Laufende Arbeiten

– Ansprechpartner:

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Rajesh Chirala (M. Sc.)
Dr.-Ing. Saskia Schimmel

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Rajesh Chirala (M. Sc.)
Dr.-Ing. Saskia Schimmel

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Rajesh Chirala (M. Sc.)
Dr.-Ing. Saskia Schimmel

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– Ansprechpartner:

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

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

– Ansprechpartner:

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

– Description:
Nitride semiconductors, as wide-bandgap semiconductors, are playing an increasingly important role as substrate materials for power electronic components. Ammonothermal crystal growth is a promising growth method for a wide variety of nitride semiconductor materials. The advantage of this method is the ability to produce crystals with very high structural quality, as well as its scalability to grow multiple crystals simultaneously. A disadvantage of the method is the currently unavoidable high level of impurities. A major impurity is oxygen. This high oxygen contamination impairs the dopability of the nitride semiconductors themselves and also influences the formation of further crystal defects. To further reduce the oxygen level, this work aims to develop a significantly improved autoclave purification process. For this purpose, autoclaves (reaction vessels) are to be heated prior to the growth using an experimental setup. During this heating process, the atmosphere in the autoclave will be varied from vacuum to a reducing atmosphere and/or inert gas atmosphere. The effectiveness of the purification process will be evaluated. For this purpose, the desorbing O2 and H2O gas will be analyzed using a trace moisture sensor (based on P2O5) and an O2 sensor (zirconia oxygen sensor). The data will then be interpreted using vapor pressure curves to optimize the purification process. Once an optimized purification process has been found, GaN-crystals will be grown to verify and quantify the effectiveness of the purification process on the impurities incorporated into the crystal.

– Ansprechpartner:

Julian Schwarz (M. Sc.)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Beschreibung:
Mithilfe der Mikrospektroskopie, der Kombination eines optischen Mikroskops und eines Spektrometers, können unterschiedliche Schichtstapel mit lateralen Dimensionen im Mikrometerbereich zerstörungsfrei untersucht werden. Durch die komplexe Modellierung mittels Transfermatrixmethode lassen sich Parameter der einzelnen Schichten, wie beispielsweise deren Dicke, bestimmen. An LEB und IISB wurde bereits in Vorarbeiten an verschiedenen Mikrospektroskopiesystemen gezeigt, dass sich sowohl die präzise Bestimmung der Schichtdicke als auch die Kristallachsenorientierung anhand von Reflexionsmessungen durchführen lassen.

Zu Beginn soll in dieser Arbeit die grundlegende quantitative Modellierung von Transmissionsmessungen an großflächig homogenen Proben und an Proben mit lateralen Dimensionen im Mikrometerbereich untersucht werden. Erste Ergebnisse für kleine numerische Aperturen (NAs) bilden dabei die Grundlage. Bei hohen NAs muss allerdings zusätzlich zum Einfluss der NA auch die partielle Detektion großer Einfallswinkel berücksichtigt werden, da diese durch den großen lateralen Versatz beim Durchgang durch ein dickes Substrat auftreten kann. Dieser laterale Versatz hängt sowohl vom Einfallswinkel als auch vom Substratmaterial und seiner Dicke ab. Ein möglicher Transfer der Modellierung der NA-Korrektur für Reflexionsmessungen auf Transmissionsmessungen ist zu überprüfen. Neben der Modellierung der Transmission für unpolarisiertes Licht sollen bei entsprechendem Fortschritt auch Untersuchungen mit polarisiertem Licht erfolgen.

Der Hauptfokus liegt auf der Bestimmung des (komplexen) Brechungsindex aus Reflexions- und Transmissionsmessungen. Neben isotropen Schichten sind auch die Grenzen für den Einsatz an anisotropen Materialien zu ermitteln, wofür dann linear polarisiertes Licht notwendig sein kann.

Zu den möglichen zu untersuchenden Materialien gehören 4H-SiC-Substrate (a-plane/c-plane), optische Gläser, SiO₂/SiN-Dünnschichten sowie exfolierte Flakes von van-der-Waals-Materialien. Letztere stehen im Zentrum dieser Arbeit, da durch den notwendigen Einsatz von Objektivlinsen mit hoher NA höhere Anforderungen an die Modellierung entstehen. Als 2D-Materialien stehen das uniaxiale hochorientierte pyrolytische Graphit (HOPG) sowie die biaxialen Verbindungen MoO₃ und ReS₂ zur Verfügung.

– Ansprechpartner:

Rommel, Mathias (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-108 , E-Mail: mathias.rommel@iisb.fraunhofer.de)
May, Alexander (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-646 , E-Mail: alexander.may@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Beschreibung:
LEB and Fraunhofer IISB have been jointly developing a high-temperature-capable 4H-SiC CMOS technology (up to ≥ 500 °C) for several years. The gate oxide is crucial for the functionality and performance of CMOS technologies. Therefore, analysing its stability and reliability is essential for the further development of the technology. This is investigated and characterised using special tests, including time-dependent dielectric breakdown (TDDB). This involves artificially ageing MOS structures (MOS capacitors or MOSFETs) by subjecting the gate oxide to constant electrical stress until the gate oxide subsequently breaks down electrically. Based on corresponding models, average lifetimes under normal operation can then be predicted. While this has already been analysed in detail for 4H-SiC power nMOSFETs, there are hardly any studies specifically for 4H-SiC pMOSFETs. In addition, previous studies on 4H-SiC MOSFETs have essentially only been carried out up to approx. 250 °C.

TDDB measurements on 4H-SiC-nMOSFETs and 4H-SiC-pMOSFETs for temperatures from room temperature to 500 °C are to be carried out for the high-temperature-capable 4H-SiC-CMOS technology as part of this work. The aim is to evaluate the thermal gate oxide in terms of stability and reliability as a function of temperature.

– Ansprechpartner:

Schraml, Michael (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-352 , E-Mail: michael.schraml@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Beschreibung:
This project aims to design, simulate, and optimize basic logic gates and sequential circuits, establishing a foundation for complex digital systems functioning reliably at temperatures up to 500°C. Core objec-tives include the design of essential CMOS logic gates such as inverters, NAND, NOR, AND, and OR gates, as well as sequential circuits (e.g. flip-flops, latches). These components serve as the building blocks for memory and state-holding functions in digital circuits. A significant challenge is optimizing these designs to maintain functionality at high temperatures, addressing issues like threshold voltage shifts and mobility degradation.
Simulation and analysis will be conducted using SPICE models within Cadence Virtuoso and Spectre environments. The simulation goals encompass DC analysis to evaluate voltage transfer characteristics, transient analysis to assess dynamic performance metrics such as rise/fall times and propagation delays, and power consumption analysis to quantify static and dynamic dissipation, particularly under high-temperature conditions.

– Ansprechpartner:

Christophe Pixius (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-553 , E-Mail: christophe.pixius@iisb.fraunhofer.de)
Fabian Magerl (M. Sc.)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Beschreibung:
Seit einigen Jahren beschäftigt sich der Lehrstuhl mit dem innovativen Themenfeld der Quantenbauelemente und der Prozessintegration für quanten-elektronische Anwendungen. Dabei liegt der Fokus darauf, das Halbleitermaterial SiC im Bereich Quanten-Computing zu nutzen und SiC-Qubits in Bauelemente zu integrieren. Dieses neuartige Forschungsgebiet stößt hierbei sowohl auf technologische Grenzen, die es zu überwinden gilt, als auch auf grundlegende physikalische Fragestellungen hinsichtlich Optik, Photonik und Elektronik unter extremen Bedingungen. So erfordert die Anwendung von SiC als Qubit-Plattform beispielsweise den elektrischen Betrieb von Bauelementen bei einer Umgebungstemperatur zwischen 4 und 20 K.

Im Rahmen einer Masterarbeit wird angeboten Teil dieses Forschungsgebietes zu werden. Es sollen dabei bereits prozessierte SiC-Teststrukturen und Bauelemente bei einer Umgebungstemperatur zwischen 4 K und 300 K charakterisiert werden. Hierfür steht am benachbarten Standort unseres Partners Fraunhofer IISB ein elektrischer Messplatz zur Verfügung. Es wird eine Einarbeitung zur selbstständigen Durchführung der Messungen erfolgen. Die Messergebnisse sollen anschließend mittels gängiger Software (Python, Origin, Excel) ausgewertet und hinsichtlich vorliegender physikalischer Prozesse im Material und der Funktionsfähigkeit der Bauelemente bewertet werden. Die Begriffe Teststrukturen und Bauelemente beziehen sich in diesem Fall auf Widerstandsstrukturen, TLM-Strukturen, Dioden und ggf. Transistoren.

Notwendige Qualifikation:
• Abgeschlossenes Bachelorstudium in Physik, Nanotechnologie, Werkstoffwissenschaften, Elektrotechnik oder vergleichbaren Fachrichtungen
• Selbständige Arbeitsweise, Eigeninitiative, Teamfähigkeit
• Kenntnisse über das physikalische Verhalten von Halbleitern

Wünschenswerte Qualifikation:
• Erfahrungen im Umgang mit elektrischer Messtechnik
• Kenntnisse in der Bearbeitung von Programmen zur Datenauswertung (Python, Origin, Excel…)

– Ansprechpartner:

Schraml, Michael (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-352 , E-Mail: michael.schraml@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Beschreibung: