(M.Sc.) 3D Elektromagnetischer Entwurf von RTD-Antennen Arrays mit Injection Locking

Hintergrund:

Für den Sub-THz und THz Bereich von 0.3 – 3 THz werden leistungsstarke Oszillatoren und empfindliche Detektoren benötigt. Beispielsweise eignet sich dieses Frequenzspektrum sehr gut für den Sicherheitssektor zur 3D Aufnahme von gefährlichen Objekten unter der Kleidung, da die THz-Wellen von der Kleidung nicht stark absorbiert werden. Eine weitere Möglichkeit der Nutzung dieses Frequenzspektrums liegt in der Kommunikationstechnik. Bei diesen hohen Frequenzen sind hohe Datenraten bei einer drahtlosen Punkt-zu-Punkt Übertragung möglich.

Aufgabe:

Resonanz-Tunnel-Dioden (RTDs) sind ein vielversprechender Kandidat für die Generation und Detektion von THz-Strahlung. Da die Ausgangsleistung einer einzelnen RTD in Oszillator-Konfiguration sehr gering ist, müssen mehrere Elemente miteinander verschaltet werden. In Form eines sogenannten Arrays (ein- oder zweidimensional) kann neben der Addition der jeweiligen Ausgangsleistungen ebenfalls die Form der Abstrahlungscharakteristik beeinflusst werden. Als Ansatz soll hier ein Array aus Patch-Antennen verfolgt werden. Diese ermöglichen ein einfaches Design und eine akzeptable Effizienz. Dieses Konzept lässt sich jedoch nur umsetzen, wenn die einzelnen Elemente innerhalb des Arrays die gleiche Oszillationsfrequenz haben und zudem phasengleich sind. Dies ist aufgrund von Fertigungstoleranzen nicht zweifelsfrei gegeben.

Im Rahmen dieser Arbeit soll zuerst ein Design für ein zwei-dimensionales Patch Antennen-Array auf Basis von RTD-Oszillatoren entworfen werden. Es kann dabei auf vorherige Arbeiten und vorhandene Prozesse für die Herstellung von einzelnen Patch-Antennen auf dem Dielektrikum BCB zurückgegriffen werden. Im Weiteren soll dann der Ansatz von Injection Locking zur Frequenzstabilisierung untersucht werden. Neben direktem Injection-Locking der einzelnen Elemente soll auch die Möglichkeit des Mutual Injection Locking analysiert werden. Mithilfe der 3D EM Simulationssoftware (Ansys HFSS und Empire XPU) sowie Schaltungssimulationen (Keysight ADS) sollen beide Ansätze auf Machbarkeit untersucht und im Anschluss in einem Design für das nächste Maskentapeout umgesetzt werden.

Betreuer: M.Sc. Robin Kreß

(M.Sc.) Entwicklung von RTD THz Emittern

Hintergrund:

Im Terahertz (THz) Bereich zwischen 300 GHz bis zu 4 THz entwickeln sich zurzeit viele neuartige Anwendungen: kontaktlose Materialerkennung und -charakterisierung, ultraschnelle drahtlose Datenübertragung von mehreren Tbit/s, Detektierung versteckter Objekte in Robotik- und Sicherheitsanwendungen. Für diese Anwendungsfelder werden kompakte Signalquellen und -detektoren benötigt, die hohe Ausgangsleistung effizient bereitstellen, empfindlich sowie rauscharm detektieren, und kompakt, robust und kostengünstig hergestellt werden können.

Wir untersuchen im SFB/TRR196 MARIE die Resonante Tunneldiode (RTD), ein auf dem quantenmechanischen Tunneleffekt basierendes Bauelement, mit dem bis heute Signale bis zu 2 THz erzeugt werden können. Durch Verbesserung der Halbleiter-Vertikalstruktur, der Bauelement-Herstellungsprozesse und der Zusammenschaltung in Arrays versuchen wir, die Performanz dieser THz-Komponenten zu verbessern.

Mögliche Themengebiete:

• Prozessentwicklung von Multilagen Antennenstrukturen für die effiziente Einkopplung eines Injektionssignals für Beamsteering Anwendungen unter Verwendung von gängigen Halbleiterprozessschritten und Materialien, sowie modernster Hochfrequenzmesstechnik.
   
• Schichtentwicklung in der Molekularstrahlepitaxie des aktiven RTD Schichtpakets zur Erhöhung der Performancedaten hinsichtlich höchste erreichbare Frequenz f_max, Leistung P_out und DC-to-RF Effizienz η_dc-to-rf. Nutzung von modernster Hochfrequenzmesstechnik zum Charakterisieren der Diode.
   
• Design von on-wafer Oszillatoren bei unterschiedlichen Frequenzen zur Analyse des Verhaltens der RTD bei hohen Frequenzen unter Verwendung von Industrie relevanter Designsoftware für Hochfrequenzschaltkreise.
   
• Design eines modellierbaren Feed Netzwerks für RTD Oszillatoren zur Modellierung des Signals für zum Beispiel Kommunikationsanwendungen unter Verwendung von Industrie relevanter Designsoftware für Hochfrequenzschaltkreise.

• Weiterentwicklung der geometrischen Struktur der RTD zur Erhöhung der Performance bei höchsten Frequenzen bei Nutzung hochauflösender Elektronenstrahllithographie

Betreuer: M.Sc. Enes Mutlu

(M.Sc./B.Sc.) Entwicklung und Charakterisierung von GaN basierten Bauelementen

Die stickstoffhaltigen Verbindungshalbleiter werden allgemein als Nitrid-Halbleiter bezeichnet. Die bekannteste Verbindung ist hier das Gallium-Nitrid (GaN), welches u.a. die Grundlage der modernen Beleuchtungstechnik in Form von LEDs ausmacht. Neben der hohen optoelektronischen Relevanz weisen sich die III-Nitrid Halbleiter in Hochleistungsbauelementen aus, wie z.B. den High-Electron-Mobility Transistors (HEMTs). Eine Besonderheit der Nitrid-Halbleiter liegt in ihrer Kristallstruktur. Im Material liegt richtungsabhängig ein spontanes und piezoelektrisches Polarisationsfeld vor. Dies wird gezielt zur Herstellung einfacher HEMTs genutzt, wirkt sich aber auf Quantenbauelemente, wie z.B. den LEDs, meist negativ auf ihre Effizienz aus.

In unserem Fachgebiet arbeiten wir an 2 GaN-basierten Bauelementen. Eines davon ist die resonante Tunneldiode (RTD) für Anwendungen in Oszillator Schwingkreisen. Das andere ist ein HEMT für die Anwendung als Sensor. Zu den Arbeiten gehört die Entwicklung der Epitaxie der Bauelemente aus der Metallorganischen Gasphasenepitaxie (nur Masterarbeiten), eine entsprechende Planung und Entwicklung der Technologie, sowie die Aneignung und Anwendung geeigneter Charakterisierungsmethoden in den einzelnen Phasen der Bauelemententwicklung. Die erarbeiteten Ergebnisse sollen zur Modellentwicklung und weiteren Optimierung der Prozesse und der Bauelemente genutzt werden.

Bei Interesse an den Nitrid-Bauelementen können Sie sich gerne bei uns für weitere Informationen melden.

Betreuer: M.Sc. Patrick Häuser

(M.Sc./B.Sc.) Arbeiten in der Aufbau- und Verbindungstechnik

Neben der Herstellung und Optimierung von Terahertz-(THz-)Halbleiterbauelementen, sowie des Schaltkreisdesigns von Hochfrequenz-MMICs, beschäftigen wir uns im Lehrstuhl für Bauelemente der Höchstfrequenzelektronik mit der Entwicklung von neuen Aufbau- und Verbindungstechniken. Die Aufbau- und Verbindungstechnik stellt das Bindeglied zwischen Chips und System dar. Damit können wir unsere THz Bauelemente in konkrete Anwendungen überführen.

Wir untersuchen kompakte, multifunktionale und leistungsstarke Höchstfrequenz-Module für den Einsatz in unterschiedlichen Anwendungsfeldern, wie der Kommunikationstechnik (BMBF 6G-HUB 6GEM) oder der Materialcharakterisierung und -identifizierung (DFG SFB MARIE). Hierbei werden auch verschiedene Halbleitertechnologien miteinander kombiniert, um die Vorteile der verschiedenen Technologien nutzen zu können, z.B. werden in einem Heterointegrationskonzept III-V-Halbleiter Chips aus Indiumphosphid und Silizium-Chips miteinander verschweißt, um gleichzeitig die Hochfrequenzperformanz der III-V-Halbleiter und die hohe Komplexität der Silizium-Chips auszunutzen.

In unserem Reinraum haben wir zur Integration einen speziellen Flip-Chip Ansatz entwickelt, der mit state-of-the-art Anlagen durchgeführt wird, um geeignete Printed Circuit Boards (PCBs) für unsere THz-Halbleiterchips herzustellen. Zum einen vereinfachen diese Aufbauten die Vermessung der Halbleiterchips, und zum anderen werden dadurch kompakte Module für Felddemonstrationen der THz-Halbleiterkomponenten realisiert. Hier entstehen Resonanztunneldioden-Sender und Empfänger für Materialcharakterisierung über 1 THz, sowie Verstärker- und Mischerschaltkreise auf spezieller InP-Transistortechnologie (HBT) für 6G Anwendungen bei 300 GHz. Zur Modulintegration mit Wellenleitern und Antennenstrukturen steht ab Ende des Jahres 2022 eine Mikropräzisionsfräse zur Verfügung, mit der sogenannte Split-Block Gehäuse mit integrierten Hohlwellenleitern hergestellt, welche in zwei Hälften gefräst und im Anschluss zusammengesetzt werden.

Bei Interesse in diesem Bereich können Sie sich gerne bei uns für weitere Informationen melden.

Betreuer: M.Sc. Christian Preuß

(B.Sc.) Prozessentwicklung für nano-skalierte HBTs mit Elektronenstrahl Lithografie

Hintergrund:

Der Indium-Phosphid Doppel-Heterostruktur Bipolar Transistor (InP DHBT) ist ein vielversprechender Kandidat für Höchstfrequenzanwendungen. Im Fachgebiet werden hoch performante HBTs entwickelt. Für die Bauelement Skalierung wird die Struktur der HBTs durch E-Beam Lithografie geschrieben.

Aufgabe:

Für die Entwicklung der HBTs werden zuerst elektronen-sensitive Fotolacke auf Wafer geschleudert und dann mit E-Beam beschrieben. In dieser Arbeit werden die Belichtungsparameter sowie die Entwicklung des Fotolacks untersucht. Anschließend werden die komplette HBTs geschrieben.

Betreuer: M.Sc. Hao Zhang

(M.Sc.) Optimierung der Emitter- sowie Basis-Kontakte für nano-skalierte HBTs

Hintergrund:

Der Indium-Phosphid Doppel-Heterostruktur Bipolar Transistor (InP DHBT) ist ein vielversprechender Kandidat für Höchstfrequenzanwendungen. Für hoch performante HBTs sind Metall-Halbleiter Kontakte mit geringem Wiederstand notwendig

Aufgabe:

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Parameter des Aufdampfprozesses für n- und p- Kontakte entwickelt. Für die Entwicklung von nano-skalierten Kontakten werden verschiedene Vorbehandlung des Wafers untersucht. Für die Charakterisierung des Wafers, sowie der Kontakte, werden unterschiedliche Anlage, sowie Messungsverfahren benutzt, z.B. REM, AFM, TLM-Messung und Hall-Messung

Betreuer: M.Sc. Hao Zhang

(M.Sc.) Entwurf von Integrierten Schaltungen in InP Halbleitertechnologien

Im Mobilfunkstandard der nächsten Generation (6G) sollen die Frequenzbereiche von 110 GHz bis 170 GHz und 220 GHz bis 330 GHz genutzt werden, um besonders hohe Datenübertragungsraten zu erreichen. Systeme, welche für diese Frequenzbereiche ausgelegt sind, stellen besonders hohe Anforderungen an die Performanz der verwendeten Halbleitertechnologie. Vielversprechende Halbleitertechnologien sind die auf Indium-Phosphid (InP) basierende Doppel-Heteroübergang-Bipolar-Transistor (DHBT) Technologien. Dabei werden die DHBTs und passive Komponenten verwendet, um Schaltungen für die Übertragungssysteme zu realisieren.

Wir entwerfen Schaltungen mit einer InP Halbleitertechnologie und untersuchen verschiedene Topologien, um Funktionen wie Mischer, Verstärker oder Oszillatoren für die genannten Frequenzbereiche zu implementieren.

Mögliche Themengebiete:
Implementation und Untersuchung einer Schaltung zur Umwandlung von symmetrischer zu asymmetrischer Signale (Balun).

Betreuer: M.Sc. Konrad Müller

(M.Sc.) Abschlussarbeiten in Kooperation mit Industrieunternehmen

High-Density Signal Routing at RF Frequencies for Heterogenous Integration (mit Fa. Bosch, Mobility Electronics - Sensors, Reutlingen) 

This master thesis is done in collaboration with Bosch, the leading supplier of MEMS-based systems-on-chip, which are ubiquitously present in a magnitude of applications ranging from automobiles to mobile phones. High-frequency, radio-frequency, and millimetre-waves and their respective transmission lines play an important role for data transmission, measurement signal propagation and sensing applications.

The primary issue of designing an impedance-matched transmission line architecture within integrated circuits and micro sensors, with high-power handling capability, is the low thickness of the isolation and metallization layers [1]. Secondly, there are no well-suited simulation models available at the transition frequencies between lumped and distributed element models, and the available metallization thickness (significantly smaller than the skin depth) results in high RF losses, requiring numerical modeling [2].

Your task in this project are as follows:

• Literature review on design-techniques of transmission lines at intermediate frequency range (0.01 – 10 GHz) on lossy substrates
• Investigation of loss minimization techniques by inspecting different transmission line concepts, corresponding geometrical parameters and substrate materials
• Investigate simulation techniques balancing lumped and distributed-element models and simulate designed geometries to accurately estimate all loss mechanisms
• Design and simulation of promising transmission lines including RF-interface for the packaged systems and estimating effects of vias, connectors, etc. at the I/O ports

Was erwartet Sie?

• Intensive Betreuung durch eine:n Doktorand:in in engagiertem Team
• Einbindung der Forschungsergebnisse in wiss. Veröffentlichungen im Fachgebiet
• Kontakt zu führendem Industrieunternehmen

Wen suchen wir?

• Studierende mit angestrebtem Abschluss in EIT
• Interesse an Design und Simulation mit modernen 3D-Softwarepaketen
• Idealerweise Vorkenntnisse in der Mikrowellentechnik und Feldsimulation
• Kenntnisse in Programmierung (Python o.ä.) zur Datenanalyse

Betreuer: M.Sc. Robin Kreß

[1] Cuviello, William & Coulton, Derek. (2003). Thin Film High-Density Interconnect (HDI) Design Guidelines.

[2] W. Heinrich, "Full-wave analysis of conductor losses on MMIC transmission lines," IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Long Beach, CA, USA, 1989, pp. 911-914 vol.3, doi: 10.1109/MWSYM.1989.38870.

Hier finden Sie eine Liste der bisher in unserem Lehrstuhl abgeschlossenen Projekt- und Abschlussarbeiten.

Abgeschlossene Arbeiten 2022

Masterarbeiten

• Entwicklung der Epitaxie von 3D GaN Nano-/Mikrostrukturen auf Saphir
• Development of an integrated thin-film resistor in the frequency range up to 0.5 THz
• Design of over 30 GHz Bandwidth Down-Conversion Active Mixer based on InP-HBTs for 6G Applications
• Design of a Low Noise D-Band Amplifier with more than 20 GHz Bandwidth based on InP-HBTs for 6G Applications

Bachelorarbeiten

• Konzeptionierung eines On-Wafer Messaufbaus und Hochfrequenz Charakterisierung von Indium-Phosphid Doppel-Heteroübergang Bipolar Transistoren
• X-Ray Diffractometry Analysis of Epitaxially Grown Semiconductor Layers for Electronic High Frequency Devices
• Umsetzung eines Transfer-Substrat THzMessaufbaus zur Charakterisierung von RTDOszillatoren
• Modeling of a slot antenna for THz oscillators
• Prozessentwicklung für die Emitter Basis Diode eines InP HBTs

Abgeschlossene Arbeiten 2021

Masterarbeiten

• Design of an InP DHBT and Physical Analysis of Linearity Trade-Offs
• Abrupt Nanowire pn-Heterojunctions for Detector Applications

Bachelorarbeiten

• Optimierung elektrischer Kontakte in Resonanztunneldioden (Abstract)
• Investigation and correction of the proximity effect in the electron-beam lithography process for InP-HBTs
• Prozessentwicklung zur Kontaktierung von GaN Nanodraht-LED Feldern (Abstract)
• Performanceoptimierung und Prozessweiterentwicklung der Resonanztunneldiode für Oszillatoranwendung (Abstract)

Bachelorprojektarbeiten

• Prozessierung und Charakterisierung von transparenten ITO Kontaktschichten als Elektrode für InGaN/GaN Nanodraht LEDs
• Konzeptentwicklung eines Sub-THz Oszillators mit Patch-Antennen