Schlagwort: ‘AMO’
Neue Dimensionen für Mikroelektronik: RWTH und TU Dresden starten gemeinsames Großprojekt
Künstlerische Visualisierung eines gestapelten Chips in Form eines Wolkenkratzers. © TU Dresden / cfaed
Professor Max Lemme ist Co-Sprecher des neuen DFG-Sonderforschungsbereichs „Active-3D“. Ziel ist die weitere Leistungssteigerung von Mikrochips, indem das bislang ungenutzte Volumen über der Chipfläche in die Funktion integriert wird.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert mit dem neuen Sonderforschungsbereich/Transregio (SFB/TRR-404) Zukunftsweisende Elektronik durch aktive Bauelemente in drei Dimensionen (Active-3D) ein wegweisendes Forschungsprojekt, das die Miniaturisierung in der Mikroelektronik in eine neue Phase führen will. Mit Professor Max Lemme, Inhaber des Lehrstuhls für Elektronische Bauelemente an der RWTH Aachen University, ist ein renommierter Wissenschaftler der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik als Co-Sprecher an zentraler Stelle beteiligt. Gemeinsam mit Professor Thomas Mikolajick von der TU Dresden koordiniert er das Verbundprojekt, an dem mehrere Universitäten und außeruniversitäre Forschungseinrichtungen beteiligt sind.
Das Ziel des Sonderforschungsbereichs: Die dritte Dimension elektronisch nutzbar machen. Während herkömmliche Chips vor allem in der Fläche optimiert wurden, soll nun auch das darüber liegende Volumen – also der Bereich der sogenannten Metallisierungsebene (Back-End of Line, BEOL) – für aktive Bauelemente, die Logik- und Speicherfunktionen sowie schaltbare Verbindungen ermöglichen, erschlossen werden. Auf Basis neuer Materialien werden innovative Bauelemente entwickelt und in Schaltungen und Systeme integriert, die Verbesserungen in Bezug auf die Schlüsselindikatoren Leistung, Verarbeitungsgeschwindigkeit und Fläche versprechen. Material, Technologie und Schaltkreise werden im Rahmen des Technologie-Design-System-Co-Entwicklungsansatzes gleichzeitig neu entwickelt. Dadurch ist es möglich, Funktionalitäten über das bisher der passiven Verdrahtung vorbehaltene Volumen zu verteilen und somit das gesamte Volumen des Chips auszunutzen. So könnten völlig neue 3D-Elektroniksysteme entstehen, die nicht nur leistungsfähiger, sondern auch energieeffizienter und kompakter sind.
„Mit dem TRR ‚Zukunftsweisende Elektronik durch aktive Bauelemente in drei Dimensionen (Active-3D)‘ wird Deutschland und Europa in der Mikroelektronik-Grundlagenforschung gestärkt“, erklärt Professor Mikolajick. „Die involvierten Forscher:innen an den verteilten Standorten ergeben zusammen eine optimale Voraussetzung für das Erforschen der Nutzung des gesamten Volumens eines Chips für aktive Bauelemente.“
Bereits mit dem Auftakt des Großprojekts ist ein schlagkräftiges Netzwerk, das an der Spitze der internationalen Elektronikforschung mitwirkt, entstanden. Zu den Partnern zählen das Forschungszentrum Jülich, die AMO GmbH, die NaMLab gGmbH, das Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle und die Ruhr-Universität Bochum. Das Format des Sonderforschungsbereichs/Transregio ermöglicht eine enge, standortübergreifende Zusammenarbeit. Die RWTH und die TU Dresden teilen sich die wissenschaftliche Verantwortung und bringen jeweils komplementäre Schwerpunkte ein. Darüber hinaus werden Nachwuchswissenschaftler:innen weiterer Hochschulen und außeruniversitärer Forschungseinrichtungen eingebunden. Rund 15 Promotions- und Postdoc-Stellen sind bereits besetzt, eine weitere Stelle ist noch ausgeschrieben. Im Projektverlauf sollen weitere Stellenangebote folgen.
Offene Stellenanzeigen werden auf der Homepage des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik zu finden sein.
Graphen in der Mikroelektronik – Forschung für die Serienreife
Professor Max Lemme ist Inhaber des Lehrstuhls für Elektronische Bauelemente an der RWTH Aachen University und Direktor der gemeinnützigen Forschungseinrichtung AMO GmbH. © Martin Braun
Im Rahmen des abgeschlossenen europäischen Projektes 2D-Experimental Pilot Line (2D-EPL) wurden bei der AMO GmbH zwei Multiprojekt-Wafer-Läufe realisiert, in deren Fokus die Großserienproduktion von elektronischen Bauelementen auf Basis von Graphen stand.
Die Entdeckung von Graphen und anderen zweidimensionalen Materialien erfolgte im Jahr 2004 und wird als potenziell revolutionär für den Fortschritt in der Mikroelektronik angesehen. Die hohe Ladungsträgerbeweglichkeit, die breitbandige optische Absorption, die geringe Dicke und die große mechanische Festigkeit des Materials weckten große Erwartungen für den Einsatz von Graphen in der Elektronik, Optoelektronik und Sensorik.
„Es gibt inzwischen zahlreiche Publikationen, die Prototypen von Bauelementen auf der Basis von 2D-Materialien zeigen, deren Leistungen deutlich über dem Stand der Technik liegen“, sagt Cedric Huyghebaert, technischer Leiter des 2D-Experimental Pilot Line-Projekts.
Dennoch hat die Halbleiterindustrie bislang keine kommerziell nutzbaren Graphen-Bauelemente hergestellt. Dies ist auf eine Reihe von Herausforderungen zurückzuführen, darunter beispielsweise das Graphenwachstum, die Graphenübertragung und -reinigung. Der Übergang von wissenschaftlichen Experimenten, die nur wenige Graphen-Bauelemente umfassen, zu realen Anwendungen, die auf zuverlässigen Herstellungsverfahren für die Massenproduktion basieren, stagniert.
Die 2D-EPL war ein von der Europäischen Kommission mit 20 Millionen Euro gefördertes Projekt, das darauf abzielte, die technische Realisierbarkeit der Herstellung von Geräten auf der Basis von Graphen und anderen zweidimensionalen Materialien in großem Maßstab zu demonstrieren und somit die Markteinführbarkeit zu fördern. Zu diesem Zweck wurden im Zeitraum vom Oktober 2020 bis September 2024 sämtliche Akteure entlang der Wertschöpfungskette gebündelt und insgesamt fünf Multiprojekt-Wafer-Läufe (MPW-Läufe) realisiert. Da neben der Entwicklung von Prozessmodulen auf Industrieniveau auch die Lieferung von graphenbasierten Geräten an Kunden ein weiteres Ziel darstellte, bestand bei jedem dieser Läufe für Universitäten, Forschungsinstitute und Unternehmen die Möglichkeit, ihre Bauelemente auf einem Wafer-Chip kundenspezifisch bearbeiten zu lassen.
„Unser endgültiges Ziel ist es, zu zeigen, dass es möglich ist, eine breite Palette von Geräten auf der Grundlage zweidimensionaler Materialien in einer Weise herzustellen, die für die Industrie interessant ist, und jeder projektübergreifende Wafer-Lauf soll einen Meilenstein in diese Richtung setzen“, erklärt Professor Max Lemme, wissenschaftlicher Direktor der AMO GmbH und Inhaber des Lehrstuhls für Elektronische Bauelemente an der RWTH Aachen.
Die AMO GmbH führte den ersten und dritten Multiprojekt-Wafer-Lauf in einer hochmodernen Reinraumumgebung aus. Im Rahmen des ersten MPW-Laufs erfolgte die Definition von Graphen-Feldeffekttransistoren mit freiliegenden Graphenkanälen für chemische und Biosensor-Anwendungen, während im Rahmen des zweiten MPW-Laufs die Definition von Transistoren mit dielektrischer Verkapselung für elektronische Anwendungen realisiert wurde. Dabei wurden die spezifizierten Leistungsparameter für Beweglichkeit, Ladungsneutralpunkt, Schichtwiderstand und Kontaktwiderstand gemessen. Wurden die Zielwerte erreicht und wies die lichtmikroskopische Analyse eine akzeptable Qualität in Bezug auf Lift-off und Ätzen auf, so galt der Wafer als auslieferungsbereit. Die Forschenden stießen auf bekannte Herausforderungen, wie die Rückstandsbildung des Resists, die insbesondere bei Biosensor-Anwendungen problematisch sein kann, da eine reine Graphenoberfläche erforderlich ist. Darüber hinaus gab es zu diesem Zeitpunkt noch unbekannte Problemstellungen, wie beispielsweise unerwartete kundenspezifische Anforderungen und deren technische Realisierung, die es zu lösen galt.
„Wir betrachten die Wafer-Läufe als erfolgreich, da die Ausbeute und die Leistung der Geräte die ursprünglichen Spezifikationen auf allen Wafern erfüllten oder übertrafen. Darüber hinaus konnten alle Kunden ihre Bestellungen in der vorgesehenen Zeit erhalten“, heißt es in dem wissenschaftlichen Artikel, der die Ergebnisse des ersten und dritten Multiprojekt-Wafer-Laufs vorstellt.
Die Resultate der insgesamt fünf Multiprojekt-Wafer-Läufe bilden das Fundament des Nachfolgeprojekts 2D-Pilot Line (2D-PL). Das Ziel der aktuellen Pilotlinie besteht in der Stärkung des europäischen Ökosystems für die Entwicklung von Integrationsmodulen für photonische und elektronische Prototyping-Dienste. Der Fokus der Arbeiten liegt auf der Reifung von Halbleitertechnologien sowie der Bereitstellung von Informationen zur Unterstützung der industriellen Einführung. In diesem Kontext werden umfassende Prototyping-Dienstleistungen für die Integration von 2D-Materialien, wie Graphen, auf etablierten Halbleiterplattformen mit Siliziumtechnologien angeboten.
Der wissenschaftliche Artikel Multi-project wafer runs for electronic graphene devices in the European 2D-Experimental Pilot Line project liefert weiterführende Einblicke in die Multiprojekt-Wafer-Läufe eins und drei.
Die Homepage des Lehrstuhls für Elektronische Bauelemente beinhaltet weiterführende Informationen zu dem Thema.
Der Jahresbericht 2023 des Graphene Flagship gibt einen Überblick über die Arbeiten der 2D-Experimental Pilot Line und stellt den aktuellen Stand der 2D-Materialforschung in Europa sowie neue Projekte vor.
Stipendiat entwickelt Schutzhelme aus Schneckenhäusern
© Judith Peschges
Bayode Adeyanju aus Nigeria entwickelt am Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (ELD) neuartige Schutzhelme, die natürliche und künstliche Materialien kombinieren.
Im Februar kam der Wissenschaftler mit einem Stipendium des Deutschen Akademischen Austauschdienstes (DAAD) an den Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente der RWTH Aachen. Bis Mai forscht er dort im Team von Lehrstuhlinhaber Professor Max Lemme an der Entwicklung stabiler Helme, die Stöße optimal abfedern und besonders guten Schutz bieten. Für seine Studien kombiniert Adeyanju künstliche Kevlar-Fasern mit natürlichen Schneckenschalen-Nanopartikeln. In Nigeria werden die Gehäuse von Schnecken gemeinhin als Abfall und Umweltproblem betrachtet, doch sie haben eine besondere Eigenschaft, die sie für die Materialforschung interessant macht: ihren hohen Kalziumgehalt. Der Wissenschaftler zerkleinerte beide Materialien und mahlte sie fein. In Kombination mit Epoxidharz wurde die Substanz in eine Form gefüllt und ausgehärtet. Im Anschluss führte Adeyanju verschiedene Tests durch, um die Schlagzähigkeit, Härte und Dichte der Helme zu bestimmen. Die Kombination der vorteilhaften Eigenschaften der beiden Ausgangsmaterialien bildet die Grundlage für die Herstellung von leistungsfähigen Schutzhelmen.
In seiner Studie präsentiert Adeyanju die Ergebnisse seiner Forschung, die darauf hindeutet, dass die Kombination von natürlichen und künstlichen Materialien die Entwicklung innovativer Schutzmaterialien ermöglicht. An der RWTH nutzt der Stipendiat die hochmodernen Forschungseinrichtungen und Geräte, um ausgewählte Materialien zu charakterisieren. Untersuchungen dieser Art wären an seiner Heimatuniversität in Nigeria nicht möglich.
„Wissen ist Macht“, sagt der junge Forscher und betont: „Die RWTH hat alles, was es benötigt, um die Welt zu verändern.“
In Aachen sei ihm als erstes aufgefallen, wie früh am Abend die Straßen ruhiger würden und die Menschen nach Hause gingen, erzählt Bayode Adeyanju. Ganz anders als in seiner Heimat Nigeria, wo er es gewohnt ist, dass häufig Freundinnen und Freunde bei ihm und seiner Familie zu Gast sind. Auch wenn Aachen abends ruhiger ist als Nigeria, fühlte sich Adeyanju von Beginn seines Forschungsaufenthaltes an willkommen. Dazu trägt auch die AMO GmbH, ein gemeinnütziges Forschungsunternehmen, bei, das seinen viermonatigen Aufenthalt mit unterstützt. Und nach einem Monat an der RWTH Aachen steht für Bayode Adeyanju fest: Er möchte nach Möglichkeit wiederkommen und seine Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (ELD) fortsetzen.
„Sowohl von meinen Kolleginnen und Kollegen im ELD und bei AMO als auch den Studierenden habe ich jede Menge Unterstützung erfahren und fühle mich hier sehr wohl“, so der Wissenschaftler.
Bereits vor zwei Jahren entschied sich Adeyanju für eine Bewerbung beim DAAD, im vergangenen Jahr erhielt er die Zusage. Der Deutsche Akademische Austauschdienst gehört zu den bedeutendsten Förderorganisationen für den internationalen Austausch von Studierenden sowie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern. Der von deutschen Hochschulen und Studierendenschaften finanzierte Verein verfolgt das Ziel, künftige Fach- und Führungskräfte auf verantwortungsbewusstes Handeln vorzubereiten und dauerhafte Verbindungen in der ganze Welt zu schaffen. Indem die Stipendiaten fachlich und kulturell miteinander vernetzt werden, soll dieses Anliegen gelingen. Seit seiner Gründung im Jahr 1925 hat der DAAD mehr als 2,9 Millionen junge Akademiker im In- und Ausland gefördert. Institutionell unterstützt wird er durch das Auswärtige Amt.
Mit seinem Motto „Wandel durch Austausch“ unterstreicht der DAAD die Bedeutung von internationalem Verständnis und Zusammenarbeit. Ein weiteres zentrales Anliegen des Vereins ist es, Entwicklungsländer dabei zu unterstützen, leistungsfähige Hochschulen aufzubauen und damit zur sozialen, wirtschaftlichen und politischen Entwicklung beizutragen.
