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Abgeschlossene Arbeiten

2020

Vergleich der effektiven Permeabilität und Verlustleistung weichmagnetischer Polymerkomposite (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Tobias Stolzke (M. Sc.)
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Im Rahmen des Klimawandels rückt die Bedeutung des Wirkungsgrades von leistungselektronischen Schaltungen und Systemen in den Vordergrund. Dabei herrscht großes Potenzial bei der Optimierung der Effizienz passiver Bauelemente, die in der Leistungselektronik unter anderem in Form von induktiven Komponenten eingesetzt werden. Des Weiteren steigt der Bedarf an innovativen Spulenkerngeometrien mit zunehmender Systemminiaturisierung, was ebenfalls mit einer Erhöhung der Leistungsdichte einhergehen sollte. Weichmagnetische Polymerkomposite nehmen in der Leistungselektronik an Beliebtheit zu, weil sie bekannt für ihre geringen Kernverluste sind und innovative Kerngeometrien ermöglichen. Diese weichmagnetischen Polymerkomposite sollten jedoch vor ihrer Anwendung charakterisiert und auf ihre magnetischen Eigenschaften untersucht werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden weichmagnetische Polymerkomposite als Ringkerne mit unterschiedlichen Ferritmaterialien auf die Kernverluste und effektive Permeabilität durch zahlreiche Messungen untersucht. Dabei wurden die Kernverluste und die effektive Permeabilität in Abhängigkeit unterschiedlicher Flussdichteaussteuerungen und Signalfrequenzen analysiert und miteinander verglichen. Diese Ringkerne, deren Ferritmaterial mit dem Polymer Polydimethylsiloxan gemischt wurde, wurden unter anderem mit einer kommerziell hergestellten, gepressten Ringkernprobe verglichen. Des Weiteren wurde ein Großsignalmessplatz und kommerzieller Messplatz zur Messung der Kernverluste eines Ringkerns miteinander verglichen und mögliche Ursachen für die Ergebnisse diskutiert. Die Arbeit wird mit der Präsentation und Diskussion der Neukurven der Ringkerne abgerundet und wird mit einem Literaturverzeichnis zu ähnlichen Werken und Veröffentlichungen auf diesem Forschungsgebiet ab.

Fatih Yüksekkaya
Simulation der effektiven Permeabilität weichmagnetischer Polymerkomposite (SMC) (Masterarbeit)

Betreuer:

Tobias Stolzke (M. Sc.)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

In dieser Arbeit wird der Einfluss der magnetischen Flussdichte und der Partikelgröße auf die effektive Permeabilität weichmagnetischer Polymerkomposite anhand von Simulationsmodellen und Messungen untersucht. Die wichtigsten Elemente aus der Magnetostatik, die magnetischen Eigenschaften sowie die Gitterstruktur von Metallen und die Finite-Elemente-Methode zur Lösung komplexer Gleichungssysteme werden einleitend vorgestellt. Es folgen Informationen über den Messplatz, die Aufnahme der Messergebnisse sowie über den Aufbau verschiedener Simulationsmodelle in COMSOL Multiphysics, welche auf der Gitterstruktur von Metallen basieren. Die Auswertung der Simulationsergebnisse zeigt einen Anstieg der effektiven Permeabilität der Kugelmodelle mit steigender, konstanter Partikelpermeabilität bis zu einem Grenzwert von 30 für die kubisch flächenzentrierte Kugelpackung bei einer Partikelpermeabilität von 10000. Den Einfluss der magnetischen Flussdichte auf die effektive Permeabilität der Kugelmodelle macht die Simulation bei der Partikelpermeabilität aus Materialdaten deutlich. Dafür werden die Materialdaten eines Ringkerns aus Vollmaterial MF 102 vermessen. So steigt beziehungsweise sinkt die effektive Permeabilität der Kugelmodelle größtenteils entsprechend des Verlaufs der gemessenen Materialpermeabilität mit der magnetischen Flussdichte. Diese Untersuchungen zeigen, dass neben dem Volumenfüllfaktor sowohl die Lage und Anordnung der Partikel, als auch die Anzahl der Berührpunkte der Partikel in einem Modell die effektive Permeabilität der Kugelpackungen beeinflusst. Mithilfe weiterer Modelle mit konstanter Größe der Einheitszelle und bei nichtlinearen Materialdaten kann ein Abfallen der Permeabilität bei Verringerung der Partikelgröße verdeutlicht werden. Die Messwerte der Amplitudenpermeabilität von drei Ringkernproben mit unterschiedlichen Partikelgrößen liegen im Vergleich zu den Simulationsergebnissen für die effektive Permeabilität der Kugelmodelle deutlich geringer. Mithilfe eines Simulationsmodells mit Partikeln unterschiedlicher Größe folgt die Erkenntnis, dass bei Vorhandensein unterschiedlich großer Partikel, wie es auch in den Proben vorkommt, die Permeabilität des Models verringert wird. Abschließend werden Ungenauigkeiten in den Simulationsergebnissen bei einer hohen magnetischen Flussdichte ab etwa 400 mT sowie bei zu grober Netzeinstellung festgestellt. Die Simulationsergebnisse und die Erkenntnisse aus den Untersuchungen für eine magnetische Flussdichte über 400 mT lassen sich jedoch auch bei geringerer magnetischer Flussdichte bestätigen. Die Ergebnisse sind daher zuverlässig.

Lisa Horter
Optimierung eines gedruckten ionenselektiven Sensors zur Bestimmung von Nitrationen (Bachelorarbeit)

Betreuer: Dr. Oertel, Susanne (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-138 , E-Mail: susanne.oertel@iisb.fraunhofer.de)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein optimierter, ionenselektiver Sensor zur Bestimmung von Nitrationen hergestellt. Die Sensoren werden im Vorfeld mit dem Siebdruck-Verfahren gedruckt. Vier Arbeitselektroden und eine Referenzelektrode bilden die Grundlage des ionenselektiven Sensors. Die Sensitivität des Sensors gegenüber einem Zielion (Primärion) wird mithilfe der ionenselektiven Membran der Arbeitselektrode aktiviert. Die Membran besteht aus Leitsalz, Ionophor, Weichmacher und Polymer. Das Ziel dieser Arbeit ist es eine selbst zusammengestellte Membran-Mischung herzustellen, die zu einem funktionsfähigen Nitrat-Sensor führt. Dafür werden in erster Linie die unterschiedlichen Weichmacher Dibutylsebacat (DBS), Dioctylsebacat (DOS) und 2-Nitrophenyloctyl Ether (NPOE) getestet und das richtige Mischungsverhältnis gesucht. Ist dieses gefunden, können mittels der Potentiometrie die Sensoren erstmals auf ihre Sensitivität getestet werden. Bei einer potentiometrischen Messung in Standardlösungen wird die Potentialdifferenz zwischen der Arbeitselektrode und der Referenzelektrode gemessen. Diese wird als elektromotorische Kraft (EMK) bezeichnet und ergibt aufgetragen nach der Konzentration eine Kalibrierkurve. Anhand dieser kann die Konzentration einer unbekannten Probe bestimmt werden. Mit der Nernst’schen Gleichung für das Elektrodenpotential werden die Kalibrierkurven aller Sensoren quantifiziert. Als Richtlinie dient dabei die vorgegebene ideale Steigung von – 59,16 mV/Dek für einwertige Ionen. Die ersten Sensoren mit der optimierten Membran-Zusammensetzung erreichen vorerst keine Nernst’sche Steigung. Aus diesem Grund werden die Sensoren vorkonditioniert. Sie werden über einen bestimmten Zeitraum in ihrer Primärion-Lösung eingelegt und im Anschluss gemessen. Die Zeiträume entsprechen einer Stunde, ca. 24 Stunden sowie drei Tagen. Die letzte Variante wird mittels der Kurzschluss-Methode durchgeführt, bei der die Elektroden miteinander kurzgeschlossen werden. Nach umfangreichen Messungen ergibt sich für die Einlege-Methode eine Steigung von – 53,31 mV/Dek und für die Kurzschluss-Methode – 52,19 mV/Dek. Das Einlegen für eine Stunde stellt sich als nicht optimal heraus. Für die Langzeitstabilität der Sensoren führt eine Vorkonditionierung zu einer deutlichen Verbesserung. Neben der Sensitivität wird auch die Selektivität der Sensoren untersucht. Der Selektivitätskoeffizient gibt dabei Informationen darüber, wie selektiv ein Sensor gegenüber einem anderen, ähnlichen Ion in Ladung und Größe ist. Für Nitrat stellt Chlorid das Störion dar. Mithilfe der Methode der konstanten Störionenaktivität sowie der Methode der getrennten Lösungen werden unterschiedliche Sensoren in Standardlösungen mit Chloridionen gemessen und aus der Kalibrierkurve wird der Selektivitätskoeffizient berechnet. Während dieser Messungen wird klar, dass die Referenzelektrode kein konstantes, konzentrationsunabhängiges Potential bei der Anwesenheit von Störionen liefert. Dies hat erheblichen Einfluss auf die potentiometrische Antwort der Sensoren. In Hinblick auf die geplante Anwendung der Sensoren in der Landwirtschaft zur Detektion des Nitratgehalts werden die Sensoren abschließend mit realen Bodenproben getestet.

Julide Avci
Untersuchung eines Konzeptes zur Herstellung von flexiblen Substraten mittels Inselstrukturierung in starre Substratoberflächen (Masterarbeit)

Betreuer:

Daniel Joch (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-198, E-Mail: daniel.joch@iisb.fraunhofer.de)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

In dieser Arbeit wird ein Konzept zur Herstellung eines flexiblen Substrates für die Verwendung als Trägermaterial einer Backplane von elektronischen Displays unter-sucht. Dazu werden Inseln aus einkristallinem Silizium in einer Matrix aus Divinylsilo-xanbenzocyclobuten (BCB) verwendet. Membranen mit verschiedenen Größen und Dicken der Inseln, sowie Variationen der dazwischenliegenden Grabenbreite werden betrachtet. In Finite-Element-Analysen (FEA) zeigen sich deutliche Reduktionen der mechanischen Spannungen auf den Inseloberflächen. Die praktische Umsetzung des Konzeptes erfolgt durch Prozesse der Halbleiterstrukturierung wie lithographischen, trockenchemischen und nasschemischen Prozessen. Dabei zeigen sich Probleme auf-grund thermischer Spannungen, die durch unterschiedliche thermische Ausdehnungs-koeffizienten der verwendeten Materialien entstehen. Eine Methode zur Bestimmung eines kritischen Biegeradius wird vorgestellt.

Johannes Zeltner
Experimentelle Untersuchungen zum Einfluss dynamischer Faktoren auf das Betriebsverhalten eines LOHC-basierten Energiespeichers (Masterarbeit)

Betreuer:

Geiling, Johannes (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-488 , E-Mail: johannes.geiling@iisb.fraunhofer.de)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Die Versuchsanlage am Fraunhofer IISB wird mit dem Trägermaterial Dibenzyltoluol – Perhydrodibenzyltoluol (H0-DBT – H18-DBT) betrieben. Der oneReakcor dient sowohl der Wasserstoffaufnahme während der Hydrierung als auch der Wasserstofffreisetzung während der Dehydrierung. Der Großteil der Lastwechsel wurde durch eine Anpassung des LOHC Feed Stromes eingeleitet. Hierbei wurde deutlich, dass die Hydrierung relativ dynamisch reagiert und sich bereits nach 5 – 10 Minuten ein neuer stationärer Punkt einstellt. Ein merklicher Einfluss verschiedener Parameter, wie dem Hydriergrad, auf die Dauer des Lastwechsels konnte dabei nicht festgestellt werden. Somit weisen Lastwechsel mit einer hohen Leistungsdifferenz eine stärkere Dynamik bezogen auf die H2-Leistung auf. Das dynamische Verhalten der Anlage während der Dehydrierung wies hingegen eine deutliche Trägheit auf. So dauerte es zwischen 20 und 120 Minuten, bis ein Lastwechsel vollzogen war. Bislang konnte kein Einfluss der Betriebsmodi selbst auf das Verhalten ermittelt werden. Viel entscheidender zeigte sich, dass die Dauer mit der Leistungsspanne des Lastwechsels anstieg. Somit dauerten die Lastwechsel mit einer hohen Leistungsdifferenz deutlich länger.
Die energetische Bilanzierung der Anlage zeigte im Speziellen, dass trotz der exothermen Hydrier-Reaktion, ein nicht unerheblicher Energiebedarf für die Vorwärmung des LOHCs und die Deckung von Verlusten durch externe Heizungen bereitgestellt werden muss. Ferner wurde der negative Einfluss des Thermostat-Schwingverhaltens auf die Bilanz beleuchtet. Die Auswertungen zeigen auch den positiven Einfluss eines Bypasses auf die Dauer und den Energiebedarf während der Aufheizphase. Auch während der Dehydrierung wird, zusätzlich zur Reaktionswärme, Energie für die Vorwärmung des LOHCs und zur Deckung von Umgebungsverlusten benötigt. Wegen der deutlich höheren H2 Freisetzung bei gleichzeitig nur minimal höherem Energiebedarf erzielte der Upflow Betrieb eine deutlich bessere Effizienz als der Downflow Betrieb. Die Betrachtung der Temperaturprofile im Reaktionsrohr zeigte den deutlichen Einfluss des Edukt-Hydriergrades und des LOHC Feed Stromes während der Hydrierung. Bei der Dehydrierung war der positive Einfluss des sehr konstanten und hohen Temperaturprofils im Upflow Betrieb auf die H2 Freisetzung, besonders bei hohen LOHC Feed Strömen, ersichtlich.  

Roman Seyfried
Untersuchung des Potentials von Elektrofahrzeugen zur Lastspitzenreduzierung in einem Industriebetrieb anhand von Simulationen (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Öchsner, Richard(FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-116 , E-Mail: richard.oechsner@iisb.fraunhofer.de)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Elektrofahrzeuge breiten sich auf dem Fahrzeugmarkt immer weiter aus. Die wachsende Anzahl von Elektrofahrzeugen wirft die Frage auf, ob und wie die Stromspeicher der Fahrzeuge zusätzlich genutzt werden können, wenn die Fahrzeuge an eine Ladesäule angeschlossen sind. Diese zusätzliche Nutzung ist besonders deshalb attraktiv, da PKW lange Standzeiten haben. Einige Vorschläge sind eine Nutzung der Fahrzeuge zur Stabilisierung des öffentlichen Netzes oder eine Nutzung als Notstromaggregat für Privathaushalte. In dieser Arbeit wird untersucht, wie gut sich die Stromspeicher der Fahrzeuge für die Reduzierung von Lastspitzen in Industriebetrieben eignen. Hierfür werden Simulationen in MATLAB durchgeführt. Es wird ein Modell für Fahrzeugbatterien sowie ein Algorithmus zur Verwaltung der Batterien entwickelt.
Die Betrachtung des Stands der Technik ergibt, dass viele Voraussetzungen für die effektive Nutzung von Elektrofahrzeugen als Stromspeicher noch nicht erfüllt sind. Besonders die Fähigkeit zum bidirektionalen Laden ist nur bei wenigen Fahrzeugen und Ladesäulen gegeben. Die benötigten Technologien werden jedoch bereits entwickelt oder erforscht. Mithilfe der Simulation, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wird, soll das Potential der Nutzung von Fahrzeugen in Lastspitzenreduktionen untersucht werden. Hierfür werden zwei verschiedene Szenarien angenommen. Das erste Szenario umfasst die rein geschäftliche Nutzung von Fahrzeugen am Fraunhofer IISB. Das zweite Szenario umfasst die teilweise private Nutzung von Fahrzeugen in einem Industriebetrieb. In beiden Szenarien können erfolgreich Spitzenlasten um 5 bis 14 % reduziert werden. Als wichtigster Faktor für die Lastspitzenreduktion stellt sich die Anwesenheit der Fahrzeuge im Unternehmen in Kombination mit der zeitlichen Verteilung von Spitzenlasten heraus. Ein Vergleich von statischen Betrachtungen und zeitlichen Simulationen zeigt die Notwendigkeit von Simulationen für die Vorhersage der Ergebnisse einer Lastspitzenreduktion mit Fahrzeugen.

Felix Schofer
Technology Computer Aided Design (TCAD) Modelling and Simulation of SiC Devices and Circuits (Masterarbeit)

Betreuer:

Christian Martens (M. Sc.)
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) auf 4H-Siliziumcarbid stellen aufgrund ihrer Vorteile im Hochtemperatureinsatz gegenüber Silizium eine potenzielle Alternative für den Einsatz unter rauen Bedingungen dar. Allerdings befindet sich die Technologie im Bereich lateraler Transistoren im Gegensatz zu vertikalen Leistungshalbleiterbauelementen noch in den Anfängen. Ausgehend von einem vorliegenden geometrischen Modell wird mittels technology computer-aided design (TCAD) die Simulation von Kennlinien für n- und p-Kanal MOSFETs durchgeführt, um diese an die elektrischen Eigenschaften realer Bauelemente eines Prozesses anzupassen. Nach einer Vorstellung der Verfahrensweise von TCAD werden die nötigen physikalischen Modelle mit ihren Parametern und deren Auswirkung diskutiert. Sowohl für n- als auch p-Kanal MOSFETs wird eine gute Übereinstimmung von Simulation und Messung erreicht. Die dafür nötigen Anpassungen im Modell bestätigen eine große Anzahl an Zuständen an der Halbleiter-Oxid-Grenzfläche. Diese dominieren die Beweglichkeiten von Elektronen und Löchern im Kanal. Eine Analyse der Zusammensetzung der Gesamtbeweglichkeit für n-Kanal MOSFETS zeigt eine dominante Begrenzung durch Streuung an geladenen Grenzflächenzuständen und einen weniger prägnanten Einfluss durch Streuung an Rauigkeiten der Halbleiter-Oxid-Grenzfläche für hohe Gate-Source-Spannungen. Für p-Kanal MOSFETs spielt zusätzlich die deutlich geringere Substratbeweglichkeit von Löchern in 4H-SiC eine limitierende Rolle. Die Einsatzspannung für NMOS-Bauelemente wird im Bereich unter 1 V eingeordnet. Dies ist auf die starke Ladungsträgerkompensation in Aluminium implantierten Schichten mit bis zu 80 % zurückzuführen. Im Gegensatz dazu liegt die Einsatzspannung für PMOS-Bauelemente bei ca. -7 V bis -8 V. Ursache hierfür ist, dass in Stickstoff implantierten Substraten kaum Kompensation auftritt und eine zusätzliche Verschiebung durch positive Grenzflächenladungen vorliegt. Diese werden einer Einlagerung von Stickstoff durch die stickstoffreiche Atmosphäre beim Ausheilen des Gateoxids zugeschrieben. Die Anpassung von Ausgangskennlinien zeigt, dass eine Veränderung der Parameter der Beweglichkeit aufgrund von Coulomb-Streuung mit der Drain-Source-Spannung nötig ist. Dies wird mit einem steigenden Einfluss des Drainpotenzials auf Grenzflächenzustände und freie Ladungsträger begründet. Es folgt eine Prognose auf Basis der in dieser Arbeit entwickelten Modelle für die Eigenschaften eines neuen n-Kanal MOSFETs. Dieser stammt aus einem verbessertem Prozess. Mithilfe eines Vergleichs zwischen Prognose und Messergebnis wird die Qualität der Prognose eingeschätzt. Abschließend wird die Möglichkeit der Schaltungssimulation in TCAD anhand zweier Schaltungen untersucht. Als Beispiel für Logik wird ein CMOS-Inverter mit den MOSFET-Modellen aus dieser Arbeit simuliert. Zusätzlich wird ein Stromspiegel bestehend aus drei n-Kanal MOSFETs simuliert und die erhaltenen Ströme werden diskutiert.

Metal–oxide–semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) in 4H-silicon carbide (SiC) are gaining importance as potential alternative to silicon devices especially for applications under rough conditions due to their adavantages at high temperatures. In contrast to vertical power devices lateral transistors are still in an early evolutionary step. Starting from an existing geometrical model, the simulation of characteristics of n- and p-channel MOSFETs is implemented by technology computer-aided design (TCAD). Goal of the simulation is to proof that simulated electrical parameters match with those measured with real devices fabricated at the chair of electron devices of the university erlangen-nürnberg. After an introduction of TCAD working principles the required physical models and their respective parameters are elaborated on. For both n- and p-channel devices the expected match of simulation and measurement is achieved and proven by experimental results. The adaptions of the simulation model show a large density of states at the semiconductor-oxide-interface. These states influence the mobilites of electrons and holes in the channel region. An analysis of the composition of the total mobility of n-channel devices shows a dominating limitation caused by scattering at charged interface states and to a lesser degree scattering by surface roughness at higher gate-source voltages. For p-channel MOSFETs the much lower bulk mobility of holes was taken into account. The threshold voltage of NMOS devices is in the range below 1 V. Reason for this is mainly a strong compensation of charge carriers in aluminum implanted layers of up to 80 %. In contrast the threshold voltage of PMOS devices is about -7 V to -8 V. This is based upon little charge compensation in nitrogen implanted substrate and the large negative voltage shift has its root in a large density of positive interface charges. These charges are attributed to the incorporation of nitrogen because of a nitrogen rich atmosphere during annealing of the gate oxide. The adjustment of output characteristics reveal a necessary change of parameters relevant to coulomb mobility in accordance with a variation of drain-source voltage. As a matter of fact a rising impact of drain potential on the interface states and free carriers is considered. Subsequently a prediction of transfer characteristics for a n-channel MOSFET from an improved process is realized based on models developed in this work. The results of this prognosis are compared to experimental outcomes in order to evaluate the quality of prediction. Finally a circuit simulation in TCAD is examined for two circuits. At first a CMOS inverter is simulated by applying the developed 4H-SiC MOSFET models. The simulated characteristic exhibits asymmetric behavior resulting from the different values of threshold voltages. As a second circuit a current mirror composed of three n-channel MOSFETs is investigated and the simulated currents are discussed.

Julian Schwarz
Untersuchung des Einflusses der p-Wannenregion auf die Sperreigenschaften von 4H-SiC VDMOS Transistoren (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Schlichting, Holger (FHG-IISB, Tel.09131 / 761-628, Email: holger.schlichting@iisb.fraunhofer.de)
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Bei den VDMOS-Transistoren handelt es sich um leistungselektronische Bauelemente, die zum Leiten und Sperren von großen elektrischen Strömen und Spannungen eingesetzt werden. Diese können auf der Basis von Siliziumkarbid hergestellt werden, welches zu den wide-bandgap-Materialien zählt und für den Einsatz in der Leistungselektronik vielversprechende Eigenschaften aufweist.
In dieser Arbeit wird an 16 verschiedenen Designs von 4H-SiC-VDMOS-Transistoren untersucht, welchen Einfluss die p-Wannenregion auf die Sperrfähigkeit der Transistoren ausübt. Dafür werden zunächst Aufbau, Funktionsweise und Herstellung der Bauelemente beschrieben. Es werden mögliche Ursachen für das Versagen der Transistoren vorgestellt.
Die Sperreigenschaften jedes Designs werden anhand von I-V-Messungen und statistischen Grafiken analysiert. Das Verhalten der Designs wird untereinander verglichen und anhand der auftretenden Verläufe und der zugrundeliegenden Zelleneigenschaften werden die möglichen Durchbruchmechanismen zugeordnet. Dabei wird insbesondere der Einfluss der JFET-Weite und der Kanallänge analysiert. Es wird zudem erklärt, wie die Beobachtungen mit den Overlaydaten, die bei der Herstellung der Bauteile aufgezeichnet werden, zusammenhängen. Anhand von verschiedenen Graphen wird die Korrelation zwischen Kanallänge und Sperrspannung veranschaulicht. Die Ergebnisse werden anhand von elektrischen Messungen überprüft.
Abschließend wird durch das Vergleichen der Defektdichten der Designs, bei denen die Kanallänge nicht für das frühzeitige Versagen des Bauteils verantwortlich ist, der Einfluss von Defekten in der Epitaxieschicht untersucht.

Bastian Zollet
Analyse stromloser Abscheidung von Gold-Nanopartikeln auf freistehenden 2D-Membranen (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Birk Fritsch (M. Sc.)
Dr.-Ing. Andreas Hutzler
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

In dieser Arbeit wurde die Abscheidung von Gold-Nanopartikeln aus HAuCl4-Lösungen auf freistehenden Graphen- und hexagonalen Bornitrid-Schichten in Abhängigkeit der Lösungskonzentration, der Reaktionsdauer und der 2D-Membran untersucht. Mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops wurde der Einfluss dieser variierten Prozessparameter quantifiziert. Durch die Entwicklung einer Auswertungsroutine konnten die Ergebnisse statistisch erfasst und ausgewertet werden. Somit konnten die Prozessparameter in einigen Bereichen eingegrenzt werden, um eine geeignete Probe für eine weiterführende Untersuchung der Zusammensetzung herzustellen.

Manuel Konrad
Simulationsbasierte Untersuchungen zur Auslegung und dynamischen Betriebsführung von LOHC-Systemen mit Brennstoffzelle und Batterie (Masterarbeit)

Betreuer:

Geiling, Johannes (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-488, E-Mail:johannes.geiling@iisb.fraunhofer.de)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Kurzzusammenfassung
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Erweiterung eines in MATLAB/Simulink implementierten Simulationsmodell eines Liquid-Organic-Hydrogen-Carrier (LOHC)-Hybridsystems. Dieses besteht aus Dehydrierreaktor, Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzelle und Lithium-Ionen-Batterie. Ziel ist es, in dem System einen intelligenten Steuer- und Regelungsalgorithmus zur dynamischen Betriebsführung eines Zugantriebssystems zu implementieren. Hierfür wird ein MATLAB Skript zur Berechnung eines Schienenverkehr-Lastprofils auf Basis streckenabhängiger Daten erstellt. Der ermittelte prognosebasierte Leistungsverlauf eines Tageszyklus wird anhand einer Vorsteuerung an die Trägheit und Leistung der Dehydrierreaktor-Brennstoffzelleneinheit angepasst. Weitere modellierte Komponenten sind ein PI-Regelkreis zur Regelung des Druckes innerhalb des freien Systemvolumens sowie die Ermittlung eines Faktors zur Anpassung der Reaktorsollleistung an den Ladezustand der Batterie.
Auf Basis einer Literaturrecherche werden drei Betriebsstrategien (statisch, dynamisch, gemischt), welche vorwiegend die Dynamik und Dimensionierung der Komponenten Dehydrierreaktor, Brennstoffzelle und Batterie betreffen, definiert. Mittels simulationsbasierter Untersuchungen wird das Regelverhalten des Systems auf Einhaltung der komponentenbedingten Systemgrenzen und Abdeckung des Soll-Lastprofils, der Brennstoffzelleneffizienz sowie des Ladezustandsverlaufs der Batterie analysiert.
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der Steuer- und Regelalgorithmus in der Lage ist, bei allen drei Betriebsstrategien den vorgegebenen Leistungsverlauf vollständig abzubilden. Hierbei werden keine Systemgrenzen über- beziehungsweise unterschritten. Zudem stellt sich heraus, dass die Brennstoffzelleneffizienz bei hoher Dynamik aufgrund weniger Betriebszeiten nahe ihrer Maximalleistung bessere Werte erzielt als bei geringerer Anzahl an Lastwechseln (im Schnitt 59 % zu 54 % Wirkungsgrad). Die Implementierung einer Reaktorsollleistungsregulierung in Abhängigkeit des Batterie-Ladezustands zeigt eine gute Möglichkeit, die Batteriekomponente innerhalb ihrer Systemlimitierung zu verwenden. Allerdings erzeugt die Leistungsregulierung ein stark fluktuierendes Verhalten des Dehydrierreaktors, was die Notwendigkeit einer Strategieoptimierung zur Leistungsanpassung an den Ladezustand verdeutlicht.

Thomas Schötz
Einfluss von Oberflächeneigenschaften auf die Korrosion von leistungselektronischen Schaltungsträgern – Vergleich von PCB und DCB Substraten (Masterarbeit)

Betreuer:

Zimmermann, Victoria (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-638 , E-Mail: victoria.zimmermann@iisb.fraunhofer.de)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Elektronische Systeme werden durch ihre vielfältigen Einsatzbereiche immer stärker wech-selnden Umwelteinflüssen ausgesetzt. Dadurch treten verstärkt elektrochemische Degradati-onsmechanismen auf, die zum Versagen der Systeme führen können. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, durch ein detaillierteres Verständnis des Einflusses von Oberflächeneigen-schaften neue Erkenntnisse über die Korrosion von leistungselektronischen Schaltungsträgern zu generieren. In Zukunft sollen dadurch gegenüber Umwelteinflüssen noch robustere leistungselektronische Module entwickelt werden können. Hierfür wurden leistungselektronische Schaltungsträger, wie PCBs (printed circuit boards) und DCB-Substrate (direct copper bon-ded), hinsichtlich ihres Dendritenwachstums untersucht und verglichen.
Im ersten Teil der Arbeit werden die Materialeigenschaften durch die Messung des Kontaktwinkels und der Rauigkeit der einzelnen Substratmaterialien dargelegt. Diese Messungen stellen die Grundlagen für die im zweiten Teil durchgeführten Experimente dar. Mit der Kenntnis über die Eigenschaften lassen sich die ablaufenden Mechanismen einordnen und bewerten.
Für den zweiten Teil dieser Arbeit wurden zwei Hauptexperimente durchgeführt. Zum einem der Wassertropfenversuch, welcher ein Experiment zur Darstellung der ablaufenden Mecha-nismen während des Dendritenwachstums ist. Hierbei werden die Entstehung, die Initialisie-rungsdauer, die Ausfallzeit sowie Wachstumsphase der Dendriten dokumentiert und unter-sucht. Für die Durchführung wurde destilliertes Wasser und Schwefelsäure als Elektrolyt ver-wendet. Darüber hinaus wurden Kondensationsversuche durchgeführt, bei welchen klimatische Bedingungen für die Kondensation von Feuchtigkeit auf den Schaltungsträgern simuliert wurden. Hierfür wurde zunächst ein Teststand konzeptioniert, um eine gezielte Betauung zu realisieren. Weiter wurde eine Regelung entworfen, wodurch die Oberflächentemperatur der Substrate aufgezeichnet und die Dynamik des Systems erhöht werden kann. Dadurch konnte die Entstehung der Tropfen auf dem Substrat analysiert, sowie auf deren Entstehungspositio-nen und Verteilung eingegangen werden. Abschließend wurde das Dendritenwachstum in Hinblick auf den Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit des Dendrit-Elektrolyt-Systems hin untersucht.

Abstract:

Electronic systems are increasingly exposed to changing environmental influences due to their diverse areas of application. As a result, electrochemical degradation mechanisms are increas-ingly occurring, which can lead to system failure. The present work aims to generate new knowledge about the corrosion by a more detailed understanding of the influence of surface properties of power electronic circuit carriers. In the future, it should be possible to develop power electronic modules that are even more robust against environmental influences. For this purpose, power electronic circuit carriers such as PCBs (printed circuit boards) and DCB substrates (direct copper bonded) were investigated and compared concerning their dendrite growth.
In the first part of the thesis, the material properties are presented by measuring the contact angle and the roughness of the individual substrate materials. These measurements form the basis for the experiments conducted in the second part. With the knowledge about the surface properties, the mechanisms involved can be classified and evaluated.
For the second part of this thesis, two main experiments were performed. One is the water drop experiment, which is an experiment to show the mechanisms during dendrite growth. Here, the development, the initialization duration, the downtime, and the growth phase of the dendrites are documented and examined. Distilled water and sulfuric acid as electrolyte were used for the experiment. Also, condensation experiments were carried out, in which climatic conditions for the condensation of moisture on the circuit carriers were simulated. For this purpose, a test stand was first constructed to realize a targeted dew formation. Furthermore, a control system was designed, which allows the surface temperature of the substrates to be recorded and the dynamics of the system to be increased. Thus, the formation of the droplets on the substrate could be analyzed, and their positions of formation and distribution could be investigated. Finally, the dendrite growth was investigated about its influence on the electrical conductivity of the dendrite-electrolyte system.

Tamara Reck
Atomlagenabscheidung und Charakterisierung von kristallinem Bornitrid zur Anwendung als 2D-Isolatormaterial (Masterarbeit)

Betreuer:

Dr.-Ing. Andreas Hutzler
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Ziel vorliegender Arbeit war die Abscheidung von hexagonalem Bornitrid (hBN) mithilfe plasmaunterstützter Atomlagenabscheidung (PEALD) auf geheizten Substraten. Als Borquelle wurde der Präkursor Triethylboran (TEB) eingesetzt. In einem ersten Schritt wurde die Herstellung passender Substrate untersucht. Aufgrund der geringen Gitterfehlanpassung von Nickel (111) und Kupfer (111) zu hexagonalem Bornitrid wurden diese Materialien näher betrachtet und die Abscheidung dieser Metalle durch elektronenstrahlbasiertes Aufdampfen auf c-Plane Saphirsubstraten untersucht. Der Einfluss eines anschließenden Temperschrittes wurde ebenso betrachtet. Die Charakterisierung der Proben erfolgte durch Elektronenrückstreubeugung und Rasterkraftmikroskopie. Die Kupfersubstrate zeigten bereits vor dem Tempern eine hohe {111}-Orientierung, welche sich durch die thermische Nachbehandlung etwas verbesserte, jedoch nahm dabei die Oberflächenrauheit zu und es gibt Indizien für die Bildung einer Oxidschicht. Die Nickelschichten besaßen erst nach dem Tempern eine {111}Vorzugsrichtung, dennoch ergab sich hier ebenso eine Oxidbildung und eine Erhöhung der Oberflächenrauheit. Schlussendlich wurden die ungetemperten Cu-Substrate für die Abscheidung von hBN verwendet. Eine erste Orientierung über passende Prozessparameter erfolgte unter Verwendung von Siliziumdioxid-Substraten, da hBN auf diesen einen höheren optischen Kontrast zur darunterliegenden Schicht aufweist. Durch Raman-Spektroskopie wurde hBN nachgewiesen und (winkelaufgelöste) Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) zeigte, dass mit wachsenden TEB-Pulszeiten bis zu 1,0 s die Schichtdicken stetig zunahmen. Indes führten derart lange Pulszeiten zu einem hohen Verbrauch an TEB. Daher wurde die TEB-Pulszeiten bei den nachfolgenden Versuchen auf 80 ms begrenzt. Zunächst wurde bei Cu-Substraten die Variation der Plasmazusammensetzung untersucht. Ein Plasma aus einem Stickstoff/Argon-Gemisch führte zu einer Nitrierung der Kupferoberfläche und ist daher ungeeignet. Plasmen aus Wasserstoff/Stickstoff-Gemischen verhinderten die Nitrierung und sind somit für die Abscheidung von hBN geeignet. Ein höherer Wasserstoffanteil zeigte die Tendenz zu einer verbesserten Abscheidung von BN hinsichtlich der Schichtdicke. Der Einfluss der Plasmadauer wurde mithilfe von XPS im Bereich von 10–60 s untersucht. Die BN-Filme mit der höchsten abgeschiedenen Menge an Bor und Stickstoff, der größten Filmdicke sowie einem guten Bor- zu Stickstoffverhältnis ergaben sich bei der kürzesten Plasmazeit von 10 s. Eine Abnahme des Boranteils und der Filmdicke mit zunehmender Plasmadauer deutete auf Plasmaätzen hin und ist daher zu vermeiden. In einem letzten Versuch wurde die Atomlagenabscheidung in einem verlangsamten Prozess mit hohem Druck, niedrigen Gasflüssen und langen Spülzeiten bei ebenso kurzen TEB-Pulszeiten untersucht. Die XPSAnalyse ergab, dass sich der qualitativ dickste BN-Film bei der geringsten Kohlenstoffkontamination und einem Verhältnis von Bor zu Stickstoff nahe 1:1 ergab.

Michael Schraml
Zustandserfassung an Vergussmassen für Leistungsmodule (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Dr.-Ing. Michael Jank
Zörner, Alicia (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-188 , E-Mail: alicia.zoerner@iisb.fraunhofer.de)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein kapazitiver Sensor zur Ermittlung von kleinsten Permittivitätsänderungen in Silikon-Vergussmassen sowie die dazugehörige Auswerteelektronik entwickelt. Die Erfassung der Permittivitätsänderung lässt auf den aktuellen Zustand der Vergussmasse schließen, beziehungsweise zeigt an, in welchem Ausmaß Feuchtigkeit in das System eingedrungen ist oder Risse entstanden sind. Diese Feuchteabsorbtion führte bei Silikon-Vergussmassen zu einer 1,5 prozentigen Zunahme der relativen Permittivität und konnte mittels Permittivitätsmessungen nachgewiesen werden.
Für die Konzeption einer kompakten und höchst sensitiven Sensorstruktur wurden Feld- und Ladungssimulationen in der ANSYS Electronics Suite durchgeführt. Diese kapazitiven Strukturen wurden im weiteren Verlauf durch ein Rapid-Prototyping-Verfahren gefertigt, messtechnisch verglichen und optimiert.
Zur Evaluation des Sensors, wurde eine Mikrocontroller-basierte Auswerteelektronik realisiert, welche es ermöglicht, jenen auszulesen und die Messdaten über eine USB-Schnittstelle an ein System höherer Ordnung zu senden. Dabei soll die USB-Schnittstelle sowohl der Datenübertragung als auch der Energieversorgung des gesamten Systems dienen. Darüber hinaus besitzt die Auswerteelektronik zwei fest verbaute Kontaktierfedern, über die es möglich ist, mit einer Abweichung von ±5 fF, Kapazitäten im Femto- bis dreistelligen Picofaradbereich zu ermitteln.

Abstract:

In this thesis, a capacitance-based sensor system was developed to determine small permittivity changes in silicone potting compounds. The detection of permittivity changes allows drawing conclusions about the current state of the potting compound, to indicate to what extent moisture has penetrated into the system or air gaps have developed. For this purpose, field and electric charge simulations were performed in the ANSYS Electronics Suite with the aim of designing a compact, yet optimized capacitor structure. To be able to evaluate the developed sensor, an electronic evaluation system was realized which allows to read out the sensor data and to send the measured values via USB interface to a higher order device. The USB interface is to be used for data transfer as well as for the power supply of the entire system. Special care was taken during programming to ensure the data can be evaluated by any peripheral with a USB interface. In addition, the evaluation board has two permanently installed spring contact probes, which can be used to determine capacities in femto- to three-digit picofarad range with an accuracy of ±5 fF.

Alexander Berwald
Design and Implementation of Circuitry to Read Spectrometric Information of SiC Photodiodes (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Christian Martens (M. Sc.)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Siliziumkarbid ist ein Halbleiter mit einer breiten Bandlücke. Aufgrund dieser Eigenschaft hat dieser Halbleiter die Fähigkeit, in vergleichsweise rauen Umgebungen wie etwa bei hohen Spannungen, hohen Temperaturen aber auch in Umgebungen wie dem Weltraum zu funktionieren, in welchen die Komponenten hohen Strahlungswerten ausgesetzt sind.Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Platine entworfen, um 4H-SiC Fotodioden schnell und einfach auslesen zu können. Darüber hinaus soll die entwickelte Leiterplatte als Grundlage für zukünftige Implementierungen mit weiteren, aus 4H-SiC bestehenden, Komponenten dienen. Während des Entwicklungsprozesses wurden sowohl die Fotodioden als auch die Wafer charakterisiert. Basierend auf den Werten dieser Charakterisierungen wurde in LTspice eine Verstärkerschaltung in Form eines Transimpedanzverstärkers simuliert, um für die Anwendung geeignete Bauteilwerte zu finden. Mit Hilfe der gewonnenen Kenntnisse wurde eine zweilagige Leiterplatte entwickelt. Die Implementierung umfasst zwei Paare von 4H-SiC-Fotodioden, von denen jedes Paar eine
leicht unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit aufweist. Das für die Ausführung gewählte Konzept besteht aus einem Transimpedanzverstärker, welcher nach jeder Fotodiode folgt. Nach der Verstärkung wird ein Multiplexer verwendet, um das verstärkte
Signal einer der Fotodioden auszuwählen, bevor das analoge Signal mit Hilfe eines 12-Bit Analog-Digital-Umsetzer in ein digitales Signal umgewandelt wird. Abschließend wurde die entwickelte Leiterplatte analysiert und charakterisiert, um einen Einblick in ihre Funktion sowie in ihre Eigenschaften zu erhalten.

Ashwin Rajendra Kumar

2019

Untersuchungen zum Betriebsverhalten eines LOHC-basierten Energiespeichers (Masterarbeit)

Betreuer:

Geiling, Johannes (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-488 , E-Mail: johannes.geiling@iisb.fraunhofer.de)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Betriebsverhalten eines LOHC-basierten Energiespeichersystems. Für das LOHC-System Marlotherm SH/18-H-Marlotherm SH werden bei kontinuierlicher LOHC-Zugabe Einflüsse verschiedener Betriebsparameter auf die Hydrierung und die Dehydrierung untersucht sowie relevante Bauteile energetisch betrachtet. Besonderheit der Anlage stellt der sogenannte oneReactor dar, welcher sowohl für die Hydrierung als auch für die Dehydrierung eingesetzt wird.
Bei der Hydrierung konnten nahezu vollständige Beladungen des LOHCs erzielt werden. Einflüsse während des Betriebs zeigten dabei besonders die unterschiedlichen Hydriergrade des zugeführten LOHCs sowie der bei erhöhter LOHC-Zugabe zunehmende Kühleffekt am Reaktoreintritt. Durch geeignete Dämmmaßnahmen konnten die thermischen Verluste reduziert und die prozessinterne Rekuperation von thermischer Energie gesteigert werden.
Hinsichtlich der Dehydrierung wurde eine Entladung des LOHCs bis zu einem Hydriergrad von 23 % erreicht. Vor allem die verringerte Verweilzeit sowie der zunehmende Kühleffekt am Reaktoreintritt führte bei Erhöhung der LOHC-Zugabe zu einer verhältnismäßig geringeren Wasserstofffreisetzung. Durch den installierten Gaskühler mit anschließendem Kondensatabscheider wurde während der Dehydrierung eine nicht unerhebliche Menge von anfallendem LOHC-Kondensat festgestellt. Daraus wurde auf eine hohe Verdampfung des LOHCs im Reaktor geschlossen, welche durch die Verringerung des Reaktordrucks von 2 bar(g) auf 1 bar(g) sichtlich zunahm. Durch Abkühlung und Kondensation des Wasserstoff-LOHC-Dampf-Gemisches im Gaskühler konnte eine Wärmeübertragung an den zugeführten LOHC von bis zu 1,7 kW erreicht werden.
Die Anlage zeigte bereits im Rahmen dieser Arbeit ein hohes Potential der Wasserstoffspeicherung mittels LOHC-Technologie, welches durch geeignete Optimierungsmaßnahmen anhand der gewonnenen Erkenntnisse weiter gesteigert werden kann.

Florian Stammberger
Spincoating und Charakterisierung von Benzocyclobutenschichten für den Einsatz als Passivierung (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Joch, Daniel (FHG-IISB, Tel.09131 / 761-198, Email: daniel.joch@iisb.fraunhofer.de)
Dr.-Ing. Michael Jank
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

In dieser Arbeit werden im Aufschleuderverfahren hergestellte BCB-Schichten als Verkapselungsmaterial für Dünnschichttransistor-Strukturen (TFT) untersucht und die hergestellten Schichten bezüglich ihres Einsatzgebiets charakterisiert. Hierzu werden Verdünnungsreihen mit Cyclotene 3022-46 und Cyclotene 3022-35 von Dow Chemicals unter Zugabe von Mesitylen als Lösungsmittel bei unterschiedlichen Drehzahlen auf Silizium-Scheiben aufgetragen. Die erreichten Schichtdicken liegen zwischen 160 nm und 5 μm. Das arithmetische Mittel der Rauigkeiten wurde zu unter 0,5 nm bestimmt, maximale Rauigkeiten liegen unter 5 nm. Beide Kennzahlen nehmen mit der Schichtdicke leicht ab. Querschnittsaufnahmen, die mit einem Rasterelektronenmikroskop angefertigt wurden, zeigen gleichmäßige und dichte Schichten ohne Strukturfehler. Anhand der Ergebnisse der Messreihen und der Bestimmung des absoluten Lösungsmittelgehalts der verwendeten Verdünnungen ist es möglich, die Schichtdicke bei Wahl der Prozessparameter mit großer Genauigkeit vorherzusagen.
Für den Test der Dichtigkeit der BCB-Schichten werden auf zwei 150-mm-Scheiben Silberschichten aufgetragen und je eine Scheibe mit 1 μm und 200 nm BCB verkapselt. Die Schichten werden in einer Klimakammer zusammen mit Proben, die mit Al2O3- und SiO2-Schichten passiviert sind bei 85 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit (85/85-Test) für 270 h gelagert. Dabei zeigt sich, dass die Verkapselungseigenschaften der BCB-Schichten mit denen der anorganischen Referenzschichten vergleichbar sind.
Die elektrischen Messungen zeigen, dass BCB auch bei 240 nm Schichtdicke bis 50 V durchschlagsfest sein kann. Die Dielektrizitätszahl wird für die hergestellten BCB-Schichten zu 3,25 – 3,58 bestimmt. Die starken Streuungen der elektrischen Eigenschaften werden im Wesentlichen auf eine nicht vollständig quervernetzte Schicht zurückgeführt.
Für eine mögliche Prozessintegration muss daher vor allem noch der Ausheizprozess optimiert werden, da der Grad der Quervernetzung wesentlich für die Eigenschaften der BCB-Schichten ist.

Abstract:
In this thesis spincoated BCB layers are investigated as encapsulation material for thin film transistor structures (TFT) and the processed layers are characterized with respect to their application. For this purpose, dilution series with Cyclotene 3022-46 and Cyclotene 3022-35 from Dow Chemicals are applied to silicon wafers with the addition of mesitylene as solvent at different spin speeds. The layer thicknesses achieved are between 160 nm and 5 μm. The arithmetic mean roughnesses is below 0.5 nm, the maximum roughness is below 5 nm. Both values decrease slightly with the layer thickness. Cross-sectional images taken with a SEM show uniform and dense layers without structural defects. On the basis of the results of the layer thickness measurements and determination of the absolute solvent content of the dilutions used, it is possible to predict the layer thickness with high accuracy when selecting the process parameters.
To test the passivation capabilities of the BCB layers, silver layers are deposited onto two 150 mm wafers and one wafer each is encapsulated with 1 μm and 200 nm BCB. The layers are tested in a climate chamber together with other samples that are passivated with Al2O3 and SiO2 layers at 85 °C and 85 % relative humidity (85/85) for 270 h and show passivation capabilities at 1 µm and 200 nm layer thicknesses that meet the effectivity seen with AlOx and SiOx as reference.
The electrical measurements show that BCB can also be resistant to dielectric breakdown up to 50 V at 240 nm layer thickness. The dielectric constant is measured as 3.25 – 3.58 for the BCB layers produced. The deviations of the electrical properties are attributed to the layers not being completely cross-linked.
For a possible process integration, the thermal cure step must therefore be optimized, as the degree of crosslinking is essential for the properties of the BCB layers.

Hofmann Florian
Bewertung, Entwicklung und Optimierung der Trockenätzeigenschaften einer Oxid-Hartmaske zur Herstellung von Grabenstrukturen in Siliziumcarbid (Masterarbeit)

Betreuer:

Rusch, Oleg (FHG-IISB, Tel.09131 / 761-367, Email: oleg.rusch@iisb.fraunhofer.de)
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Derzeitig vorhandene, auf Siliziumcarbid (SiC) basierende Leistungs-MOSFETs (englisch: Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) und -Dioden können von der Implementierung einer Grabenstruktur (englisch: Trench) profitieren. Im Fall der Dioden führen die Trenches zu einer deutlichen Reduktion der elektrischen Feldstärke am Schottky-Kontakt, wodurch auch der Leckstrom stark abnimmt. Ebenso erlaubt es die geringere elektrische Feldstärke, Metalle mit einer niedrigeren Schottky-Barriere auf SiC einzusetzen und höhere Dotierungen der Driftregion zu verwenden, woraus ein geringerer Spannungsabfall im Durchlassbetrieb resultiert und eine höhere Effizienz des Bauelementes erreicht wird.
Trenches im SiC werden für gewöhnlich durch Trockenätzprozesse erzeugt, bei welchen Hartmasken aus Metall oder Siliziumdioxid (SiO2) benötigt werden, um die gewünschten Strukturen in das Substrat zu übertragen. Das hauptsächliche Ziel dieser Arbeit war es, eine solche Oxid-Hartmaske mit einer hohen Selektivität zum darunterliegenden SiC zu strukturieren, wobei zugleich ein anisotropes Ätzprofil beibehalten werden sollte. Um dies zu erreichen, wurde ein bereits vorhandenes Trockenätz-Rezept zur Strukturierung von Oxid-Hartmasken auf Silizium an die Strukturierung auf SiC angepasst.
Eine Erhöhung des Gesamtgasflusses von 20 sccm auf 30 sccm, sowie ein höherer Anteil Trifluormethan (CHF3) führte zu einer reduzierten Ätzrate des SiC von 90 nm/min auf unter 30 nm/min, wodurch die Selektivität (SiO2/SiC) deutlich anstieg. Die Reduktion der ICP (englisch: Inductively Coupled Plasma)-Leistung und des Drucks führten ebenfalls zu einer erhöhten Selektivität (SiO2/SiC). Hier zeigten sich jedoch in den meisten Fällen unerwünschte, verrundete Ätzprofile mit niedrigen Winkeln der Seitenwände der Strukturen. Ähnliche Ätzprofile und keine weitere Verbesserung der Selektivität (SiO2/SiC) wurden beobachtet, wenn höhere Anteile des CHF3 (75% und 100%) verwendet wurden. Bei einer Reduktion der RF (Radiofrequenz)-Leistung von 60 W auf 45 W mit einer bereits angepassten Gaszusammensetzung von jeweils 50% CHF3 und C4F8 ergaben sich vielversprechende Ergebnisse mit einer der niedrigsten Ätzraten des Photolacks, aber ebenso unerwünschte, verrundete Ätzprofile. Unter den in dieser Arbeit durchgeführten Versuchen wurden die folgenden Prozessparameter als optimiertes Rezept ausgewählt: 1000 W ICP-Leistung, 60 W RF-Leistung, 15 sccm CHF3, 15 sccm C4F8, 2 mTorr. Oxid-Hartmasken, welche mit diesem Trockenätz-Rezept strukturiert wurden, konnten erfolgreich zur Erzeugung von Trenches in SiC eingesetzt werden.

Kevin Brückner
Untersuchungen zur Zusammensetzung elektrochemischer Migrationsspuren mittels verschiedener Analysemethoden (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Prof. Philipp Brüggemann (TH Nürnberg)
Diepgen, Antonia (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-631 , E-Mail: antonia.diepgen@iisb.fraunhofer.de)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Bei der elektrochemischen Migration (ECM) handelt es sich um eine häufig in der Elektronik auftretende Form der Korrosion.
Diese ist durch die Bildung von baumartigen Strukturen erkennbar. Die Aufgabenstellung der Bachelorarbeit bestand in der Untersuchung der Zusammensetzung der Dendriten mittels verschiedener Analysemethoden. Dadurch soll ein besseres Verständnis für die Dendritenbildung bei der ECM auf leistungselektronischen Schaltungsträgern erreicht werden. Die zu untersuchenden Dendriten wurden mittels Wassertropfenversuchs auf DCB Substraten erzeugt. Der Wassertropfenversuch ermöglicht eine gezielte Variation von verschiedenen
Einflussfaktoren auf den ECM-Prozess (wie Art und Konzentration des Elektrolyten, anliegende Spannung, Substratmaterialien).
Inwieweit diese die Zusammensetzung der Dendriten beeinflussen, sollte mittels geeigneter Analyseverfahren untersucht werden.
In der Bachelorarbeit wurden beim Wassertropfenversuch Art (H2SO4, HCl, Na2SO4 und NaCl) und Konzentration (0,01M, 0,1M, 1M, 1%) des Elektrolyten variiert.
Zu Analyse wurden die Methoden REM/EDX und XPS verwendet sowie einander gegenüber gestellt. Durch die REM/EDX-Untersuchungen können die vorhandenen Elemente auf den Proben detektiert und quantitative Aussagen getroffen werden. Es wurden die in den Elektrolyten vorhandenen Elemente festgestellt sowie Sauerstoff und Cu. Es handelt sich bei den Dendriten unabhängig vom verwendeten Elektrolyten vermutlich um Kupfer-I-oxid und Kupfer-II-oxid. Andere Verbindungen wie Kupfersulfid und Kupfersulfat im Falle von H2SO4 und Na2SO4 sowie Kupfer-I-chlorid und Kupfer-II-chlorid wären ebenfalls möglich. Beim XPS-Verfahren ist generell die Bestimmung der Bindungszustände der detektierten Elementente durch die Peakform und -Verschiebung des Messignals möglich. In der Bachelorarbeit konnten keine verwertbaren Messignale erzielt werden. Da ein Entfernen des jeweiligen verwendeten Elektrolyten auf den Substraten nicht möglich war ohne dass der Dendrit mit entfernt wurde, verblieben auf den Oberflächen der Proben immer Rückstände der getrockneten Elektrolyte. Durch Schnitte mittels Focused Ion Beam durch die Dendriten könnte zukünftig die Zusammensetzung direkt im Inneren der Dendriten bestimmt werden.

Renate Milac
Untersuchung und Weiterentwicklung einer OCV-Messzelle zur Bestimmung des SOC-Wertes von Redox-Flow-Batterien (Masterarbeit)

Betreuer:

Öchsner, Richard (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-116, E-Mail:richard.oechsner@iisb.fraunhofer.de)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Für einen zuverlässigen und sicheren Betrieb von Batteriesystemen spielt die kontinuierliche und genaue Bestimmung des Ladezustands eine entscheidende Rolle. Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde eine OCV (Open Circuit Voltage)-Messzelle für Redox-Flow-Batterien sowie die Eigenschaften einer Vanadium-Redox-Flow-Zelle untersucht. Hierzu wurde ein Vanadium-Redox-Flow-Batterie-Testaufbau im Labormaßstab realisiert. Das Ziel der Arbeit bestand darin, eine Bestimmungsgleichung zu erarbeiten, wodurch sich aufgrund einer OCV-Messung kontinuierlich der Ladezustand der Batterie berechnen lässt. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse sollen einen sicheren Betrieb des geplanten Redox-Flow-Containers am Fraunhofer IISB gewährleisten. Bei der Durchführung der Messungen wurde eine kommerzielle 1,6-molare Vanadium-Elektrolyt-Lösung der Firma GfE Metalle und Materialien GmbH verwendet. Der Ausgangselektrolyt besteht in etwa aus gleichen Teilen V3+- und VO2+-Ionen, weshalb vor dem eigentlichen Laden und Entladen der Batterie eine Konditionierung des Elektrolyten durchgeführt werden muss. Hierbei werden im Anolyt die V4+-Ionen zu V3+-Ionen reduziert und im Katholyt die V3+-Ionen zu V4+-Ionen oxidiert. Nach der Konditionierung hat der Ladezustand den Wert Null erreicht. Das Laden und Entladen fand in einer Testzelle statt, welche im Rahmen dieser Arbeit konstruiert wurde. Der jeweilige Volumenstrom der Elektrolyte betrug bei allen Messungen 69,5 ml·min-1. Die Nernst-Gleichung mit Berücksichtigung der Protonenkonzentration liegt um 0,11 V unterhalb der experimentellen Werte. Diese Unterschätzung der OCV-Spannung ist auf die Vernachlässigung des Donnan-Potentials zurückzuführen. Durch Verschiebung dieser Gleichung wird eine Bestimmungsgleichung für den SOC-Wert ermittelt, wodurch mit einer OCV-Messung der entsprechende Ladezustand des Elektrolyten auch während des Ladens und Entladens bestimmt werden kann. Der Zellwirkungsgrad ist abhängig von der Stromdichte, wobei dieser aufgrund höherer Verluste durch den Zellen-Innenwiderstand mit zunehmender Stromdichte abnimmt. Bei einer Stromdichte von 20 mA·cm-2 wurde ein Zellwirkungsgrad von 78,6 % erreicht. Die Reproduzierbarkeit von Be- und Entladung der Batterie wurde durch drei aufeinanderfolgende Lade- und Entladezyklen nachgewiesen. Die maximale Energiedichte des verwendeten Elektrolyten wird zu 28,1 W·h·l-1 abgeschätzt, wobei die nutzbare Energiedichte aufgrund der zulässigen Betriebsbedingungen eingeschränkt wird. Aufgrund der Zersetzung des Wassers in Sauerstoff und Wasserstoff sollte eine Batteriezellenspannung von 1,7 V nicht überschritten werden. Der Ladevorgang des Batterie-Containers sollte somit bis zu der maximal zulässigen Klemmenspannung mit Konstant-Strom durchgeführt werden und daraufhin in den Konstant-Spannungsmodus umgeschaltet werden. Eine Tiefenentladung stellt kein Problem der Vanadium-Redox-Flow-Batterie dar, allerdings ist diese aus energieeffizienten Gründen nicht sinnvoll. Bei Verwendung von 600 ml des Elektrolyten wurde eine durchschnittliche Selbstentladung von 7,87 % pro Monat gemessen, wobei der Ladezustand zu Beginn 40,3 % betrug.

Ferdinand Heusinger
Modifikation und Charakterisierung der Benetzungseigenschaften von Mikrofluidikkanälen (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Julius Marhenke (M. Sc.)
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Polydimethylsiloxan (PDMS) gewinnt besonders in medizinischen Anwendungsbereichen immer mehr an Bedeutung. Trotz vieler vorteilhafter Eigenschaften von PDMS ist der hydrophobe Charakter meist von Nachteil, wie beispielsweise bei der Anwendung in Mikrofluidiksystemen.
Diese Arbeit untersucht die Modifikation der Benetzungseigenschaften von Polydimethylsiloxan, indem ein hydrophiler Charakter der Oberfläche erzeugt wird und dieser bei einer Lagerung an Atmosphäre über 14 Tage erhalten bleibt. Durch Plasmabehandlung werden hydrophilierte PDMS-Proben hergestellt und mit Polyethylenglycol-Silan beschichtet, um der hydrophoben Erholung von Polydimethylsiloxan entgegenzuwirken. Hierfür werden Beschichtungslösungen mit Konzentrationen von 20 Vol.-%, 10 Vol.-% sowie 5 Vol.-% Polyethylenglycol-Silan in den Lösungsmitteln Aceton bzw. Ethanol eingesetzt. Es kann prinzipiell gezeigt werden, dass die Ausheilrate über den Untersuchungszeitraum schwächer ist, je höher die Konzentration der Beschichtungslösung, wodurch eine stabilere Langzeithydrophilie der Oberfläche erzeugt wird. Des Weiteren ruft Aceton als Lösungsmittel bessere Langzeithydrophilie hervor als Ethanol.
Mit Hilfe von Röntgenphotoelektronenspektroskopie wird beispielhaft der Einfluss dieser Beschichtungen auf die Oberflächenchemie analysiert. Die Präsenz von Polyethylenglycol auf den Oberflächen der beschichteten Proben kann sowohl durch höhere O 1s Anteile in deren Übersichtsspektren als auch durch das erhöhte Vorkommen der C-O-Bindung in den Detailspektren der C 1s Peaks nachgewiesen werden.
Abschließend wird die Modifikation der Benetzungseigenschaften mit Hilfe einer Beschichtungslösung von 20 Vol.-% Polyethylenglycol-Silan in Ethanol bei Mikrofluidiksystemen untersucht. Das Ergebnis zeigt eine wesentlich geringere Verstopfung dieser, woraus ein verbesserter Durchfluss der Systeme gefolgert wird.

Vitus Mayr
Adhesion Characterization of Parylene Coatings on different Substrates, before and after Thermal Shock Testing (Masterarbeit)

Betreuer:
Diepgen, Antonia (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-631 , E-Mail: antonia.diepgen@iisb.fraunhofer.de)
Zimmermann, Victoria (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-638 , E-Mail: victoria.zimmermann@iisb.fraunhofer.de)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)
Prof. Dr. rer. nat. Nicolas Vogel (Lehrstuhl für Feststoff- und Grenzflächenverfahrenstechnik)

– Kurzzusammenfassung:

In der Masterarbeit wurde die Haftung von Parylenebeschichtungen auf verschiedenen Untergründen, mit mehreren Methoden, mit und ohne Alterung durch eine Temperaturschockprüfung (TST) untersucht. Bei den Methoden handelte es sich um Gitterschnitttest, Zugscherprüfung und Cross-Sectional Nanoindentation. Es wurden zwei Parylenematerialien, Parylene F und AF4, und zwei unterschiedliche Vorreinigungen im Vergleich zu nicht zusätzlich gereinigten Proben verwendet. Die Gitterschnittprüfungen wurden auf beschichteten Si3N4-Keramiken, Cu von Aluminum Metal Brazed (AMB) Substraten und Silizium-Wafern durchgeführt. Am stärksten hafteten die Parylenebeschichtungen auf Si3N4-Keramik und am wenigsten auf Si. Dies ist vermutlich auf die unterschiedlichen Oberflächenrauigkeiten zurück zu führen. Für die Zugscherprüfungen wurden Parylene beschichtete AMB Substrate plasmaaktiviert und ein Blech aufgeklebt. Dann wurden die Proben in ein Zugdruckprüfgerät eingespannt und die Scherkräfte gemessen. Die Parylene AF4 beschichteten Proben zeigten keinen signifikanten Unterschied in der gemessenen Kraft mit und ohne TST. Bei den Parylene F beschichteten Proben war die gemessene Kraft an den Proben, die im TST waren, sogar höher als bei den Proben die nicht im TST waren. Eine mögliche Erklärung dafür könnte eine Veränderung der Materialeigenschaften der Parylene F Beschichtung durch den TST sein, da das Parylene F eine geringere Temperaturfestigkeit als das AF4 besitzt. Bei der Zugscherprüfung ist nicht klar, welchen Anteil an den Messergebnissen die Haftfestigkeit hat und inwieweit sich andere Einflüsse auswirken. Zudem lässt sich die Zugscherprüfung an den spröden Si3N4-Keramiken und Silizium-Wafern nicht durchführen.
Cross-sectional Nanoindentation (CSN) wurde an Parylene F beschichteten Silizium-Stücken durchgeführt. Die CSN Methode wird laut Literatur für spröde Schichten auf spröden Untergrund – Materialien durchgeführt. Die Verwendung von CSN für die Charakterisierung der Haftfestigkeit von Polymeren wird kaum berichtet. Für die Übertragung des Verfahrens auf Parylene beschichtete Silizium-Proben wurde zunächst die Probenpräparation optimiert. Die anschließende Anwendung zur Bewertung des Einflusses des TST auf die Haftfestigkeit zeigte eine Abnahme der Haftfestigkeit mit der Anzahl der Zyklen, was plausibel ist. Bei CSN handelt es sich um ein quantitativeres Verfahren im Vergleich zum Gitterschnitttest. Jedoch ist der CSN Test deutlich aufwändiger und lässt sich zudem nur für spröde
Untergrundmaterialien (Si, Keramik, kein Cu) durchführen.

Yue Zhou
Optimierung der Prozessparameter für das Füllen von Siliziumdurchkontaktierungen mittels eines Inkjet-Pastendruckers (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Michael Niebauer (M. Sc.)
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Druckparameter eines Inkjet-Pastendruckers zu optimieren und zu zeigen, dass es damit möglich ist Silizium-Durchkontaktierungen mit einer Silber-Sinterpaste zu füllen. Hierfür wurden zuerst die fünf veränderbaren Druckparameter ausgewählt. Dabei handelt es sich um den Düsendruck, den Kartuschendruck, die Temperatur, die Düsengröße und den Refill Dwell. Der Refill Dwell gibt den zeitlichen Abstand zwischen dem Nachfüllen der Paste in der Düse an. Nachdem ein Parameterraum festgelegt wurde, wurde ein zweistufiger vollfaktorieller Versuchsplan aufgestellt. Pro Versuchsfeld wurden 100 Punkte auf ein Siliziumplättchen gedruckt. Nach dem Drucken wurden die Punkte im Lötofen gesintert. Anschließend wurden die Punkte auf ihre Grundfläche, ihren maximalen Durchmesser, ihre Höhe, die Anzahl der Meteoriten und die Streuung der Grundfläche untersucht. Vor allem kleine geometrische Eigenschaften sind wichtig, um möglichst kleine Silizium-Durchkontaktierungen damit zu füllen. Es kristallisierte sich heraus, dass vor allem der Düsendruck und der Refill Dwell für kleine geometrische Eigenschaften verantwortlich sind. Diese Parameter wurden in einem Nachversuch in kleineren Abständen verändert, bei dem sich die Eigenschaften der Punkte nochmal verbessert haben und optimale Druckparameter gefunden werden konnten. Für den Düsendruck sollten 410 kPa, für den Kartuschendruck 280 kPa, für den Refill Dwell 1,9 ms, für die Temperatur 25 °C und für die Düsengröße 100 µm gewählt werden. Die Zusammenhänge zwischen den Druckparametern und den Eigenschaften der Punkte wurden grafisch dargestellt und diskutiert. Dabei konnte erkannt werden, dass die gefundenen Parameter dafür verantwortlich sind, dass die Punkte eine kleine Grundfläche und eine runde Form haben. Die gefundenen Parameter führen auch zu wenig Meteoriten bzw. Pastenspritzer. Mit den gefundenen Parametern wurden dann Silizium-Durchkontaktierungen gefüllt und analysiert. Hierbei zeigte sich, dass es möglich ist diese zu füllen, wobei es aber auch zu Lufteinschlüssen kommen kann. Zusätzlich wurden die Parameter auch mit einer zweiten Silber-Sinterpaste getestet und gezeigt, dass sie auch bei Anwendung dieser Paste verwendet werden können, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen.

Marcel Schraner
Vergleich unterschiedlicher Verfahren zur Herstellung von Ohm-Kontakten auf Siliciumkarbid (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Hellinger, Carsten (FHG-IISB, Tel.09131 / 761-590, Email: carsten.hellinger@iisb.fraunhofer.de )
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung ganzflächiger, nickelbasierter Ohmkontakte auf der C-terminierten Seite (Rückseite) von n-Typ 4H-SiC-Substraten. Für die thermisch induzierte Umwandlung eines Schottky-Kontakts in einen Ohmkontakt wird auf das RTP-Verfahren und Laser Annealing Verfahren zurückgegriffen, welche miteinander verglichen werden, wobei das Hauptaugenmerk auf der Laserprozessierung liegt. In Parameterstudien wird das Kontaktverhalten laserprozessierter und RTP behandelter Nickelschichten mittels Vierspitzenmessung und FIB-Querschnittsbildern untersucht. Dabei wird durch Magnetronsputtern eine 50 nm dicke NiAl 2,6 %-Schicht auf SiC Substrate abgeschieden. Beim Laser Annealing mit einem frequenzverdreifachten Nd:YVO4-UV-Lasers mit einer Wellenlänge von 355 nm und einer Laserspotgröße von 80 μm werden die Prozessgrößen Energiedosis, Pulsweite und Überlapp variiert und mit den Standardparametern 3,3 J/cm² Bestrahlung, 67 prozentigem Überlapp in x Richtung sowie 50-prozentiger Überschneidung in y Richtung und einer Pulsweite von 48 ns verglichen.

Bei der Variation der Energiedosis von 2,4 J/cm² bis 3,3 J/cm² ergibt sich für Dosen von mindestens 3,0 J/cm² ein flächendeckender Ohmkontakt, während Bestrahlungen von 2,8 J/cm² oder weniger Schottky-Charakter aufzeigen.
Für die Untersuchung des Überlapps der Laserspots werden Messreihen bei einer Dosis von 3,3 J/cm² durchgeführt. Hierfür wird der Überlapp zwischen 33 % und 85 % in x-Richtung variiert. Dabei zeigt sich, dass diese Größe keinen direkten Einfluss auf die Messergebnisse des spezifischen Widerstands nimmt, jedoch für die Homogenität des Metall-Halbleiter-Übergangs von entscheidender Bedeutung ist.
Die Pulsweite wird über ein Spektrum von 38 ns bis 60 ns bei gleichzeitiger Anpassung der Energiedosis untersucht. Hierbei wird bei allen Versuchsreihen ein flächendeckender Ohmkontakt ausgebildet.
Des Weiteren werden die Laserparameter auf eine aufgedampfte 50 nm dicke Nickelschicht sowie auf eine Molybdän (50 nm)/Nickel (50 nm)-Schicht übertragen. Hierbei stellt sich heraus, dass sowohl Nickel als auch die Molybdän/Nickel-Schicht über das gesamte Spektrum von 2,4 J/cm² bis 3,3 J/cm² flächendeckende Ohmkontakte ausbilden.
Der mittels RTP getemperte Wafer bildet erst nach 12 min bei 980 °C einen vollständig flächendeckenden Ohmkontakt aus, der sich allein durch die FIB-Querschnitte von den laserprozessierten Proben unterscheiden lässt.

Michael Thum
Charakterisierung und Modellierung einer KWK-Anlage (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Nuß, Andreas (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-129, E-Mail:andreas.nuss@iisb.fraunhofer.de)
Lange, Christopher (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-107 , E-Mail: christopher.lange@iisb.fraunhofer.de)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Das Fraunhofer IISB hat eine neue Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage in Form eines BHKW der Firma Tuxhorn sowie zwei Warmwasser-Pufferspeichern der Firma Sirch in Betrieb genommen. Es soll die Betriebskosten für Fernwärme und Strom reduzieren und Daten liefern, die für den Betrieb solcher Anlagen in kleinen und mittleren Industriebetrieben von Nutzen sein können.
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit soll das Betriebsverhalten einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK-Anlage) messtechnisch charakterisiert werden. Die KWK-Anlage besteht aus einem erdgasbetriebenen Blockheizkraftwerk (BHKW) und zwei Wärmepufferspeichern mit jeweils verschiedenen Beladesystemen. Die Anlage wird sowohl wärmegeführt zur Wärmeversorgung des Institutsgebäudes als auch zur Reduzierung von elektrischen Lastspitzen verwendet. Die Ansteuerung erfolgt zum einen durch eine lokale SPS, auf der die Betriebsstrategie implementiert ist, zum anderen durch die Gebäudeleittechnik (GLT) des Instituts.
Die Arbeit umfasst eine Charakterisierung der Anlage durch die Analyse von Messdaten während verschiedenen Betriebszuständen. Es sollen u. a. An- und Abfahr-verhalten sowie Heiz- und Brennwertbetrieb des BHKWs untersucht werden. Zudem soll der Einfluss der Beladesysteme auf die Schichtung innerhalb der Speicher aufgezeigt werden. [1]
Als Ergebnis ist kann man festhalten, dass die von der Herstellerfirma gemachten Wirkungsgradangaben bei Idealbedingungen realistisch sind, diese jedoch in der Praxis nicht vorliegen und der Wirkungsgrad deshalb leicht unter den Angaben zurückliegt. Die sehr gute Auslastung der Anlage mit über 50% Laufzeit des BHKW macht es zu einer sinnvollen Investition. Das integrierte HT-NT-Modul verlängert die Laufzeit pro Betriebsstart, das BHKW läuft im HT-Betrieb ca. 90 Minuten länger. Die eingebauten Pufferspeicher zeigen eindeutige Unterschiede im Verhalten und sind nötig, um die Laufzeit zu verlängern und die Starts zu verringern. Der Speicher mit Diffusionsglocke hat eine schwächere Schichtung, wohingegen der Speicher mit Radialdiffusor strömungstechnische Nachteile durch Totzonen aufweist.

Tobias Hullin
Realisierung eines mikrofluidischen Partikeldetektors (Bachelorarbeit)

Betreuer:
Julius Marhenke (M. Sc.)
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Das Zählen von Zellen ist ein wichtiger Teil der medizinischen Diagnostik, da durch die Veränderung von Zellkonzentrationen in Körperflüssigkeiten unterschiedlichste Krankheiten diagnostiziert werden können. Eine der verbreitetsten Methode zum Zählen von Zellen ist die Coulter Methode [1]. Bei ihr werden die Zellen durch die Widerstandsänderung detektiert, die sie verursachen, wenn sie sich durch eine kleine Öffnung zwischen zwei Elektrolytreservoirs bewegen. Mikrofluidische Systeme können aufgrund der kleinen Probenvolumen die Effizienz von medizinischen Anwendungen steigern, weshalb die Umsetzung eines mikrofluidischen Coulter Zählers von großem Interesse ist.
Diese Arbeit beschreibt die Herstellung eines mikrofluidischen Coulter Zählers aus Polydimethylsiloxan (PDMS) in den Elektroden aus niedrigschmelzendem Fieldschem Metall (InBiSn) integriert werden. Zu Beginn wird eine theoretische Betrachtung, der zu erwartenden Widerstandsänderung, die durch 20 µm Polystyrol (PS) Partikel verursacht wird, durchgeführt. Anschließend wird auf den Einfluss der Anregungsfrequenz auf die Impedanz eingegangen. Um das Rauschverhalten der Coulter Zähler zu untersuchen und einen kleinsten detektierbaren Partikeldurchmesser zu bestimmen, wird der Einfluss der Anregungsfrequenz und der Anregungsspannungsamplitude betrachtet. Die Funktionsfähigkeit der gefertigten Coulter Zähler wird mit Videoaufnahmen, die mit einem Lichtmikroskop getätigt werden, für 20 µm Polystyrol Partikeln überprüft. Abschließend werden Messungen über längere Zeit getätigt, um Häufigkeitsverteilungen der Widerstandsänderung zu betrachten.
Die händische Integration der Elektroden durch das Einspritzen des niedrigschmelzenden Fieldschen Metalls war möglich. Videoaufnahmen mit einem Lichtmikroskop zeigen, dass 20 µm Partikel detektiert werden können und die gemessenen Widerstandsänderungen den erwarteten Werten entsprechen. Ebenso können Überlagerungsphänomene, bei den sich mehrere Partikel gleichzeitig in der Zählregion befinden, beobachtet und von einzelnen Partikeln unterschieden werden.

Maximilian Szabo
Charakterisierung und Optimierung eines Lacksystems für die Photolithographie in SiC-Leistungsbauelement-Prozessen (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Schlichting, Holger (FHG-IISB, Tel.09131 / 761-628, Email: holger.schlichting@iisb.fraunhofer.de)
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Die Anforderungen an elektronische Leistungsbauelemente wachsen stetig, so dass Silicium als Substrat mittlerweile an seine Grenzen gerät. Siliciumcarbid zeigt für viele Anwendungen bessere Eigenschaften, wie beispielsweise eine höhere Bandlücke und eine hohe kritische elektrische Feldstärke. Dadurch lassen sich unter anderem größere Effizienzen erzielen und Leistungsbauelemente für Hochtemperaturanwendungen herstellen. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein Großteil der grundlegenden Prozesse der Silicium-Technologie für Siliciumcarbid einfach übernommen werden kann. Dies gilt auch für die Photolithographie. Mit dieser werden in der Halbleiterindustrie Strukturen mit hoher Präzision auf Halbleiterscheiben übertragen. Diese Strukturen werden immer kleiner und bereits geringe Abweichungen in den Abmessungen können sich erheblich auf die elektrischen Eigenschaften der Leistungsbauelemente auswirken. Eine zentrale Rolle spielt hierbei der verwendete Photolack. Parameter wie die Lackdicke, Lackkanten und das Auflösungsvermögen des Lacks haben einen großen Einfluss auf die Form und Größe der strukturierten Bereiche und damit der elektrischen Eigenschaften sowie der Ausbeute der Bauteile. Ziel dieser Arbeit ist es, einzelne Prozessschritte bei der Photolithographie für die Herstellung von 4H-SiC Leistungsbauelemente für die Prototypenfertigung zu optimieren und das Lacksystem AZ® ECI3027 in Bezug auf seine Eigenschaften und sein Verhalten zu charakterisieren. Da die, auf die Photolithographie folgenden Schritte unterschiedliche Ansprüche an den Lack stellen, sollen speziell darauf angepasste Parameter ermittelt werden. Der Fokus in dieser Arbeit liegt auf einem Lithographieprozess, angepasst für die Implantation. Zudem wird der Einfluss von Silicium und Siliciumcarbid auf das Lackverhalten untersucht.Um die Strukturen im Lack zu bewerten werden unterschiedliche wissenschaftliche Methoden genutzt und miteinander verglichen. Zur Bestimmung der Größen der Strukturen und Formen der Lackkanten werden neben dem optischen Mikroskop auch Aufnahmen des Raster-Elektronen-Mikroskops und Querschnitte mit dem Fokussierten-Ionenstrahl verwendet. Zur Lackdickenbestimmung kommen das optische Messverfahren der Interferometrie sowie mechanische Stufenhöhenmessungen zum Einsatz.
Die Arbeit zeigt, dass nach dem Entwickeln des Lacks eine thermische Behandlung ab 110° C negative Auswirkungen auf die Strukturgrößen und Lackkanten hat. Die besten Ergebnisse bei der Implantation werden daher ohne den Schritt des Ausheizens erzielt. Zudem wird erwiesen, dass sich kein Unterschied zwischen Si und SiC als Substrat zeigt.

Jessica Lippert
Erprobung der EBIC-Messtechnik (Electron Beam Induced Current) an AlGaN/GaN-HEMT-Strukturen auf Si zur Identifikation von elektrisch aktiven Defekten (Bachelorarbeit)

Betreuer:
Dr. rer. nat. Elke Meissner
Besendörfer, Sven (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-182 , E-Mail: sven.besendoerfer@iisb.fraunhofer.de)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Ziel dieser Arbeit war die Etablierung der EBIC-Messtechnik (engl. electron beam induced current) für AlGaN/GaN-HEMT-Strukturen auf Silizium sowie die Qualifizierung und Quantifizierung der EBIC-Messungen hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Parameter.
Es wurden AlGaN/GaN-HEMT-Heterostrukturen auf Silizium-Substrat mit einer AlGaN-Schichtdicke von etwa 20nm mittels EBIC-Messung untersucht. Dabei wurde eine eigene Methode zur Qualitätsbewertung der Messergebnisse entwickelt. Zudem wurden die Auswirkungen der Messparameter des Messaufbaus wie Vergrößerung, Strahlstrom, Beschleunigungsspannung, Pixelzeit, Auflösung, Biasspannung, Sensitivität und Filterart
bzw. –frequenz auf die Qualität des Messsignals betrachtet und mit den physikalischen Gegebenheiten verglichen. Es konnte ein Parameterrahmen für EBIC-Messungen für diegetesteten AlGaN/GaN-Strukturen gefunden werden, der die elektrisch aktiven Defekte
hochwertig abbildet.

Christopher Clauß
Entwicklung und Charakterisierung des Grabenätzens und –füllen mit p-Typ Epitaxie in n-Typ 4H-SiC (Masterarbeit)

Betreuer:

Julietta Weiße (M. Sc.)
Kallinger, Birgit (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-273, E-Mail: birgit.kallinger@iisb.fraunhofer.de)

– Beschreibung:

Die Herstellung von Leistungsbauelementen auf der Basis von Siliziumkarbid (4H-SiC) stellt ein aktuelles Forschungsgebiet am Lehrstuhl für elektronische Bauelemente und dem Fraunhofer IISB dar. Hierbei liegt der Fokus unter anderem auf Kompensationsstrukturen analog zu dem bekannten CoolMOS für Silizium. Für dessen Realisierung werden abwechselnd n- und p-dotierte Säulenstrukturen durch Grabenätzen in das Bauteil integriert. Während für Silizium die Technik des ‚Trench‘-Ätzens und Auffüllens ausgereift ist, ist sie für Siliziumkarbid noch ein wichtiger Forschungsbereich.

Ziel dieser Masterarbeit ist es, das Grabenätzen (Trench-Ätzen) in n-Typ 4H-SiC bis zu einer Tiefe von 3 µm als Prozessschritt für die Strukturierung von SiC-Bauelementen zu optimieren. Hierfür werden Teststrukturen mit Variationen der Steg- und Grabenbreiten mittels Trockenätzprozessen gefertigt, welche anschließend mit einer p-Typ Epitaxieschicht aufgefüllt werden. Die Charakterisierung der geätzten Strukturen vor und nach dem Auffüllen mit p-Typ SiC erfolgt mittels elektrischer Messungen (u.a. Quecksilber-CV) sowie durch FIB-Schnitte. Hierbei ist die technologische Realisierbarkeit verschiedenster Grabengeometrien (Weite/Tiefe, Graben-/Stegbreite etc.) mittels Ätzen als auch das Auffüllen der Grabenstrukturen in Abhängigkeit der Grabengeometrie mittels Epitaxie zu ermitteln und zu beurteilen (z.B. Homogenität und Dotierung der gewachsenen p-Typ Epitaxieschicht).

Die Arbeit wird in den Reinräumen des Lehrstuhls für elektronische Bauelemente und des Fraunhofer IISB stattfinden, sodass das Arbeiten unter Reinraumbedingungen erlernt werden kann. Zudem ist der Zugang zu individuellen Messtechniken vorhanden. Die Eingliederung in eine Arbeitsgruppe ermöglicht einen schnellen und detaillierten Einblick in die aktuelle Forschung im Bereich der Kristallographie, des Halbleitermaterials Siliziumkarbid und der Herstellung von Leistungsbauelementen.

Florian Rottammer
Charakterisierung von tiefen Störstellen nach Implantation von Aluminium in n-Typ 4H-Siliziumkarbid (Masterarbeit)

Betreuer:

Julietta Weiße (M. Sc.)
Erlekampf, Jürgen (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-287, E-Mail: juergen.erlekampf@iisb.fraunhofer.de)
Rommel, Mathias (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-108, E-Mail: mathias.rommel@iisb.fraunhofer.de)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Beschreibung:

Für die Herstellung effizienter und leistungsstarker elektronischer Bauelemente auf SiC-Basis, muss eine genaue Kontrolle der Konzentration der dotierten Gebiete des Halbleiters gegeben sein. Nach einer Aluminiumimplantation in 4H-SiC erfolgt jedoch eine Ladungs-kompensation von Ladungsträgern in tiefe Störstellen, was zu einer Änderung der effektiven Dotierstoffkonzentration im Bauelement führt. Als Ursache für diese Kompensation werden
elektrisch aktive Punktdefekte, vermutet. Diese bilden Energieniveaus in der Bandlücke des Halbleiters und agieren dort als Ladungsträgerhaftstellen bzw. Rekombinationszentren. Um Störstellen, die im Speziellen Löcher einfangen, zu charakterisieren, werden in dieser Arbeit mittels Kapazitätstransientenmessung (DLTS) verschiedene mit Aluminium implantierte Pro-ben aus einem eigenen Prozess verglichen. Des Weiteren wurde der Einfluss einer Gateoxida-tion auf tiefe Störstellen untersucht. Absolutwerte der jeweiligen Konzentrationen detektierter Störstellen, die in allen gemessenen Proben auftraten, weisen in dieser Arbeit eine Unabhän-gigkeit von den hier verwendeten Implantationsprozessen auf. Weiterhin wurde festgestellt, dass in nicht-oxidierten Proben die Anzahl an detektierbaren Defektniveaus höher ausfiel. Das Verhältnis von Defektkonzentration zu Implantationskonzentration zeigte einen Trend, wel-cher bereits veröffentlichten Arbeiten folgt. Je größer die implantierte Aluminiumkonzentrati-on, desto weniger Störstellen werden prozentual durch diese Implantation erzeugt. Abschlie-ßend wurden die hier charakterisierten Defekte, hinsichtlich ihrer energetischen Lage in der Bandlücke und ihres Einfangquerschnitts, mit Literaturwerten verglichen und es konnten ei-nige bekannte Defekte den eigenen Messungen zugeordnet werden.

Tom Becker
Aufbau eines Simulationsmodells zur Untersuchung des dynamischen Betriebsverhaltens von LOHC-Systemen mit Brennstoffzelle und Batterie (Masterarbeit)

Betreuer:

Geiling, Johannes (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-488 ,
E-Mail: johannes.geiling@iisb.fraunhofer.de)
Öchsner, Richard (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-116 ,
E-Mail: richard.oechsner@iisb.fraunhofer.de)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Die vorliegende Arbeit behandelt das Konzept, die Modellierung und Simulation eines hybriden LOHC-Systems auf Basis von Dibenzyltoluol mit Brennstoffzelle und Batterie. Hierfür werden zunächst im theoretischen Teil der Aufbau des konzeptuellen Systems vorgestellt sowie komponentenweise Grundlagen, Einflussgrößen und Bezüge zur praktischen Anwendung im Bereich der Mobilität aufgezeigt. Das System umfasst dabei eine Dehydrier-Einheit mit Beheizung durch einen Wasserstoffbrenner zur Freisetzung des gebundenen Wasserstoffs sowie eine Brennstoffzelle zur Umsetzung und eine Batterie zur Erfüllung hochdynamischer Lastanforderungen im Betrieb. Bei der durchgeführten semiempirischen Modellierung werden darüber hinaus auch funktionelle Komponenten wie Tanks, elektrische Wandler, das freie Systemvolumen in Behältern und Rohrleitungen und eine Steuer- und Regelungseinheit abgebildet. Der Bilanzraum umfasst somit die Entladung des chemischen Wasserstoffspeichers sowie die energetische Nutzung des Wasserstoffs in einer Brennstoffzelle. Zentrale Anforderungen an die Modellierung in MATLAB/Simulink stellen die flexible Modularität, der systemtechnische Ansatz sowie die Implementierung aus dem realen Betrieb abgeleiteter Zustände zur Abbildung des dynamischen Verhaltens dar. Das so erstellte System-Modell erlaubt die Untersuchung einzelner und verknüpfter Bausteine durch dynamische Simulation. Dabei werden komponentenweise die identifizierten Einflussgrößen variiert und die Modell-Antwort ausgewertet sowie interpretiert. Simulative Betrachtungen ergeben Wirkungsgrade von ca. 95 % thermisch bei der Verbrennung von Wasserstoff sowie ca. 49 %, respektive 33 % elektrisch bei Verstromung im Rezirkulations- und Flow-Through-Modus. Der Betrieb der Dehydrierung erfordert ca. 35 % des freigesetzten Wasserstoffs, wodurch sich für den Bilanzraum ein stationärer Wirkungsgrad von ca. 30 % ergibt. Die durchgeführte Analyse lässt außerdem den zentralen Einfluss der Brennerleistung und des freien Systemvolumens auf die System-Dynamik erkennen. Die Gesamtauswertung zeigt die Notwendigkeit einer anwendungs- und systemspezifischen Betriebsstrategie. Als besonders erfolgsversprechend für weitere Optimierungen stellen sich dabei die Betriebsdauer des Systems auf konstanter Temperatur, die Wahl des LOHC-Durchsatzes durch den Reaktor sowie das Verhältnis des Wasserstoff-Überschusses an der Brennstoffzellen-Anode heraus.

Achinoam Castano
Klassifizierung elektrischer Lastspitzen im Energiesystem mittels maschineller Lernverfahren (Masterarbeit)

Betreuer:

Rueß, Alexandra (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-609 , E-Mail: Alexandra.Ruess@iisb.fraunhofer.de)
Öchsner, Richard (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-116 , E-Mail: richard.oechsner@iisb.fraunhofer.de)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

In jedem großen Unternehmen ist der Leistungsbedarf abhängig von der Tageszeit und der Nutzung von energieintensiven Verbrauchern unterschiedlich hoch. Auch beim Fraunhofer Institut schwankt dieser stark und es treten zu den Arbeitszeiten große Lastspitzen auf.
Diese Lastspitzen sind entscheidend für den Strompreis, den die Unternehmen bezahlen müssen (Leistungstarif).
Bei geringeren Maximalwerten im Verlauf des Leistungsbedarfs wird der Tarif kostengünstiger.
Aus diesem Grund sollen beim Fraunhofer Institut die Lastspitzen reduziert werden.
Für diese Aufgabe ist es wichtig die Ursachen der auftretenden Lastspitzen zu kennen und genau zu analysieren.
In dieser Arbeit werden die Lastspitzen mit Hilfe eines Grundlastfilters aus dem Verlauf herausgefiltert und für eine Klassifizierung in unterschiedliche Klassen vorbereitet. Diese Einteilung erfolgt dann mit Hilfe von ML-Algorithmen.
Anschließend wird ein Verfahren vorgestellt, welches es ermöglicht, die zukünftigen Lastspitzen anhand ihres Verlaufs in die entstanden Klassen einzuteilen. Da sich die Lastspitzen bei den vorhandenen Daten aber nicht signifikant unterscheiden, wurden dementsprechend auch nur eingeschränkte Ergebnisse erzielt.
Es konnte aber ein typisches Modell entwickelt werden, mit dem der Verlauf einer zukünftigen Lastspitze vorhergesagt werden kann.
Zusätzlich wird es durch die Differenzbildung der Echtzeitdaten des tatsächlichen Leistungsverlaufs und des prognostizierten Grundlastverbrauchs möglich, den Beginn einer Lastspitze zu ermitteln.
Die Grundlastprognose wird durch einen speziellen ML-Algorithmus erzeugt, der auf die gespeicherten Daten des Leistungsbedarfs der letzten Wochen angewendet wird.

Michael Märkl
Untersuchungen zu analogen SiC-CMOS Schaltungen für die Anwendung bei hohen Temperaturen (Bachelorarbeit)

Betreuer:
Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 31 gefunden werden.
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Der Siliciumkarbid Polytyp 4H-SiC ist ein Halbleitermaterial, das bisher vor allem im Bereich der Leistungsbauelemente zum Einsatz kommt, da es aufgrund seines großen Bandabstandes zwischen Valenz- und Leitungsband große Spannungen sperren kann. Der große Bandabstand hat außerdem auch zur Folge, dass die charakteristischen elektrischen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen erhalten bleiben. Dies macht 4H-SiC zu einem attraktiven Halbleitermaterial für Hochtemperaturanwendungen. Im Rahmen dieser Arbeit sollen erste Erfahrungen im Bezug auf den analogen Schaltungsentwurf mit 4H-SiC-Bauelementen gesammelt werden. Dazu wird ein zweistufiger millerkompensierter Operationsverstärker aus 4H-SiC ausgelegt, aufgebaut und analysiert. Hierfür werden zunächst die charakteristischen MOSFET-Kenngrößen im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zu 400 °C mit verschiedenen gängigen Bestimmungsmethoden ermittelt. Dafür wird die Einsatzspannung, die Ladungsträgerbeweglichkeit und der Kanallängenmodulationsfaktor bzw. die Earlyspannung aus den Kennlinien der MOSFETs bestimmt. Die dabei beobachtete Temperaturabhängigkeit ist für NMOS- und PMOS-Transistor unterschiedlich. Bei dem NMOS-Transistor nimmt die Einsatzspannung mit steigender Temperatur stärker ab als bei dem PMOS-Transistor. Die Ladungsträgerbeweglichkeit des NMOS-Transistors ist kaum temperaturabhängig, bei dem PMOS-Transistor nimmt diese mit zunehmender Temperatur stark zu. Für die Auslegung wurde ein im Rahmen des analogen Silicium-Schaltungsdesign übliches Verfahren angewendet. Während des Entwurfsprozesses wurden Spice-Simulationen zur Optimierung des Entwurfs durchgeführt. Die nach den Vorgaben der Auslegung aufgebauten Operationsverstärker wurden elektrisch bezüglich einiger charakteristischer Kenngrößen vermessen. So konnte herausgefunden werden, dass der Einsatz bereits für Silicium etablierter Entwurfsverfahren, trotz der abweichenden Strom-Spannungs-Charakteristik, grundsätzlich auch für 4H-SiC möglich ist. Des Weiteren wurden die Lebensdauer des Gateoxids bis zum dielektrischen Durchbruch und die hohen Einsatzspannungen der MOSFETs, sowie die Offsetspannungen als am stärksten begrenzende Faktoren ermittelt. Der Vergleich, des an dem Operationsverstärker gemessenen Verhaltens mit den Spice-Simulationen, ergab eine gute Übereinstimmung im Rahmen der Messgenauigkeit. Abschließend konnte an einer Verstärkerschaltung, mit einem Verstärkungsfaktor von zehn, die Funktionalität des entwickelten Operationsverstärkers bei einer Temperatur von 300 °C gezeigt werden. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse können als Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen zum Schaltungsdesign von analogen und mixed-signal SiC-CMOS-Schaltungen verwendet werden.

David Perez Postigo
Identifikation von Maßnahmen zur Erhöhung der Temperaturspreizung eines Kaltwassersystems (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Puls, Philipp (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-245, E-Mail:philipp.puls@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr.-Ing. Aust, Richard (TH Nürnberg, Tel.: 0911-5880-1608, Email: richard.aust@th-nuernberg.de)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung

Aus Erfahrungen des Fraunhofer IISB-Erlangen kann ein Kältesystem mit Wärmeübertragern, das nicht im optimalen Betriebspunkt arbeitet, durch eine Massenstromreduktion Energie einsparen.
Zum einen können die Pumpenleistungen reduziert und zum anderen, durch angepasste Temperaturspreizungen, Kältemaschinen mit besseren Wirkungsgraden betrieben werden.
Die Bachelorarbeit wurde an dem Gebäudekältesystem des Fraunhofer-IISB durchgeführt.

Das Kältesystem vom Haupt- und Nebengebäude Anbau A, welche mittels einer Kälte-übergabestation verbunden sind, sollen optimiert werden.
Auf Grund von sehr geringen Temperaturspreizungen in beiden Systemen laufen die Kälteerzeuger und -speicher nicht im optimalen Betriebspunkt und verursachen erhöhte Energiekosten.
Für die Optimierung soll nun auf der sekundären Seite der Kälteübergabestation, also im Anbau A, der momentane überdimensionierte Massenstrom reduziert werden.
Dadurch soll die Sekundärseite eine Temperaturspreizung erfahren.

Die Folge davon ist, eine Spreizung der Temperatur auf der primären Seite, also im Hauptkältesystem.
Auf Grund der Temperaturerhöhung sollen die so erreichten Temperaturen einen besseren Betriebspunkt für Kälteerzeuger und -speicher ergeben.
Für die Identifikation von Maßnahmen zur Massenstromreduktion muss das sekundäre Kältesystem analysiert werden.
Dafür wurden mit Hilfe eines Ultraschallgerätes die Volumen- bzw. Massenströme an mehreren lokalen Messstellen aufgezeichnet und ausgewertet.
Die aus den Messwerten gewonnenen Diagramme sollen bei der Auswahl einer geeigneten Maßnahme zur Massenstromreduktion helfen.
Aus den ermittelten Daten wurden Massenströme identifiziert, welche direkt ohne Temperaturänderung vom Vorlauf in den Rücklauf der Kälteübergabestation fließen.
Dies bewirkt die geringe Temperaturspreizung im System und soll durch ein ansteuerbares Ventil unterbunden werden.
Das Ganze könnte von der hauseigenen Gebäudeleittechnik für die Sommer- und Wintersaison automatisiert werden.
Auf Grund der zeitintensiven Analyse des Kältesystems konnten das Optimierungskonzept sowie die letztendliche Optimierungsmaßnahme nicht durchgeführt werden.
Die Optimie-rungsmöglichkeit wird im Kapitel 6 genauer beschrieben und diskutiert.

Tobias Glaser
Herstellung von elektrooptischen Modulatoren mittels Nanoimprintlithographie (Masterarbeit)

Betreuer:

Rommel, Mathias (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-108, E-Mail: mathias.rommel@iisb.fraunhofer.de)
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

In dieser Masterarbeit wurde eine Prozesskette zur Herstellung eines polymerischen elektrooptischen Modulators durch Strukturierung mittels Nanoimprintlithographie (NIL) entwickelt. Hierzu wurde auch ein neuartiger Lack selbst hergestellt. Im ersten Schritt wurde der Lack aus Acrylat-Monomeren angemischt. Hierbei wurde eine Veröffentlichung herangezogen, welche einen ähnlichen Lack erstmals in Verbindung mit NIL mit harten Prägeformen vorstellte. Dieser wurde so modifiziert, dass auch substratkonforme NIL möglich ist. Es wurden die UV-Härtbarkeit, das Verhalten beim Spin-coating, die erreichbare Schichtdicke sowie die optische Dispersionsrelation des Lacks durch Spektralellipsometrie ermittelt. Es konnte in Vorversuchen mit nanostrukturierten Prägeformen zudem festgestellt werden, dass NIL mit dem Lack grundsätzlich möglich ist. In den folgenden Experimenten wurden Strukturen aufgebaut, die zur elektrooptischen Modulation notwendig sind. Der komplette Prozessverlauf, also die Metallisierung auf Vorder- und Rückseite, das Aufbringen von Pufferschichten, das Aufbringen und Strukturieren der Wellenleiter und das abschließende Vereinzeln der Systeme wurde hierzu untersucht und die verwendeten Methoden kritisch betrachtet. Bei jedem Prozess wurden die beobachteten Herausforderungen identifiziert und verschiedene Lösungsansätze gezeigt und getestet. Beim Aufschleudern wurde die Bildung sogenannter Marangoni-Instabilitäten beobachtet und eine Lösung des Problems durch Veränderung der Lackkomposition gefunden. Danach wurde die erreichbare Schichtdicke von ca. 3,5 bis 11µm bestimmt. Die Löslichkeit der elektrooptisch aktiven Komponente Disperse Red 1 wurde dann ebenfalls durch Änderung der Lackzusammensetzung auf 1 Gew.% erhöht. Beim Imprint wurde beobachtet, dass der Lack stark in der Prägeform haftete. Durch Verwendung von Lösemitteln und einer Antihaftschicht konnten hier Ansätze gezeigt werden, welche für die Zukunft vielversprechend sind. Beim Sägen der Systeme wurde abschließend festgestellt, dass die Haftung der Schichten, insbesondere die der oben liegenden Metallisierung, noch optimiert werden muss. Es wurden für jeden Prozessschritt verschiedene Optimierungen gefunden. Die Arbeit kann daher als Grundlage verwendet werden, um nach tiefer gehenden Forschungen elektrooptische Modulatoren auf diese Weise zu fertigen.

Simon Schey

2018

Einfluss des dielektrischen Schichtstapels auf die elektrischen Eigenschaften von Silizium-Kondensatoren (Masterarbeit)

Betreuer:

Böttcher, Norman (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-605, E-Mail: norman.boettcher@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. Lothar Frey
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

In der vorliegenden Arbeit werden Konzepte zur Realisierung von Silicium-Grabenkondensatoren mit einer Spannungsfestigkeit von 1200 V auf deren Herstellbarkeit und elektrische Eigenschaften untersucht. Um diese hohe Spannungsfestigkeit bei Silicium-Kondensatoren zu erreichen, ist das Dielektrikum als Mehrschichtsystem ausgeführt mit einem Anteil an stressarmen Siliciumnitrid.

Die Silicium-Kondensatoren werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit während ihrer Prozessierung im Reinraumlabor auf mechanische Spannungen
untersucht, um Rückschlüsse auf deren Beanspruchung und Herstellbarkeit zu ziehen. Um Einflüsse der Strukturparameter auf die elektrischen
Eigenschaften zu ermitteln sowie zur Parameterisierung eines geeigneten Modells, erfolgt zusätzlich prozessbegleitend die optische Bestimmung der Schichtdicken des dielektrischen Schichtstapels. Zur optischen Ermittlung der einzelnen Schichtdicken des komplexen Mehrschichtsystems wird eine Methodik am Spektralellipsometer entwickelt und damit die Schichtdicke sowie die Inhomogenität der abgeschiedenen Schichten bestimmt. Die abschließende elektrische Charakterisierung an fertig hergestellten Silicium-Kondensatoren wird hinsichtlich der erzielten Kapazität und der Spannungsfestigkeit vorgenommen.

Das erfolgsversprechendste Konzept hinsichtlich der Kapazität und der Spannungsfestigkeit ist ein Silicium-Kondensator, dessen Grabenstruktur eine Lochtiefe von etwa 22,5 µm aufweist sowie welcher einen dielektrischen Schichtstapel aus 338 nm Siliciumdioxid, 538 nm stöchiometrischem Siliciumnitrid, 555 nm stressarmen Siliciumnitrid und 505 nm stöchiometrischem Siliciumnitrid aufweist. Damit wird eine Kapazität pro Fläche von 133 pF/mm2 und eine Spannungsfestigkeit von 1450 V erzielt.

Katja Pelaic
Sensorelektronik mit niedrigem Leistungsbedarf für mobile Anwendungen (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Dr.-Ing. Michael Jank
Prof. Dr. Lothar Frey
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Sensorelektronik für den analogen Electrolyte-Sweat-Analyzer-Multisensor entwickelt. Mit diesem Sensor kann die Konzentration von Ionen im menschlichen Schweiß bestimmt werden, um damit auf das Belastungsniveau während sportlicher Aktivitäten zu schließen. Das realisierte System ermöglicht es, die Spannungen dreier Kanäle des Multisensors auszulesen und die Messwerte per Near-Field-Communication (NFC) an ein iPhone zu übertragen. Dazu wurde eine analoge Eingangsstufe entwickelt, welche die bipolaren Sensorspannungen rückwirkungsfrei verstärkt und so aufbereitet, dass sie durch den Analog-Digital-Wandler (ADC) eines RF430FRL152H Mikrocontrollers abgetastet werden können. Der dafür entwickelte Programmcode ermöglicht es, die Messwerte im NFC-Data-Exchange-Format (NDEF) abzulegen, sodass sie von Android- und iOS-Geräten per NFC ausgelesen werden können. Da das System keine eigene Energieversorgung besitzt, wird die Schaltung mit per NFC übertragener Energie betrieben. Diese Versorgungsart kann nur eine sehr begrenzte Leistung übertragen, sodass die eingesetzte Elektronik auf einen möglichst geringen Leistungsbedarf optimiert wurde. Um im nächsten Entwicklungsschritt mehr als drei Kanäle des Multisensors auszulesen, wurde eine alternative Schaltung mit einem Multiplexer konzipiert und der für die Ansteuerung notwendige Programmcode entwickelt.

Thomas Lechner
Optimierung der Mehrlagenmetallisierung für SiC-CMOS-Prozesse (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 25 gefunden werden.
Prof. Dr. Lothar Frey
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)

– Kurzzusammenfassung:

Integrierte Schaltungen auf Siliziumkarbid haben in der Hochtemperaturelektronik großes Potenzial. Die Technologie zur Herstellung von CMOS-Bauelementen auf Siliziumkarbid ist noch nicht etabliert. Insbesondere das Back-End-of-Line stellt die Produktion vor Herausforderungen.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Prozesse zur Herstellung der Metallisierung evaluiert. Es wurden die Verfahren Sputtern und Aufdampfen zur Metallabscheidung gegenübergestellt. Zum Strukturieren der Schichten wurde ein Vergleich zwischen dem Trockenätzen, dem nasschemischen Ätzen und dem Lift-off angestellt. Das Trockenätzen der Metalle führte durch seine geringe Selektivität zu Problemen bei der Strukturierung, da es das untere Dielektrikum ebenfalls ätzte. Das nasschemische Ätzen und das Lift-off Verfahren strukturierte die Metallisierungsebene erfolgreich. Jedoch durften beim Lift-off Verfahren bei der Abscheidung der Metalle keine Temperaturen über 150°C auftreten um den Photolack nicht zu beschädigen.

Zur Evaluierung der elektrischen Eigenschaften wurden Strom-Spannungs- Messungen und Leckstrom-Messungen bis zu 520°C sowie eine Kapazitäts-Messungen bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Messungen erfolgten jeweils an einer SiC-Scheibe sowie an den beiden hergestellten Si-Scheiben.

Auf der SiC-Scheibe bestand die lokale Leiterbahn aus Polysilizium und die globale Leiterbahn aus Platin. Polysilizium besitzt einen spezifischen Widerstand von 775 µOhm·cm bei 25°C. Platin weist einen stabilen Temperaturkoeffizienten von 2,8·10-2 µOhm·cm·K-1 auf und erreicht einen maximalen spezifischen Widerstand von 25µOhm·cm. Eine Kondensatorstruktur aus Polysilizium und Platin erreichte eine Kapazität von 4,68 pF, was dicht an der theoretischen Kapazität von 4,6 pF liegt. Bei niedrigen Temperaturen beträgt der Leckstrom von -5 V bis 5 V unter 10-12 A. Selbst bei einer Spannung von 100V und einer Temperatur von 500°C liegt der Leckstrom nur bei 10 nA.

Im ersten Prozess wurden zwei Aluminium-Leiterbahnen auf einer Silizium-Scheibe abgeschieden. Die lokale Metallisierung besitzt einen spezifischen Widerstand von 11µOhm·cm. Der Leckstrom zwischen zwei Platten aus Aluminium betrug 10nA bei einer Spannung von 100 V und 500°C.

Im zweiten Prozess wurden jeweils Aluminium, Platin, Titan und Wolfram auf einer Si-Scheibe abgeschieden. Dabei wurde festgestellt, dass Aluminium bei Temperaturen von bis zu 400°C den niedrigsten spezifischen Widerstand von unter 20 µOhm·cm besitzt. Bei höheren Temperatur steigt der Widerstand mit einem höheren Temperaturkoeffizienten von 155·10-3 µOhm·cm·K-1 an. Der spezifische Widerstand von Titan liegt bei Raumtemperatur bei 95 µOhm·cm. Platin erreicht einen maximalen spezifischen Widerstand von 30 µOhm·cm. Es konnte auch eine Schichtwiderstandsmessung für Wolfram vorgenommen werden, die einen Widerstand von 4·10-4 Ohmcm-1 ergab.

Anhand der Messungen wurde festgestellt, dass Aluminium bis zu einer Temperatur von 400°C durch seinen niedrigen Widerstand am Besten als Leiterbahn geeignet ist. Bei höheren Temperaturen sollte Platin eingesetzt werden, da es im Gegensatz zu Aluminium einen niedrigeren Temperaturkoeffizienten besitzt. Polysilizium, Titan und Wolfram sollten aufgrund ihres hohen Widerstand nur als lokale Leiterbahn verwendet werden. Jedoch konnte keine Wolframschicht dicker als 100 nm abgeschieden werden, da sonst eine Delamination stattfand. Deswegen muss der Prozess für eine Metallisierung aus Wolfram in Zukunft noch optimiert werden.

Ria-Helen Zühlke
Bestimmung von Design-Richtlinien für Feldring-Randabschlüsse für 4H-SiC-Bauelemente mittels TCAD-Simulationen (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Büttner, Jonas (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-236, E-Mail: jonas.buettner@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. Lothar Frey
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Eine wichtige Anforderung an leistungselektronische Bauelemente ist, eine hohe Sperrfähigkeit zu haben. Allerdings kommt es am Rand der aktiven Fläche des Bauelements zu lokalen Feldverdichtungen, die zu einem verfrühtem Lawinendurchbruch führen. Feldringe als Randabschlusskonzept finden breite Anwendung bei hochsperrenden Bauelementen, da sie gleichzeitig mit dem Anoden Kontakt hergestellt werden.
In dieser Bachelorarbeit werden 4H-SiC-Bauelemente mit einer pin-Struktur aus der Spannungsklasse von 1,2 kV mit Feldringen als Randabschluss in der Simulationssoftware TCAD untersucht. Zur Verifizierung des bestehenden TCAD-Modells wird im ersten Teil der Arbeit das Modell auf die gemessenen Durchbruchspannungen der Bauteile, die bereits mit Feldringen hergestellt wurden, kalibriert. Im zweiten Teil der Arbeit wird mit dem kalibriertem TCAD Modell eine Studie durchgeführt, die für das Design der Feldringe relevant sind. Ausgehend von den Ergebnissen aus der Studie werden Empfehlungen bezüglich des Designs von Feldringen vorgestellt. Eine optimierte Struktur weist eine gleichmäßige Verteilung der elektrischen Feldstärke Spitzen auf, sodass der Lawinendurchbruch bei allen Ringen gleichzeitig geschieht. Aus der Studie geht hervor, dass die Anzahl und der Abstand der Ringe die entscheidenden Faktoren im Feldring Design sind. Mit zunehmender Ringanzahl können höhere Durchbruchspannungen erzielt werden, jedoch wächst damit der Platzbedarf. Aus der elektrischen Feldverteilung kann beobachtet werden, dass inkrementelle Ring Abstände von den inneren zu den äußeren Ringen zu bevorzugen sind und die Durchbruchspannung enorm erhöhen können. Positive, feste Oxidladungen an der SiC/SiO_2 Grenze können eine Erhöhung der elektrischen Feldstärke an der aktiven Fläche bewirken und müssen daher im Design der Feldringe berücksichtigt werden.
Die vorgestellte Randabschluss-Struktur hat 18 Ringe und erreicht eine Durchbruchspannung von 1981 V, was 83,8% der idealen Sperrspannung einer planparallelen Struktur entspricht. Bis zum elften Feldring sind die elektrischen Feldstärke Spitzen annähernd gleich groß. Anschließend werden weitere Optimierungsvorschläge dargelegt, wie bei den äußeren Ringen gleiche Feldstärke Maxima erzielt werden können.

My-An Nguyen
Dünnschichttransistoren, Kondensatoren und Widerstände auf flexiblem Substrat (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 48 gefunden werden.
Dr.-Ing. Michael Jank
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)

– Kurzzusammenfassung:

Das Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit war es, Möglichkeiten zu finden, Dünnschichttransistoren (TFT), Kondensatoren und Widerstände auf flexiblen Substraten herzustellen und deren elektrische Eigenschaften anschließend mit denen auf Silizium- und Glassubstraten zu vergleichen. Es wurden sowohl freitragende Polymerfolien, als auch auf Siliziumscheiben aufgebrachte (geträgerte) Polymermembranen und -folien getestet. Auf den geträgerten Substraten wurden eine Klebefolie und eine Opferschicht aus Polyvinylakohol auf ihre Adhäsions- und Ablöseverhalten getestet. Außerdem wurde der Einfluss der Substrate auf die Lithographie eines Lackes genauer untersucht. Dazu wurden die Strukturbreiten von Leiterbahnen auf dem Lack miteinander verglichen. Nachdem ein geeigneter Prozess gefunden war, konnten die spezifischen elektrischen Charakteristika der Bauelemente gemessen und miteinander verglichen werden. Es gelang funktionsfähige Widerstände und Dünnschichttransistoren auf flexiblen Subtraten herzustellen. Die Widerstände funktionierten auf sämtlichen getesteten Membranen, jedoch varriieren die Widerstandswerte in Abhängigkeit des Substrates. Die Dünnschichtransistoren konnten, aufgrund der Verformung von freitragenden Polymerfolien, nur auf einer geträgerten Polydiemethylsiloxanmembran hergestellt werden. Sie zeigten eine ähnliche Drainstromcharakteristik, wie andere TFTs. Die Kondensatoren konnten auf flexiblen Substraten nicht auf ihre Eigenschaften hin untersucht werden, weil es Probleme mit der Kontaktierung der Messnadeln gibt. Danach sollte überprüft werden, ob die elektronischen Bauelemente auf flexiblen Substraten auch für einfache Schaltungen geeignet sind. Allerdings konnte auf keinem Polymersubstrat erfolgreich eine funktionsfähige Schaltung – in diesem Fall ein Inverter – erzeugt werden. Das hängt mit der Übertragung von Maskenstrukturen auf den Lack zusammen.

Robin Basu
Optimierung der Atomlagenabscheidung von Aluminiumoxidschichten (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 48 gefunden werden.
Dr.-Ing. Michael Jank
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)

– Kurzbeschreibung:

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Atomlagenabscheidung von Aluminiumoxid bei niedrigen Temperaturen. So sollen die hier auf herkömmlichen Siliziumhalbleiterscheiben getesteten Abscheidungen von Aluminiumoxid in späteren Versuchen auf flexiblen bei geringen Temperaturen schmelzenden Substraten ermöglicht werden. Als Metallausgangsstoff findet Trimethylaluminium (TMA) Verwendung. Zur Oxidation werden Wasserdampf, Ozon oder ein Sauerstoffplasma verwendet. Alle Abscheidungen finden bei 150 °C statt.
Die auf verschiedene Weisen abgeschiedenen Oxidschichten vermessen und elektrisch charakterisiert. Dafür wird die Dicke der Proben mittels Ellipsometrie bestimmt, um Wachstumsrate und Homogenität der Oxide zu ermitteln. Für die elektrische Charakterisierung werden sowohl Kapazität- als auch Strom-Spannungs-Messungen and Metall-Oxid-Halbleiter-Kondensatoren durchgeführt und ausgewertet. Des Weiteren wird der Einfluss der thermischen Ausheilung auf die elektrischen Eigenschaften der Kondensatoren untersucht. Da am Lehrstuhl bis dato nur eine Abscheidung mittel Sauerstoffplasma untersucht wurde, soll der TMA/Wasserdampf-Prozess entwickelt und mit anderen Prozessarten verglichen werden.
Bei der Untersuchung des TMA/Wasserdampf-Prozesses konnte nicht bei allen Prozesszeiten eine Selbstlimitierung festgestellt werden. Beim Dosierschritt des Wassers setzt sich mit steigender Zeit immer mehr Wasserdampf in der Schicht ab und beeinträchtigt die Schichteigenschaften.
Die elektrische Charakterisierung ergab deutliche Unterschiede der verschiedenen Prozessarten. Die bei Sauerstoffplasma und Ozon auftretenden Hysteresen waren bei Wasserdampf Proben nicht festzustellen. Außerdem ergab sich bei der Oxidation mit Wasserdampf die höchste Dielektrizitätskonstante. Dafür brachen die Proben bei vergleichsweise geringen elektrischen Feldern bereits durch und weisen einen deutlich erhöhten Stromfluss durch das Oxid auf, was für hohe Defektdichten in den abgeschiedenen Oxiden spricht.
Nach thermischer Ausheilung veränderten sich die elektrischen Kennwerte der Kondensatoren deutlich. Es war ein Trend zu höheren Flachbandspannungen, zum Rückgang der Hysterese und zur Verringerung der Durchbruchfeldstärke zu erkennen.
Im Anschluss daran wurden die mittels Atomlagenabscheidung (ALD) abgeschiedenen Aluminiumoxidschichten mit herkömmlichem thermisch gewachsenen Siliziumoxid verglichen. Hierbei zeigte sich für Aluminiumoxid eine deutlich höhere Dielektrizität. Allerdings wurden auch hohe Leckströme durch das Oxid und vergleichsweise schlechte Durchbrucheigenschaften festgestellt.

Jannik Schwarberg
Entwurf und Realisierung eines Prüfadapters mit Federkontaktierung für ein Kennlinienmesssystem unter besonderer Beachtung von Leckströmen und Übergangswiderständen (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Dresel, Fabian (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-625, E-Mail:fabian.dresel@iisb.fraunhofer.de)
Bayer, Christoph (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-215, E-Mail:christoph.bayer@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. Lothar Frey
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Arlette Ngnogue
Auswertung und Visualisierung von Dioden-Kennwerten durch statistische Datenanalyse (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Büttner, Jonas (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-236, E-Mail: jonas.buettner@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. Lothar Frey
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

– Kurzzusammenfassung:

Die ideale JBS-Diode verhält sich in Sperrrichtung wie eine PIN- und in Flussrichtung wie eine Schottky-Diode. Durch die Variation des Diodendesigns mit verschiedenen Abständen der Dotierungsgebiete und deren geometrischer Form lassen sich unterschiedliche Diodentypen erzeugen.
Diese werden anschließend auf einem Wafer hergestellt. Ziel der Arbeit ist es, mithilfe einer Analyse der Messwerte und Kennlinien Aussagen über die Qualität der verschiedenen Diodenarten zu treffen.
Dies geschieht durch eine graphische Auswertung, implementiert in „Python“. Grundsätzlich unterscheidet man die Diodenformen in Hexagone und Streifen.
Der daraus resultierende Unterschied beider Designs liegt hierbei in der Schottky-Fläche und dem damit verbundenen Stromfluss der Dioden.
Ein weiteres Kriterium ist das Randabschlussdesign, welches die Diodeneigenschaften vor allem in Sperrrichtung beeinflussen soll. Durch die Analyse der automatisch erzeugten Messwerte des Wafers stellt man fest,
dass der Anstieg der hexagonalen Anordnungen in Flussrichtung deutlich steiler ist. Auch die Zahl der Ausnahmekennlinien, die durch fehlerhafte Prozessierung entstehen, ist bei diesem Typ geringer als beim Streifendesign.

Somit kommt man mit dieser geometrischen Diodenart bereits in die Nähe des gewünschten Verhaltens einer Schottky-Diode in Flussrichtung.
Entgegengesetzt dazu will man in Sperrrichtung eine betragsmäßig hohe Durchbruchsspannung bei kleinem Sperrstrom, wie bei einer PIN-Diode, erreichen.

Die graphische Analyse zeigt hierbei auf, dass die Dioden auf dem untersuchten Wafer noch weit davon entfernt sind.
Die maximale Durchbruchspannung der JBS-Dioden liegt hier deutlich unterhalb des gewünschten Wertes von 1,2 kV Durchbruchsspannung.
Außerdem stellt man fest, dass etwa die Hälfte der Dioden auf dem Wafer aufgrund von Defekten oder Prozessfehlern in Sperrrichtung von den Hauptkennlinien abweichen. Berücksichtigt man diesen Abweichungsgrad, so kommt man zum Ergebnis, dass die Streifenanordnungen hier näher am gewünschten Verhalten der PIN-Diode liegen als die Hexagone.

Des Weiteren kommt man zum Ergebnis, dass der Randabschluss der Dioden nur einen geringen Einfluss auf deren Verhalten hat.

Steffen Gundermann
Evaluation von kapazitiven Messungen zur Untersuchung von Biofilmen (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Julius Marhenke (M. Sc.)
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit liegt in der Erzeugung von Parametern zur Detektion von Biofilmen mittels kapazitiven Sensoren. Zur Erzeugung dieser Parameter werden mit gedruckten Kapazitätssensoren kapazitive Messungen an verschiedenen Proben durchgeführt.
Bei den Kapazitätssensoren handelt es sich um planare Elektroden, wel-che in einer Interdigitalstruktur angeordnet sind. Es wird mit vier verschiedenen Sensoren mit zwei unterschiedlichen Interdigitalstrukturen gemessen. Zusätzlich besitzen zwei der Sensoren eine Abschirmung
Die kapazitive Messung wird zur Generation von probencharakteristischen Ergebnissen in vier verschiedenen Frequenzen durchgeführt.
Anlässlich der Zielsetzung werden Proben mit ähnlichen Eigenschaften wie ein Biofilm gewählt. Darunter befindet sich ein Polymer, deionisiertes Wasser und biologisches Gewebe.
Es konnte gezeigt werden, dass die geometrischen Eigenschaften der Sensoren die Kapazität, das elektrische Feld, sowie die Frequenzeigenschaften beeinflussen. Durch den Vergleich der Messwerte stellte sich heraus, dass die Abschirmung die Kapazität und die sensorische Fähigkeit stark beeinträchtigt. Darüber hinaus konnte eine Unterscheidbarkeit der Proben durch ihre dielektrischen Eigenschaften festgestellt werden. Dabei wurde ersichtlich, dass flüssige oder ionenhaltige Proben die Kapazität nicht so stark erhöhen, wie die durch die Kombination der beiden. Ebenso zeigen flüssige Proben deutlich stärkere Frequenzabhängigkeiten.

Simon Merkel
Optimierung des Betriebs eines Mikrofluidiksystems zur Partikelgrößenseparation (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Julius Marhenke (M. Sc.)
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung

In der Biomedizin und Chemie bietet die Mikrofluidik die Möglichkeit kleinste Volumina zu manipulieren und zu analysieren. Dadurch werden Analysemethoden ermöglicht, für die nur geringste Probenmengen benötigt werden. Somit können Kosten und Analysezeiten reduziert werden. Die Mikrofluidik erlaubt die Manipulation von Mikroorganismen über Zellen bis hin zu Proteinen und DNA. In dieser Arbeit wird der Herstellungsprozess für ein mikrofluidisches System zur Partikelgrößenseparation entwickelt. Dazu wird ausgehend von einem bestehenden Maskendesign die Herstellung von Lackstrukturen mit hohen Aspektverhältnissen beschrieben. Die Lackstrukturen werden aus dem epoxidbasierten Photolack SU-8 hergestellt, der sich aufgrund seiner hohen Transparenz und mechanischen Stabilität für die Fabrikation von Strukturen mit hohen Aspektverhältnissen durch Standardlithographietechniken eignet. Bei der Optimierung der Herstellung der Lackstrukturen liegt der Fokus auf der Optimierung der Belichtung durch Parameter, wie Belichtungszeit und Belichtungsmodus, um die Strukturen möglichst maskengetreu zu übertragen. Ein weiterer wichtiger Aspekt in der Arbeit sind die Temperaturbehandlungen des Lacks, um die Rissfreiheit der Lackstrukturen zu gewährleisten. Im Rahmen der Arbeit wurden rissfreie Lackstrukturen durch optimierte Pre- und Postbakezeiten und temperaturen sowie die Durchführung eines Hardbakes realisiert. Eine weitere wichtige Erkenntnis der Arbeit ist, dass ein Filter, der Wellenlängen unter 350 nm aus der Lichtquelle der Belichtung entfernt, nötig ist, um SU-8 Strukturen mit geraden Seitenwänden zu erhalten. Die optimierten Lackstrukturen wurden zum Schluss der Arbeit dazu verwendet Mikrofluidiksysteme abzuformen. Ein exemplarischer Betrieb der Systeme zeigt eine erfolgreiche Auslenkung von Partikeln.

Alexander Flohrer
Experimentelle Untersuchung an PEM-Brennstoffzellen zum Einfluss des Wasserstoffanteils auf das Impedanzspektrum (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Michael Steinberger (Michael.Steinberger@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. Lothar Frey
Martin März (Prof. Dr.-Ing.)

Kurzzusammenfassung:

Die Wasserstoffkonzentration im Brenngas hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Betriebsführung und den Wirkungsgrad eines Brennstoffzellensystems. Derzeit kann diese am Ausgang
eines Brennstoffzellenstacks nur mithilfe von teurer Sensorik gemessen werden. Um die Bestimmung der Wasserstoffkonzentration mit wenig Aufwand und Kosten durchzuführen, wird im Zuge dieser Arbeit ein im Flow-Through betriebenes Brennstoffzellensystem (BZS) mit der Methode der elektrochemischen Impedanzspektroskopie untersucht. Dabei soll festgestellt werden, ob eine Veränderung des Wasserstoffanteils an der Anode eines Brennstoffzellensystems einen Einfluss auf das resultierende Impedanzspektrum besitzt. Das Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellensystem (PEM-BZS) mit einer elektrischen Nennleistung von 8 kW befindet sich nnerhalb eines Wasserstoffprüfstands am Fraunhofer IISB. Bevor die Messreihen aufgenommen wurden, erfolgte eine Validierung des verwendeten Messaufbaus. Einerseits wurden eigene Impedanzspektren mit Messungen aus der Literatur verglichen, was eine qualitativ sehr hohe Übereinstimmung ergab. Andererseits wurden die eigenen Impedanzspektren auf Reproduzierbarkeit getestet, indem Messungen an zwei Brennstoffzellen aus dem Stack verglichen wurden. Diese Versuche zeigten ebenfalls geringe relative Abweichungen zum Mittelwert der Messungen für Frequenzen zwischen 0,5 und 500 Hz, sodass für diesen Frequenzbereich von einer hohen Reproduzierbarkeit ausgegangen werden kann. Im Zuge der Messungen wurde das BZS anschließend in verschiedenen Arbeitspunkten betrieben. Dabei wurden neben der Wasserstoffkonzentration (50 mol-% – 100 mol-%) auch die Laststromdichte (0,16 A/cm2, 0,34 A/cm2, 0,5 A/cm2) und die Temperatur (45 °C, 55 °C) variiert, um gegebenfalls gegenseitige Korrelationen festzustellen. Im Zuge der Impedanzanalyse wurden in jedem Arbeitspunkt ein Impedanzspektrum mit einem Frequenzbereich von 0,5 Hz bis 2 kHz mit 50 logarithmisch verteilten Messpunkten, eine Amplitude von 6A und eine Zyklenzahl von fünf eingestellt. Die Messreihen zeigten geringe Einflüsse für veränderte Wasserstoffkonzentrationen, bei denen der niederfrequente Stofftransportbogen im Impedanzspektrum infolge einer Konzentrationssenkung leicht größer wurde. Dieses Verhalten ist bei höheren Stromdichten stärker ausgeprägt und damit besser zu untersuchen, wohingegen bei einer Stromdichte von 0,16A/cm2 keine reproduzierbaren Auswirkungen festzustellen sind.

Es ergeben sich ebenfalls Änderungen im Spektrum bei Variation der Parameter Temperatur oder Laststromdichte. Diese fallen deutlich stärker aus als die Auswirkungen der Wasserstoffkonzentration und vor allem der Einfluss der Temperatur schlägt sich ebenfalls im niederfrequenten Bereich nieder. Darum wird die Auswirkung des Wasserstoffanteils auf das Impedanzspektrum bei wechselnden Betriebsbedingungen von denen der anderen Parameter überlagert. So hat eine Temperaturerhöhung um 10 °C den gleichen Einfluss auf das Impedanzspektrum wie eine Konzentrationsänderung von 56 mol-% auf 100 mol-%. Um die Wasserstoffkonzentration mithilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie auch nur näherungsweise festzustellen, müssen alle Betriebsbedingungen konstant gehalten werden, um dessen Einfluss zu isolieren und damit sichtbar zu machen. Dies könnte sich außerhalb von Laborbedingungen oder in anderen Betriebsarten als schwierig erweisen. Darüber hinaus ist die Messgenauigkeit durch die geringe Größe des Einflusses in der Regel ungenügend. Aus diesem Grund kam die folgende Arbeit zu dem Schluss, dass die Impedanzspektroskopie bei der Messung der Wasserstoffkonzentration keinen Ersatz zu Sensoren darstellt.

Benedikt Wittmann
Modifikation eines vorhandenen PCIV-Messplatzes zur temperaturabhängigen Messung von Widerstandsprofilen an SiC-Proben (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Kocher, Matthias (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-392 , E-Mail:matthias.kocher@iisb.fraunhofer.de)
Rommel, Mathias (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-108, E-Mail: mathias.rommel@iisb.fraunhofer.de)
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung:

In dieser Arbeit wurde ein vorhandener Messplatz für Point Contact Current Voltage (PCIV)-Messungen auf Siliciumcarbid (SiC) um eine Heizvorrichtung ergänzt. Das Ziel ist dabei, Widerstandsprofilmessungen auf 4H SiC bei erhöhten Temperaturen bis zu 80 °C durchzuführen und mit den Ergebnissen bei Raumtemperatur zu vergleichen. Dazu wurde die Heizvorrichtung aufgebaut und nach Verifizierung ihrer Funktionalität in den Messplatz integriert. Zur Temperaturregelung wurde ein LabVIEW-Programm erstellt, welches die Heizvorrichtung steuert. Temperaturabhängige Widerstandsmessungen wurden ortsfest auf verschiedenen Proben durchgeführt, um das Widerstandsverhalten zu untersuchen und mit der Theorie zu vergleichen. An diesen Messungen konnte gezeigt werden, dass sich der gemessene Widerstand bei Al dotierten Schichten mit zunehmender Temperatur verringert und bei N dotierten Schichten erhöht. Dabei ergaben sich jedoch zum Teil große Abweichungen von der Theorie, die nicht geklärt werden konnten. Anschließend erfolgten Profilmessungen auf implantierten und rein epitaktisch hergestellten Proben verschiedener Dotierungen bei 26 °C, 50 °C und 80 °C. Temperaturen über 50 °C führten zu deutlich veränderten Widerstandsprofilen.

Felix Schröder
Untersuchung zur Temperaturabhängigkeit der Detektor-Eigenschaften von 4H-SiC UV-Photodioden (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 25 gefunden werden.
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung:

Photodioden sind Bauteile mit vielen Anwendungsmöglichkeiten. In manchen Einsatzbereichen, wie beispielsweise der Raumfahrttechnik, sind die Bauteile extremen Temperaturen ausgesetzt. Dies kann zu einer Beeinträchtigung der Funktionsweise
führen.
Im Zuge dieser Arbeit soll festgestellt werden, welchen Einfluss die Temperatur auf die Detektoreigenschaften von 4H-SiC Photodioden hat. Dazu werden Strom-Spannungs-Messungen bei verschiedenen Temperaturen bis 550°C durchgeführt.
Vermessen werden zwei verschiedenen Diodenvarianten, die sich nur in ihrem Dotierprofil unterscheiden. Es soll dabei festgestellt werden, bei welchen Temperaturen die Dioden noch ein verwertbares Signal liefern. Dazu wird der Strom der Dioden bei angelegter Sperrspannung mit und ohne Bestrahlung von UV-Licht untersucht. Die Sperrichtung der Dioden wird charakterisiert und es werden verschiedene Einflüsse zur Temperaturabhängigkeit des Dunkel- und des Photostromes beleuchtet.
Außerdem werden Modelle zur Berechnung des Sperrstromes als Vergleich zu den Messergebnissen hinzugezogen.
Zusätzlich werden die spektralen Eigenschaften, wie die spektrale Empfindlichkeit, berechnet. Daraus wurde die externe Quanteneffizienz der Dioden bestimmt. Für die verwendeten Bauteile lag diese zwischen 0,4 und 0,6. DesWeiteren wird ein Vergleich zwischen den beiden Diodenvarianten hergestellt.
Es wird auch auf das Durchbruchverhalten der Dioden im Hinblick auf die UVBestrahlung eingegangen. Bei Messungen mit hochdotierten Dioden wurde festgestellt, dass diese bei UVA-Bestrahlung schon bei 60V durchbrechen, wohingegen sie
ohne den Einfluss einer Lichtquelle einer Spannung von über 90V standhielten. Durch die Strom-Spannungs-Messungen hat sich gezeigt, dass der mit der Spannung und der Temperatur ansteigende Dunkelstrom ab 350°C bei einer bestimmten
Sperrspannung dominiert. Für die Diode mit flacherem Dotierprofil lag die Grenze für die Spannung bei 14V und für die tiefer dotierte bei 4 V. Unter geringeren Spannungen sind die Dioden bis zu einer Temperatur von 550°C als Detektoren
geeignet. Unterhalb von 350°C können beide Dioden mit 20V als Photodetektoren betrieben werden. Es werden auch Fehler und Problematiken, die bei den Messungen aufgetreten sind, diskutiert.

Nadja Kölbel
Charakterisierung und Modellierung von SiC-Leistungs-MOSFETs (Masterarbeit)

Betreuer:

Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 31 gefunden werden.
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung:

Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit dem Charge-Sheet-Modell zur Beschreibung der Stroms-Spannungs-Kennlinien von Leistungsmosfets bei einer Temperaturänderung zwischen 300 K und 470 K. Dabei werden zwei MOSFETs mit vertikalem Aufbau untersucht, welche sich durch die Herstellung der Oxidschicht und den Aufbau der Epitaxieschicht unterscheiden.

Zur Charakterisierung des elektrischen Verhaltens kommen die Kapazitäts-Spannungs-Messung, die Stroms-Spannungs-Messung und die Hall-Messmethoden zum Einsatz. Ihre Ergebnisse dienen zur Extraktion der Einflussgrößen, beispielsweise die Grenzflächenzustände sowie die Beweglichkeit. Als Ergebnis steht fest, dass die Grenzflächenzustände der Hauptgrund für die Reduzierung der Inversionsladungsträger sind. Die Einsatzspannung wird somit verschoben. Die Beweglichkeit der Ladungsträger wird durch die Coulomb-Streuung begrenzt. Bei einer kurzen Kanallänge von 1 um ist es wichtig, die effektive Kanallänge sowie die Kanallängenmodulation zu berücksichtigen.

Neben den Einflussgrößen im Kanal werden auch die Serienwiderstände, vor allem der Driftwiderstand und der Widerstand im JFET-Gebiet, ausführlich untersucht. Sie nehmen aufgrund der niedrigen Beweglichkeit mit steigender Temperatur zu. Aufgrund der unterschiedlichen Dotierstoffkonzentration der Epitaxie-Schicht weichen die Serienwiderstände der beiden MOSFETs stark voneinander ab.
Das Ergebnis dieser Arbeit zeigt, dass die MOSFETs sich unter Temperatureinfluss unterschiedlich verhalten. Die Ursache dafür ist das Verhältnis zwischen Kanal- und Serienwiderstand. Beim einem MOSFET ist der Gesamtwiderstand durch den Kanalwiderstand bestimmt. Im Gegensatz dazu dominiert bei dem anderen MOSFET der Driftwiderstand, was zu einer Abflachung der Kennlinien führt.
Am Ende wird das numerisches Modell vorgestellt. Das Verhalten der zwei Leistungs-MOSFETs bei verschiedenen Temperaturen (von 300 K bis ca. 470 K) lässt sich damit gut beschreiben.

Phuong Chi Le
Untersuchung des Einflusses der Ringkernprobengröße auf die Verlustleistungsbestimmung weichmagnetischer Polymere (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Tobias Stolzke (M. Sc.)
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung:

In dieser Arbeit werden Ringkernproben aus weichmagnetischem Polymer, bestehend aus Mangan-Zink-Ferrit Pulver und Polydimethylsiloxan (PDMS), im Hinblick auf die Einflussgrößen auf die Verlustleistung charakterisiert. Ziel ist es, durch die Verwendung weichmagnetischer Polymere zur Herstellung induktiver Bauteile, die völlige Formfreiheit der Spulenkerne zu ermöglichen. Gerade für Anwendungen mit hohen Betriebsfrequenzen bis in den MHz Bereich sind Leistungsferrite gut geeignet. Die magnetischen Eigenschaften sowie die Verlustmechanismen in Leistungsferriten werden ausführlich dargestellt. Eine Beschreibung des Kernverlustleistungsmessplatzes und des Herstellungsprozesses der Ringkernproben ist ebenfalls Teil dieser Arbeit. Zur Durchführung der Messungen werden 36 Ringkernproben in vier unterschiedlichen Größen und mit den drei verschiedenen Hauptpartikelgrößen 50 µm, 100 µm und 200 µm hergestellt. Da die Mischung der Komponenten eine zähe Flüssigkeit ergibt, kann das Material in die Formen eingegossen werden. Die Proben trocknen an der Luft. Die bewickelten Ringkernproben werden am Impedanzanalyser sowie am Kernverlustleistungsmessplatz vermessen. Dabei wird der Einfluss von Frequenz und Aussteuerung sowie der Einfluss von Proben- und Partikelgröße auf die Verlustleistungsdichte der Ringkernproben analysiert. Die komplexe Impedanz der hergestellten Ringkernproben wächst mit steigender Ringkerngröße und größerer Partikelgröße. Die Verlustleistungsdichte ist umso größer, je höher die Frequenz und je größer die magnetische Flussdichte ist. Außerdem führt eine Verkleinerung des Querschnitts sowie die Verwendung von MnZn-Ferrit Pulver mit kleinerer Partikelgröße zu erhöhten Verlusten. Der hier ermittelte Einfluss der Probengröße muss zukünftig an weiteren Probenreihen überprüft werden, da er im Widerspruch zu vorangegangenen Messergebnissen aus der Literatur steht.

Lisa Horter
Einfluss der Kontaktmetalle auf den richtungsabhängigen Stromfluss in Dünnschichttransistoren mit einer neuartigen Architektur (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 48 gefunden werden.
Dr.-Ing. Michael Jank
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung:

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss der Kontaktmetalle auf den richtungsabhängigen Stromfluss in Dünnschichttransistoren mit einer neuartigen Architektur untersucht. Dünnschichttransistoren weisen konventionell eine gestapelte Anordnung oder eine koplanare Anordnung der Source-/Drainkontakte auf. Die neuartige Architektur kombiniert diese beiden Anordnungen in einem Transistor. Diese Anordnung kann zu einer Asymmetrie in den elektrischen Eigenschaften führen. Es zeigt sich ein höherer Drainstrom bei Verwendung des gestapelten Kontakts als Source. Dieses asymmetrische Verhalten wird auf die kleinere Kontaktfläche des koplanaren Kontakts zurückgeführt, da dadurch die Elektroneninjektion bei Verwendung dieses Kontakts als Source begrenzt wird. Wenn der koplanare Kontakt hingegen als Drain verwendet wird, scheint die koplanare Anordnung keine Begrenzung darzustellen, da ein höherer Stromfluss dann nur möglich ist, wenn die Elektronen, die über den gestapelten Kontakt injiziert werden, den Kanal über den Drainkontakt wieder verlassen können. Es scheint somit schwieriger für die Elektronen zu sein, in den Kanal injiziert zu werden, als den Kanal wieder zu verlassen, d. h., der Sourcekontakt bestimmt das elektrische Verhalten.
In der Literatur wurde gezeigt, dass ein richtungsabhängiges Stromverhalten auch in rein gestapelten Dünnschichttransistoren möglich ist, wenn für die beiden Kontakte unterschiedliche Kontaktmetalle verwendet werden. Auch hier zeigt sich, dass der Sourcekontakt das elektrische Verhalten des Transistors bestimmt. Bei Verwendung von Kontaktmetallen mit hoher Austrittsarbeit, können zwischen Metallkontakt und Halbleiter hohe Schottkybarrieren entstehen, die Elektronen nicht so leicht überwinden können. Wird auf der einen Seite ein Metall verwendet, das schottkyartiges Verhalten zeigt, während das andere Metall ohmsches Verhalten aufweist, ergibt sich asymmetrisches Stromverhalten. Denn bei der Verwendung des schottkyartigen Metalls als Source entspricht der Metall-Halbleiter-Kontakt einer Schottkydiode in Sperrichtung, bei Verwendung als Drain hingegen einer Diode in Durchlassrichtung.
Es wurden für diese Arbeit rein gestapelte Dünnschichttransistoren mit unterschiedlichen Kontaktmetallen für beide Seiten hergestellt. Bei diesen Transistoren zeigte sich kein richtungsabhängiges Stromverhalten, was auf die starke Abhängigkeit der Schottkybarrierenhöhe von der Prozessierung zurückgeführt wird. Außerdem konnten, aufgrund von Problemen bei der Herstellung, nicht die Kontaktmetalle verwendet werden, von denen die Ausbildung einer hohen Schottkybarriere erwartet wurde. Bei den für diese Arbeit hergestellten Transistoren mit neuartiger Architektur wurde Titan für den gestapelten Kontakt verwendet, damit sich ein Kontakt mit niedriger Barriere für die Elektroneninjektion bildet. Als Metalle für den koplanaren Kontakt wurden unter anderen Nickel und Platin verwendet, d. h. Metalle mit hoher Austrittsarbeit, damit eine hohe Schottkybarriere entsteht und die Elektroneninjektion bei Verwendung als Sourcekontakt begrenzt wird. Ziel war, dabei einen größeren Stromunterschied für die Transistoren mit neuartiger Architektur zu erreichen. Der größte Stromunterschied zeigte sich bei Platin, gefolgt von Chrom und Nickel, bei Molybdän zeigte sich nur ein geringer Stromunterschied. Die Stromunterschiede waren geringer als erwartet, was wahrscheinlich an der starken Abhängigkeit der Schottkybarrierenhöhe von den Prozessbedingungen liegt.

Thomas Lang
Entwicklung von Prognosealgorithmen für Kälteleistungen zur Integration in eine Anlagensteuerung (SPS) (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Lange, Christopher (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-107, E-Mail:christopher.lange@iisb.fraunhofer.de)
Puls, Philipp (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-245, E-Mail:philipp.puls@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung:

Im Rahmen der Arbeit wurde ein Prognosesystem für Kälteleistung zur Integration in eine Anlagensteuerung (SPS) entwickelt. Das System dient als Grundlage für eine effiziente Betriebsstrategie für Kältesysteme. Ziel ist zum einen, durch die Integration der Prognosealgorithmen in die Steuerung des Kältespeichers auftretende Lastspitzen zu reduzieren, zum anderen einen effizienten Betrieb der Kälteerzeuger zu ermöglichen. Als Demonstrationsobjekt dient der 12/17° Kältekreislauf des Fraunhofer Instituts für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB.
Das Prognosesystem wird in Octave, was eine freie Alternative zu MATLAB darstellt, erstellt und getestet. Die Prognose basiert auf vergangenen Werten des Lastgangs und auf Wetterprognosen. Als Datengrundlage dienen historische Werte aus dem Energiemonitoring-System des Fraunhofer IISB. Aktuell wird das System für Prognosen von einem Tag in die Zukunft ausgelegt.
Der Kern des Prognosesystems ist ein Regressionsmodell mit einem durch ein AR-Modell angenäherten Fehlerterm. Die Parameter des Prognosesystems werden bei jeder Anwendung mit der Verallgemeinerten Kleinste-Quadrate-Methode adaptiv bestimmt. Erreicht wurden Genauigkeiten mit einem mittleren absoluten prozentualen Fehler (MAPE) von bis zu 1,07 %, im Durchschnitt aber von 5,4 % MAPE. Die Umsetzung des Prognosesystems auf einer SPS ist möglich. Das Prognosesystem verwendet eine geschätzte Anzahl von 500.000 mathematischen Operatoren bei einer Aufteilung von 70 % Typ Festpunktarithmetik und 30 % Typ Gleitpunktarithmetik. Auf modernen CPUs werden mit dieser Anzahl an Rechenoperatoren akzeptable Zykluszeiten erreicht.

Leo Strobel
Bestimmung der mikroskopischen Dotierstoffkonzentrationsschwankung mittels Spreading Resistance Profiling (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Stockmeier, Ludwig (FHG-IISB, Tel. 03731/2033-108 , E-Mail:ludwig.stockmeier@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung:

Während der Züchtung von einkristallinem, hochdotiertem n-Typ Silizium mittels des Czochralski-Verfahrens kann es zur Entstehung von Versetzungen kommen. Diese sind zu vermeiden. Da die Versetzungsentstehung im Zusammenhang mit Dotierstoffkonzentrationsschwankungen stehen soll, wurden im Rahmen dieser Arbeit die Dotierstoffkonzentrations-schwankungen von hochdotierten Siliziumkristallen mittels Spreading Resistance Profiling (SRP) untersucht.
Für die Untersuchung der Dotierstoffkonzentrationsschwankungen war es notwendig eine Messvorschrift zu erstellen. Dazu wurden die Parameter Oberflächenbeschaffenheit, Mess-raster, Reproduzierbarkeit untersucht.
Um Aufschluss über die Größe und Verteilung der Dotierstoffkonzentrationsschwankungen zu erhalten, wurde der Einfluss der radialen und axialen Kristallposition, von Facetten und des Dotierelementes näher untersucht. Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass die am Kristallrand des Konus auftretenden Dotierstoffkonzentrationsschwankungen (bis zu 50 %) am größten sind. Für den Bereich innerhalb einer Facette konnten 2 bis 2,5mal größere Dotierstoffkonzentrationsschwankungen als außerhalb der Facetten festgestellt werden. Des Weiteren konnte kein Einfluss des Dotierelements auf die Dotierstoffkonzentrationsschwankungen nachgewiesen werden.
Die Arbeit hat die kritischen Kristallpositionen aufgezeigt an denen die größten Dotierstoffkonzentrationsschwankungen auftreten. Darüber hinaus konnten Einflussfaktoren wie die Bildung von Facetten und die Art des Dotierelementes auf die Schwankungen der Dotierstoffkonzentration diskutiert werden. Die Arbeit trägt somit dazu bei die Ursache für die Versetzungsentstehung zu klären und damit letztendlich zu der Vermeidung der Versetzungen beizutragen.

Philipp Wenniger
Entwicklung der Betriebsstrategie für einen Kältespeicher basierend auf Simulationen (Masterarbeit)

Betreuer:

Lange, Christopher (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-107, E-Mail:christopher.lange@iisb.fraunhofer.de)
Nuß, Andreas (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-146, E-Mail:andreas.nuss@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung:

In der vorliegenden Arbeit wird eine Betriebsstrategie für den Kältespeicher am Fraunhofer IISB entwickelt. Mit der Integration des Speichers in das bestehende Kältesystem soll zum einen eine Effizienzsteigerung in der Kälteerzeugung realisiert werden. Zum anderen wird der Kältespeicher mit einem Batteriesystem gekoppelt, um so effektiv elektrische Lastspitzen reduzieren zu können.

Mit MATLAB werden verschiedene Szenarien simuliert, um optimale Zeiten für die Be- und Entladung des Speichers zu ermitteln. Mit einer Speicherbeladung kann die Kälteerzeugung in die Nachtstunden verlagert werden. Die nächtlichen Außentemperaturen beünstigen die Kühlung der Kältemaschine über das Rückkühlwerk, wodurch ein Effizienzgewinn möglich ist. Tagsüber wird der Kaltwassertank zu Zeiten geringer Systemeffizienz entladen, wodurch die Kälteanlage von der Kälteversorgung entkoppelt wird. Eine Simulation dieses Szenarios für das Jahr 2017 hat gezeigt, dass sich durch den Einsatz des Kälte-speichers die Leistungszahl (englisch COP, „coefficient of performance“) des Kältesystems von 2,39 auf 2,82 gesteigert hat, wodurch dabei der elektrische Verbrauch um ca. 45 MWh verringert werden konnte. In einem zweiten Szenario unterstützt der Kältespeicher ein Batteriesystem dabei, hohe elektrische Leistungsbezüge zu Spitzenlastzeiten zu verringern. Zur Reduktion wird dabei vorrangig die Batterie verwendet. Es werden Kriterien in Abhängigkeit der Batterieleistung und -kapazität vorgegeben, nach welchen entschieden wird, ob eine Entladung des Kältespeichers notwendig ist. Eine Kombination der Szenarien ermöglicht es, den Kältespeicher sowohl zur Erhöhung der Gesamteffizienz als auch zur Lastspitzenreduktion einzusetzen, wobei letzteres Vorrang hat. Eine Verknüpfung des Batteriesystem und des Kältespeichers hat in einer Simulation für das Jahr 2017 eine Reduktion der Lastspitze um ca. 208 kW erreicht. Ebenso konnte hierbei der elektrische Verbrauch um etwa 18 MWh verringert werden durch einen gleichzeitigen COP-Anstieg auf 2,70.

Nguyen, Minh Trung
Erstellung und Realisierung eines Sicherheitskonzepts für eine Redox-Flow-Batterie (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Öchsner, Richard (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-116, E-Mail:richard.oechsner@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsprojektes EPROX4 wird das Fraunhofer-Institut für integrierte Systeme und Bauelemente eine Vanadium Redox-Flow-Batterie (VRFB) aufbauen. Die Batterie dient zur „Entwicklung eines intelligenten, dezentralen und modular einsetzbaren DC-DC Wandlers, Entwicklung einer Elektronik für die Überwachungs- und Regelfunktionen des Plattformmoduls und Verifikation der Komponenten in einem Demonstrator und Entwicklung von Optimierungspotentialen“ [0] .
Das System wird sich in einem modifizierten Container auf dem Gelände des Fraunhofer In-stituts befinden. Für die Redox-Flow-Batterie soll eine Vanadium Elektrolytlösung verwendet werden. Für den Betrieb, Aufbau und die Wartung der Anlage ist die „Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Soffen“ (AwSV) einzuhalten. Aufgrund der toxischen Eigenschaften des Elektrolyten, speziell die enthaltenden Vanadiumsalze, ist er für Wasserorganismen schädlich und das Havarieren der Anlage muss ausgeschlossen werden. In diesem Fall tritt Elektrolyt aus den Rohrleitungen oder Tanks in die Umwelt aus. Um dies zu verhindern, beschäftigt sich diese wissenschaftliche Arbeit unter anderem mit den sicherheitsrelevanten Aspekten. Die Bachelorarbeit geht auf die Frage der Vermeidung von Fehlern und möglichen Folgen, sowie der Sicherstellung eines reibungsfreien Betriebes ein.
Ziel der Arbeit war es kritische Fehler aufzudecken und geeignete Maßnahmen zu finden, um den Fehlern ihre Bedeutung zu nehmen. Die Fehleranalyse wurden mit Hilfe einer Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse durchgeführt. Ein Zustandsautomat wurde für die Anlage entworfen, um zu gewährleisten, dass Störungen frühzeitig erkannt werden. Die Zustände des Systems wurden definiert und beschrieben. Hierbei war die größte Herausforderung eine möglichst genaue Abbildung der Anlage zu realisieren.

Sebastian Tkotz
Analyse und Optimierung der Randüberhöhung bei Imprintprozessen (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 129 gefunden werden.
Rommel, Mathias (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-108 , E-Mail:mathias.rommel@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung:

Im Bereich der Halbleitertechnologie sind Imprintverfahren eine vielversprechende Optionzur Realisierung von Strukturen mit einer Größe von einigen Nano- bis wenigenMikrometern. Die UV-gestützte substratkonforme Imprintlithographie als speziellesImprintverfahren bietet hierbei das Potential, solche Strukturen mit einer kurzenProzesszeit und damit auch kostengünstig herstellen zu können. Dabei wird ein Prägewerkzeugmit einer aufschleuderten Prägematerial-Schicht kontaktiert und durchBelichtung ausgehärtet. Aufgrund der auftretenden Zentrifugalkräfte beim Schleuderprozesskommt es zu einer Überhöhung der Schichtdicke am Rand des Substrats.Diese Randüberhöhung kann in mehreren Folgeprozessen störend wirken und wird imRahmen der vorliegenden Arbeit genauer analysiert und optimiert.

Als Prägematerialien werden dabei der organische Lack mr-NIL210FC_XP und dasHybridpolymer OrmoCompRuntersucht. mr-NIL210FC_XP wird hierbei sowohl unverdünntals auch verdünnt betrachtet, während OrmoCompRausschließlich verdünntanalysiert wird. Im Anschluss an die Beschichtung werden die Proben teilweise strukturiertgeprägt und alle Proben werden anschließend belichtet. Bei drei Proben wirdvor der Strukturierung und Belichtung das Prägematerial im Randbereich der Waferentfernt. Die Schichtdicken der aufgeschleuderten Materialien werden reflektometrischerfasst. Bei der Analyse der Messergebnisse zeigt sich, dass sich ausschließlichmit unverdünntem mr-NIL210FC_XP eine homogene Randüberhöhung ergibt. DieSchichtdicken der Beschichtungen mit OrmoCompRzeigen die größten Streuungen.

Anja Roas
Kathodenzerstäubung von Indium-Gallium-Zink-Oxid als Halbleiter in Dünnschichttransistoren (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Prof. P. Schmuki
Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 48 gefunden werden.
Dr.-Ing. Michael Jank
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung:

In dieser Bachelorarbeit wird die Kathodenzerstäubung von amorphem Indium-Gallium-Zink-Oxid (a-IGZO) für zwei Targets untersucht. a-IGZO ist ein n-typ Halbleiter, welcher als aktive Halbleiterschicht in Dünnschichttransistoren für die flexible Elektronik eingesetzt wird. Die Targets haben die gleiche atomare Zusammensetzung von Indium, Gallium und Zink in einem Verhältnis von 1:1:1. Das JX-Target besitzt eine graue Farbe und ist reduziert. Das gelbliche AL-Target wird in dieser Arbeit zum ersten Mal in Betrieb genommen und ist noch oxidiert. Sauerstoffleerstellen generieren in a-IGZO freie Ladungsträger, welche die elektrischen Eigenschaften des amorphen Halbleiters stark beeinflussen.
Mit den Targets werden Proben mit unterschiedlichen Parametern gesputtert. Der Sauerstofffluss und die Schichtdicke, sowie die Sputterleistung sind die wichtigsten Parameter zur Abscheidung von a-IGZO. Monitorproben für die Bestimmung der Sputterrate werden durch den Einsatz von spektroskopischer Ellipsometrie untersucht. Die Sputterrate des JX-Targets ist größer als die des AL-Targets. Rastermessungen am Ellipsometer zeigen, dass die IGZO-Schichten für beide Targets mit Uniformitäten über 94 % abgeschieden werden. Mit der Messung der IGZO-Schichten über verschiedene Wellenlängen und Winkel mittels der spektroskopische Ellipsometrie wird aus dem Tauc-Lorentz-Modell die optische Bandlücke ermittelt. Diese liegt für beide Targets bei 3 eV. Am UV/vis-Spektrometer wird eine mittlere Transmission von über 80 % für verschiedene mit IGZO beschichteten Glassubstrate gemessen. Beide Targets besitzen sehr ähnliche Transmission. Eine Probe des AL-Targets wird mit der Röntgenphotoelektronenspektroskopie untersucht. Die Zusammensetzung der IGZO-Schicht weicht leicht von der Stöchiometrie ab. Auffällig ist ein sehr hoher Anteil an Kohlenstoff und Stickstoff.
Zur Untersuchung der elektrischen Eigenschaften werden die Transferkurven der hergestellten TFTs analysiert. Die Einsatzspannung, die Beweglichkeit und der Subthreshold-Swing werden durch Strom-Spannungsmessung ermittelt. Für diese Arbeit wurden Dünnschichttransistoren mit IGZO-Schichten der beiden Targets hergestellt. Der Sauerstofffluss und die Schichtdicke wurden variiert. Die Proben werden bei 200 °C getempert, um die elektrische Stabilität zu gewährleisten und die elektrischen Eigenschaften zu verbessern. Besonders auffällig in der elektrischen Auswertung ist, dass die Probe welche ohne Sauerstoff abgeschieden wurde, nach dem Tempern eine sehr hohe Elektronenbeweglichkeit von 214 cm²/Vs besitzt. Gleichzeitig ist die Einsatzspannung dieser Probe stark negativ und die TFTs auf dem Wafer sind kaum homogen. Andere Proben zeigen, dass für Schichtdicken von 15 bis 20 nm bei 0,8 sccm Sauerstoff TFTs hergestellt werden können, welche sehr gute Transistorkennwerte aufweisen. Die Einsatzspannungen dieser TFTs liegen im positiven nahe Null. Nach dem Tempern kann für diese TFTs bei großer Homogenität eine Beweglichkeit von annähernd 8 cm²/Vs erzielt werden. Erneutes Tempern bei 350 °C degradiert die Eigenschaften der TFTs. Ein Vergleich beider Targets für die Herstellung der TFTs zeigt, dass keine unterschiedlichen Eigenschaften resultieren.
Das AL-Target hat seinen Reduktionsgrad und damit seine Farbe nach der Abscheidung zu grau geändert Somit kann gezeigt werden, dass beide Targets für die Abscheidung von IGZO-Schichten hoher Qualität geeignet sind, da sie gleiche Eigenschaften besitzen.

Leonard Zimmermann
Untersuchungen zum 1/f-Rauschen von SiC-MOSFETs (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Prof. P. Schmuki
Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 31 gefunden werden.
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung:

Im Rahmen dieser Arbeit werden Messungen zur Grenzflächenzustandsdichte von 4H-SiC-MOSFETs sowie deren 1/f-Rauschverhalten durchgeführt. Die Messergebnisse werden anschließend auf Übereinstimmung mit dem Delta-N-Model von McWhorter überprüft. Nach diesem Modell ist die Ursache für das 1/f-Rauschen Schwankungen der Ladungsträgeranzahl im Kanal, die durch Grenzflächenzustände eingefangen und wieder abgegeben werden.
Die Grenzflächenzustandsdichte wird anhand von drei unterschiedlichen Messmethoden bestimmt. Zum einen durch Kapazitäts-Spannungs-Messungen nach der Hoch-Tief-Methode an MOS-Kondensatoren, bei der die Differenz einer hoch- und niederfrequenten Messung Aufschluss auf die Grenzflächenzustandsdichte gibt. Und weiterhin durch Hall-Messungen an Hall-Bar-MOSFETs sowie durch Strom-Spannungs-Messungen an MOSFETs bei denen der Substhresholdswing ausgewertet wird. Das 1/f-Rauschen wird ebenfalls durch Messungen an MOSFETs ermittelt.
Die Messergebnisse zeigen eine starke Korrelation der Grenzflächenzustandsdichten der Hall- und CV-Messungen mit dem 1/f-Rauschen und stehen damit in Übereinstimmung mit dem Delta-N-Modell. Daran anschließend wird ausgehend von der Korrelation Si/Id²~Dit/Nfrei² die nach dem DN-Modell besteht, anhand der Daten der Hall-Messungen ein das Rauschen beschreibender Term aufgestellt.

Manfred Wich
Charakterisierung des Betriebsverhaltens eines Hybridkältespeichers (Masterarbeit)

Betreuer:

Puls, Philipp (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-245, E-Mail:philipp.puls@iisb.fraunhofer.de)
Öchsner, Richard (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-116,
E-Mail:richard.oechsner@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung:

Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde das Betriebsverhalten eines Hybridkältespeichers untersucht. Der Hybridkältespeicher ist ein Verdrängungsspeicher, in den Phasenwechselelemente eingebaut werden um die Energiedichte zu erhöhen. Ein Phasenwechselelement besteht aus einer Aluminiumhülle, welche mit einem Metallschaum und einem Phasenwechselmaterial gefüllt ist. Das Ziel der Arbeit lag darin, Aussagen über den Temperaturverlauf des Speichermediums im Hybridkältespeicher in Abhängigkeit des Volumenstroms und der Vor- bzw. Rücklauftemperatur zu erhalten. Weiterhin wurde untersucht, welche Kapazitätserhöhung durch den Einsatz eines Phasenwechselmaterials und welche Ladegeschwindigkeit der Phasenwechselelemente im Hybridkältespeicher erreicht werden kann. Auf Grundlage der aus den Versuchen gewonnenen Ergebnisse sollte ein Simulationsmodell erstellt werden, welches auf Hybridkältespeicher beliebiger Größenordnungen übertragbar ist.
Um die Phasenwechselelemente hinsichtlich ihrer Wärmeübertragungseigenschaften charakterisieren zu können, wurden sie in einem dedizierten Testbehälter untersucht. Damit der Wärmedurchgangskoeffizient bestimmt werden kann, wurden die Versuchsreihen bei unterschiedlichen Starttemperaturen des Wassers im Testbehälter durchgeführt. Mit dem durch Einbau der Phasenwechselelemente entstandenen Hybridkältespeicher wurden Be- und Entladeversuche bei verschiedenen Volumenströmen und unterschiedlicher Vor- und Rücklauftemperatur durchgeführt. Ein bestehendes Simulationsmodell des rein sensiblen Verdrängungskältespeichers wurde um einen Wärmedurchgangsterm erweitert um den Temperaturverlauf im Hybridkältespeicher berechnen zu können. Der Wärmedurchgangskoeffizient der Phasenwechselelemente mit Kupferschaum konnte zu 150,81 W·m-2·K-1 bestimmt werden. Für die Phasenwechselelemente mit Aluminiumschaum ergab sich ein Wert von 131,67 W·m-2·K-1. Durch Verwendung eines feinporigeren Kupferschaums konnte eine Leistungssteigerung um 9 % erreicht werden. Aus den Be- bzw. Entladeversuchen des Hybridkältespeichers konnten folgende Erkenntnisse gewonnen werden: Der Volumenstrom im Speicher hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Höhe der Übergangszone und den Temperaturverlauf des Hybridkältespeichers. Je geringer der Volumenstrom, desto geringer die Höhe der Übergangszone Die Temperaturdifferenz aus Vor- und Rücklauftemperatur hat ebenfalls einen großen Einfluss auf die Höhe der Übergangszone und den Temperaturverlauf. Die Versuche wurden mit Vorlauftemperaturen zwischen 8 und 10 °C und Rücklauftemperaturen zwischen 14 und 19 °C durchgeführt. Eine große Temperaturdifferenz reduziert die Höhe der Übergangszone. Es konnte nur bei den Entladeversuchen ein vollständiger Phasenwechsel erzielt werden.
Der Wärmedurchgangskoeffizient des Modells des Hybridkältespeichers muss aufgrund der unterschiedlichen Volumenströme und unterschiedlicher Vor- und Rücklauftemperaturen für jeden Be- bzw. Entladeversuch angepasst werden. Der Wärmedurchgangskoeffizient zwischen Phasenwechselelement und Speichermedium konnte mithilfe der Simulation des Hybridkältespeichers für einen Beladevorgang zu 116,22 W·m-2·K-1 bestimmt werden. Die Kapazitätserhöhung durch die Phasenwechselelemente beträgt bei der Beladung 7,13 % und bei der Entladung 17,35 %. Der höhere Wert für die Entladung ist durch den vollständigen Phasenwechsel während der Entladung zu erklären. Bei der Beladung konnte kein vollständiges Erstarren des Phasenwechselmaterials erzielt werden.

Steffen Lauterbach
Einfluss von Druckparametern auf physikalische Eigenschaften von Siebdruckpasten (Bachelorarbeit)

Betreuer:

Zörner, Alicia (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-188, E-Mail: alicia.zoerner@iisb.fraunhofer.de)
Dr.-Ing. Michael Jank
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung:

Ziel dieser Arbeit war es, die Funktionalität von neuen Siebdruckpasten, welche speziellfür biomedizinische Anwendungen sowie Dehnbarkeit ausgelegt sind, zu optimieren. Hintergrundist der große Einfluss, den die verschiedenen Prozessparameter auf die Eigenschaftender gedruckten Strukturen besitzt. Somit beeinflussen die Prozessparameter wesentlich diephysikalischen Eigenschaften von gedruckter Elektronik und damit die Grenzen möglicherAnwendungen wie beispielsweise Elektroden für ionenselektive Sensoren oder am Körpertragbare Elektronik („wearables oder smart textiles“).Im Zuge der Arbeit wurde der Einfluss der Druckparameter auf minimalen Strukturabstand,minimale auflösbare Linienbreite, Oberflächenhomogenität, Adhäsion und Schichtdickeuntersucht.Weiterhin wurden die elektrischen Eigenschaften wie spezifischer Widerstand,Schichtwiderstand sowie der Einfluss von Dehnung und Biegung auf die elektrische Leitfähigkeiteruiert.Mithilfe geeigneter Druckparameter konnte ein mimimaler Strukturabstand von 200 Mikrometer beigleichzeitiger auflösbarer Linienbreite von 100 Mikrometer erreicht werden. Weiterhin wurde eineprinzipiell schlechte Oberflächenhomogenität für die meisten Parameterkombinationen festgestellt,welche eine verlässliche Messung des Schichtwiderstands erschwerte. Um die Leitfähigkeitder Schicht zu charakterisieren sollte für die Zukunft daher eine andere Messmethodeverwendet werden.Die Zusammenhänge zwischen einzelnen Druckparametern mit Eigenschaften der gedrucktenStruktur, wie beispielsweise der Zusammenhang von Absprung zur Schichtdicke konntengemessen und erklärt werden. Die Veränderung des elektrischen Widerstands nach Dehnzykleneiner definierten Dehnung für die dehnbare Paste konnte für verschiedene Designsgemessen werden. Dabei konnte eine auf TPU gedruckte Struktur beispielsweise 10 Zykleneiner Dehnung auf die doppelte Länge widerstehen, ohne ihre Leitfähigkeit zu verlieren; derWiderstand stieg auf etwa das 250-fache an. Allerdings gibt es Anwendungen, bei denenein hoher Widerstand die Funktionalität nicht beeinträchtigt. Für derartige Anwendungen(z.B. gedruckte Sensoren) ist das Siebdruckverfahren auf dehnbare Substrate also eine verlässliche,robuste und kostengünstige Herstellungsmöglichkeit. Zudem konnte der Einflussder Biegung auf den elektrischen Widerstand bestimmt werden. Dabei wurde berechnet,dass ein Biegeradius von 25 mm einer Dehnung der Strukturen von 2 % entspricht und sichder Widerstand während dieser Biegung um etwa 10 % erhöht. Dieses Ergebnis macht dasSiebdruckverfahren auf flexible Substrate attraktiv für tragbare Elektronik.

Vincent Dreher
Charakterisierung und Optimierung eines Kontaktmoduls für elektrische Nervenzellstimulation (Masterarbeit)

Betreuer:

Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 26 gefunden werden.
Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung:

Korrosion bezeichnet eine Werkstoffschädigung, bei der die Oberfläche eines Materialsdurch chemische Reaktion mit einem korrosiven Medium angegriffen wird. In der vorliegendenArbeit wurden biokompatible Elektroden aus Titan (Ti) bzw. Titan/Titannitrid (Ti/TiN)auf einem Polydimethylsiloxan(PDMS)-Glas-Substrat hinsichtlich ihres Korrosionsverhaltensin simulated bodyfluid (SBF) untersucht. Zur Erhebung der korrosionsrelevanten Parameterwurden linearen Polarisationsmessung durchgeführt. Um eine feste Einspannung und eine sichereelektrische Kontaktierung der flächigen Elektroden zu realisieren, wurde ein bereitsbestehendes, so genanntes Kontaktmodul, weiterentwickelt. Als wichtigste Neuerung wurdeeine Steckverbindung als Schnittstelle zwischen Kontaktmodul und elektrischen Leitungenetabliert. Die Elektroden wurden in in vitro-Zellexperimenten verwendet. Zu diesemZweck wurden primäre Hippocampuszellen von jungen Ratten auf den Elektroden für 11 bis 14Tage kultiviert. Durch Einprägen eines periodischen elektrischen Stimulus konnte dieFunktion so genannter Schrittmacherzeller, wie sie physiologisch in einigen Hirnregionenvorkommen, simuliert werden. Im Anschluss wurde mit Hilfe der Kalziumfluoreszenz-Bildgebungeine Analyse des neuronalen Netzwerks mit Hilfe der Methode des adaptiv gewichtetenKlassifizierungsbaums durchgeführt. Auf einigen Elektroden wurden keine Zellen ausgesät,eine Inkubation für 11 bis 14 Tage erfolgte jedoch trotzdem um die Laborphase und damitkorrosionsfördernde Bedingungen zu schaffen.Die in der Literatur angegebenen Korrosionskennwerte von Titan konnten bestätigt werden.Bei den Titannitrid-Proben wurde eine deutlich höhere Korrosionsbeständigkeit nachgewiesenals die Literatur berichtet. Nach den Zellexperimenten zeigten diese Proben eine nochmalsgesteigerte Korrosionsbeständigkeit. Bei allen Proben konnten optische Oberflächenveränderungennach Abschluss der Inkubation nachgewiesen werden. Die Auswertung der Messdaten aus denlinearen Polarisationsmessungen ergab, dass sich die materielle Zusammensetzung derElektrodenoberflächen verändert hat. Die Auswertung der Zellexperimente lieferte erste Daten,um den Einfluss der elektrischen Stimuli auf die Ausbildung neuronaler Netze zu verstehen.

Enrico Hauser
Untersuchungen zu zukünftigen Forschungs- und Anwendungsfeldern für die LED-Beleuchtungstechnik (Future Lighting) (Masterarbeit)

Betreuer:

Bach, Linh (FHG-IISB, Tel.09131 /761-616, E-Mail:Linh.Bach@iisb.fraunhofer.de)
Öchsner, Richard (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-116, E-Mail:richard.oechsner@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung:

Ziel dieser Arbeit ist das derzeitige thermische Management von high Power LEDs zu beschreiben, eine Gegenüberstellung mit den keramischen Leiterplatten und Mikrokanalkühlung des Fraunhofer IISB in Erlangen durchzuführen und abschließend die Einsatzmöglichkeiten der Fraunhofer IISB Technologie für den LED-Markt zu beurteilen. Dabei werden die Aufbau- und Verbindungstechnik und die Kühlsysteme im LED-Bereich, mittels einer Literaturstudie, untersucht. Der Vergleich des thermischen Managements der Fraunhofer Technologie und des thermischen Managements des LED-Bereich findet anhand von Experteninterviews statt. Hierbei wird die Einsatzfähigkeit der Fraunhofer Technologie im LED-Bereich beurteilt. Es hat sich ergeben, dass für high Power LEDs Isolierte Metall Leiterplatten (IMS) am verbreitetsten sind und Keramikleiterplatten für COB-Aufbauten mit vertikalen LED-Chips oder Flip Chip LED-Chips zum Einsatz kommen. Für die Verbindung des LED-Chips mit der wärmeableitenden Struktur dominiert das Sintern. Für die Kühlsysteme sind passive Rippenkühlungen in Kombination mit Heatpipes die bevorzugt eingesetzte Technik. Die keramischen Leiterplatten des Fraunhofer Instituts und die aktiven Wasserkühlungen eignen sich aufgrund ihrer höheren Kosten nicht für einen Einsatz im LED-Bereich. Die Entwicklung des Chip-Scale-Packagings im LED-Bereich könnte einen Einsatz der Keramikleiterplatten des Fraunhofer Instituts für die LED-Technik ermöglichen. Diese Arbeit richtet sich in erster Linie an diejenigen Mitarbeiter des Fraunhofer IISB, welche in dem angesprochenen Bereich Forschung betreiben.

Felix Arnet
Untersuchungen zur Wasserstoffqualität innerhalb eines LOHC-basierten Energiespeichers (Masterarbeit)

Betreuer:

Geiling, Johannes (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-488, E-Mail:johannes.geiling@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung:

In dieser Arbeit wird ein LOHC (liquid organic hydrogen carrier)-basierter Energiespeicher untersucht. Der Fokus liegt dabei auf der Untersuchung der Wasserstoffqualität des vom Elektrolyseur produzierten Wasserstoffs hinsichtlich des Sauerstoff- und Wassergehalts, der jeweils im Bereich weniger ppm (parts per million) erwartet wird. Zuerst werden die eingesetzten Sensoren charakterisiert und Einflüsse des Systems und der Betriebsparameter auf die Wasserstoffqualität ermittelt. Mit diesen Erkenntnissen wird die Wasserstoffqualität bei unterschiedlichen Anfahrverhalten, Stillstandszeiten, Betriebspunkten und Betriebsdauern des Elektrolyseurs untersucht. Des Weiteren werden ein Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer und ein Massenspektrometer hinsichtlich eines möglichen Einsatzes im Speichersystem verglichen.
Damit sich die einzelnen Einflüsse bei den Untersuchungen nicht überschneiden und sich somit falsche Erkenntnisse ergeben, wird ein Messplan ausgearbeitet. Dadurch werden bei der Untersuchung eines Parameters alle anderen so weit wie möglich ausgeschlossen.
Bei der Auswertung der Versuchsergebnisse stellte sich heraus, dass die Wasserstoffqualität des produzierten Wasserstoffs die Qualität von 5.0 erfüllt. Bei einer längeren Betriebsdauer stieg die Wasserstoffqualität des produzierten Wasserstoffs. Im Gegensatz dazu hat eine lange Stillstandszeit einen negativen Effekt, da Luft in das System gelangen kann und folglich die Wasserstoffqualität sinkt. Bei den Messungen stellte sich heraus, dass die eingesetzten Sensoren teilweise nicht geeignet waren.

Daniel Müller
Untersuchung weichmagnetischer Polymere für leistungselektronische Filter (Masterarbeit)

Betreuer:

Tobias Stolzke (M. Sc.)
Prof. Dr. Lothar Frey

Kurzzusammenfassung:

Heutzutage ist es immer mehr notwendig, einen geeigneten Filter in der Leistungselektronik zu verwenden. Dabei spielt die Auswahl des Materials für den Filter auch eine sehr wichtige Rolle. Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der Literaturrecherche und Messungen vorhandener Filterinduktivität aus Eisenpulvermaterialien und der hergestellten Filterinduktivität aus Mangan-Zink-Ferrite-Polymeren.
Dazu ist es wichtig zu untersuchen, welche Induktivität mit Hilfe weichmagnetischer Polymere erreicht werden kann. In dieser Masterarbeit werden zuerst die Einteilungen und Anwendungen der Filter und Kernmaterialien vorgestellt.
Danach werden die Kleinsignalmessungen der Eisenpulvermaterialien und Mangan-Zink-Ferrit-Polymere durchgeführt. Um die vorhandenen Eisenpulvermaterialien von den weichmagnetischen Polymeren ersetzt werden zu können, wird die Filterinduktivität der weichmagnetischen Polymere mit den berechneten Parameter hergestellt. Die Windungszahl der Filterspule wird zu 22 berechnet. Aufgrund des vorgegebenen Bauraums wird zur Realisierung eine Filterspule mit 6 Windungen prozessiert um die theoretischen Grundlagen zu verifizieren. Diese Filterinduktivitäten werden mit den Eisenpulvermaterialien verglichen und diskutiert. In den Messungen werden die Impedanz, Phasenwinkel, Induktivität und Widerstand betrachtet. Die Permeabilität wird mit Hilfe der Messergebnisse ausgerechnet. Die aufgrund der Grundlagen zu erwartende Induktivität für weichmagnetische Polymere liegt bei 0,657 µH. Die in dieser Arbeit gezeigten Messergebnisse zeigen eine Induktivität von 2 µH. In weiterführenden Arbeiten ist der Unterschied zwischen Theorie und Messung weiter zu untersuchen.

Yang Lei

2017 und früher