondere bei der Anwendung als Solarzelle Vorteile hinsichtlich des Absorptionsvermögens bietet. Auch bei Sensoren ist die vergrößerte Oberfläche vorteilhaft. Weitere optoelektronische Anwendungsbeispiele sind Leuchtdioden oder Photodetektoren, aber auch schaltende Feldeffekt- und Bipolartransistoren oder Tunneldioden werden intensiv als Nanodraht-Strukturen erforscht. Unser Forschungsfokus liegt sowohl auf der Herstellung und Analyse von axialen und koaxialen pn-Übergängen im GaAs/InGaP Materialsystem, welche in der Erstdemonstration eines Nanodraht Heterostruktur-Bipolartransistors mündeten, als auch auf der Herstellung und Analyse schnell-schaltender (> 1GHz) GaN-basierten Nanodraht-LED Arrays auf Silizium. Durch die drei-dimensionale Nanodrahtgeometrie werden Kristallfacetten mit besonderen Eigenschaften zugänglich und es entsteht ein weiterer Freiheitsgrad zur Optimierung bestehender und Entwicklung zukünftiger Bauelemente.