Offene Arbeiten

– Ansprechpartner:

Thomas Wostatek (M. Sc.)
Dr.-Ing. Saskia Schimmel

– Beschreibung:
Nitrid-Halbleiter als Halbleiter großer Bandlücke spielen eine immer stärkere Rolle als Substratmaterial für leistungselektronische Bauelemente. Die ammonothermale Kristallzüchtung ist eine vielversprechende Züchtungsmethode für verschiedenste Nitrid Halbleiter-Materialien. Der Vorteil dieser Methode ist die Möglichkeit Kristalle mit sehr hoher struktureller Qualität herzustellen, sowie deren Skalierbarkeit simultan mehrere Kristalle zu züchten. In der Kristallzüchtung spielt die Technologieentwicklung eine entscheidende Rolle für die Prozessentwicklung, um Kristalle höherer Qualität (kristalline Perfektion, Reinheit usw.) zu erhalten. Eine Schlüsseltechnologie in diesem Bereich ist die Modellierung und Simulation des Kristallzüchtungsofens, um die Schlüsselparameter zur Steuerung des thermischen Feldes zu verstehen. Dies ermöglicht eine gezielte Optimierung der Ofenkonstruktion sowie der Betriebsparameter während des Kristallwachstums. In dieser Arbeit wird ein bestehendes numerisches Modell experimentell validiert. Der Schwerpunkt der Untersuchung liegt auf dem Temperaturfeld, insbesondere der Temperaturverteilung an der Reaktorwand (Autoklavenwand). Die experimentelle Validierung erfolgt über Thermoelemente an der Autoklavenwand und an verschiedenen Positionen in der Gasphase. Für die numerische Untersuchung wird die Multiphysik-Software CrysMAS (entwickelt vom Fraunhofer IISB) bereitgestellt. Abweichungen zwischen den experimentell gewonnenen Daten und den Simulationsergebnissen werden ausgewertet, um deren Ursachen zu verstehen. Gegebenenfalls wird das Modell angepasst. Anschließend werden die Vor- und Nachteile des untersuchten Konzepts (Ofen und dessen thermische Umgebung) mit anderen in der Literatur beschriebenen ammonothermalen Konfigurationen verglichen. Im letzten Schritt werden die Steuergrößen optimiert und mögliche neue Schritte in der Technologieentwicklung hin zu verbesserten Kristallwachstumsbedingungen abgeleitet.
Dieses Arbeitsprogramm kann auf die Art der Arbeit (BA, MA oder Forschungsprojekt) und den persönlichen Neigungen des Studierenden (z.B. Fokus auf numerischen oder experimentellen Methoden) zugeschnitten werden.

Was Du bei uns tust:
– Temperaturfeld Messungen am Kristallzüchtungs-Ofen
– Validierung des numerischen Modells an den Temperaturfeld Messungen
– Optimierung des numerischen Modells
– Benchmarking des Ofen Konzept

Was Du mitbringst:
– Studium der Computational engineering, Nanotechnologie, Physik, Materialwissenschaften, Elektrotechnik, Geowissenschaften oder eines vergleichbaren MINT-Faches
– Spaß an numerischen Simulationen, experimenteller Arbeit oder idealerweise beidem
– Selbstständige Arbeitsweise

ENGLISCHE VERSION

– Description:
Nitride semiconductors, as wide-bandgap semiconductors, are playing an increasingly important role as substrate materials for power electronic components. Ammonothermal crystal growth is a promising growth method for a wide variety of nitride semiconductor materials. The advantage of this method is the ability to produce crystals with very high structural quality, as well as its scalability to grow multiple crystals simultaneously. In crystal growth, technology development plays a crucial role for the process development, to obtain crystals of higher quality (crystalline perfection, purity, etc.). One key technology in this field is modelling and simulation of the growth furnace to understand the key parameters for controlling the thermal field. This allows for a targeted optimization of the furnace construction as well as the operating parameters during the crystal growth. In that work, an already existing numerical model will be experimentally validated. The focus of the study is the temperature field, in particular the temperature distribution on the reactor (autoclave) wall. The experimental validation will be conducted via thermocouples on the autoclave wall and at several positions in the gas phase. The multiphysics software CrysMAS (developed by Fraunhofer IISB) will be provided for the numerical study. Deviations between the experimentally obtained data and the simulation results will be evaluated, aiming for an understanding of their causes. If necessary, the model will be adapted. After that, the pros and cons of the investigated concept (furnace and thermal environment thereof) will be compared with other ammonothermal configurations found in the literature. The last step is then to optimize the control variables and to derive possible new steps in the technology development towards improved crystal growth conditions.

What you will do with us:
– Design and conduct of cleaning experiments
– Temperature field measurements at the crystal growth furnace
– Validation of the numerical model based on the temperature field measurements
– Optimization of the numerical model
– Benchmarking of the furnace concept

Your personality and skills:
– Studies in computational engineering, nanotechnology, physics, materials science, electrical engineering, geosciences, or a comparable STEM subject
– Enjoyment of numerical simulations, experimental work or ideally both
– Independent working style

– Ansprechpartner:

Maximilian Ley (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-519 , E-Mail: maximilian.ley@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Beschreibung:
Genaue Abstimmung des Themas erfolgt nach Rücksprache mit dem Kandidaten

Ziel:
– Bestimmung des spezifischen Widerstands ρ_C des p- und n- Kontaktes auf 4H-SiC
– Eine bessere Charakterisierung der Eigenschaften des Kontaktes durch Teststrukturen (z.B. TLM – Transfer Length Methode)

Aufgaben:
– Designvariationen: Erstellung und Modifikation verschiedener TLM-Designs (z.B. unterschiedliche Geometrien)
– Simulationen: Durchführung von elektrischen Simulationen mit Sentaurus TCAD
– Parameterstudien: Systematische Variation von Designparametern (z.B. Kontaktabstände, Kontaktgröße, …)
– Datenerfassung: Durchführung von Messungen an TLM-Strukturen
– Optimierung: Identifikation der optimalen Designparameter zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften der TLM-Strukturen

Anforderungen:
– Kenntnisse in Halbleiterphysik und -technologie
– Erfahrung mit Python
– (Erfahrung mit Simulationssoftware)

Die Abschlussarbeit bietet Dir spannende Einblicke in die kleine Welt der Halbleiter und die Möglichkeit praktische Erfahrungen in der wissenschaftlichen Arbeit der Halbleiterindustrie zu gewinnen. Dabei nutzt Du Simulationen als Werkzeug, um reale Herausforderungen in der Halbleiterwelt zu lösen.
Bei Fragen und Interesse kannst Du Dich sehr gerne per Mail bei mir melden und wir vereinbaren einen Termin.
Ansprechpartner: maximilian.ley@iisb.fraunhofer.de

– Ansprechpartner:

– Beschreibung:
Nitrid-Halbleiter als Halbleiter großer Bandlücke spielen eine immer stärkere Rolle als Substratmaterial für Bauelemente (z.B. Dioden, Transistoren) in leistungselektronischen Anwendungen, die mit gängigen Materialien (z.B. Silizium) nicht erschlossen werden können. Die ammonothermale Kristallzüchtung ist eine vielversprechende Züchtungsmethode um solche Nitrid Halbleiter-Materialien herzustellen. Der Vorteil dieser Methode ist die Möglichkeit Kristalle mit sehr hoher struktureller Qualität herzustellen, sowie deren Skalierbarkeit simultan mehrere Kristalle zu züchten.

Neben einer kleinen Gruppe relativ weit entwickelter Nitride (GaN und AlN, zwei wichtige Halbleiter großer Bandlücke) setzen wir den Fokus in unserer Arbeitsgruppe auch auf weitere Nitrid Halbleiter-Materialien, welche bisher kaum erforscht sind, jedoch vielversprechende Materialparameter haben (z.B. MgSiN₂, AlCrN etc.).

Für die Erforschung des Ammonothermalen Verfahrens verfügt unsere Arbeitsgruppe über weltweit einmalige Möglichkeiten zur in situ Beobachtung chemisch-physikalischer Prozesse in Hochdruckbehältern. Die Forschungsziele unserer Arbeitsgruppe sind:
• Materialherstellung,
• Materialcharakterisierung,
• Evaluation und Erprobung von Anwendungsmöglichkeiten in elektronischen Bauelementen
von Nitrid-Halbleiter-Kristallen.

Aufgrund des stark interdisziplinären Charakters des Forschungsgebietes entstehen hier vielfältige Mitwirkungsmöglichkeiten in Form von Bachelor oder Masterarbeiten nicht nur für Elektrotechniker, sondern auch für Studenten und Absolventen weiterer Fachrichtungen
(z.B.: Chemieingenieurwesen, Materialwissenschaften, Physik, Chemie, Advanced Materials and Processes, Geowissenschaften oder eines vergleichbaren MINT-Faches Materialwissenschaften).

Falls Du dich für einen oder mehrerer unserer Forschungsziele begeistern kannst oder Du dir vorstellen kannst deine Abschlussarbeit bei uns zu schreiben kannst Du dich gerne bei uns melden. Es hilft uns sehr, wenn Du uns deine Bewerbungsunterlagen gleich mitschickst.
Wir freuen uns von Dir zu hören!

Silizium Carbid (SiC) eignet sich u.a. wegen seiner großen Bandlücke außerordentlich gut für die Herstellung von elektrischen Bauelementen (z.B. Dioden, Transistoren und Sensoren) für den Einsatz in leistungselektronischen Anwendungen und den Betrieb in beanspruchenden Umgebungen (z.B. Strahlung, Temperatur), die mit gängigen Materialen (z.B. Silizium) nicht erschlossen werden können. Das Fraunhofer IISB hat gemeinsam mit der FAU eine SiC Bi-CMOS Technologie entwickelt, mit der Leistungsbauelemente mit typischerweise 1,2 kV Sperrspannung und hochtemperaturfähige Sensoren und integrierte Schaltungen für den Einsatz bei bis zu 600 °C hergestellt werden können.

Die Entwicklung dieser SiC Technologie bringt zahleiche Herausforderungen mit sich, aus denen sich Möglichkeiten für Abschlussarbeiten (Bachelor- und Masterarbeiten) in den folgenden Themenkomplexen ergeben:

SiC-CMOS-Technologie und -Bauelemente

– Ansprechpartner: Alexander May (E-Mail: alexander.may@iisb.fraunhofer.de)

– Motivation: Entwicklung von integrierten Schaltungen und Sensoren für Hochtemperaturanwendungen.

– Herausforderung: Grundsätzliche Realisierung von integrierten Schaltungen und Sensoren in SiC und Langzeitstabilität bei hohen Temperaturen.

SiC-Trench-MOSFET-Technologie und -Bauelemente

– Ansprechpartner: Maximilian Szabo (E-Mail: maximilian.szabo@iisb.fraunhofer.de)

– Motivation: Reduzierung der Verlustleistung und Verbesserung des Einschaltwiderstands (R_on) von MOSFETs mittels Integration von Grabenstrukturen.

– Herausforderung: Ätzen der Gräben mit anschließendem Verfüllen und Planarisieren zur Herstellung der Gate-Strukturen und der Gate-Elektrode.

SiC Überstromschutzschalter

– Ansprechpartner: Norman Böttcher (E-Mail: norman.boettcher@iisb.fraunhofer.de)

– Motivation: Konzeptionierung eines selbst-versorgten und selbst-auslösenden halbleiterbasierten Überstromschutzschalters.

– Herausforderung: Entwurf und physische Realisierung eines Konzepts mit konkurrenzfähigen Spezifikationen im Vergleich zum Stand der Technik.

Optische Materialcharakterisierung

– Ansprechpartner: Julien Körfer (E-Mail: julien.koerfer@iisb.fraunhofer.de)

– Motivation: Kenntnis über Schichtdicke und -zusammensetzung während des Herstellungsprozesses ist essenziell für korrekte Prozessierung.

– Herausforderung: Unbekannte Zusammensetzung oder hohe Oberflächen-rauhigkeit machen neue Charakterisierungsmethoden notwendig.

Elektrische Materialcharakterisierung

– Ansprechpartner: Julian Kauth (E-Mail: julian.kauth@iisb.fraunhofer.de)

– Motivation: Kenntnis über die Anzahl der tatsächlich vorhanden Ladungs-träger ist essenziell für die korrekte Modellierung von Bauelementen.

– Herausforderung: Ein nicht abschließend geklärter Effekt bei Aluminium-dotiertem SiC führt zu einer unerwarteten Reduzierung von Löchern.

Die skizzierten Themenkomplexe bedienen sich inhaltlich und methodisch aus den folgenden Aspekten:
– Modellierung von Bauelementen und Teststrukturen

• – Analytisch in Python oder Octave, zur Bestimmung der physikalischen Zusammenhänge und zur Feststellung von Kausalzusammenhängen.

– Numerisch in TCAD, zur Abschätzung der elektrischen, thermischen oder mechanischen Eigenschaften eines konkreten Bauelemententwurfs.

– Entwurf von Schaltungen und Teststrukturen

• – Entwurf und Simulationen analoger und digitaler Schaltungen in Spice oder Cadence.

– Entwurf der für den Herstellungsprozess verwendeten Fotomasken.

– Begleitung von Herstellungsprozessen im Reinraum

• – Planung der durchzuführenden Prozessschritte zur Herstellung der Proben und Durchführung von Kontrollschritten (z.B. Mikroskop, Reflektometer).

– Ggf. Einarbeitung in ausgewählte Anlagen im Reinraum zur Entwicklung benötigter Prozessschritte.

– Elektrische Charakterisierung von Bauelementen und Teststrukturen

• – Messungen der Strom-Spannungs- oder Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien bei höhten Temperaturen oder des Schaltverhaltens von Schaltern.

– Auswertung der Experimente hinsichtlich technologischer Fragestellungen (z.B. Ladungsträgerkonzentration, Zuverlässigkeit, Leistungskennzahlen).

Falls Du dich für einen konkreten Themenkomplex begeistern kannst oder Du dir vorstellen kannst, dass deine Abschlussarbeit einen der methodischen Schwerpunkte haben soll, schreib gern einen oder mehrere von uns an. Es hilft uns sehr, wenn Du uns deine Bewerbungsunterlagen gleich mitschickst.
Falls Dir mehrere Themen zusagen, können wir gern in einem Kennenlerngespräch gemeinsam herausfinden, welches am besten passt.
Wir freuen uns von Dir zu hören!

– Ansprechpartner:

Dr. Carsten Hellinger (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-590 , E-Mail: carsten.hellinger@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Beschreibung:
Niederohmige Kontaktübergänge sind die Grundlage für einen guten Wirkungsgrad von Leistungshalbleiter-bauelementen. Im Reinraum des LEBs, welcher zusammen mit dem Fraunhofer IISB genutzt wird, werden unter anderem Leistungshalbleiterbauelemente auf Siliziumkarbid-Basis prozessiert. Um eine stetige Entwick-lung der Technologie zu gewährleisten, wurden neue Anlagen zur Aufbringung von Metallen und zur Tempe-raturbehandlung der Metalle angeschafft, mit denen durch Einsilizidieren der Metallschichten Ohmkontakte auf Halbleiterbauelemente hergestellt werden können. Im Rahmen dieser Arbeit soll zunächst eine Literatur-recherche und anschließend eine Parameterstudie durchgeführt werden, mit dem Ziel, Verfahren zur Herstel-lung von nickelbasierten Ohmkontakten zu optimieren. Dabei dient die Herstellungstechnologie an den bisher verwendeten Anlagen als Referenz. In Testprozessen sollen zum einen die Metallisierungsparameter (wie z.B. die Schichtdicke und Schichtzusammensetzung) und zum anderen die Parameter bei der Temperaturbehand-lung der Metalle (wie Temperatur, Dauer und Atmosphäre) variiert werden. Die Ergebnisse der Testprozesse sollen anschließend charakterisiert und ausgewertet werden und die ermittelten Parameter auf Bauelemente aktueller Projekte angewendet werden.

– Ansprechpartner:

Dr. Sven Besendörfer (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-182 , E-Mail: sven.besendoerfer@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Beschreibung:
Das Halbleitermaterial Galliumnitrid (GaN) spielt auf Grund seiner großen Bandlücke eine zunehmend wichtige Rolle als Basismaterial für leistungselektronische Bauelemente wie zum Beispiel Transistoren. Entscheidend für die Abscheidung dazu notwendiger, funktionaler Bauelementschichten ist ein qualitativ möglichst gutes GaN-Substrat, das heißt das Vorhandensein einer möglichst geringen Dichte an Kristalldefekten, wie beispielsweise Versetzungen. Im Rahmen dieser Masterarbeit wird das Verfahren der Röntgentopographie (XRT) auf seine Anwendbarkeit zur Charakterisierung der Versetzungsdichte von HVPE-GaN untersucht. Dazu wird zunächst eine systematische Variation von Messparametern durchgeführt und deren Auswirkungen auf die Sichtbarkeit von Versetzungsstrukturen in den mittels XRT aufgenommenen Bildern evaluiert. Auf Basis dieser Ergebnisse werden Ätzexperimente durchgeführt, welche eine lokale Bestimmung der expliziten Versetzungsdichte erlauben. Im direkten Vergleich beider Methoden wird geprüft, ob sich eine Kalibrierkurve erstellen lässt, welche es erlaubt, die Versetzungsdichte allein mittels XRT zu bestimmen.

Was Du bei uns tust
– Durchführung von röntgentopographischen (XRT) Messungen und nasschemischen Ätzversuchen an GaN-Proben
– Untersuchung des Zusammenhangs von Messparametern mit der Sichtbarkeit von Versetzungsstrukturen in XRT-Topogrammen
– Vergleich der gemessenen XRT-Topogramme mit den Ergebnissen der Ätzversuche und Evaluierung der Möglichkeit der Erstellung einer Kalibrierkurve
– Umfassende und detaillierte Auswertung mittels programmatischen Ansatzes sowie regelmäßige Präsentation im Team

Was Du mitbringst
– Studium der Physik, Materialwissenschaften, Nanotechnologie, Geowissenschaften oder eines vergleichbaren MINT-Faches
– Spaß an experimenteller Laborarbeit sowie Datenauswertung/-analyse
– Grundkenntnisse in Python oder Mathematica und Bereitschaft, sich tiefergehend einzuarbeiten
– Idealerweise Grundkenntnisse in Röntgenbeugung
– Selbstständige und sehr sorgfältige Arbeitsweise