Mikroelektronik: Immer kleiner, immer effizienter

2/25: Elektronische Geräte werden nicht von selbst immer kleiner. Dahinter steht intensive Forschungsarbeit, auch von insgesamt acht CD-Labors am Institut für Mikroelektronik der TU Wien.

Seit 1989 das erste CD-Labor am heutigen Institut für Mikroelektronik startete gab es massive Entwicklungen: Heute existieren mikroelektronische Bauteile vom kleinsten, hochsensitiven Sensor in der Medizintechnik bis zum Wechselrichter von Photovoltaik-Anlagen, der sehr hohen Spannungen standhalten muss. Bisher acht CD-Labors am Institut für Mikroelektronik trugen zu dieser Entwicklung bei. 

Die Eroberung der dritten Dimension

Damals wie heute waren es Transistoren, die aus dem angelegten Strom logische „Nullen“ und „Einsen“ machen, als Basis für Bits und Bytes. Frühe elektronische Schaltungen kann man sich wie Dörfer vorstellen: Transistoren als Häuser, verbunden durch Straßen, sprich Leitungen, die nicht überlastet werden („durchbrennen“) dürfen. Mit der Zeit eroberte die Mikroelektronik die dritte Dimension: Hochhäuser und U-Bahnen wurden integriert, aus Dörfern wurden Großstädte wie Manhattan oder Tokio. Wie aber werden all diese Transistoren optimal gebaut, angeordnet, verdrahtet und geschaltet? Das 1989 gestartete CD-Labor für Integrierte Bauelemente arbeitete bereits damals an computerbasierten mathematischen Modellen und an Modellierungssoftware für mit Phosphor, Bor oder Arsen angereichertes (dotiertes) Silizium. Dessen Verhalten, wenn Spannung angelegt wird, wurde mit einem Computerprogramm (damals FORTRAN) abgebildet. Die so entwickelten Softwareprogramme erwiesen sich als sehr erfolgreich, und 2008 wurde ein Spin-off von Mitarbeitern des Instituts gegründet: Global TCAD Solutions, das heute über 40 Mitarbeiter*innen und Büros in Taiwan und Indien hat und nun wieder Partner eines CD-Labors ist. 

In der Folge wurden die Simulationswerkzeuge um immer neue Fragestellungen erweitert: Leistungsbauelemente, Verdrahtungen, Speicher, Sensoren – und das für eine immer größer werdende Anzahl an verwendeten Materialien.

Die Kombination bringt’s

Die chemischen Bindungen der Atome in elektronischen Bauteilen lassen sich quantenmechanisch mittels der Schrödingergleichung beschreiben. Aber selbst dünnste Schichten enthalten noch viele tausend Atome – für so große Systeme lässt diese Gleichung sich nicht mehr lösen. Man verwendet daher einen Multiskalenansatz: Für einige wenige Atome lassen sich deren Bewegungen noch berechnen. Für die nächsthöhere Ebene abstrahiert man diese Berechnungen und zieht auch Messergebnisse hinzu. So arbeitet man sich von Ebene zu Ebene vor, bis man schließlich ein ganzes Bauteil bis hin zu komplexen Schaltungen simulieren kann. Diese Kombination aus Rechnen und Messen hat sich als sehr erfolgreich herausgestellt, um das Verhalten von Bauelementen (Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit, Alterung) mit ausreichender Näherung zu beschreiben.

Ohne Messen kein Modellieren

Andere CD-Labors arbeiten an den Grundlagen für sehr leistungsfähige und schnelle elektronische Messgeräte. Diese sind wichtig, um zufällig auftretende Einzeldefekte in der atomaren Struktur lokalisieren zu können: Ist ein Atom an der falschen Stelle oder „verläuft“ sich ein Elektron, führt das zu reduziertem Stromfluss bei derselben Spannung. Mit stark verfeinerten Volt- und Amperemetern können einzelne Elektronen beobachtet und Daten mit theoretischen Vorhersagen verglichen werden, wodurch diese Defekte erkannt und lokalisiert werden können.

Der Weg in die Zukunft

Die großen Trends der Mikroelektronik – Miniaturisierung, Differenzierung für verschiedene Anwendungen und Nutzung verschiedenster Elemente – werden auch künftig Thema der Forschung bleiben, und als Methoden werden KI und Machine Learning immer wichtiger. Drängende neue Herausforderungen betreffen die Nachhaltigkeit in der Produktion (Wasser, Energie, Umweltgifte) und die Kreislauffähigkeit, die derzeit noch oft an der Vielzahl an verbauten Elementen scheitert. Es gab beträchtliche Fortschritte, die aber durch das immense Produktionswachstum eingeholt wurden. Die Forschung stellt sich auch dieser Herausforderung.

Die Unternehmenspartner

Chronologie: Die CD-Labors von...

Mehrwert für die Wissenschaft

Die Weiterentwicklung elektronischer Bauteile braucht drei Standbeine: Sehr genaue Messung der Vorgänge in Bauteilen, statistische Analyse vieler solcher Messungen und Berechnungen aufgrund der physikalischen und quantenmechanischen Eigenschaften der verwendeten Materialien. Das Institut für Mikroelektronik ist weltweit eines der wenigen in dem alle drei Wissensgebiete angesiedelt sind. Der so gewonnene Gesamtüberblick des Problems vermindert etwa das Risiko, dass die Modellierung auf Basis von Messfehlern gemacht wird. Mit jedem neuen CD-Labor erschloss das Institut einen neuen Themenbereich, die gute Integration innerhalb eines Instituts führt zur vollen Stärke.

Mehrwert für die Unternehmen

Für die Unternehmenspartner bedeuten die Ergebnisse aus den CD-Labors eine Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit durch bessere Produkte sowie Sichtbarkeit in der Wissenschaftsgemeinde und positive Impulse für Öffentlichkeitsarbeit und Marketing. Konkret wurde etwa die Simulationssoftware „Victory Process“ von Silvaco durch CD-Labors signifikant verbessert, z.B. durch neuartige Algorithmen für Topographie-Simulationen und physikalische Ätz- und Abscheidungsmodelle bzw. neue Defektmodelle. Auch für magnetisch-resistive Speicher wurde ein hochmoderner Simulator entwickelt, der die Entwicklung dieser zukunftsträchtigen Bauelemente vorantreiben wird.
Infineon berichtet von einem ganzheitlichen Verständnis der Physik an Grenzflächen zwischen Siliziumcarbid und Siliziumdioxid – einer Voraussetzung dafür, Schaltleistung und Stabilität besser zu verstehen, Lernzyklen zu beschleunigen und schnellere Weiterentwicklungen zu ermöglichen.
ams OSRAM AG hat insbesondere für Sensoren für consumer & medizinische Produkte als auch im Automobilbereich wichtiges Grundlagenwissen gewonnen um diese Sensoren zu simulieren und damit effizienter weiterentwickeln zu können.
Global TCAD Solutions schließlich konnte seine Simulationssoftware insbesondere im Bereich der Leistungselektronik verbessern, also für Anwendungen mit hoher Spannung und Stromstärke, zum Beispiel Wechselrichter für Photovoltaik-Anlagen oder für E-Autos, Züge und U-Bahnen. Auf Basis der Forschungsarbeiten konnte die Software an neue Technologien und Entwicklungen der Branche adaptiert werden.

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