Forschung
FBH-Forschung: 26.08.2010
- Querschnittsschema einer UV-LED mit Nanopixelkontakten
- Kennlinien von LEDs mit konventionellem Kontakt (a) und Nanopixelkontakten unterschiedlicher Größe und Abstand: 4 µm (b), 2 µm (c) und 1 µm (d)
Als kompakte Lichtquellen sind Leuchtdioden (LEDs), die im ultravioletten (UV) Spektralbereich emittieren, für den Einsatz bei der Wasserreinigung, dem Aushärten von Kunststoffen, der Spektroskopie oder der Bioanalytik interessant. Für viele dieser Anwendungen muss die derzeit noch geringe Effizienz der UV-LEDs deutlich erhöht werden. Eine der zu lösenden Aufgaben besteht darin, dass ein Großteil des erzeugten UV-Lichts den Chip nicht verlässt sondern durch interne Absorption verloren geht. Mit einem neuartigen Ansatz beim Design des Halbleiterchips ist dem FBH hier ein Durchbruch gelungen. Im Unterschied zu herkömmlichen UV-LEDs wurde anstelle eines großflächigen elektrischen Kontakts oberhalb des lichtemittierenden Bereiches eine Matrix von Nanokontakten aus Palladium, sogenannte Nanopixel, verwendet und deren Zwischenräume durch Aluminium aufgefüllt. Während die Nanopixel für eine effiziente Strominjektion sorgen, wirkt das Aluminium als effizienter Reflektor für das UV-Licht und reduziert somit die Absorptionsverluste an der Chipoberfläche.
Die Funktionalität des Nanopixelkonzepts wurde anhand von LEDs, die bei einer Wellenlänge von 390 nm emittieren, nachgewiesen [vergleiche Lobo et al., Appl. Phys. Lett. 96, 081109 (2010)]. Lagen die Größe und der Abstand der Nanopixel im Bereich von 1 µm, so war die Effizienz entsprechender LEDs um bis zu 90% höher als bei konventionellen Kontaktdesigns. Theoretische Berechnungen haben gezeigt, dass erst bei diesen kleinen Dimensionen die Ströme aus den einzelnen Nanopixeln im Bereich der aktiven Zone überlappen, sodass für die Emission im Bereich zwischen den Nanopixeln der darüber liegende Reflektor wirksam wird. Gegenwärtig werden LEDs mit Nanopixelkontakten auch für kürzere Wellenlängen entwickelt und mit anderen Verfahren zur Steigerung der Lichtextraktionseffizienz und Senkung des thermischen Widerstandes kombiniert.
FBH-Forschung: 03.08.2010
- Transistorgate aus p-dotiertem GaN mit Metallkontakt
- Flip-Chip-montierter 50 A / 250 V GaN-Leistungstransistor
Am FBH ist es gelungen neuartige Galliumnitrid (GaN) -Leistungstransistoren zu entwickeln, die bis zu 1000 Volt Durchbruchfestigkeit bieten. Zusätzlich können sie nur durch das Anlegen einer positiven Steuerspannung von mehr als 1 V geöffnet werden – sie sind selbstsperrend – was aus Sicherheitsgründen eine Voraussetzung für ihren Einsatz in der Leistungselektronik ist.
Das selbstsperrende Schaltverhalten wird durch ein neu entwickeltes Gatemodul aus p-dotiertem GaN erreicht. Ein in der Tiefe scharf begrenzter Transistorkanal ist für die hohe Spannungsfestigkeit der Transistoren verantwortlich.
Aufgrund seiner vorteilhaften Materialeigenschaften bietet sich Galliumnitrid als Halbleitermaterial für die Leistungselektronik an. GaN hat einen höheren Bandabstand und eine höhere Durchbruchfeldstärke als Silizium. GaN-Transistoren können bei einer höheren Temperatur betrieben werden und im Vergleich zu einem gleich großen Siliziumtransistor können größere Spannungen und höhere Ströme geschaltet werden. In der Folge treten weniger Leistungsverluste auf. Darüber hinaus sorgen geringere parasitäre Kapazitäten und bessere elektronische Eigenschaften des Materials für schnellere Schaltgeschwindigkeiten – die Konvertermodule können kleiner werden. Wegen der höheren möglichen Betriebstemperatur sinkt der Kühlaufwand, Gewicht und Baugröße der Leistungskonverter verringern sich weiter. Bei einem Elektroauto beispielsweise bedeutet dies eine deutliche Energieersparnis.
Insgesamt haben Leistungskonverter mit Galliumnitrid-Transistoren einen höheren Wirkungsgrad als jene mit Silizium-Transistoren. Sie sind robuster, schneller und effizienter. Daher sind GaN-Leistungstransistoren für die Industrie hoch interessant.
FBH-Forschung: 16.07.2010
- Neue E-Beam SB251 am FBH
- 150 nm T-Gate hergestellt mit Elektronenstrahllithographie
Im Juni 2010 wurde die neue Elektronenstrahl-Belichtungsanlage (E-Beam) SB251 der Firma VISTEC dem FBH termingerecht übergeben. Die Formstrahl-Anlage erlaubt Belichtungen mit einer Präzision von unter 50 nm auf bis zu 8-Zoll-Wafern und ist eines der zentralen Geräte für die Bauelementeentwicklung nach dem neuesten technologischen Stand.
Unter anderem wurde die Leistungsfähigkeit der Anlage für Gatetechnologien von Hochleistungstransistoren und für Gittertechnologien optoelektronischer Bauelemente nachgewiesen. Basierend auf der FBH-Technologie wurden durch Metall-Lift-off 50 nm breite Metallstreifen erzeugt und T-Gates mit 150 nm Fußbreite sicher nachgewiesen. Gitterstrukturen mit 70 nm Linienbreite ("lines and spaces") wurden mit einem Standard-Lackprozess des FBH erzeugt.
Vor dem Einbau der Ebeam mussten zunächst die anspruchsvollen Betriebsvoraussetzungen in Bezug auf Temperaturstabilität, elektromagnetische Wechselfelder und mechanische Schwingungen geschaffen werden. Dafür waren umfangreiche Umbauten im Herbst 2009 nötig: der Reinraum wurde stillgelegt um ein neues Fundament zu errichten und die Klimaanlage zu modernisieren. Geliefert wurde die Anlage Anfang Dezember 2009 und in den Reinraum eingebracht. Bereits im April 2010 war die SB251 vollständig betriebsbereit und wurde seitdem regelmäßig zum Belichten von Lithographiemasken eingesetzt.
FBH-Forschung: 24.06.2010
- Atmosphärische Plasmaquelle im Betrieb
- Innenleben der Plasmaquelle
Plasmen bei Atmosphärendruck stehen derzeit im Focus vieler Forschungsaktivitäten, da sie neue Anwendungsfelder im medizinischen und technischen Bereich erschließen können. Am FBH wurde zusammen mit der Aurion Anlagentechnik eine neue Mikrowellen-Plasmaquelle für den Betrieb bei Atmosphärendruck entwickelt. In diese Quelle ist der Mikrowellenoszillator integriert, der als verstärkendes Element einen beim FBH gefertigten GaN-Leistungstransistor enthält. Aufgrund des integrierten Konzeptes kann die Quelle kostengünstig gefertigt werden, weiterhin ist ein sicherer Betrieb ohne hohe Spannungen möglich.
Dieses ist derzeit die weltweit einzige Plasmaquelle, die einen GaN-Transistor für die Leistungserzeugung verwendet. Es wird eine Versorgungsspannung von nur 24 V benötigt, der Mikrowellenoszillator liefert eine Leistung von ca. 10 W an das Plasma. Das Mikroplasma im Inneren der Quelle erreicht eine Temperatur von mehr als 1200°C. Diese ist viel höher als z. B. bei Barriereentladungen und eröffnet interessante plasmachemische Anwendungen, dennoch ist die Temperatur im Behandlungsbereich außerhalb der Quelle kleiner als 60°C.
Schlüssel zum Erfolg war die Entwicklung von neuen Mikrowellen-Messverfahren, mit denen das nichtlineare und dynamische Impedanzverhalten der Plasmalast untersucht wurde. Dadurch konnte die Schaltung des Leistungsoszillators optimal ausgelegt werden.
Im Anschluss an die Optimierung mehrerer Prototypen wurde jetzt eine erste Pilotserie gefertigt. Nach dem Aufbau und der elektrischen Inbetriebnahme beim FBH wurden die Quellen bei Aurion quantitativ auf ihre Prozessfähigkeit hin vermessen. Dabei hat sich gezeigt, daß die Aktivierungsleistung hoch ist und die Serie eine geringe Streuung aufweist. Derzeit werden die Quellen zur Erprobung und Applikationsentwicklung an Anwender weitergegeben.