Abgeschlossene Arbeiten

– Ansprechpartner:

Felix Beier (Tel. 09131 /8528631, E-Mail: felix.beier@iisb-extern.fraunhofer.de)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Kurzzusammenfassung:
Kurzzusammenfassung

In dieser Arbeit wurden SACM 4H-SiC Avalanche-Photodioden (APDs) charakterisiert und modelliert, um die Beziehungen zwischen den verschiedenen Parametern, dem Elektroden Design und der Temperatur zu untersuchen, ihre Leistung bei der UV-Detektion zu bewerten und Empfehlungen für zukünftige Optimierungen zu geben. Im experimentellen Teil wurden die Durchbruchspannung, der Dunkelstrom, der Photostrom und die spektrale Empfindlichkeit der APDs bei unterschiedlichen Temperaturen und verschiedenen Elektroden-Designs gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Durchbruchspannung der Diode je nach Position auf dem Wafer variiert, was möglicherweise auf die Inhomogenität des Wafers zurückzuführen ist. Es gibt keine eindeutigen Beweise dafür, dass die Diodengröße und die Elektrodenform einen signifikanten Einfluss auf die Durchbruchspannung haben. Der positive Temperaturkoeffizient der Durchbruchspannung (~57,5mV/°C) deutet darauf hin, dass der Avalanche-Durchbruch der dominante Mechanismus ist. Aufgrund des hohen Messrauschens konnte der Dunkelstrom nicht genau bestimmt werden, jedoch deutet dies indirekt darauf hin, dass die APD einen niedrigen Dunkelstrompegel aufweist. Unter Beleuchtung wurden in der Strom-Spannungs-Kurve Anzeichen für ein Reach-Through-Phänomen beobachtet. Darüber hinaus wurde die spektrale Empfindlichkeit der APDs unter UV-Bestrahlung in Abhängigkeit von der Sperrspannung und der Temperatur gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass Sperrspannung und Temperatur entscheidende Faktoren für die Leistungsfähigkeit der APD sind. Im Simulationsabschnitt wurde zunächst die Durchbruchspannung der APDs modelliert, wobei sich signifikante Unterschiede zu den experimentellen Ergebnissen zeigten. Durch weitere Simu lationen, in denen das Avalanche-Modell, die Dotierungskonzentration der Ladungsschicht und die Dicke der Multiplikationsschicht untersucht wurden, wird vermutet, dass die Unterschiede auf Fehler in den ursprünglichen SIMS-Messdaten zurückzuführen sind, wie z. B. Abweichungen bei der Dotierungskonzentration und Schichtdicke. Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, das Simulationsmodell zu optimieren, um eine bessere Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen zu erzielen, und präzisere Messinstrumente zu verwenden, um genauere Daten bereitzustellen.

– Betreuer:

Jan Dick (M. Sc.)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Kurzzusammenfassung

Bei pn-Übergängen unterschiedlicher Geometrie in 4H-SiC wird Lichtemission beobachtet. Das resultierende Spektrum unterscheidet sich in Abhängigkeit davon, ob die Bauelemente in Fluss- oder in Sperrrichtung betrieben werden. In Sperrrichtung emittiert ausschließlich das Bauelement mit Magnetronstruktur ausreichend Licht zur Aufnahme eines Spektrums. Dieses zeigt einen Peak bei 493 nm mit einer Halbwertsbreite von 304 nm infolge des Übergangs zwischen dem N-Zustand und dem tief in der Bandlücke liegenden Al₂-Zustand. In Flussrichtung wird dieser Peak nur bei der runden und eckigen LED beobachtet, beim Magnetron nicht. Weiterhin wird in Flussrichtung bei allen drei Bauelementen der N-Valenzband-Übergang beobachtet, der Licht bei einer Wellenlänge von 391 nm und 400 nm emittiert. Die Spektren der runden LED und des Magnetrons zeigen zudem den N-D₁-Übergang mit Licht bei einer Wellenlänge von 476 nm.
Es wird weiterhin die Abhängigkeit der Intensitätsmaxima von der eingeprägten Stromstärke und Leistung untersucht. Das Intensitätsmaximum des N-Al₂-Übergangs zeigt eine Blauverschiebung in Folge des Stark-Effektes. Bei erhöhten Temperaturen der Bauelemente wird eine Rotverschiebung aller Intensitätsmaxima beobachtet, die infolge der Erwärmung der Bauelemente bei der Umsetzung elektrischer Leistung entsteht. Theoretisch erwartete Emissionswellenlängen auf Basis der Temperaturdaten eines Bauelements werden mit den tatsächlich ermittelten Emissionswellenlängen bei dieser Temperatur verglichen und eine hohe Übereinstimmung festgestellt. Die von der Waferunterseite ermittelten Spektren werden mit der Absorptionskennlinie des Substrats verglichen. Der Vergleich ergibt, dass Licht infolge des N₁-D₁-Übergangs durch das Substrat absorbiert wird.
Neben der optischen Charakterisierung werden die IU-Kennlinien und die daraus resultierende Diodenidealität Eta der Bauelemente ermittelt. Ein Vergleich zwischen statischer IU-Kennlinie und den Arbeitspunkten der optischen Messungen wird durchgeführt.

– Betreuer:

Jan Dick (M. Sc.)
sowie Department WW

– Kurzzusammenfassung:

Schottky-Dioden wurden hergestellt und charakterisiert für die Anwendung als Freilaufdiode eines Tunnelfeldeffektransistors. Dafür wurden Aluminium, TitanPlatin, TiSiC und NiSi Schottky Dioden auf n-dotiertem 4H-SiC mittels Umkehrlithographie hergestellt. Die elektrischen Eigenschaften der Bauelemente wurden mittels IV – und CV-Messungen erfasst und die Schot- tky-Barrierenhöhe und der Idealitätsfaktor daraus ermittelt. Daneben wurden die Schottky-Kontakte mittels KPFM und AFM auf deren Austrittsarbeiten und topographischen Eigenschaften untersucht. Dabei weisen NiSi und TitanPlatin mit Idealitätswerten von 1,04 bzw. 1,06 ideales Schottkyverhalten auf, während TiSiC und Aluminum deutlich höhere Idealitäten zeigen. Die aus den IV-Messungen ermittelten Barrierenhöhen von 0,79 eV für Titan-Platin, 0,97 eV für Aluminium, 0,83 eV für TiSiC und 0,72 eV für NiSi weisen deutliche Abweichung von entsprechenden Literaturwerten auf. Trotz der Abweichungen sind die Schottky-Dioden als Freilaufdiode geeignet. Die Analyse des Schottky-Metall Übergangs hinsichtlich der topographsichen Eigenschaften zeigte, dass die Aluminium- und Platinkontakte die kleinsten Rauheitswerte aufwiesen. Die NiSi-Kontakte eignen sich aufgrund iherer Oberflächenstruktur besonders gut für eine MOS-Gate Abscheidung.

– Betreuer:

Jan Dick (M. Sc.)
Jannik Schwarberg (M. Sc.)
sowie Department WW

– Kurzzusammenfassung:

Mit der selben Grundstruktur, einer pin-Diode mit Gate, können sowohl Tunneltransistoren, als auch Quantensensorik-Bauelemente gefertigt werden. In dieser Arbeit werden pin-Dioden mit Gate hinsichtlich dieser beiden Anwendungen vermessen. Tunnel-Feldeffekttransistoren (TFET) wurden als Alternative für den MOSFET für verschiedene Anwendungsprofile entwickelt. Bisher wird er für Logikschaltungen verwendet. Eine Anwendung in der Leistungselektronik ist bisher nicht etabliert, aber auch dort gibt es Bereiche, in denen der TFET dem MOSFET überlegen sein kann. In dieser Arbeit wurden Prototypen eines Leistungs-TFET-Konzepts elektrisch vermessen und die Kennlinienfelder charakterisiert. Das Verhältnis der Ströme durch den Tunneltransistor zwischen Ein- und Aus-Zustand beträgt mehrere Größenordnungen. Die Ausgangskennlinien können auf Grundlage des Tunnelstroms durch eine Dreiecksbarriere gut empirisch angenähert werden. Mit der zusätzlichen Annahme, dass sich der Übergang zwischen Source-Gebiet und dem vom Gate verursachten Kanal wie ein pn-Übergang verhält, ergibt sich eine Abhängigkeit des elektrischen Feldes im Halbleiter von der Sperrspannung von Us^0,5 . Mittels empirischer Methoden wurde diese Abhängigkeit angepasst, um die Ausgangskennlinien anzunähern. Mit einer Abhängigkeit des elektrischen Feldes von der Sperrspannung von Us^0,1 können die Ausgangskennlinien der vermessenen TFETs gut durch den Stromfluss durch eine Dreiecksbarriere angenähert werden. Ebenfalls auf der Grundlage des Tunnelstroms durch eine Dreiecksbarriere kann die Transferkennlinie angenähert werden. Hier ergibt sich eine Abhängigkeit des elektrischen Feldes von der Gatespannung von Ug^(−0,2) für eine gute empirische Anpassung an die Kennlinie. Des weiteren können die Kennlinien in doppelt logarithmischer Darstellung durch eine Gerade angenähert werden. Die Auswertung der Steigungen und Vorfaktoren zeigt einen möglichen Wechsel von Punkttunneln zu Linientunneln im Bereich von 10 V Sperrspannung.

Für Quantensensorik-Anwendungen werden in dieser Arbeit verschiedene Größen von pin-Dioden und verschiedene Größen und Positionen der MOS-Gates auf den pin-Dioden vermessen. Kleinere Dioden zeigen eine höhere Anfälligkeit für Fehler im Herstellungsprozess, aber geringere spezifische Serienwiderstände. Die Idealität der Dioden sinkt mit zunehmender Weite gegen 2. Die Position des Gates auf der Gated-pin-Diode hat einen starken Einfluss auf den Tunnelstrom. Dioden ohne Überlappung von Source-Gebiet und Gate zeigen keinen signifikanten Tunnelstrom.

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

– Kurzzusammenfassung:
Im Rahmen dieser Arbeit wurden titanbasierte Ohmkontakte mittels der Hochtemperaturverfahren Rapid Thermal Processing (RTP) und Kurzzeitpulslaser (LA) auf p-dotiertem 4H-SiC Substrat einlegiert. Anhand von Schichtwiderstandsmessungen und über die sogenannte Transferlaengenmethode TLM (engl. Transfer Length Method) wurde das Kontaktverhalten der erzeugten Teststrukturen auf ohmsche Charakteristiken untersucht.

Bei Ti-Al-Kontakten, die im RTP behandelt werden, wird Al auf eine duenne Lage Ti abgeschieden und thermisch einlegiert. Für die Laserprozessierung von Ti-Al-Kontakten mussten zunaechst geeignete Metallstapel gefunden werden, da die Ergebnisse von RTP-prozessierten Kontakten nicht einfach auf die Laserprozessierung uebertragen werden koennen. Bei der Laserbearbeitung muss allerdings die hohe Reflektivitaet von Al (R ~ 0,92 bei 355 nm Wellenlaenge) beruecksichtigt werden.
Hierfuer wurden verschiedene Schichtdicken und Schichtreihenfolgen von Ti-Al-Metallstapeln mit einem Schichtdickenverhaeltnis von 20 % Ti zu 80 % Al auf n-Typ 4H-SiC abgeschieden und mit unterschiedlichen Laserparametern einsilizidiert.
Wenn Aluminium die oberste Metallisierungsschicht bildet, fand bei der Laserbearbeitung erst für Energiedichten von mindestens 3,0 J/cm2 eine sichtbare Oberflaechenreaktionen statt.
Unterhalb wurde die Laserstrahlung groeßtenteils reflektiert, wodurch keine chemische Reaktion stattfand. Ein Wechsel der Schichtfolge (Ti-Al → Al-Ti) behebt dieses Problem. Dabei bildeten sich jedoch hochohmige Ti-Al-Si-C-Verbindungen aus.
Um niederohmige p-Ohmkontakte zu bilden ist es daher noetig, dass Titan als erste Lage direkt auf das Halbleitersubstrat aufgebracht wird. Dadurch kann der Keramikhalbleiter Ti3SiC2 epitaktisch auf dem SiC-Substrat aufwachsen.
Als Resultat wurden Ti-Al-Ti-Kontakte untersucht, wodurch Ti3SiC2 besser aufwaechst und die Al-Reflektivitaet beruecksichtigen. Die optimierten Kontakte wurden mit verschiedenen Laserparametern prozessiert. Durch Erhoehung des Ueberlapps der Laserspots von 67 % in x- und 50 % in y-Richtung auf 80 % in x- und 50 % in y-Richtung konnten für Energiedichten zwischen 2,8 J/cm2 und 3,3 J/cm2 Schichtwiderstände erzielt werden, die auf ohmsches Kontaktverhalten hindeuten. Eine zusaetzliche Erhoehung des Ueberlapps auf 80 % in x- und 80 % in y-Richtung fuehrte zu einer Erhoehung des Widerstands.
Zusaetzlich wurden Ti-Al-Ni-Metallisierungen untersucht, da diese sowohl auf n-dotiertem als auch p-dotiertem 4H-SiC niederohmsche Kontaktwiderstaende ausbilden koennen. Für Energiedichten ab 1,9 J/cm2 wurden bei 67 % Ueberlapp in x- und 50 % Ueberlapp in y-Richtung niederohmsche Kontakte auf n-dotiertem 4H-SiC ausgebildet.

Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden TLM-Strukturen für Ti-Al-Ti und Ti-Al-Ni in p+-implantierten Wannengebieten hergestellt, mittels Kurzzeitpulslaser einsilizidiert und elektrisch charakterisiert.
Bei der Laserprozessierung der μm-großen Teststrukturen ergaben sich folgende Probleme:
1.) Die Kontakte konnten nicht gezielt angesteuert und einlegiert werden.
2.) Wird blankes SiC bestrahlt, werden die I(V)-Messungen negativ beeinflusst.
Um dem entgegenzuwirken, wurde ein Verfahren entwickelt und getestet, bei dem die hohe Reflektivitaet von Al genutzt wird, um das SiC-Substrat vor Schaedigung mittels Laser zu schuetzen. Das ueberschuessige, nicht einlegierte Metall kann nach der Laserprozessierung nasschemisch entfernt werden.
Für den hergestellten Ti-Al-Ti-Stapel konnten mittels Kurzzeitpulslaser keine p-dotierten Ohmkontakte auf 4H-SiC hergestellt werden, da bei den für die Ohmkontaktierung von Ti-Al-Ti erforderlichen Laserparametern (2,8 J/cm2 bei 80 % Ueberlapp in x- und 50 % Ueberlapp in y-Richtung) sowohl die TLM-Kontakte, als auch das Metall zwischen den Strukturen einlegiert und damit kurzgeschlossen wurden.
Mit Ti-Al-Ni konnten laserprozessierte p-Ohmkontakte (NA = 5E19 cm-3) hergestellt werden. Bei einer Energiedichte von 2,0 J/cm2 wurde ein spezifischer Kontaktwiderstand von 0,19 mΩcm2 gemessen. Für hoehere Energiedichten wurden hoehere Widerstaende gemessen.
Verglichen mit RTP-Prozessen (980 °C, 2 min in Ar) liefert die Laserbearbeitung deutlich niedrigere spezifische Kontaktwiderstaende. Ueber alle Teststrukturen gemittelt wurde bei 2,0 J/cm2 ρC mit 30 mΩcm2 gemessen. Die RTP-Tests ergaben Widerstaende im Bereich von 100 mΩcm2.

– Betreuer:
Kauth, Julian (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-506 , E-Mail: julian.kauth@iisb.fraunhofer.de)
Dr. Rommel, Mathias (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-108 , E-Mail: mathias.rommel@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Kurzzusammenfassung:
4H-Siliziumkarbid hat sich aufgrund seiner hohen Bandlücke von 3,2 eV und einer Wärmeleitfähigkeit von 3,3 W/(cm·K) bei Raumtemperatur als vielversprechendes Halbleitermaterial für die Leistungselektronik etabliert [Kim14]. Um die elektrischen Eigenschaften von Bauelementen besser zu verstehen, ist eine umfassende Materialcharakterisierung notwendig. Hierbei spielt die Hall-Messung eine zentrale Rolle.
In dieser Arbeit wurden Hall-Messungen an aluminiumimplantiertem 4H-Siliziumkarbid durchgeführt und ausgewertet. Dabei wiesen die Proben Aluminiumkonzentration in einem Bereich von 1·1017 cm-3 bis 5·1019 cm-3 variiert. Die Ausheiltemperaturen beliefen sich auf 1700 °C, 1850 °C und 1950 °C und als Probenform lagen die Hallbar und die Van-der-Pauw-Struktur vor.
Mittels der Hall-Messung wurde die Ladungsträgerkonzentration der Strukturen berechnet. Zunächst wurden die Ergebnisse mit einer Standardabweichung von über 10 % herausgefiltert, wobei die Proben mit einer Ausheiltemperatur von 1950 °C komplett verworfen werden mussten.
An den Ergebnissen wurde ein Strukturvergleich durchgeführt, wobei beobachtet werden konnte, dass die ermittelten Ladungsträgerkonzentrationen der Van-der-Pauw-Strukturen systematisch niedriger als die Werte der Hallbars liegen. Es wird vermutet, dass die Unterschiede durch indirekte Messeinflüsse, wie die Stromverteilung innerhalb der Probe, auftraten. Eine genaue Erklärung konnte nicht ermittelt werden.
Zudem wurde der Einfluss des Hallstreufaktors auf die Hall-Messung unter Verwendung des Modells nach Pens und Tanaka untersucht. Hierbei konnten signifikante Unterschiede bei Temperaturen unter 300 K festgestellt werden, die bei steigender Temperatur und Aluminiumkonzentration immer weiter abnehmen.
Zur Auswertung der experimentellen Daten wurde die Neutralitätsgleichung verwendet, wobei sowohl ein als auch zwei Akzeptorniveaus für das implantierte Aluminium berücksichtigt wurden. Es zeigte sich, dass ein einzelnes Akzeptorniveau nicht ausreicht, um das Verhalten von aluminiumimplantiertem 4H-Siliziumkarbid zu beschreiben, was mit der Literatur übereinstimmt. Bei beiden Modellen traten systematische Abweichungen in den logarithmierten Residuen außerhalb eines Temperaturbereichs von etwa 280 K bis 500 K auf. Durch geeignete Nebenbedingungen und Anwenden des Tanaka-Modells konnten die Abweichungen bei hohen Temperaturen fast vollständig beseitigt werden, wobei bei niedrigen Temperaturen keine Besserung erreicht werden konnte. Folglich wird vermutet, dass es zusätzliche Einflüsse gibt, die für die korrekte Modellierung des physikalischen Verhaltens von 4H-Siliziumkarbid in einem zwei-Akzeptor-Modell berücksichtigt werden müssen.
Für die Ionisierungsenergien konnte eine sinkende Tendenz bei steigender Konzentration ermittelt werden, wobei über das Kompensationsverhalten und die Aluminiumaufteilung auf die zwei Akzeptorniveaus keine Aussage getroffen werden konnte.

– Betreuer:
Anne-Marie Lang (M. Sc.)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Kurzzusammenfassung:

Diese Masterarbeit untersuchte die Herstellungsprozesse und Charakterisierung von MOS-Kondensatoren (MOSC) mit Hafniumoxidschichten auf Silizium- sowie auf Germaniumsubstraten. Konkret waren folgende zwei Forschungsfragen gestellt:
1. Untersuchung der Einflüsse von Parametervariationen der ALD-Abscheidung (Atomic Layer Depositon) und des PDA-Schritts (Post Deposition Annealing) auf die elektrischen und physikalischen Eigenschaften von HfO2-MOSC auf Silizium
2. Übertragung dieser Parameter auf Germanium und Untersuchung der Einflüsse einer Al2O3-Zwischenschicht sowie eines PMA-Schritts (Post-Metallization-Annealing) auf die elektrischen Eigenschaften
Für Forschungsfrage 1 wurden MOSC mit HfO2 auf Silizium-Substraten hergestellt. Nach einer Reinigung mit HF bzw. RCA wurden HfO2-Schichten mittels PEALD-Verfahren bei 90, 350 und 400 °C abgeschieden, wobei die Zeit des Ar-Plasmas 5, 10, 15 und 20 s betrug. Die Schichten wurden vor einer Aluminium-Metallisierung in einer RTP-Anlage unter N2-Atmosphäre ausgeheizt. Hier wurden die Ausheizzeit zwischen 10 und 60 min sowie die Ausheiztemperatur zwischen 200 und 250°C variiert. Eine längere Ausheizzeit reduzierte die Anzahl der festen Oxidladungen, kann jedoch die Grenzflächenzustandsdichte erhöhen. Es zeigte sich, dass eine optimale Ausheizzeit pro Temperatur die Grenzflächenzustandsdichte reduziert. Eine längere Plasmazeit erhöhte im Allgemeinen die Grenzflächenzustandsdichte, reduzierte jedoch die Hysterese, was auf eine geringe Anzahl an gefangenen Oxidladungen deutet. Die Schichten wiesen eine Permittivität von 15 bis 16,5 und eine Durchbruchfeldstärke von 6,2 bis 6,6 MV/cm auf. Eine Abscheidung bei 400°C erhöhte die Grenzflächenzustandsdichte. Bei 90°C erzielte die Abscheidung eine geringe Grenzflächenzustandsdichte. TEM-Aufnahmen zeigten eine dickere Zwischenschicht mit SiO2-Anteil, was die Permittivität verringerte, die Durchbruchfeldstärke erhöhte und zu einer Verschiebung der Flachbandspannung führte. Durch eine RCA-Reinigung wurde diese Verschiebung weiter erhöht. Die Konformität der Abscheidung auf vertikalen MOS-Strukturen wurde mittels TEM-Aufnahmen 82 % bestimmt. Die vertikalen MOSC wiesen eine erhöhte Grenzflächenzustandsdichte auf, was jedoch nicht auf eine veränderte Oberfläche durch den Trockenätzprozess zurückzuführen war.
In Bezug auf Forschungsfrage 2 wurden MOSC mit HfO2 auf Germanium hergestellt. Diese zeigten eine Streckung der C-V-Kurve und eine erhöhte Hysterese bei planaren und vertikalen MOSC im Vergleich zu Silizium. Die Permittivität lag mit 18 höher als auf Silizium, jedoch reduzierte sich die Durchbruchfeldstärke. Ein Einbau einer Al2O3-Zwischenschicht verringerte die Hysterese und erhöhte Durchbruchfeldstärke. Durch einen PMA-Schritt bei 300 °C verbesserte sich die C-V-Charakterisitik. Ein PMA-Schritt bei 400°C führte bei Proben ohne Al2O3-Zwischenschicht zur Degradation der MOSC. AFM-Messungen zeigten, dass eine Reinigung mit HF die Oberflächenrauigkeit nicht erhöhte, aber ein Trockenätzschritt eine inhomogene Erhöhung der Rauigkeit zeigte.

– Ansprechpartner:
Julian Schwarz (M. Sc.)
Michael Niebauer (M. Sc.)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Kurzzusammenfassung:
Diese Masterarbeit befasst sich mit der Analyse und Modellierung von mikrospektrometrischen Messungen an Dünnschichtsystemen mittels der Transfer-Matrix-Methode unter besonderer Berücksichtigung der Anwendung von Polarisationsoptiken. Ziel ist die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften anisotroper Materialien, insbesondere der Orientierung der Kristallachsen in der Ebene anisotroper Materialien am Beispiel von schwarzem Phosphor (BP). Zu den methodischen Grundlagen gehört ein Modell zur Schichtdickenbestimmung, das auf ein neuartiges Mikrospektroskopiesystem angewendet wurde. Ein wesentlicher Aspekt der Arbeit war die Charakterisierung dieses Messsystems einschließlich der Kalibrierung und der Bestimmung des objektivabhängigen Korrekturfaktors für verschiedene Objektive. Die Übertragbarkeit der bestehenden Modellansätze auf das neue Gerät wurde durch den Vergleich von modellierten und gemessenen Reflexionsspektren an Siliziumdioxid (SiO2) und hochorientiertem pyrolytischem Graphit (HOPG) unterschiedlicher Dicke bestätigt. Weiterhin wurde die Einbindung von polarisiertem Licht in die Modellierung erfolgreich demonstriert und damit gezeigt, dass die ursprünglich für unpolarisiertes Licht entwickelten Modellierungsansätze auch für linear polarisiertes Licht anwendbar sind. Zusätzlich wurden Reflexionsspektren von schwarzem Phosphor unter verschiedenen Polarisationswinkeln aufgenommen. Diese Messspektren zeigen deutliche Maxima und Minima, die Rückschlüsse auf die Orientierung der Kristallachsen zulassen. Durch Modellierung einer reduzierten Anzahl von Messungen konnten die Achsen genau bestimmt werden. Die Forschungsarbeit hat nicht nur die Anwendbarkeit der Modellierung mit polarisiertem Licht bestätigt, sondern auch neue Möglichkeiten für die materialwissenschaftliche Forschung aufgezeigt. Diese bestehen darin, dass durch den Einsatz von hochauflösenden Objektiven mit hoher numerischer Apertur präzisere Messungen an sehr kleinen Strukturen möglich sind, die die bisherigen Methoden übertreffen. Schließlich legt diese Arbeit den Grundstein für weitere Forschungen auf diesem vielversprechenden Gebiet.

– Betreuer:
Jan Dick (M. Sc.)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Kurzfassung:
In dieser Arbeit wird der Bor-Silizium-Übergang, der Dioden-Verhalten aufweist, auf Siliziumkarbid (SiC) übertragen. Ziel ist die Herstellung und Charakterisierung eines solchen Bor-4H-SiC-Übergangs sowie die Bestimmung, ob es sich dabei um einen pn-Übergang oder einen Schottky-Übergang handelt. Der Herstellungsprozess umfasste die Epitaxie eines moderat dotierten n-Gebiets auf einem stark dotierten n-Substrat, gefolgt von der Abscheidung und Strukturierung von Siliziumdioxid mittels Lithografie zur Erzeugung von Oxidfenstern. In diese Fenster wurden zunächst eine 3 nm dicke Bor-Schicht und anschließend Aluminium abgeschieden und ebenfalls mittels Lithografie strukturiert. Die Charakterisierung wurde mittels IV- und CV-Messungen durchgeführt. Die Ergebnisse, einschließlich der Austrittsarbeit von Bor mit 3,89 eV, sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Das Ausheizen der Probe bis zu 200°C führte zu keiner Veränderung der elektrischen Eigenschaften. Bei 600°C wurde jedoch festgestellt, dass Bor in das Siliziumkarbid eindiffundiert, was zu einem Schottky-pn-Übergang in der IV-Kennlinie führte. Diese Ergebnisse legen nahe, dass der hergestellte Übergang eine Schottky-Diode darstellt und demonstrieren die Stabilität bis zu moderaten Temperaturen. Der Schottky-Übergang bietet viele Vorteile, wie eine sehr gute Schaltdynamik und die hohe Bandlücke von Siliziumkarbid, was ihn für Logikschaltungen und Leistungsbauelemente attraktiv macht.

– Betreuer:

Jan Dick (M. Sc.)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Kurzfassung:
In dieser Bachelorarbeit war das Ziel die Herstellung und elektrische Charakterisierung von lateralen Tunneldioden in 4H-Siliziumcarbid. Dabei sollte die Anisotropie des Tunnelstroms analysiert werden. Dieser Strom ist sowohl als parasitärer Nebeneffekt bei sehr kleinen Strukturen relevant, als auch als Grundlage für weitere Technologien, die sich einen Tunneleffekt zunutze machen. Zuerst wurden in dieser Arbeit die theoretischen Grundlagen des Tunnelns an pn-Übergängen und von Tunneldioden (in 4H-Siliziumcarbid) eingeführt. Bei der Herstellung wurden zwei Wafer im Reinraum der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg prozessiert. Die notwendigen Arbeitsschritte und Herstellungsmethoden wurden hier dokumentiert und beschrieben. Im Anschluss wurden die gefertigten Bauelemente vermessen und speziell im Bezug auf den Einfluss der Orientierung der Tunneldioden im 4H-Siliziumcarbid-Kristall auf das quantenmechanische Tunneln der Elektronen in diesen Bauelementen analysiert. Zu diesem Zweck wurde insbesondere die Sperrrichtung der Diodenkennlinie betrachtet. Dabei konnte keine konsequente Anisotropie festgestellt werden.

– Betreuer:

PD Dr. rer. nat. Andreas Erdmann
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Kurzfassung:

This thesis investigates modeling techniques for Extreme Ultraviolet (EUV) lithography, particularly focusing on the development and application of a new photoresist, the Multi-Trigger Resist (MTR). Designed to meet the rigorous demands of next-generation lithography, MTR aims to address the challenges posed by the unique properties of EUV light, such as high energy and short wavelength, which exacerbate issues like line width roughness (LWR) and critical dimension (CD) variability.
Central to this study is the implementation of a stochastic model based on the RoadRunner framework, which significantly enhances computational efficiency. This model facilitates rapid prototyping and iterative testing of photoresist properties under varied conditions, thereby accelerating material innovation and process optimization. The thesis details the modeling approaches for simulating EUV interactions within the photoresist, assessing both the capabilities and limitations of the models in capturing the complexities of photoresist chemistry at extreme exposure conditions.
Despite the advancements, the model shows limitations in accurately predicting photoresist behavior at very low and high doses and high defocus offset, highlighting a gap in the current understanding of photoresist dynamics. Future work is suggested to improve dose and focus sensitivity, expand the model’s application to various lithographic features, and integrate more detailed chemical interaction data. The thesis underscores the need for further refinement of the simulation processes to enhance its predictive accuracy.
In conclusion, this thesis contributes to the field of lithography by offering a tool for exploring the behaviors of the Multi-Trigger Resist under EUV exposure. This work aims to advance current lithographic technologies and optimize semiconductor device manufacturing.

– Betreuer:

Körfer, Julien (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-267 , E-Mail: julien.koerfer@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Kurzfassung:
Die Einsatztemperatur von Bauelementen basierend auf Siliziumkarbid ist durch die Temperaturstabilität der Metallisierung beschränkt. Beim Betrieb bei hohen Temperaturen können Materialien aus den Metallisierungsschichten und Sauerstoff in die Kontakte diffundieren, was zur Degradation bis zum Ausfall der Bauelemente führt. Um diese Bauelemente dennoch bei hohen Temperaturen betreiben zu können, sind Diffusionsbarrieren, wie zum Beispiel aus Titan- oder Tantalnitrid, notwendig. In der vorliegenden Arbeit wurde eine systematische Untersuchung der Ionenstrahlassistierten Abscheidung von dünnen TiN und TaN-Schichten durchgeführt. Ein Hauptaugenmerk lag dabei auf der Kontrolle des spezifischen Widerstands über einen weiten Bereich durch Variation der Aufdampfparameter.

Bei den Titannitridschichten wurde bei einer Abscheiderate von 1 Å/s und einem N2/ArVerhältnis von 0,67 der geringste mittlere spezifische Widerstand einer Schicht mit 98,9 µOhm·cm erreicht. Nachträgliches Ausheizen von Schichten führte zu einer Verringerung des spezifischen Widerstands und ausgeprägteren Minima in den Reflexionsspektren, was auf eine geringere Defektdichte schließen lässt. Eine Beheizung des Substrats während der Schichtabscheidung hatte dagegen einen höheren spezifischen Widerstand zufolge. Bei Ausheizversuch in Luftatmosphäre an Ag-TiN-Ag-Schichtstapeln zeigte die Schicht mit dem geringsten Stickstoffanteil die beste Stabilität.
Die Abscheidung von Tantalnitridschichten war aufgrund dem sonst instabilen Betrieb der Ionenquelle nur bei hohen N2/Ar-Verhältnissen möglich. Bei N2/Ar-Verhältnissen von 2,35 wurde ein spezifischer Widerstand von 479,8 µOhm·cm gemessen. Ein höheres N2-Verhältnis führte zu einem Widerstand von über 1000 µOhm·cm, was eine Verwendung als leitfähige Diffusionsbarriere ausschließt.

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Betreuer:

Scharin-Mehlmann, Scharin (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-254 , E-Mail: marina.scharin-mehlmann@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Kurzfassung:
Siliziumkarbid, insbesondere 4H-SiC, ist ein Material, das derzeit als Material für Quantenanwendungen erforscht wird. Dabei geht es vor allem um Farbzentren, die als Quantensensoren und Qubits in Quantencomputern eingesetzt werden können. Es handelt sich dabei um eine optisch aktive Fehlstelle im Kristallgitter von 4H-SiC, deren Spinzustand eingestellt und optisch ausgelesen werden kann. Für bestimmte Quantensensoren wie in der Magnetrometrie muss das Farbzentrum nahe an die Oberfläche gebracht werden. Die Oberfläche ist durch ungesättigte Bindungen defektbehaftet, diese erzeugen Energieniveaus in der Bandlücke und verkleinern diese. Die Kohärenzzeit der Spinzustände verringert sich durch die Defekte auf der Oberfläche und diese Defektenergieniveaus in der Bandlücke können zum Verlust der Photolumineszenzeigenschaften der Farbzentren führen. Aus diesem Grund wird eine Passivierungsschicht auf die Oberfläche aufgebracht, die ungesättigte Bindungen absättigt und dadurch die Bandlücke an der Oberfläche vergrößert. Die Oberflächenpassivierung von Farbzentren wurde in anderen Materialien wie Diamant bereits intensiv untersucht, für Siliziumkarbid fehlen derzeit noch Untersuchungen. Insbesondere die chemische Langzeitstabilität dieser Passivierungen nach längerer Lagerung an der Luft ist häufig nicht überprüft worden. Aus diesem Grund ist es das Ziel dieser Bachelorarbeit, verschiedene Passivierungen auf 4H-SiC hinsichtlich ihrer Stabilität und Oberflächeneigenschaften zu charakterisieren.

Für die Passivierung werden vier Niedertemperaturverfahren getestet, die nach der Implantation von Farbzentren auf 4H-SiC abgeschieden werden sollen. Dabei handelt es sich um eine Fluorterminierung mittels CF4-Plasma, Siliziumnitrid und Siliziumoxid, die mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD, engl.: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) abgeschieden werden, sowie Hafniumoxid und Aluminiumoxid, die per Atomlagenabscheidung (ALD, engl.: Atomic Layer Deposition) abgeschieden werden. Anschließend wurden die Passivierungen einen Monat lang anhand von Kontaktwinkelmessungen und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS engl.: X-ray photoelectron spectroscopy) auf Veränderungen der chemischen Struktur an der Oberfläche während der Lagerung an Luft untersucht. Die Oberflächenrauheit der Passivierungen wurde durch Rasterkraftmikroskopie (AFM engl.: Atomic force micocropy) bestimmt und die von der Passivierungsschicht emittierte Photolumineszenzstrahlung mit Lasern zweier unterschiedlicher Wellenlängen gemessen.

Basierend auf den Charakterisierungsmethoden werden die gemessenen Eigenschaften der Passivierungen verglichen, um die Passivierungsmethode mit der geringsten Rauheit, der homogensten Struktur, der höchsten Langzeitstabilität und dem geringsten detektierten Photolumineszenzsignal zu identifizieren. Auf dieser Grundlage wird eine Auswahl von Passivierungen getroffen, die in nachfolgenden Experimenten mit implantierten Farbzentren getestet werden.

– Betreuer:

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

– Kurzzusammenfassung:
Kurzfassung

Für die Entwicklung von Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren, welche eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Integrierten Schaltungen oder Sensoren einnehmen, ist die Charakterisierung der elektrischen Parameter von großer Bedeutung. Dies begründet sich damit, dass die Funktionsweise der Halbleiterbauelemente unter anderemsignifikant von den Schichtwiderständen der dotierten Gebiete, der Gate-Metallisierung, der eigentlichen Metallisierung sowie den (spezifischen) Kontaktwiderständen beeinflusst wird. Vor allem bei Hochtemperatur-Anwendungen stellt Siliziumcarbid wegen dessen vorteilhafter Eigenschaften, wie etwa der großen Bandlücke, ein vielversprechendes Materialdar. Darum werden in dieser Arbeit der Schicht- und (spezifische) Kontaktwiderstand vonverschiedenen Siliciumcarbid-Teststrukturen über einen Temperaturbereich von 25 °C bis 500 °C ermittelt, dargestellt und diskutiert. Hierbei werden Chips mit Aluminium- oder Platin-Metallisierung verglichen.

Für den Schichtwiderstand weisen die Strukturen des Siliziumcarbids mit lokaler p-Dotierung höhere Werte auf als Strukturen, bei denen eine lokale n-Dotierung vorliegt. Zudem ist eine Erhöhung des Schichtwiderstands mit Abnahme der Dotierungskonzentration zu verzeichnen. Die Schichtwiderstände der p-dotierten Gebiete weisen eine stärkere Temperaturabhängigkeit auf als die n-dotierten, was in Relation mit der Vollständigkeit der Ionisation der Dotierstoffatome steht. Bei dem ermittelten Kontaktwiderstand lassen sich vergleichbare Tendenzen bei Temperaturerhöhung beobachten wie beim Schichtwiderstand.

Darüber hinaus ist anhand der im Zuge dieser Arbeit erfassten Werte ein Zusammenhang zwischen dem Kontaktwiderstand und der verwendeten Metallisierung erkennbar. Diese metallisierungsbedingten Unterschiede nehmen mit zunehmender Temperatur und damit auch geringer werdenden Kontaktwiderstandswerten ab. Eine ähnliche Tendenz
bei Temperaturerhöhung zeigt sich auch bei den beobachteten Differenzen der Werte, die durch die Wahl der verwendeten Teststruktur auftreten. Zudem weist der in dieser Arbeit ermittelte spezifische Kontaktwiderstand eine Abhängigkeit von der Größe der verwendeten Kontaktfläche auf.

Unstimmigkeiten mit aus der Literatur bekannten Werten finden sich bei dem gemessenen Schichtwiderstand und dessen Temperaturkoeffizienten der Metallisierungen. Der in dieser Arbeit ermittelte Schichtwiderstand der Aluminium-Metallisierung beträgt etwa 94 mOhm/Quadrat und 663 mOhm/Quadrat für die Platin-Metallisierung.

– Betreuer:

Jan Dick (M. Sc.)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Kurzzusammenfassung:

In dieser Masterarbeit wird ein Tunnel-Feldeffekttransistor (TFET) in dem Halbleitermaterial 4H-Siliziumkarbid (SiC) untersucht. Ziel ist die Ermittlung von Simulationsparametern für das nicht-lokale Tunnelmodell. TFETs sind ein neuartiger Transistortyp,welcher physikalische Grenzen aktueller Transistortechnologie hinsichtlich des Energiebedarfs und des Unterschwellenhubs überwinden kann.

Ein TFET beruht auf dem quantenmechanischen Prozess des Band-zu-Band-Tunneln (BTBT) und hat eine Struktur ähnlich einer Pin-Diode mit Gateanschluss am intrinsischen Gebiet. Im Ein-Zustand eines n-Kanal TFETs tunneln Elektronen vom Gamma-Punkt des Valenzbands im Source-Gebiet in das M-Tal des Leitungsbands im Kanal. SiC ist ein indirekter Halbleiter mit einem großen Bandabstand zum direktem Leitungsbandtal,weshalb das phononen-unterstützte Tunneln den dominierenden Tunneleffekt darstellt.

Das grundlegende Simulationsmodell ist das nicht-lokale BTBT-Modell mit einer ortsabhängigen Erzeugung der Elektronen-Lochpaare. Die Geometrie des Bauelements wird optimiert, um die Simulationszeit zu verkürzen. Das gewählte Mesh, also die Diskretisierung der Simulation, hat einen erheblichen Einfluss auf den maximalen Tunnelstrom und die Einsatzspannung. Dies hat nichts mit der physikalischen Realität zu tun, sondern ist lediglich ein Problem der Simulation. Transferkennlinien mit den Standardparametern zeigen unphysikalische Nulldurchgänge, da Bauteilsimulationen jedoch materialspezifische Parameter benötigen, werden diese durch atomistische Simulation und einer Parameterstudie ermittelt. Dafür wird die Elektronenbandstruktur, die Phononen-Bandstruktur und das Deformationspotential näher betrachtet. Bei Verwendung der ermittelten Werte schaltet der TFET nicht ein. Die Parameterstudie zeigt, dass nicht physikalisch sinnvolle Parameter zum Einschalten führen. Die Messung von Transferkennlinien einer Diode, eines Logik-TFETs und Leistungs-TFETs bestätigen die zuvor getroffenen Aussagen, dass ein TFET in SiC als Logikbauelement bei Raumtemperatur nicht einschaltet. Die Diode zeigt eine typische Kennlinie, jedoch mit einem flachen Anstieg. Der Logik-TFET schaltet auch bei einer Drainspannung von 15 V zusammen mit 40 V am Gate nicht ein.

Der Leistungs-TFET hebt sich mit einer großen Gateweite vom Logik-TFET ab und zeigt ab 6 V Gatespannung bei einer Drainspannung von 10 V einen Tunnelstrom von maximal 1·10^-10 A µm^-1. Ebenfalls konnte ein exponentieller Anstieg der Tunnelstromes bei Temperaturerhöhung nachgewiesen werden. Das weitere Vorgehen wäre eine Kalibrierung und Rückführung der Messdaten in die Simulation, um zukünftige Bauelemente besser simulativ abbilden zu können.

– Betreuer:

Kist, Tobias (extern)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Kurzzusammenfassung:

Der in der Automobilindustrie aufkommende Trend der Erhöhung der Bordnetzspannung von 400 V auf 800 V fordert eine von Grund auf neue Entwicklung der Topologien der Antriebsstränge batterieelektischer Fahrzeuge (Engl.: Battery electric vehicle, BEV). In Halbbrücken kommen anstatt der üblich verwendeten Silizium (Engl.: Silicon, Si) Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Engl.: insulated-gate bipolar transistors, IGTBs) der Spannungsklasse bis 750 V dadurch überwiegend Siliziumkarbid (Engl.: Silicon carbide, SiC) Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (Engl.: metall-oxide-semiconductor fieldeffect transistor, MOSFETs) der Spannungsklassen bis 1200 V zum Einsatz. Um die neue Technologie richtig zu implementieren müssen sowohl die Schalt- als auch Leitverluste gemessen und ausgewertet werden. Im Zuge dessen wird ein neu entwickelter Messplatz, mit welchem die Schaltverluste einer Halbbrücke bei einer fixen Temperatur automatisiert gemessen werden können, vorgestellt. Es wird jeweils ein Modul beider Technologien zum Vergleich der gemessenen Schaltverluste ausgewählt. Des Weiteren wird das Ausgangskennlinienfeld beider Module mithilfe eines Curvetracers bestimmt, woraus die Leitwiderstände berechnet werden können. Zum Abschluss der Arbeit werden die Leitverluste der beiden gewählten Module verglichen.

– Betreuer:

PD Dr. rer. nat. Andreas Erdmann
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Abstract:
The thesis endeavors to investigate the application of an existing implementation of rigorous coupled wave algorithm (RCWA) for the simulation of photonic waveguides and waveguide-based photonic components. To investigate and demonstrate novel applications of the RCWA, typical setups consisting of photonic waveguides and directional and grating couplers are implemented. Comprehensive simulation studies and comparison to literature data and the theory are used to identify critical simulation parameters, to devise appropriate simulation strategies, and to develop procedures and recipes for the application of the RCWA simulation practical photonic problems. This study provides insights into the capabilities and limitations of the RCWA module for designing waveguide structures.

– Betreuer

Jannik Schwarberg (M. Sc.)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze
PD Dr. Miroslaw Batentschuk, Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Materialien der Elektronik und der Energietechnologie)

– Kurzzusammenfassung:
Bauelemente auf Basis von 4H-SiC haben nicht nur eine bedeutende Rolle in der
Leistungselektronik gespielt, sondern zeigen auch bemerkenswertes Potenzial in der
Quantentechnologie. Gegenwärtig demonstrieren diese Bauelemente erstaunliche Fähigkeiten
im Bereich der Quantentechnologie. Silizium-Leerstellen, die innerhalb von 4H-SiC liegen,
können beispielsweise effizient als wirksame Quantenpunkte dienen. Es darf jedoch nicht
außer Acht gelassen werden, dass andere Arten von Defekten in 4H-SiC ebenfalls Einfluss auf
Silizium-Leerstellen haben. Beispielsweise können feste Ladungen in der Nähe der Silizium-
Leerstellen zu einer Verbreiterung des Anregungsspektrums führen. Zusätzlich kann aufgrund
beweglicher Ladungen die Emissionswellenlänge im Laufe der Zeit schwanken, wodurch die
weitere Entwicklung von Quantenanwendungen eingeschränkt wird.

In dieser Masterarbeit wird eine eingehende Erkundung der Defektlage in auf 4H-SiC
basierenden Bauelementen mittels der leistungsstarken Technik der Deep-level Transient
Spectroscopy (DLTS) durchgeführt. Durch die Charakterisierung der Defekte unter
verschiedenen Verarbeitungsbedingungen können ihr Verhalten und ihre Auswirkungen auf
die Geräteleistung aufgedeckt werden. Epitaktische 4H-SiC-Schichten werden verwendet, um
eine Reihe von Bauelementen herzustellen, einschließlich MOS-Kondensatoren, die unter
Verwendung verschiedener Oxidationsverfahren wie Plasma-gestützter chemischer
Gasphasenabscheidung (PECVD), Niederdruckchemischer Gasphasenabscheidung (LPCVD)
und verschiedenen thermischen Oxidationsmethoden hergestellt werden. Darüber hinaus
werden Schottky-Kondensatoren auf Basis von trockener thermischer Oxidation von MOS-
Kondensatoren hergestellt, um die Defektlage umfassend zu untersuchen. Vor Durchführung
der DLTS-Experimente wurden bestimmte elektrische Verbindungsprobleme hinsichtlich des
Serienwiderstands des Chuck und des natürlichen Oxids des Polysiliziums ebenfalls behoben.
Dies wurde hauptsächlich durch die Sicherstellung der Nähe der beiden Stellen von
Silberkleber und den Einsatz von Focused Ion Beam (FIB) mit Platin-Deposition erreicht.
Dieser erfolgreiche Ansatz führte zur Ausrichtung der aus DLTS erhaltenen C-V-Kurven mit
denen aus Standard-C-V-Experimenten. Bei DLTS-Messungen wurden neue Defektniveaus
ON1 und ON2 durch thermische Oxidation eingeführt, zusammen mit der Beobachtung von
Silizium-Leerstellen. Ähnliche neue Defekte wurden in LPCVD MOS-Kondensatoren
beobachtet, die denjenigen ähneln, die während der thermischen Oxidation eingeführt wurden.
Es handelt sich jedoch höchstwahrscheinlich nicht um dieselben Defekte, da im LPCVD-
Prozess kein überschüssiger Kohlenstoff vorhanden ist. Daher können sie vermutlich einige
intrinsische Defekte sein oder durch Rückstände aus dem LPCVD-Prozess verursacht werden.
Zusätzlich wurden in den Schottky-Dioden-Kondensatoren verschiedene Defekte identifiziert,
einschließlich Silizium-Leerstellen. Darüber hinaus wird auch Hochdosis- und Niedrigdosis-
Elektronenbestrahlung eingesetzt. Nach der Elektronenbestrahlung kann eine Zunahme der
Konzentration von Defekten im Zusammenhang mit Kohlenstoffleerstellen in den Schottky-
Dioden-Kondensatoren beobachtet werden. Dieses Phänomen wurde jedoch nicht bei den
MOS-Kondensatoren beobachtet.

– Betreuer:

Leib, Jürgen (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-615 , E-Mail: juergen.leib@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Kurzzusammenfassung:
In dieser Arbeit soll eine zyklische Änderung der Gatespannung an SiC MOSFET zur Erhöhung der Erwärmung im Power Cycling Test untersucht werden. Im Power Cycling Test wird ein Leistungshalbleiterbauelement zyklisch mit einem Laststrom beaufschlagt und somit zyklisch erwärmt und wieder abgekühlt. Dieser aktive Lastwechseltest stellt eine stark beschleunigte thermomechanische Stresssituation dar, welche zur Erstellung und Validierung von Lebensdauermodellen und zur Qualifizierung von Leistungshalbleiterbauelementen dienen kann. Durch immer weiter sinkende RDS(on) von modernen SiC MOSFET benötigt die Verlustleistungserzeugung zum Erreichen der nötigen Erwärmung immer mehr Strom. Aufgrund der Aufbautechnik ist eine starke Erhöhung des Stromes allerding nicht möglich. Für MOSFET besteht allerdings die zusätzliche Möglichkeit die Verlustleistung durch Absenken der Gatespannung noch zu erhöhen. Jedoch kann sich der Strom aufgrund von thermischen Mitkoppeleffekten auf einen Punkt zentrieren und ein Ausfall durch einen Hotspot entstehen. Um solche inhomogenen Temperaturverteilungen auf dem MOSFET zu vermeiden, wird in dieser Arbeit die zyklische Änderung von niedriger zu hoher Gatespannung untersucht. Die Methode wird dabei im Weiteren Gatespannungsmodulation genannt. Dazu wird die Verlustleistung im thermisch stationären Zustand, sowohl in der Simulation als auch im Experiment, auf ihre Abhängigkeit von der Kurvenform und deren Parametern analysiert. Außerdem wird die Temperaturverteilung bei der Gatespannungsmodulation und bei statischer Gatespannung sowie gleicher Verlustleistung und gleichem Strom verglichen. Die Untersuchungen werden an einen 1200 V SiC MOSFET des Herstellers Microsemi durchgeführt. Für diesen MOSFET wird mit dem Herstellermodell eine SPICE-Modell erstellt, welches aufgrund der Abweichungen im verwendeten MOSFET-Modell und den Annahmen der thermischen Anbindung zwar die grundsätzlichen Verläufe gut abbildet, aber absolut keine Übereinstimmung erzielt. Mit diesem Modell wird die Gatespannungsmodulation durch eine Parametervariation charakterisiert, wobei nachgewiesen wird, dass die mittlere Verlustleistung bei gleichbleibender maximaler Gatespannung überproportional über der minimalen Gatespannung abfällt. Dabei ist die Verlustleistung größer als die Verlustleistung bei voller Gatespannung. In Bezug auf die Temperaturverteilung zeigt sich, dass bei allen variierten Parametern für die gleiche Verlustleistung keine signifikante Homogenisierung gegenüber dem Fall bei statischer Gatespannung erreicht werden kann. Allerdings führen insbesondere niedrige Frequenzen zu einer weniger homogenen Temperaturverteilung. Auf Basis der Ergebnisse dieser Simulation erfolgen anschließend Messungen in einem realen Testaufbau. Für die Messung wird der MOSFET mit dem der Simulation verwenden Strom durch eine spannungsbegrenzte Stromquelle belastet. Die Modulation der Gatespannung übernimmt dabei ein Funktionsgenerator mit nachgeschaltetem Verstärker. Die Ergebnisse gleichen denen der Simulation. Für die Verlustleistung kann ausgesagt werden, dass diese auch hier größer ist als bei voller Gatespannung erreichbar wäre. Auch hier ist ein überproportionaler Abfall der mittleren Verlustleistung über der minimalen Gatespannung nachweisbar. Der Verlauf bei niedrigen Gatespannungen ist jedoch durch den nicht konstanten Strom im Experiment flacher als in der Simulation. Auch hier kann keine signifikante Homogenisierung der Temperaturverteilung durch die Gatespannungsmodulation festgestellt werden. Im Experiment ist allerdings bereits erkennbar, dass das Aufschalten eines vorgeladenen Kondensators eine andere vielversprechende Variante der Verlustleistungserzeugung sein könnte.

– Betreuer:

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

– Kurzzusammenfassung:
Mit Hilfe der Mikrospektroskopie kann die Schichtdicke in komplexen Schichtstapeln über einen weiten Bereich von einzelnen Atomlagen bis zu einigen Mikrometern einfach und berührungslos gemessen werden. Die Messergebnisse werden mit komplexen Modellrechnungen verglichen. Die bestehende modulare Charakterisierung von dünnen Schichten und Schichtsystemen auf der Basis von Reflexionsmessungen und der Transfer-Matrix-Methode wird in dieser Arbeit an einem alternativen mikrospektroskopischen Aufbau hinsichtlich ihrer allgemeinen Anwendbarkeit untersucht. Zunächst erfolgt die Parametrisierung vorhandener Korrekturfunktionen. Anschließend wird der Einsatz einer Messspotblende zur Reduzierung der Messspotgröße sowie der Defokussierung untersucht. Insbesondere wird der Einfluss der numerischen Apertur und der Vergrößerung der verwendeten Objektive untersucht. Eine Methode zur Verbesserung der Messspotauflösung bei Proben wie SiO₂-Kanten und Graphitflocken wird diskutiert und auf ihre Anwendbarkeit hin untersucht. Die wesentlichen Ziele dieser Arbeit sind die experimentelle Bestätigung der systemübergreifenden modularen Anwendbarkeit der Methodik zur Charakterisierung von Dünnschichtsystemen und die Entwicklung einer Methode zur Verbesserung der Messauflösung von Mikrospektroskopiesystemen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Durchführung der Modellierung an Proben mit einem Materialanteil von bis zu 50% im Messspot gelingt, dass aber bei einem geringeren Materialanteil die Summe der Fehlerquadrate ansteigt und die Charakterisierung nicht mehr aussagekräftig ist. Darüber hinaus wird die Analyse von Histogrammen als mögliche Methode zur Verbesserung der Messauflösung vorgestellt. Obwohl diese Methode vielversprechend ist, ist eine weitere Optimierung zur Verbesserung der Genauigkeit erforderlich.

– Betreuer:

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

– Kurzzusammenfasssung:
Die Einsatzspannung ist entscheidend für die elektrische Charakterisierung von Metall-Oxid-
Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren. Auf Basis der Siliciumtechnologie sind zahlreiche
Methoden und Ansätze entstanden, die Einsatzspannung anhand charakteristischer
Kennlinien des Bauelements zu ermitteln. Mit immer größer werdender Relevanz von
Siliciumcarbid als Halbleiter stellt sich die Frage einer Eignung dieser Methoden bei
SiC-MOSFETs. In dieser Arbeit werden fünf auf der Transferkennlinie des Bauelements
beruhende Methoden zur Bestimmung der Einsatzspannung auf Siliciumcarbid p- und n-MOS-
Transistoren angewendet und die bestehende Temperaturabhängigkeit der Einsatzspannung
untersucht. Das primäre Ziel ist die Ermittlung der Methoden, die bei den vorliegenden Proben
über den betrachteten Temperaturbereich die konsistentesten Ergebnisse liefern. Dabei steht
die Robustheit der Methoden im Vordergrund, die anhand von auftretenden Regel-
mäßigkeiten, aber auch Unstimmigkeiten bewertet werden soll. Für diese Untersuchung
werden ausschließlich Bauelemente herangezogen, die vorher nicht kontaktiert wurden.
Dadurch soll ausgeschlossen werden, dass die Bauelemente elektrischen Stress erfahren
haben, was mit veränderten elektrischen Eigenschaften und damit potenziell fehlerhaften
Schlussfolgerungen hinsichtlich einer Eignung der eigentlichen Methoden einhergehen kann.

Bei den betrachteten Bauelementen handelt es sich um p- und n-MOS-Transistoren auf 4H-SiC
aus der hochtemperaturfähigen IISB-CMOS-Technologie. Die Transferkennlinien dieser
MOSFETs wurden mit einem „Hewlett Packard Precision Semiconductor Parameter Analyzer“
bei Raumtemperatur, 50 °C, 150 °C und 200 °C innerhalb eines Aufheizvorgangs auf-
gezeichnet. Anschließend erfolgte eine Auswertung der Einsatzspannung durch die
entsprechend in Excel implementierten Methoden.

Bei den p-MOS-Transistoren ergeben sich deutlich höhere Einsatzspannungen als bei den n-
MOS-Transistoren. Darüber hinaus zeigt sich bei den n-MOS-Transistoren eine wesentlich
ausgeprägtere Temperaturabhängigkeit der Einsatzspannung. Die Extrapolationsmethode im
linearen Bereich stellt sich bei beiden Transistortypen als äußerst robuste Methode dar, wobei
eine Ermittlung überschätzter Einsatzspannungen naheliegt. Bei den p-MOS-Transistoren
liefern die Transkonduktanz-Extrapolationsmethode im linearen Bereich sowie die
Extrapolationsmethode im Sättigungsbereich die konsistentesten Ergebnisse. Diese beiden
Methoden weisen bei den n-MOS-Transistoren allerdings eine Unstimmigkeit in der
Auswertung auf. Als ungeeignet für eine präzise Bestimmung der Einsatzspannung erweist sich
die Methode der zweiten Ableitung. Die Verhältnismethode liefert Einsatzspannungen, die
den Resultaten der übrigen Methoden signifikant widersprechen und nicht plausibel sind.

Darüber hinaus erfolgte eine Untersuchung potenziell elektrisch gestresster MOSFETs
hinsichtlich der Einsatzspannung. Dabei lässt sich ein signifikant anderes Verhalten als bei den
ungestressten Bauelementen beobachten.

– Betreuer:

Jannik Schwarberg (M. Sc.)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

-Kurzzusammenfassung
Die vorliegende Masterarbeit untersuchte die Herstellung und Charakterisierung MOS-Kondensatoren auf 4H-SiC Substraten. Dabei wurden folgende zwei Forschungsfragen bearbeitet:

1. Untersuchung der elektrischen und physikalischen Eigenschaften von SiO2-Schichten auf 4H SiC c-Plane Wafern anhand von MOS-Kondensatoren, um Referenzwerte für spätere Untersuchungen auf a-Plane Wafern zu erhalten
2. Untersuchung des Wachstums von SiO2 auf 4H SiC c- und a-Plane Wafern während der trockenen thermischen Oxidation anhand aktueller Modelle zur Oxidationskinetik

Im Rahmen von Forschungsfrage 1 wurden MOS-Kondensatoren auf 4H-SiC c-Plane Substraten hergestellt. Dafür wurden folgende Oxidabscheide- bzw. Aufwachsverfahren verwendet: PECVD, LPCVD, trocken thermisch (mit und ohne NO-POA) sowie feucht thermisch (mit re-oxidation). Als Metallisierung wurde polykristallines Silizium verwendet. Während der Herstellung wurden u. a. Schichtdicken, Flächenwiderstände, Belichtung sowie Ätzraten beim Trockenätzen untersucht. An den hergestellten MOS-Kondensatoren wurden quasistatische und hochfrequente C-V-Messungen durchgeführt. Die Grenzflächenzustandsdichte wurde mittels dreier Methoden bestimmt: hochfrequente Kapazitätsmessung nach Terman, nieder- und hochfrequente Kapazitätsmessung nach Castagné und Vapaille sowie Leitwertmessung nach Hill und Coleman. Für das PECVD-, LPCVD- und das feuchte Oxid zeigten die hochfrequenten Kurven eine starke positive Verschiebung der Flachbandspannung, was auf eine hohe Konzentration ortsfester Oxidladungen hinweist. Zudem war eine leichte Hysterese sowie ein ausgeprägter Buckel im Bereich der Verarmung zu erkennen. Die Grenzflächenzustandsdichte für das LPCVD- und das feuchte Oxid war zwischen 0,1 und 0,2 eV vor der Leitungsbandkante stark erhöht. Dies deutet zusammen mit dem Buckel der C-V-Kurven auf den Einfluss von Near-interface Traps hin. Für das trockene Oxid ohne NO-POA zeigte die quasistatische Kurve eine kleine Spitze im Bereich der Verarmung, was zusammen mit der Erhöhung der Grenzflächenzustandsdichte bei 0,1 eV auf langsame Near-interface Traps hindeutet. Die C-V-Kurven des trockenen Oxids mit NO-POA waren nahezu ideal. Neben einer deutlichen Reduzierung der Grenzflächenzustandsdichte wurde eine energetische Verschiebung der Zustände zum Leitungsband hin festgestellt. Somit konnte für trockene Oxide gezeigt werden, dass NO-POA die Grenzflächenzustandsdichte effektiv reduzieren kann.

Für Forschungsfrage 2 wurden c-Plane Substrate (Si-Face, C-Face) und a-Plane Substrate (a-Face) bei 1300 °C unterschiedlich lange oxidiert. Für C-Face resultierte eine um den Faktor 2,5 bis 3 erhöhte Oxiddicke im Vergleich zu Si-Face, wobei der Unterschied mit zunehmender Oxidationszeit schwindet. Die Oxiddicken und Oxidationsraten für a-Face sind vergleichbar mit C-Face. Für Si-Face ohne epitaktische Schicht ergab sich über die gesamte Oxiddicke hinweg eine leicht erhöhte Oxidationsrate im Vergleich zu Si-Face mit epitaktischer Schicht. Das Fitting der Oxidationsrate nach dem Deal-Grove-Modell ergab für alle Oberflächen deutliche Abweichungen. Mit Hilfe von Massouds empirischer Gleichung konnte die Oxidationsrate nahezu über die gesamte Oxiddicke hinweg zuverlässig modelliert werden. Diese Anwendung von Massouds empirischer Gleichung auf die Oxidation von 4H-SiC a-Plane existiert nach Kenntnis des Autors bislang in der Literatur nicht.

– Betreuer:

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

– Kurzzusammenfassung:

In dieser Arbeit wird das Ätzverhalten von Opferschichten hinsichtlich ihrer Anwendung zum Herstellen Mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) untersucht. Das Ziel besteht darin, Metallleiterbahnen partiell vom darunterliegenden Substrat freizustellen. Dazu werden einige verschiedene Materialien ausprobiert.

Zunächst werden die Ätzraten von Silizium- und Aluminiumoxid mit verschiedenen Ätzlösungen bestimmt. Für Polyimid (PI) wird trockenchemisches Plasmaätzen genutzt und Benzocyclobuten (BCB) Schichten werden mit dem Lösemittel Mesitylen entfernt. Aufgrund der geringen Ätzrate von Aluminiumoxid wird in weiteren Versuchen zusätzlich reines Aluminium genutzt.

Um die seitliche Ätzrate zu bestimmen, wird auf die Opferschichten eine Hartmaske aus Metall abgeschieden. Bei den meisten Materialien wird Aluminium als maskierende Schicht eingesetzt. Für die Aluminium und Aluminiumoxid Opferschichten wird jedoch Titan als Hartmaske genutzt. Besonders die Aluminiumopferschicht bietet eine schnelle Unterätzung ohne sichtbaren Angriff der verwendeten Metallmaske, wobei auch das PI und das BCB vielversprechende Ergebnisse zeigen.

Zum Schluss werden BCB- und Aluminium-Opferschichten genutzt, um erfolgreich sowohl Aluminium- als auch Titanleiterbahnen freizustellen. Zur Verbesserung der Ausbeute und der mechanischen und elektrischen Eigenschaften, der Metallleiterbahnen werden mögliche Prozessoptimierungen vorgeschlagen.

– Betreuer:

Böttcher, Norman (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-605 , E-Mail: norman.boettcher@iisb.fraunhofer.de)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Kurzzusammenfassung:

Um das Leistungsverhalten von Hochleistungsbauelementen zu verstehen und zu verbessern muss die zugrunde liegende Physik untersucht werden. Ein wichtiger Beitrag zu der Leistung von Bauelementen ist die Löcherdichte in Aluminium-implantiertem Siliziumkarbid, das ein Hauptkandidat für Hochleistungsanwendungen ist. Bisherige Arbeiten zu diesem Thema haben die Ionisation und Kompensation von Aluminiumdopanden in Siliziumkarbid bestimmt. Ein zweites Akzeptorlevel wurde vorgeschlagen, um Defekte, die während der Ionenimplantation ins Material eingebracht werden, zu berücksichtigen. In dieser Arbeit wird die Ladungsträgerdichte von Aluminium-implantiertem Siliziumkarbid gemessen und die Konzentration und Ionisierungsenergien von zwei Akzeptordefekten bestimmt. Die präparierten Proben wurde mit einer 4H-Siliziumkarbid JFET Technologie hergestellt und mit einer Konzentration von 7.5 × 10¹⁶ cm⁻³ an Aluminium implantiert und bei 1700 °C für 30 min ausgeheilt. Die Proben wurde in Bezug auf ihren Flächenwiderstand, Hallmobilität und Ladungsträgerdichte im Temperaturbereich zwischen 220K und 550K charakterisiert.

Eine Spanne von Werten zwischen 107 cm² V⁻¹ s⁻¹ bei 220K und 15 cm² V⁻¹ s⁻¹ bei 550K wurde für die Hallmobilität ermittelt, die mit den in der Literatur gefundenen Werten übereinstimmen. Der Flächenwiderstand der Teststrukturen wird mit Leistungscharakteristika von Bauelementen, die mit identischen Implantationprofilen hergestellt wurden, verglichen. Die beiden Werte korrelieren gut miteinander. Die in der Literatur angegebene Bestimmung der Kompensationsquote wurde reproduziert, enthält aber einen Fehler. Für den limitierten Temperaturbereich, der in dieser Arbeit zur Verfügung steht, wurden unmögliche Ergebnisse für die Dopanden- und Kompensationsdichte durch die Methode bestimmt. Es wurde gezeigt, dass eine unabhängige Bestimmung der Dotierstoff- und Kompensationsdichte mit den zur Verfügung stehenden Daten unmöglich ist. Aufgrund der Limitationen des Fitmodells wird eine neue Form der Neutralitätsgleichung ohne eine variable Kompensationskonzentration vorgeschlagen, um die Versuchsdaten des Aluminium-implantierten Siliziumkarbids besser zu fitten. Nichtsdestotrotz wird ein fester Wert der Kompensation verwendet, der den Einfluss von kompensierenden Dopanden und Defekten berücksichtigt. Mangels einer alternativen Methode zur Bestimmung der Konzentration der Kompensationsdefekte wurde einWert von 0 cm⁻³ angenommen. Kompensierende Dopanden durch die Stickstoffdotierung der epitaktischen Schicht wurden mit einer Gesamtkonzentration von 7.5 × 10¹⁵ cm⁻³ berücksichtigt. Mit der neuen Form der Neutralitätsgleichung wurden die Ionisierungsenergien von zwei akzeptorähnlichen Störstellen auf Werte zwischen 201 meV und 256 meV, sowie 403 meV und 444 meV bestimmt, was mit den in der Literatur gefundenen Werten übereinstimmt. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstützen die Annahme eines zweiten Akzeptorlevels, um Aluminium-implantiertes Siliziumkarbid korrekt abzubilden. Es wird der Bedarf einer großen Temperaturspanne bei der Messung der Ladungsträgerkonzentration zur Bestimmung der Kompensationsdefektedichte gezeigt.

– Betreuer:

Jan Dick (M. Sc.)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Kurzzusammenfassung:

Ziel dieser Arbeit ist die simulative Optimierung von RESURF-LDMOS-Transistoren für deren Integration in eine monolithisch integrierte Halbbrücke. Das entstehende System-on-a-Chip soll hierbei auf Basis von Siliziumkarbid hergestellt werden.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit war es daher, die Leistungshalbleiter durch das RESURF-Prinzip für hohe Spannungen simulativ zu optimieren. Dabei wurde auf unterschiedliche RESURF-Geometrien eingegangen und deren Auslegung und Optimierung zunächst an einer pin-Diode untersucht. Im Anschluss daran wurden die gewonnenen Erkenntnisse über die RESURF-Struktur auf einen LDMOS-Transistor übertragen. Hier konnte durch eine weiterentwickelte Variante der DRESURF-Struktur mit einer vertikal geteilten n-RESURF-Region die Sperrspannung von 588 V auf 1179 V und der spezifische Widerstand von 37,6 mΩcm² auf 10,3 mΩcm² gegenüber dem LDMOS-Transistor verbessert werden.

Im zweiten Teil der Arbeit wurden zwei identische DRESURF-LDMOS-Transistoren zu einer Halbbrücke verschalten. Es konnte gezeigt werden, dass die Bauelemente durch eine unter den Drain-Kontakt gezogene p-RESURF-Struktur elektrisch von der Epitaxieschicht isoliert werden konnten und bis zu einer Spannung von 750 V in der Halbbrücke sperren. Um die monolithische Integration der Transistoren in der Halbbrücke als System-on-a-Chip simulativ zu untersuchen, wurden zusätzlich die Substrate miteinander gekoppelt. Dabei konnte das Ein- bzw. Ausschalten des High-Side-FETs und des Low-Side-FETs für eine ohmsche Last erfolgreich simuliert werden. Zwar ergeben sich durch die Substratkopplung insgesamt größere Schaltverluste, jedoch konnte für das Ausschalten des Low-Side-FETs gezeigt werden, dass bei diesem Schaltvorgang der Last-Strom deutlich früher abklingt. Für das Schalten einer induktiven Last stellten sich die durch die RESURF-Struktur entstehenden parasitären Bipolartransistoren als kritisch heraus. Für einige Nanosekunden entsteht ein heißer Zweig zwischen dem Drain-Kontakt des High-Side-FETs und dem Source-Kontakt des Low-Side-FETs. Dadurch entstehen hohe Schaltverluste während des Ausschaltens und die, für die Funktion des leistungselektronischen Systems essenzielle, gespeicherte Energie in der Induktivität wird dabei größtenteils in Wärme gewandelt. Im Ausblick der Arbeit werden Konzepte dargelegt, die den Einfluss des Stromflusses durch den als problematisch identifizierten Bipolartransistor mindern und somit das Schaltverhalten weiter verbessern können.

– Betreuer:


Prof. Roland Nagy

– Kurzzusammenfassung:

– Betreuer:

Anne-Marie Lang (M. Sc.)
Jan Dick (M. Sc.)
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Kurzzusammenfassung:

Abstract

Um Nanodraht-Transistoren (Gate-All-Around Feld-Effekt-Transistor, GAA FET) für hohe Schaltgeschwindigkeiten produzieren zu können, bietet sich Germanium als Halbleitermaterial an, da es von allen relevanten Halbleitermaterialien die größte Löcherbeweglichkeit aufweist. Die Anpassung und Optimierung des Lithografieprozesses dafür stellt jedoch eine Herausforderung dar aufgrund schlechter Lackhaftung und des an der Luft gebildeten, wasserlöslichen, instabilen Germaniumoxids. Damit auf Germanium lithografiert werden kann, wurde in dieser Arbeit eine hinreichende Substratvorbereitung gefunden, um das Oxid zu entfernen und die Oberfläche zu passivieren. Durch eine deutlich längere Vorbehandlung von 10 Minuten in 1:2 verdünnter Salzsäure erhält man eine gute Oberflächenpassivierung. Dadurch lagert sich während des Lithografieprozesses kein Wasser an der Oberfläche an wodurch sich die Lackhaftung deutlich verbessert. Des Weiteren wurden Belichtungszeit, Ausheizprozesse und Lackdicke variiert, um optimale Prozessparameter zu finden, mit denen Strukturen mit einem Radius von bis zu 600 nm Durchmesser abgebildet werden konnten. Für eine gute Auflösung von Punkten und hohe Maßhaltigkeit erwies sich der Image Reversal Lack AZ 5214 E als optimal bei einer 70 % – igen Verdünnung. Eine bessere Lackhaftung konnten mit dem Positivlack AZ ECi 3007 erreicht werden, jedoch mit einer etwas schlechteren Auflösung und Maßhaltigkeit.

– Betreuer:


Prof. Roland Nagy

– Kurzzusammenfassung:

Die heutige Forschung und technische Entwicklung im Bereich des Quantencomputings steht vor einer Herausforderung: Die technologisch durchsetzbare Hochskalierung von Quantenrechnern. Während der Neunzigerjahre konnten bereits erste theoretische Beweise zur Quantenüberlegenheit gezeigt werden. So sind der Deutsch-Josza-, Shor- und Grover-Algorithmus recheneffiziente Lösungen für Problemstellungen mit Mitteln der Quanteninformatik. Um diese Algorithmen zielführend ausführen zu können, benötigt es jedoch einer deutlich höheren Anzahl an Qubits, als die heutigen Quantenrechner besitzen. Einen Ansatz zur Hochskalierung der Qubitanzahl stellt die Vernetzung und Parallelisierung mehrerer Quantenrechner dar. Hierfür bedarf es, wie bei klassischen Netzwerken, an Netzwerkspeicherknoten und Netzwerkrepeatern. Derartige Speicherknoten können aufgrund der hohen Kohärenzzeit durch Kopplung an Kernspins über optisch aktive Farbzentren realisiert werden. Technologische Ansätze finden sich hierzu bei NV-Zentren in Diamanten sowie bei verschiedenen Fehlstellen in Polytypen von Siliciumcarbid. Während NV-Zentren eine hohe Spektraldiffusion ihrer Eigenzustände aufweisen, sowie aufwändig in der Herstellung der Diamantenmatrix sind, stellt der Polytyp 4H in Siliciumcarbid eine Alternative dar, die diese Probleme umgeht. Vielversprechende Fehlstellen, die Emissionswellenlängen in der Nähe des Telekommunikationsbereichs aufweisen, sind demnach die Siliziumfehlstellen namens V₁ und V₂ in 4H-SiC.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher ein optischer Aufbau zur Vermessung und Manipulation von Elektronen- und Kernspin-Zuständen in V₂ Farbzentren in Siliciumcarbid geplant und realisiert. Zunächst werden die Grundlagen der Farbzentren V₁ und V₂ in 4H-SiC als optisch aktive Spinsysteme erörtert. Basierend darauf wird der Aufbau des optischen Messplatzes zur Charakterisierung des Spinsystems sowohl bei Raumtemperatur als auch bei cryogenen Temperaturen vorgestellt. Dieser Aufbau dient damit zur Anregung, Manipulation und zum Auslesen der Elektronen-Zustände der Farbzentren sowie der zu ihnen gekoppelten Kernspins. Hierbei wird zunächst Augenmerk auf die Versuchsdurchführung zur photolumineszenten Anregung und Vermessung der Nullphononenlinie von V₂-Zentren bei cryogenen Temperaturen gelegt. Weiterführend kann der vorgestellte und realisierte Aufbau zur Vermessung von Kohärenzzeiten und zur Manipulation der Kernspins benachbarter Farbzentren genutzt werden. Des Weiteren wird eine mögliche Konstruktion eines SiC-Probenhalters für cryogene Umgebungen vorgestellt. Schließlich werden Messungen und Experimente erörtert, die mit dem vorgestellen Aufbau möglich sind, um eine Vermessung der Photolumineszenz -Anregung des V₂ Farbzentrums und seiner Kohärenzzeiten durchführen zu können.

– Betreuer:

PD Dr. rer. nat. Andreas Erdmann
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Kurzzusammenfassung

Die Nanoimprint-Lithografie ist eine mechanisch basierte Strukturierungstechnik, bei der Formen mit Stempeln in den Photoresist eingeprägt werden. Die in dieser Arbeit betrachteten Nanoimprint-Formen haben Muster mit einer Größe von 2-3 μm im Durchmesser.

Während des Druckvorgangs führen Fehlausrichtungen und Verunreinigungen in der Form zu Defekten im Fotolack. Solche Defekte sind unerwünscht und müssen identifiziert werden. Zur Abbildung der Proben wird häufig ein Mikroskop mit einer Objektivlinse mit hoher numerischer Apertur verwendet, was jedoch im Vergleich zu Objektiven mit niedriger numerischer Apertur zu einem kleineren Bildfeld fuhrt. Um die gesamte Probe abzubilden, sind daher mehrere einzelne Bildfelder erforderlich. Dieser Prozess ist zeitaufwändig und kann selbst bei Verwendung eines mechanisierten Scanners fehleranfällig sein. Computergestutzte Bildgebungsverfahren können dabei helfen, den Kompromiss zwischen Auflösung und Sichtfeld zu verringern und Bilder mit besserer Qualität zu erzeugen. Mit Hilfe von Algorithmen wird dann in den verbesserten Bildern nach Fehlern gesucht. Die Entwicklung des Deep Learning in den letzten zehn Jahren hat zu Algorithmen geführt, die bei Bildanalyseaufgaben viel schneller und genauer sind als Menschen und andere Algorithmen. Dies hat dazu geführt, dass Deep Learning in fast allen Bereichen eingesetzt wird, auch in der Mikroskopie.

In dieser Arbeit wird die Segmentierung von Nanoimprint-Säulenbildern durchgeführt, die mit einem Mikroskop mit niedrigem NA-Wert aufgenommen wurden, wobei Ideen aus der computergestutzten Bildverarbeitung mit Deep Learning kombiniert werden. Um dies zu erreichen, wurden Bilder der Probe aufgenommen und später mit Anmerkungen versehen, um Masken zu erstellen. Die Bilder und die entsprechenden Masken wurden dann als Datensatz für das Training verschiedener U-förmiger Netzwerke aufbereitet. Die Ergebnisse des Trainings eines Netzwerks mit nur einem einzigen Bild wurden mit den Ergebnissen des Trainings eines Netzwerks mit einer gewichteten Summe von Bildern verglichen.

Die Ergebnisse zeigen, dass es für alle Netze einfacher ist, normale Säulen in der Probe zu erkennen, und dass verschiedene Netze bei der Erkennung von Defekten unterschiedlich gut abschneiden. Netzwerke, die sowohl Bilder mit als auch ohne axialer Beleuchtung verwenden, können Defekte erkennen, die bei der Verwendung von Netzwerken, die nur die axiale Beleuchtung verwenden, übersehen werden.

– Betreuer:

PD Dr. rer. nat. Andreas Erdmann
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze

– Kurzzusammenfassung:

Die Grauton-Lithografie nutzt etablierte Verfahren aus der Halbleitertechnologie und bietet damit den idealen Ausgangspunkt für Wafer-Level-Optiken und großflächige Strukturen. Die Entwicklung produktspezifischer Prozesse für die Grauton-Lithografie ist jedoch äußerst anspruchsvoll, kosten- und zeitintensiv. Ziel dieser Masterarbeit ist die Entwicklung eines genauen und robusten Modells mit Schwerpunkt zur Beschreibung spezieller Effekte in dicken Fotolacken aufgrund des Vorhandenseins von Restlösungsmittel im Fotolack nach dem Aufschleudern und Vorbacken. Um ein bestimmtes Ziellayout herzustellen, sollten verschiedene Muster simuliert werden, dann sollte das Modell kalibriert werden, um das experimentelle Profil für eine gegebene Dosis und Höhe des Fotolacks vorherzusagen. Sobald das Modell mit experimentellen Daten kalibriert ist, sollte es die Dosisverteilung (und Prozessbedingungen) vorhersagen, um ein bestimmtes Ziel Layout herzustellen. Das Endziel besteht darin, ein neuronales Netzwerk aufzubauen und dieses Modell zu verwenden, um Daten, Freiform Profile, für Deep-Learning-Anwendungen zu generieren. Dies ermöglicht die flexiblere und effizientere Realisierung zahlreicher innovativer Produkte mittels Grauton-Lithografie.

– Betreuer:

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

– Kurzzusammenfassung:

Seit der Entdeckung von Graphen im Jahr 2004 haben sich 2D-Materialien zu einem wichtigen Forschungsgebiet entwickelt. Aufgrund erheblicher Forschungsanstrengungen konnten 2D-Materialien wie Graphen oder hexagonales Bornitrid (hBN) in großem Maßstab hergestellt werden und die ersten Tests für die Integration in die Halbleiterfertigung im Wafer-Maßstab sind angelaufen. Graphen und hBN weisen keine passende Bandlücke auf, um als Halbleiter für die meisten Halbleiterbauelemente zu fungieren und werden deshalb als Leiter und Isolator verwendet. Ein Material mit einer geeigneten Bandlücke ist schwarzer Phosphor (engl. black phosphorus BP), der vielversprechende Eigenschaften aufweist, aber noch nicht in demselben Maßstab synthetisiert werden kann wie Graphen und hBN. Eine weitere Herausforderung stellt die Korrosion von BP unter Umgebungsbedingungen dar. BP oxidiert an der Luft, was dazu führt, dass sich die Eigenschaften von Bauteilen aus BP mit der Zeit verschlechtern. Eine Strategie zum Schutz von BP ist die Herstellung so genannter van-der-Waals-Heterostrukturen, d. h. Stapel aus verschiedenen 2D-Materialien, die durch van-der-Waals Kräfte gebunden sind. In dieser Arbeit werden Graphen und hBN in großem Maßstab auf BP übertragen, um van-der-Waals-Heterostrukturen zu schaffen, die unter Umgebungsbedingungen stabiler sind als ungeschützter BP. Optische Mikroskopie, Mikrospektroskopie und Rasterkraftmikroskopie werden zur Charakterisierung der Degradation von BP und der van-der-Waals-Heterostrukturen eingesetzt. Da die räumliche Auflösung des Mikrospektrometers nicht ausreicht, um alle exfolierten BP-Flakes zu vermessen, wird eine Methode zur Erhöhung der Auflösung des Mikrospektrometers entwickelt, mit der die Auflösung um ca. 50 % erhöht werden kann. Die Degradation der ungeschützten BP-Flakes kann nach ca. 70 Minuten beobachtet werden. Die Herstellung von Graphen-BP- und BP-hBN-van-der-Waals-Heterostapeln durch die sogenannte „trivial transfer method“ ist möglich. Die übertragene Graphenschicht konnte die BP-Flocken zweieinhalb Tage lang schützen, während die hBN-Schicht den BP nur 4 Stunden und 48 Minuten lang schützen konnte. Es wurde versucht, eine Methode zur Verfolgung der Minima des Reflexionsspektrums der verschiedenen Materialien zu implementieren, die ursprünglich entwickelt wurde, um die Anzahl der Schichten von 2D-Materialien zu zählen und so die Degradationsgeschwindigkeit von BP zu quantifizieren. Im Rahmen dieser Arbeit konnte dies nicht mit ausreichender Aussagekraft erreicht werden und deshalb sind weitere Untersuchungen nötig, inwieweit diese Methode für BP eingesetzt werden kann.

– Betreuer:
Julius Marhenke
Martin März

– Kurzzusammenfassung:

Polydimethylsiloxan (PDMS) wird für einen breiten Bereich von biomedizinischen Anwendungen, wie z.B. für Mikrofluidiksysteme, verwendet. PDMS bietet für die Anwendungen der Mikrofluidik viele vorteilhafte Eigenschaften, jedoch kann der hydrophobe Charakter zu Komplikationen führen. In der vorliegenden Arbeit wird daher eine chemische Oberflächenmodifikation von PDMS durchgeführt und hinsichtlich des Benetzungsverhaltens untersucht. Die chemische Modifikation des PDMS beinhaltet die Plasmabehandlung mit anschließender Beschichtung mit Polyethylenglykol (PEG)-Silan. Nach der Modifikation werden die PDMS-Proben an der Atmosphäre gelagert und über einen Zeitraum von 28 Tagen mittels der Messung des Wasserkontaktwinkels charakterisiert.

Zuerst wird die chemische Modifikation des PDMS in Abhängigkeit von der Prozesstemperatur während des Beschichtungsprozesses untersucht. Hierfür werden PDMS-Proben in 10 Vol. % PEG-Silan in dem Lösungsmittel Dimethylsulfoxid (DMSO) für 15 bzw. 60 Minuten bei 90°C bzw. Raumtemperatur beschichtet. Es stellt sich heraus, dass eine höhere Prozesstemperatur zu einer schlechteren und eine höhere Reaktionszeit zu einer wesentlich besseren Oberflächenhydrophilie bzw. Beschichtung führt. Die langsamere Abnahme an funktionellen Gruppen auf der Oberfläche bei Anwendung einer niedrigeren Prozesstemperatur wird als Ursache für die bessere Beschichtungsqualität ausfindig gemacht.
Zusätzlich werden die in DMSO beschichteten PDMS-Proben mit in Aceton bzw. in Ethanol beschichteten Proben in Bezug auf das Benetzungsverhalten verglichen. Dabei zeigt beschichtetes PDMS bei Verwendung von Aceton die stabilste Oberflächenhydrophilie. Es kann die Vermutung aufgestellt werden, dass dies ein Resultat des aprotischen Charakters und der geringeren Polarität im Vergleich zu DMSO und Ethanol ist.

Abschließend wird die chemische Modifikation der PDMS-Proben mit einer Beschichtungslösung von 10 Vol. % PEG-Silan in DMSO bzw. in Aceton für die Beschichtung von PDMS-basierten Mikrofluidiksystemen angewendet. Ein beschichtetes Mikrofluidiksystem zeigt im Vergleich zu einem unbeschichteten eine wesentliche Reduktion der Verstopfungsanfälligkeit auf. Zudem verstopft das in Aceton beschichtete gegenüber dem in DMSO beschichteten Mikrofluidiksystem weniger stark, was in Übereinstimmung mit dem besseren Benetzungsverhalten der in Aceton zu den in DMSO beschichteten PDMS-Proben steht.

– Betreuer:
Christian Martens (M. Sc.)
Martin März

– Kurzzusammenfassung:

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird untersucht, wie mit einer Fotodiode Rückschlüsse auf das Dosisflächenprodukt eines Röntgenstrahlers gezogen werden können. Durch eine Szintillatorkeramik wird die Röntgenstrahlung in sichtbares Licht umgewandelt, dessen Intensität durch die Fotodiode gemessen werden kann.

Zur Verstärkung des Fotostroms, dem Ausgangssignal der strahlungsmessenden Fotodiode, wird eine Schaltung entworfen. Diese Schaltung wandelt den Fotostrom in eine proportionale Spannung um, indem ein Operationsverstärker als Transimpedanzverstärker beschaltet wird. Die Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers wird weiter verstärkt und anschließend digitalisiert. Besondere Beachtung findet der große Dynamikbereich der Dosisleistung eines Röntgengerätes der Radiographie.

Die Strahlungsmessung mit einer Fotodiode ermöglicht die echtzeitfähige Messung der Dosisleistung, wodurch mithilfe eines Strahlungsvorschusses, einer kleinen Dosis vor der eigentlichen Röntgenaufnahme, in Zukunft die optimale Strahlungsdosis automatisch ermittelt werden soll. Diese Dosismesswerte werden zur Dokumentation gespeichert und können zur Dosisleistungsregelung des Röntgenstrahlers genutzt werden.

Als Position der Messeinrichtung wird eine Stelle im Kollimator außerhalb des Primärstrahls gewählt, um auf der Röntgenaufnahme nicht sichtbar zu sein. Dabei misst die Fotodiode mit dem Szintillator die am Kollimatorspiegel entstehende Compton-Streuung. Es werden mehrere Möglichkeiten für die Schaltung untersucht, dabei wird die Variante mit einem einstellbaren Verstärker nach dem Transimpedanzverstärker genauer betrachtet. Mit dieser Schaltung werden Messungen durchgeführt, die eine gute Korrelation mit dem Dosisflächenprodukt der Systemmesswerte und der Energiedosis eines professionellen Strahlungsdosismessgerätes zeigen.

In der Röntgendiagnostik ist das Ziel die diagnostische Aufgabe mit der geringst möglichen Strahlungsdosis durchzuführen, da Röntgenstrahlung aufgrund der ionisierenden Wirkung potenziell schädlich für biologisches Gewebe ist. Diese Bachelorarbeit ist als Machbarkeitsstudie zu betrachten. Langfristig soll diese Messart in zukünftigen Röntgengeräten integriert werden, um die Anwendung der Röntgendiagnostik weiter zu vereinfachen und letztendlich die Strahlungsdosis, die ein Patient erhält, bei gleichbleibender Bildqualität zu reduzieren.

– Betreuer:

Dr.-Ing. Michael Jank
Dreher, Vincent (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-231 , E-Mail: vincent.dreher@iisb.fraunhofer.de)
Martin März

– Kurzzusammenfassung:

Beim Betrieb von Batteriezellen kann es vor allem unter missbräuchlichen Betriebsbedingungen zu Zuständen kommen, in denen lokal stark exotherme Reaktionen ablaufen, die die Temperatur und den Druck im Inneren der Zelle schnell erhöhen. Dies kann zur Folge haben, dass Batteriezellen Feuer fangen oder sogar explodieren. Um ein solches Szenario frühzeitig zu erkennen und zu verhindern, ist es nötig, die Temperatur und den Druck im Inneren der Zelle in Echtzeit zu messen. Hierfür werden in den Batteriezellen integrierbare Dünnschichtsensoren auf flexiblem Substrat sowohl für Druck- als auch Temperaturmessung benötigt. Für beide Sensorarten werden im Rahmen diese Arbeit Proben hergestellt und charakterisiert.

Für die Temperaturmessung wurden Thermistoren untersucht. Hierfür wurden zwei Iterationen von Proben hergestellt. Anhand der ersten Iteration, welche zunächst auf Siliziumscheiben und nicht auf flexiblen Substraten prozessiert wurde, werden die drei potenziellen Sensormaterialien Nickel, Platin und eine Nickellegierung mit 2,6% Aluminium (NiAl) miteinander verglichen. Die entstehenden Sensoren wurden sowohl vor als auch nach einem thermischen Ausheilschritt auf Linearität der Temperatur-Widerstandskennlinie, die Materialeigenschaften des Sensormaterials und das Entstehen von Hysteresen bei Temperaturmessungen untersucht. Hierbei stellte sich, insbesondere wegen der hohen Linearität der Kennlinie, aber auch aufgrund günstigerer Materialkosten, NiAl als bestes Sensormaterial heraus, weshalb es für die zweite Iteration verwendet wurde.

Während der Prozessierung der zweiten Iteration von Temperatursensoren befand sich ein Polyimid-Substrat auf der Siliziumscheibe, von der es nach vollständiger Prozessierung abgelöst wurde, um die flexible, in Batteriezellen integrierbare Sensorfolie zu erhalten. Die so hergestellten Proben wurden elektrisch charakterisiert und auf Linearität der Kennlinie, auf Zyklenfestigkeit und auf Streuung der Materialparameter zwischen den einzelnen Sensoren untersucht. Das Bestimmtheitsmaß zur linearen Fitgeraden der Temperatur-Widerstandskennlinien betrug 1 für alle im Klimaschrank durchgeführten Messungen. Somit lässt sich ein einzelner Sensor vollständig durch das Angeben von einem Ausgangswiderstand und einer Steigung der Kennlinie definieren. Dieser Ausgangswiderstand bei 0 °C streute für die einzelnen Sensoren zwischen 16,5 kΩ und 17,5 kΩ und die durch den TCR-Wert angegebene Steigung der Kennlinie variierte je nach verwendeter Messmethode zwischen 14,3 Ω/°C und 17,3 Ω/°C. Somit muss jeder Sensor einzeln kalibriert werden und seine Parameter müssen für eine korrekte Messung hinterlegt sein. Bei zyklischen Untersuchungen zeigten sich keine Trends und die Messungen waren auch nach einigen Temperaturzyklen noch reproduzierbar.

Zur Messung des Drucks im Inneren der Batteriezelle wurden drei Sensorkonzepte untersucht. Dazu gehören kapazitive Sensoren basierend auf entweder Interdigitalstrukturen oder Plattenkondensatoren und piezoresistive Sensoren. Hierbei stellten sich die Sensoren, welche mit Hilfe von Plattenkondensatoren realisiert wurden, als am erfolgversprechendsten heraus. Als Dielektrikum wurde ein in früheren Arbeiten am Fraunhofer IISB entwickeltes X-PDMS mit einem E-Modul von circa 40 MPa verwendet. Hierdurch konnte für den gewünschten Messbereich bis zu einem Druck von 1,5 MPa eine signifikante Kapazitätsänderung ohne Zerstörung der Sensorstruktur realisiert werden. Um den Sensor vollständig charakterisieren zu können, muss zunächst noch der Herstellungsprozess verbessert werden, da es hier vor allem im Zusammenhang mit dem verwendeten X-PDMS zu Haftungsproblemen kam.

– Betreuer:

Christian Martens (M. Sc.)
Martin März

– Kurzzusammenfassung:

Siliziumkarbid ist ein Halbleitermaterial, welches sich besonders für Anwendungen im Hochtemperaturbereich eignet. Da bisher hauptsächlich einzelne Bauteile charakterisiert wurden, erforscht das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente integrierte Schaltungen auf Basis von Siliziumkarbid. Für deren genaue Untersuchung ist insbesondere das dynamische Hochtemperaturverhalten im Zeit- und Frequenzbereich von großem Interesse.

Das Ziel dieser Arbeit ist der Entwurf und die Realisierung eines funktionsfähigen Messplatzes, der in der Lage ist, Frequenz- und Zeitbereichscharakterisierungen von Schaltungen bei Temperaturen von bis zu 650 °C durchzuführen. Für diesen Zweck wird ein bereits bestehender Messplatz charakterisiert, erweitert und umgebaut. Mechanisch wird der Messplatz so modifiziert, dass er sich unempfindlicher gegenüber äußeren Kräften und Vibrationen verhält. Um die mechanische Stabilität zu erhöhen, wird der vorhandene Aufbau verstärkt und die erzielten Verbesserungen mit Hilfe einer Konstruktionssoftware bestätigt. Weiterhin ermöglichen die Trennung des Computerarbeitsplatzes und des Messaufbaus, sowie die Ausstattung des Messplatzes mit schwingungsdämpfenden Elementen erfolgreiche Langzeitmessungen. Elektrisch wird der Messplatz so erweitert, dass AC und DC Ein- und Ausgangssignale generiert werden können. Als Quellen werden sowohl DC Spannungs- und Stromquellen als auch AC Spannungsquellen integriert. Um verschiedene Ausgangssignale auszuwerten, werden zwei digitale Multimeter, ein Oszilloskop und Datenerfassungssystem in den Messplatz implementiert. Dabei ermöglicht die hohe Genauigkeit der installierten Geräte präzise Messungen und eine grundlegende Analyse sowie Charakterisierung der untersuchten Schaltungen. Durch die Verbindung der Geräte mit einem Bussystem, können diese durch einen Computer angesteuert werden und untereinander kommunizieren. Zusätzlich wird eine Software implementiert, die in der Lage ist, die Funktionen der installierten Geräte auszuführen
und Messdaten automatisiert zu erfassen. Um die Funktionsfähigkeit des Hochtemperaturmessplatzes darzustellen, werden abschließend verschiedene Messungen durchgeführt. Dabei wird zunächst die Genauigkeit der Temperaturanzeige des Heizchucks mit dessen Oberflächentemperatur bis zu einer Temperatur von 550 °C verglichen. Anschließend werden die temperaturabhängigen Transferkennlinien eines n-Kanal Transistors gemessen. Für eine abschließende Verifikation des Messplatzes wird das dynamische Verhalten eines Differenzverstärkers bei mehreren Temperaturen bis zu 500 °C gegenübergestellt.

Die Ergebnisse dieser Arbeit können als Grundlage für zukünftige, zeitabhängige Charakterisierungen von integrierten Schaltungen im Hochtemperaturbereich genutzt werden.

– Betreuer:
Julius Marhenke
Christian Martens (M. Sc.)
Martin März

– Kuzrzusammenfassung:

Es werden verschiedene Schaltungen zur Detektion von Partikeln in einem mikrofluidischen Coulter Counter entwickelt. Die verwendeten Coulter Counter bestehen aus Polydimethylsiloxan (PDMS), Fieldschen Metall und aus einer Glasplatte. Im Rahmen einer anderen Bachelorarbeit wurden diese entwickelt und getestet. Da dort aufgrund einer zu schlechten zeitlichen Auflösung des Messgerät Partikel nicht zuverlässig detektiert werden konnten, werden geeignetere Messysteme entwickelt und getestet. Der Widerstand des Coulter Counters erhöht sich, wenn sich ein Partikel in der Apertur befindet. Daher kann die Detektion von Partikeln mit Hilfe einer Impedanzmessung durchgeführt werden. Es werden Messysteme sowohl zur digitalen als auch zur analogen Implementierung der synchronen Demodulation entwickelt. Für die analoge Implementierung wird die Vorgehensweise beim Entwurf einer Platine erläutert. Bei der Entwicklung wird ein möglichst niedriges Rauschen angestrebt. Des Weiteren wird die Detektion von Partikeln mittels einer kapazitiven Messung diskutiert. Die Abmessungen und die Kontaktierung des verwendeten Coulter Counters werden für eine kapazitive Messung als nicht geeignet erachtet.
Mit beiden Möglichkeiten der Impedanzmessung war es möglich, Partikel zuverlässig zu detektieren. Zudem wurde herausgefunden, dass die Verbindung zwischen dem Messystem und dem Coulter Counter für einen großen Teil des auftretenden Rauschens verantwortlich ist.

– Betreuer:

Dr.-Ing. Michael Jank
Martin März

– Kurzzusammenfassung:

Ziel dieser Arbeit war die Etablierung einer Messtechnik zur elektrischen Charakterisierung von AMOLED-Pixelzellschaltungen. Dabei werden Funktionsgeneratoren und ein Speicheroszilloskop verwendet. Es wurde festgestellt, dass vor allem die parasitären Kapazitäten des Oszilloskop-Eingangs und Tastkopfes sowie der Koaxialkabel die Messungen stark beeinflussen. Außerdem wurde erkannt, dass über die Messnadeln ein starkes Rauschen in die Oszilloskop-Messung eingebracht wird. Eine Optimierung des Messsystems erwies sich als schwierig und zeitaufwändig, wurde aber erreicht.
Für die zu messenden Parameter Taktdurchgriff und Ladezeit muss der Strom durch den Treibertransistor für die Messung mit dem Oszilloskop in eine Spannung umgewandelt werden. Die Anforderungen an das Messsystem sind dabei hoch, weil erstens die Ströme nur wenige Mikroampere betragen. Zweitens das starke Rauschen eine große Verstärkung für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis erforderlich macht. Drittens bei den großen Verstärkungen die erforderliche Bandbreite wegen der parasitären Kapazitäten sehr schwer zu erreichen ist.
Zur Umwandlung des Stroms in eine Spannung wurden verschiedene Messschaltungen mit passenden Operationsverstärkern untersucht, die entweder das am Messwiderstand abfallende Spannungssignal verstärken oder den Treiberstrom direkt in ein Spannungssignal wandeln. Am zielführendsten hat sich hierbei die Strom-Spannungs-Wandlung durch Verwendung einer Transimpedanz-Verstärkerschaltung erwiesen.
Mit den durchgeführten Messungen konnte erstmals für die prozessierten Dünnschichttransistoren in den Pixelzellen gezeigt werden, dass sie nicht nur eine gute Leistungsfähigkeit in statischen Gleichstrommessungen aufweisen, sondern auch in dynamischen Messungen. Es wurde dargestellt, dass Ladezeit, Taktdurchgriff und Degradation im Dauerbetrieb mit den Werten aus der Literatur vergleichbar sind. Die Gleichungen für Taktdurchgriff und Ladezeit aus der Literatur wurden ausführlich diskutiert und bestätigt. Zusätzlich wurde eine Möglichkeit zur genauen Abschätzung der Ladezeit mit einer Gleichstrommessung des Schalttransistors aufgezeigt. Dadurch ist es in Zukunft möglich das Pixelzell-Design zu optimieren.
Für zukünftige Arbeiten wurden Empfehlungen für eine optimierte Struktur zur elektrischen Charakterisierung der Pixelzellen abgegeben. Der Einsatz von Simulationen mit LTspice erwies sich als sehr hilfreich zur Interpretation von Messungen und der Abschätzung parasitärer Effekte im Messaufbau.

– Betreuer:
Marhenke, Julius (LEB, Tel. 09131 / 85-28659 , E-Mail: julius.marhenke@fau.de)
Martin März

– Kurzzusammenfassung:

In der vorliegenden Arbeit wird ein Lift off Prozess zur Herstellung leitfähiger Elektroden auf PDMS Substraten entwickelt und untersucht. Dabei wird unteranderem auf die kleinstmöglichen Strukturdimensionen, die Elektrodenhaftung, die elektrischen Eigenschaften sowie die Ausrichtung zu vorhandenen Oberflächenstrukturen eingegangen. Der entwickelte Klebeband Lift-off stellt sich dabei als eine schnelle und zuverlässige Methode zur Herstellung der Elektroden heraus. Besonders durch die Verwendung eines Klebebands für den Lift off kann auf den Einsatz von Lösemitteln beim Lift off verzichtet werden, wodurch ein einfacherer Prozess ermöglicht wird. Es werden verschiedene Parameter untersucht, die zur erfolgreichen Prozessierung von SU 8 Fotolackschichten auf PDMS Substraten beitragen, wie die verwendete Fotolackdicke, die Belichtungsdauer, sowie die Temperaturschritte zum Ausheizen und Vernetzen des Fotolackes. Außerdem werden verschiedene Plasmaätzparameter untersucht, um die Haftung des Titans auf dem PDMS Substrat so zu erhöhen, dass ein Klebeband Lift-off durchgeführt werden kann, ohne dabei die Titanschicht vom Substrat wieder abzuziehen. Anschließend werden die Elektroden optisch auf Risse und andere Defekte untersucht und ihre Leitfähigkeit in Strom Spannungs-Messungen gezeigt.
Optische Untersuchungen der hergestellten Strukturen haben gezeigt, dass sich mit den optimierten Parametern Strukturgrößen von 20 µm in 75 µm dicken Fotolackschichten auf PDMS Substraten realisieren lassen. In einem Demonstratorprozess wurde das entwickelte Klebeband Lift-off Verfahren dann genutzt, um 300 nm dicke Elektrodenstrukturen auf einem strukturierten 150 mm PDMS Substrat herzustellen und die Elektroden dabei mit einer Präzision von 5 µm an Oberflächenstrukturen im PDMS auszurichten.

– Betreuer:

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

– 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.

– Betreuer:

Zörner, Alicia (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-188 , E-Mail: alicia.zoerner@iisb.fraunhofer.de)
Oertel, Susanne (FHG-IISB, Tel. 09131 / 761-192 , E-Mail: susanne.oertel@iisb.fraunhofer.de)
Martin März

– Kurzzusammenfassung:

Die Optimierung von ionenselektiven Elektroden im Hinblick auf Reproduzierbarkeit der Messergebnisse, Verlässlichkeit und Stabilität kann nur durch Optimierung des Ionen-zu-Elektronen Wandlers, des Transducers, erfolgen. Um Drifte sowohl während einer potentiometrischen Messung als auch zwischen Messungen, welche in längeren Abständen stattfinden, zu verringern, bietet sich eine Erhöhung der Kapazität der elektrostatischen Doppelschicht zwischen Transducer und Membran an. Diese Kapazitätserhöhung wird durch Einsatz von Zusätzen, Modifikation des Transducers oder den Einsatz von alternativen Transducer-Materialen bewirkt.
Im Zuge dieser Arbeit wurden daher verschiedene Transducer-Systeme hergestellt und hinsichtlich ihrer Eignung als alternative Transducer qualifiziert. Dazu wurden C 7102 Standardelektroden auf Basis der kommerziellen DuPont 7102 Kohlenstoff Siebdruckpaste hergestellt und mit Plasmabehandlungen, Abscheidung von Graphenoxid und elektrochemischer Reduktion von Graphenoxid modifiziert.
Weiterhin wurde eine kommerziell erhältliche Graphen-Graphit Hybridpaste verwendet, um Elektroden herzustellen. Die Elektroden wurden mittels optischer Rauheitsmessung charakterisiert, um einen ersten Indikator für die Ausprägung der Transducer-Membran-Grenzfläche zu erhalten. Ferner wurde die Homogenität der durch Pipettieren hergestellten Graphenoxid-Schichten auf den Elektroden durch Behandlungen
mit Luftplasma optimiert. Die erfolgreiche Reduktion des Graphenoxids wurde durch Kontaktwinkelmessungen und Ramanspektroskopie validiert. Außerdem lieferte der Wasserkontaktwinkel erste Hinweise auf die Stabilität der Sensoren im Hinblick auf die potentielle Bildung einer Wasserschicht. Hydrophile Transducer zeigten diese Bildung einer Wasserschicht zwischen Transducer und Membran, was zur Verschlechterung des Sensorverhaltens oder im schlimmsten Fall zur Delamination der Membran führte. Die Kapazitäten der verschiedenen Elektroden wurden mittels EIS-Messung bestimmt und verglichen. Dabei zeigten sich enorme Erhöhungen der Kapazität der modifizierten Elektroden
gegenüber der Standardelektrode. Die Hybridelektroden zeigten die höchsten Kapazitäten und offenbarten sich als vielversprechendste Variante im Hinblick auf die Minimierung der Potentialveränderungen, die während einer Messung in gleichbleibender Lösung auftreten. Auf Basis der untersuchten Elektrodentypen wurden ionenselektive Sensoren hergestellt, indem die Elektroden mit Membranen versehen wurden. Anhand von potentiometrischen Messungen über sechs Wochen, konnten so Ansprechzeiten, Sensitivitäten und die Reproduzierbarkeit des Standardpotentials evaluiert werden. Die Elektroden auf Basis der Hybridpaste zeigten wie erwartet dabei die besten Ergebnisse und bieten
eine hervorragende Alternative zu den Standardelektroden. Doch auch die Elektroden, auf denen reduziertes Graphenoxid direkt aus der Lösung abgeschieden wurde, zeigten gute Ergebnisse. Da für die Herstellung der Hybridelektroden kein zusätzlicher Prozessschritt nötig ist, sondern lediglich die Siebdruckpaste gewechselt werden muss, bieten die Hybridelektroden eine skalierbare und kostengünstige Lösung, um ionenselektive Elektroden zu verbessern.

– Betreuer: Marhenke, Julius (LEB, Tel. 09131 / 85-28659 , E-Mail: julius.marhenke@fau.de)
Martin März

– Kurzusammenfassung:

Deterministic Lateral Displacement ist eine passive und kontinuierliche Methode zur Partikelseparation. Das Potential dieser Methode für Lab-on-a-Chip-Systeme ist dabei enorm. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Partikelseparation zweier Systemtypen untersucht. Dabei wurden die Ergebnisse mit den kritischen Durchmessern nach Inglis und Davis verglichen. Aufbauend darauf wurde untersucht, wie sich die Partikelseparation bei einer moderaten Flussratenerhöhung verändert. Außerdem wurde untersucht, inwieweit sich Partikel gegenseitig beeinflussen können. Es wurde beobachtet wie sich Verstopfungen in einem System entwickeln. Es wurde gezeigt, dass die kritischen Durchmesser nach Inglis und Davis nicht alle relevanten Parameter beinhalten. Die Verformungsbeständigkeit der Systeme gewinnt bei höheren Flussraten immer mehr Bedeutung. Außerdem wurde gezeigt, dass sich Partikel signifikant gegenseitig beeinflussen können. Es wurde beobachtet, dass Verstopfungen sich durch ein System bewegen können und am Ende aufstauen.

– Betreuer:

Tobias Stolzke (M. Sc.)
Martin März

– 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.

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

– 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.

– Betreuer:

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

– 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.

– Betreuer:

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

– 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.

– Betreuer:

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

– 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.

– Betreuer:

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

– 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.

– Betreuer:

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

– 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.

– Betreuer:

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

– 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.

– Betreuer:

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

– 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.

– Betreuer:

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

– 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.

– Betreuer:

Dr.-Ing. Andreas Hutzler
Martin März

– 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.

– Betreuer:

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

– 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.

– Betreuer:

Christian Martens (M. Sc.)
Martin März

– 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.

– Betreuer:

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

– 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.

– Betreuer:

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

– 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.

– Betreuer:

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

– 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.

– Betreuer:

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

– 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.

– Betreuer:

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

– 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.

– Betreuer:

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

– 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.

– 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. 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.

– Betreuer:

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

– 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.

– Betreuer:

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

– 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.

– 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

– 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.

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

– 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.

– Betreuer:

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

– 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.

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

– 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.

– 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.

– 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

– 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.

– 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

– 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.

– 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

– 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.

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

– 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.

– 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

– 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.

– Betreuer:

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

– 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.

– Betreuer:

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

– 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 stöchiometris