Laufende Arbeiten_zum_testen

– 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

– Beschreibung:

Im Rahmen des Projektes SEEDs entsteht am Fraunhofer IISB in Erlangen ein Kältespeichersystem im industriellen Maßstab. Die energetische Kapazität des bereits bestehenden Speichers hängt wesentlich von der verfügbaren Temperaturspreizung im Kaltwassersystem ab und soll durch Optimierung des Volumenstroms im Kaltwasserkreis angehoben werden. Der Erweiterungsbau A des Instituts stellt einen hydraulisch abgeschlossenen Kreislauf dar, welcher aktuell mit einer sehr geringen Temperaturspreizung betrieben wird. Eine geringe Temperaturspreizung bedeutet hohe Kosten für hydraulische Umwälzaggregate sowie eine niedrige Effizienz der Kältemaschine. Im Rahmen der Bachelor-Arbeit soll eine Analyse der Kaltwasserverteilung im Erweiterungsgebäude durchgeführt werden, anhand derer sich Maßnahmen zur Optimierung des Kaltwasservolumenstroms ableiten lassen. Darauf aufbauend soll ein Konzept erstellt werden, wie der Kaltwasservolumenstrom an der zentralen Übergabestelle des Gebäudes geregelt werden kann. Eine Implementierung des Konzepts ist je nach Art und Umfang der Maßnahmen erwünscht.

– Betreuer:

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

– Beschreibung:

Die kontinuierliche und genaue Bestimmung des SOC-Wertes von Batterien ist ein wesentlicher Bestandteil für einen zuverlässigen und sicheren Betrieb von Batteriesystemen. Im Rahmen der Arbeit soll eine OCV (Open Circuit Voltage)-Messzelle für Redox-Flow-Batterien untersucht und basierend auf bestehenden Konzepten weiterentwickelt werden. Hierzu ist ein kleiner Teststand aufzubauen. Ziel der Arbeit ist es, das Verhalten der Messzelle in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparametern zu charakterisieren sowie die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messzelle zu untersuchen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen soll ein Messkonzept für den sicheren Betrieb eines Redox-Flow-Batterie-Containers erarbeitet werden.

– Betreuer:

Dr.-Ing. Michael Jank
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Beschreibung:

Durch die begrenzte Verfügbarkeit von Energie müssen mobile Systeme besondere Anforderungen hinsichtlich geringer Leistungsaufnahme erfüllen. Anhand zweier Beispiele aus dem Bereich tragbarer Elektronik (Wearables) und „intelligenter“ Verpackungen sollen Lösungen zur Realisierung über ihre Nutzungsdauer autarker Sensorelektronik untersucht und realisiert werden.
Zur Realisierung der Verpackungslösung wird ein batteriebetriebenes System zur Füllstands- und Temperaturanzeige für das kontinuierliche Erfassen und Speichern von Daten umgerüstet. Kritische Rahmenbedingung ist die Nutzung flexibler Batterien, welche bei 1,5V Zellenspannung nur 10mAh Ladung besitzen. Als Lösungsansatz soll die Integration eines Timers mit extrem geringer Verlustleistung im passiven Modus untersucht werden. Spezielles Augenmerk wird auf den Energieverbrauch während der aktiven Phase gelegt (Hochfahren, Messwertaufnahme, Datenspeicherung), der letztlich die Standzeit des Gesamtsystems ergibt.
Für den zweiten Anwendungsfall wird eine Lösung zum Auslesen eines potentiometrischen Elektrolytsensors über ein passives Funketikett untersucht. Hierbei wird die Energie zum Betrieb des kontaktlos verknüpften Sensorknotens ausschließlich vom Lesegerät bereitgestellt. Die begrenzte Energiemenge muss ausreichen, um während der aktiven Phase den Ausleseverstärker und den Mikrocontroller zu betreiben, wobei letzterer das Datenmanagement und die Sendefunktion übernimmt.

– Betreuer:

Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 25 gefunden werden.
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– Beschreibung:

Im Gegensatz zur etablierten Si-Technologie befasst sich die Technologie von wide-bandgap-Materialien, insbesondere SiC, derzeit eher mit Einzelbauelement-Prozessen als mit integrierten Schaltungen. Dies hat mehrere (physikalische und technologische) Ursachen. Im Hinblick auf Elektronik in extremen Bedingungen (z.B. Raumfahrt-Anwendungen) gewinnen integrierte Schaltungen und Sensoren in SiC an Bedeutung. Die Metallisierung auf dem Chip (Backend-of-Line) stellt dabei eine große Herausforderung dar.
Im Rahmen der Bachelorarbeit sollen verschiedene Metalle (Elemente, Legierungen, Schichtdicken, Abscheideverfahren) und (Intermetal-)Dielektrika (Materialien, Abscheideparameter, Schichtdicken) zunächst auf Silicium getestet werden und für ihren Einsatz bei für SiC-CMOS-Chips bei hohen Temperaturen evaluiert werden. Ein erster Testprozess dafür ist bereits gestartet (5 Wafer). Im Rahmen der Arbeit können bei diesem in Rücksprache mit dem Prozessverantwortlichen Parameter variiert werden. Außerdem sollen eigenverantwortlich weitere Experimente/Testprozesse geplant und durchgeführt werden.

– Betreuer:

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

– Beschreibung:

– Aufgaben:

• Begleitung der Fertigung der Silizium-Kondensatoren im Universitäts-Reinraum
• Experimentelle Bestimmung von:
  • der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands der Bauelemente,
  • der Frequenz- und Spannungsabhängigkeit der Kapazität der Bauelemente und
  • der Strom-Spannungs-Beziehung der Bauelemente mit Fokus auf verschiedene elektrische Durchbruchsmechanismen
• Wissenschaftliche Auswertung der Messungen mit Bezug auf bewusste Prozessvariation
• Je nach Fortschritt der Arbeit:
  • Ermittlung von physikalischen Zusammenhängen von Variationen des dielektrischen Schichtstapels und des elektrischen Durchbruchverhaltens der Bauelemente
  • Entwicklung eines physikalisch motivierten Modells zur Bestimmung der optimalen Parameter des dielektrischen Schichtstapels
  • Evaluierung des Modells anhand der bereits gewonnen Messwerte

– 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)
Prof. Dr. rer. nat. Lothar Frey

– 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. Für diese Bauelemente ist die Implantation von Stickstoff oder Aluminium in n-Typ 4H-SiC ein wesentlicher Bestandteil der Herstellung. Während die Dotierung durch Stickstoff bereits ausgiebig erforscht ist, liegt der Fokus aktueller Arbeiten unter anderem auf der Untersuchung der Dotierung mittels Aluminium-Implantation und anschließender Aktivierung. Durch die Ionenimplantation werden Defekte im Kristallgitter erzeugt, welche zu einer Reduzierung der freien Ladungsträgerdichte im Bauteil führen. Die genaue Spezifikation dieser Defekte ist ein Ziel dieser Arbeit. Hierfür werden bereits hergestellte Schottky-Dioden mittels ‚Deep-Level-Transient-Spectroscopy‘ (DLTS) gemessen. Die ausgewerteten Spektren geben Aufschluss auf das Energieniveau der Störstellen in der Bandlücke von 4H-SiC, wodurch die Art der Störstelle und deren Auswirkungen auf die freie Ladungsträgerdichte ermittelt werden kann. Die Auswertung erfolgt größtenteils durch die Software der kommerziellen Messapparatur, wobei z.T. auch eine separate Auswertung der Messdaten mittels Origin, oder Python erforderlich ist. Die Arbeit wird in den Laboren des Lehrstuhls für Elektronische Bauelemente und des Fraunhofer IISB stattfinden. Der Zugang zu weiteren im Rahmen der Arbeit relevanten Messtechniken (z.B. CV, IV) ist vorhanden. Die Eingliederung in eine Arbeitsgruppe ermöglicht einen schnellen und detaillierten Einblick in die aktuelle Forschung im Bereich der Kristallographie und des Halbleitermaterials Siliziumkarbid als Basis von Leistungsbauelementen.

– Betreuer:

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

– Beschreibung:

Ziel dieser Arbeit ist die Herstellung von elektrooptischen Modulatoren mittels eines innovativen Strukturie-rungsverfahrens, der sogenannten Nanoimprintlithographie. Mit der am Lehrstuhl vorhandenen UV-SCIL (UV-unterstützte substratkonforme Imprintlithographie)-Methode ist es möglich, kostengünstig mit einer geeigneten Prägeform ganzflächig auf einem Wafer Nano- und Mikrostrukturen in UV-härtbare Prägemateri-alien direkt herzustellen. Wie in vorherigen Arbeiten gezeigt wurde, ist es speziell auch möglich, optische Wellenleiter zu strukturieren und dabei auch Y-Verzweiger oder ähnliche optische Bauteile herzustellen.

Aufgabenstellung
In dieser Arbeit soll nun untersucht werden, ob es darüber hinaus möglich ist, mit geeigneten Prägemateria-lien elektrooptische Modulatoren herzustellen. Elektrooptische Modulatoren beruhen auf dem elektro-optischen Effekt, bei dem sich der Brechungsindex des verwendeten Materials in Abhängigkeit von einem angelegten elektrischen Feld ändert. Dies führt dann zur Modulation der Phase des Lichtes. Damit sind Komponenten zur Modulation von die Phase, Amplitude oder Polarisation des Lichtes möglich.
Bisher am Institut verwendete Prägematerialien zeigen keinen elektro-optischen Effekt. Aus der Literatur ist aber bekannt, dass das Zumischen von bestimmten Farbstoffen zu einem effektiv elektro-optischen Material führen kann. Daher wird zunächst der Schwerpunkt der Arbeit darauf liegen, Materialien zu finden bzw. herzustellen, die sowohl elektro-optisch aktiv als auch mittels UV-SCIL strukturierbar sind. Dabei sollen im Wesentlichen zwei Ansätze verfolgt werden:
Aus der Literatur sind Materialien bekannt, die hinsichtlich der elektro-optischen Modulation ideal geeignet, aber nicht direkt UV-härtbar sind. Von diesen Materialien weiß man aber andererseits, dass sie durch Beimischen geeigneter Photo-Initiatoren auch mittels UV-Licht gehärtet werden können. Hier ist die Beimi-schung der Photo-Initiatoren zu optimieren.
Der andere Ansatz geht von bekanntermaßen für die UV-SCIL-Methode geeigneten Prägematerialien aus und hier liegt die Herausforderung in der Evaluation, ob die oben genannten Farbstoffe diesen Prägematerialien in geeigneter Form und Menge beigemischt werden können.
Bei beiden Optionen ist letztlich zu untersuchen, ob die dann in der Form noch nicht hergestellten Materialien beide Kriterien (UV-SCIL-Prägbarkeit und elektro-optischer Effekt) in ausreichendem Maße erfüllen.
Schließlich ist die Herstellung eines elektro-optischen Demonstrators geplant, mit dem die Funktionalität eines mittels UV-SCIL hergestellten elektro-optischen Modulators verifiziert werden soll.

Wesentliche verwendete Methoden (je nach Vorkenntnissen):
UV-SCIL, optische Transmissionsmessung

– Betreuer:

Kallinger, Birgit (FHG-IISB, Tel. 09131 /761-273, E-Mail: birgit.kallinger@iisb.fraunhofer.de)
Rommel, Mathias (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-108 , E-Mail:mathias.rommel@iisb.fraunhofer.de)
Es konnte kein Kontakteintrag mit der angegebenen ID 25 gefunden werden.

– Beschreibung:

4H-SiC wird auf Grund seiner Eigenschaften als Halbleitermaterial für leistungselektronische und optische Bauelemente eingesetzt. Für das Design der (optischen) Bauelemente aber auch für die prozessbegleitende optische Charakterisierung, wie z.B. Schichtdickenmessungen, werden die genauen optischen Eigenschaften von 4H-SiC-Substraten und Epi-Schichten benötigt. Die optischen Eigenschaften, wie z.B. der Absorptionskoeffizient oder die Reflexion, sind aber nicht vollständig bekannt, vor allem fehlen Daten in Abhängigkeit der Wellenlänge und Dotierung (und optisch aktiver Eigendefekte).

Im Rahmen der Bachelorarbeit werden optische Eigenschaften des 4H-SiC wie z.B. die Absorptionskoeffizienten und der Reflexionsgrad, in Abhängigkeit der Dotierung mittels Transmissions- und Reflexionsmessungen vom UV- bis in den NIR-Bereich bestimmt. Hierfür stehen SiC-Substrate (hochreines, semi-isolierendes sowie stark Stickstoff-dotiertes 4H-SiC) als auch Epiwafer (mit Stickstoff- bzw. Aluminium-dotierten Schichten unterschiedlicher Dotierstoffkonzentration) zur Verfügung, aus denen die benötigten Proben mechanisch präpariert werden. Die Transmissionsspektren sollen durch geeignete physikalische Modelle beschrieben und die optischen Konstanten extrahiert werden.

Alternativ kann das Thema auch als Masterarbeit bearbeitet werden, indem weiterführende Untersuchungen einbezogen werden: es sind die optischen Eigenschaften des SiC nach Ionenimplantation und anschließendem Tempern zu untersuchen, d.h. hier spielen die Eigendefekte des SiC wie z.B. Kohlenstoffleerstellen eine große Rolle. Außerdem sollen die optischen Eigenschaften von Oxidschichten aus verschiedenen Technologieprozessen gemessen und verglichen werden.

Die Ergebnisse der Arbeit werden mit den Literaturdaten verglichen und in einem Zeitschriftenartikel veröffentlicht sowie auf Konferenzen präsentiert.

– Betreuer:

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

– Beschreibung:

Für hochsperrende Leistungsbauelemente ist ein effektiver Randabschluss nötig, um die geforderte Sperrspannung aufnehmen zu können. Für 4H-SiC-Bauelemente haben sich zwei Grundformen von Randabschlüssen etabliert, die Junction Termination Extension (JTE) und Field Limiting Rings (FLR). Der JTE-Randabschluss erfordert während des Herstellungsprozesses eine zusätzliche Implantation, die für optimale Effizienz ein sehr kleines Prozessfenster bietet. Schwankungen der Dotierung über den Wafer und technologische Ungenauigkeiten schränken die Nutzung dieses Abschlusses ein.

Ein Feldring-Randabschluss besteht für 4H-SiC-Bauelemente aus 10 bis 50 nicht kontaktierten hoch-dotierten Ringen, die durch Gegenimplantation zur Dotierung der Epitaxieschicht hergestellt werden. Das Design dieser Randabschlüsse hängt von vielen Faktoren ab, darunter am bedeutendsten die Weite und der Abstand der Ringe zueinander. Da es kein analytisches Modell zur Sperrfestigkeit für 4H-SiC-Bauelemente mit Feldringrandabschlüssen gibt, müssen aufwendige neue Bauelemente TCAD-Simulationen durchgeführt werden.
FLRs hingegen können ohne zusätzlichen Schritt in den Herstellungsprozess übernommen werden und sind robust gegenüber prozesstechnischen Schwankungen. Gegenüber der JTE haben sie den Nachteil, dass häufig ein größerer Platzbedarf besteht, was gerade bei kleinen Chipflächen zu einem ungünstigen Verhältnis zwischen aktiver Fläche und Randbereich führt.

In dieser Bachelorarbeit soll eine Parameter-Studie in TCAD durchgeführt werden, um zunächst grundlegende Abhängigkeiten der Effizienz von den Design-Parametern zu bestimmen. Die Effizienz von Randabschlüssen ist hier definiert als die maximale Sperrspannung im Verhältnis zum Platzbedarf des Abschlusses. Das TCAD-Modell soll anhand vorhandener Bauelemente mit geeigneten Randabschlüssen kalibriert werden. Von diesen Erkenntnissen ausgehend soll ein optimierter Randabschluss für häufig auftretende Spannungsklassen vorgeschlagen werden.
Zusätzlich soll die Übertragbarkeit der existierenden analytischen Modelle von Silizium auf 4H-SiC überprüft werden.

– Betreuer:

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

– 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.

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

– Beschreibung:

MOSFETs auf Basis des Halbleiters Siliciumcarbid (SiC) sind ein vielversprechender Kandidat für elektronische Schaltungen die extremen Umgebungsbedingungen (z.B. hohe Temperaturen) standhalten müssen. Allerdings unterscheiden sich die Strom-Spannungs-Kennlinien und deren Temperaturverhalten von SiC-MOSFETs im Vergleich zu klassischen Transistoren aus Silicium. Da es sich bei SiC-CMOS Schaltungen um eine sehr junge Technologie im wissenschaftlichen Stadium handelt, sollen anhand der Arbeit erste Erfahrungen in der Auslegung und im Verhalten analoger SiC-CMOS Schaltungen gesammelt werden.
Hierzu sollen vorhandene Transistoren bei Temperaturen von 25°C bis 400°C charakterisiert und anhand der Kennlinien ein Operationsverstärker (Miller-OpAmp) entworfen und aufgebaut werden. Anhand von Spice-Simulationen und Messungen sollen ein Verständnis über das Temperaturverhalten, das Potenzial und die Grenzen analoger SiC-CMOS Schaltungen gewonnen werden.