Offene Arbeiten

– Ansprechpartner:

Dreher, Vincent (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-231 , E-Mail: vincent.dreher@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Beschreibung:
Ionenselektive Elektroden werden in der analytischen Chemie, der Umweltanalytik und teils in industriellen Prozessen eingesetzt, um Ionenkonzentrationen in typischerweise wässrigen Medien zu bestimmen. Das Fraunhofer IISB beschäftigt sich mit einer speziellen Form der Ionenselektiven Elektroden, den „all-solid-state ion-selective electrodes“, welche aufgrund ihrer Flexibilität und Möglichkeit der Skalierung (gedruckte Elektronik als Basis) und Miniaturisierung neue Anwendungsbereiche – beispielsweise Bodenmessungen in der Landwirtschaft oder Schweißanalytik in der Medizin-Branche – ermöglichen.

Eine Kernkomponente einer ISE ist die ionenselektive Membran (ISM) welche üblicherweise PVC und Weichmacher als Matrixkomponenten besitzt. Diese Matrixpolymer- und Weichmacherkombination birgt jedoch einige Problematiken: Wasseraufnahme (einhergehend mit Verlust von Membrankomponenten an die Mess- bzw. Lagerungsflüssigkeit), medizinische Bedenklichkeit (begrenzte Biokompatibilität aufgrund von Weichmachern), Langzeitstabilität und Haftung. Ionenselektive Membranen auf Basis von Silikonen bieten Chancen, diese Probleme aufgrund ihrer grundlegenden Materialeigenschaften zu lösen, wie in der Fachliteratur bereits gezeigt wurde.

Um eine neue Generation der Ionensensoren am IISB zu etablieren, bedarf es der Prozessoptimierung bei der Herstellung und der Anpassung der Membranzusammensetzung für verschiedene Ziel-Ionen (z.B. Na+, K+, Cl-, NO3-) zusammen mit der Untersuchung Langzeitstabilität und Haftung, der Affinität zur Wasseraufnahme, der Impedanz der Membran sowie der Untersuchung des Detektionsbereichs, der Sensitivität und der Sensitivität der hergestellten Sensoren. Dabei sollen quantitative Vergleiche zwischen den herkömmlichen PVC-Membranen und den entwickelten Silikonmembranen angestellt werden. Weiterhin soll die Skalierbarkeit des Herstellungsprozesses durch die Verwendung eines automatischen Dispensers in Grundzügen untersucht werden.

– Ansprechpartner:

Rommel, Mathias (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-108 , E-Mail: mathias.rommel@iisb.fraunhofer.de)
Rossi, Chiara (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-290 , E-Mail: chiara.rossi@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Beschreibung:
Logikschaltungen, die in rauen Umgebungen, d. h. bei sehr hohen Temperaturen (z. B. > 300 °C) oder unter Strahlungseinfluss, eingesetzt werden müssen, können nicht in der Standard-Silizium-CMOS-Technologie hergestellt werden. Als Material für solche Schaltungen bietet sich Siliziumkarbid (SiC), insbesondere 4H-SiC, an, da es im Vergleich zu Silizium eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, eine sehr niedrige intrinsische Ladungsträgerkonzentration und Strahlungshärte aufweist. Die in der 4H-SiC-CMOS-Technologie am LEB/IISB hergestellten n- und p-Typ-MOSFETs bieten sehr gute Leistungen bis zu mindestens 500 °C und werden derzeit zur Herstellung von Prototypschaltungen (analog/digital) verwendet. Für den korrekten Entwurf und die Simulation von Schaltungen ist ein analytisches (kompaktes) Vorhersagemodell für einzelne Transistoren von größter Bedeutung. Die Modellierung von SiC-Transistoren ist im Vergleich zu konventionellen Siliziumtransistoren mit zusätzlichen Herausforderungen verbunden, z. B. aufgrund erheblicher Unterschiede bzgl. der Trap-Eigenschaften zwischen SiC-SiO2- und Si-SiO2-Grenzflächen, die für besondere Effekte verantwortlich sind, wie z. B. Mobilitätsverschlechterung, höhere Unterschwellensteigung, weiche Sättigung und Erhöhung der Schwellenspannung. Derzeit wird für die MOSFETs in unserer 4H-SiC-Technologie ein Kompaktmodell auf der Grundlage von BSIM4 verwendet, mit dem die elektrischen Eigenschaften bis zu 300 °C simuliert werden können.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, dieses Kompaktmodell für höhere Temperaturen, bis zu 500 °C, zu erweitern. Um dieses Ziel zu erreichen, wird der Kandidat spezielle Messungen an n- und p-Typ-MOSFETs mit einem bestimmten Bereich von Geometrien in Bezug auf Gate-Breite und -Länge sowie an passiven Komponenten wie Widerständen und Kondensatoren (einschließlich parasitärer Elemente) durchführen. Außerdem ist die Verwendung von SPICE-Simulatoren (Schaltungssimulatoren) erforderlich, so dass der Kandidat die Möglichkeit hat, in den in der Industrie weit verbreiteten und verwendeten Programmen wie Cadence Virtuoso und Spectre sowie Keysight IC-CAP geschult zu werden. Ein weiterer Teil der Arbeit wird die Erforschung des Einsatzes von Optimierern oder neuronalen Netzen sein, um die Extraktion von Schlüsselparametern des kompakten Modells zu beschleunigen. Je nach Erfahrung und Vorlieben des Bewerbers kann auch nur eine Auswahl der oben genannten Themen vereinbart werden.

Vorkenntnisse über das grundlegende Verständnis von MOSFETs und der Halbleiterphysik sind erforderlich. Die Erfahrung mit einem SPICE-Schaltungssimulator ist von Vorteil.

– Ansprechpartner:

Rommel, Mathias (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-108 , E-Mail: mathias.rommel@iisb.fraunhofer.de)
Schraml, Michael (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-352 , E-Mail: michael.schraml@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Beschreibung:
Siliciumcarbid (4H-SiC) ist für Sensoren und mikroelektronischen Schaltungen bei hohen Temperaturen sowie in harschen Umgebungen aufgrund seiner thermischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften besonders geeignet. Für verschiedene Sensortypen werden integrierte Schaltungen (u.a. Operationsver-stärker, Differenzverstärkerstufen, Stromquellen, etc.) benötigt, um die Sensorsignale on-Chip aufzubereiten. Im Rahmen dieser Arbeit sollen daher zunächst vorhandene Verstärkerschaltungen auf SiC bei Temperaturen von 20 bis 300°C vermessen und charakterisiert werden (je nach zeitlichem Verlauf auch bei höheren und tieferen Temperaturen). Anschließend müssen diese Schaltungen in SPICE (Cadence Virtuoso & Spectre) simuliert werden und mit dem Verhalten der realen Bauelementen verglichen werden. Ausgehend davon sollen die Verstärkerschaltungen für einzelne Sensoren und Anwendungen optimiert werden. Die Arbeit richtet sich vorwiegend an Studierende der Richtungen EEI und Mechatronik. Grundkenntnisse in SPICE-Simulation und Schaltungstechnik sind von Vorteil (ansonsten Einarbeitung möglich).

– Ansprechpartner:

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

– Beschreibung:
Siliziumkarbid (4H-SiC) ist aufgrund seiner elektrischen und thermischen Eigenschaften das Material der Wahl für integrierte Bauelemente der Leistungselektronik und die Verfahren zur Realisierung solcher Bauelemente sind weitgehend etabliert. Neben dieser Anwendung wird Siliziumkarbid aufgrund seiner außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften aber zunehmend auch für mikromechanische Bauelemente interessant. Die Realisierung solcher Bauelemente stellt aber besondere Herausforderungen an die Fertigungstechniken, die noch nicht vollständig gelöst sind.

Im Rahmen dieser Arbeit soll dazu konkret untersucht werden, mit welchen Ätztechniken und -Prozessen Strukturen für mikromechanische Komponenten aus Siliciumkarbid (SiC), genauer 4H-SiC, hergestellt werden können. Besonderer Fokus liegt dabei sowohl auf den zu erzielenden Ätzraten als auch auf die jeweils erreichbaren Geometrien: Ziele sind hier auf der einen Seite grundsätzlich hohe Ätzraten für den notwendigen Volumenabtrag, auf der anderen Seite aber auch eine gezielte Formgebung mittels anisotropem oder isotropem Materialabtrag, bei jeweils möglichst hoher Homogenität über die zu strukturierenden Wafer. Beide Anforderungen stellen große Herausforderungen an die üblicherweise am LEB/IISB eingesetzten Ätzprozesse dar. Neben einer umfassenden Literaturrecherche zur Strukturierung von 4H-SiC und der Bewertung der jeweiligen Ansätze für die Anwendung am LEB/IISB liegt der Schwerpunkt auf der experimentellen Planung und Durchführung von Strukturierungsprozessen an entsprechenden 4H-SiC-Wafern mit dem Ziel der Optimierung derselben. Die entsprechenden Arbeiten werden im Reinraum der Universität stattfinden, konkret vor allem an Anlagen zum reaktiven Ionenätzen (RIE). Abschließend soll eine Bewertung inklusive Potenzialabschätzung bzgl. einer produktnahen Realisierbarkeit von mikromechanischen Bauelementen aus 4H-SiC mit den am LEB/IISB zur Verfügung stehenden Strukturierungsverfahren erfolgen.