05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik

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    Sharp MIR plasmonic modes in gratings made of heavily doped pulsed laser-melted Ge1-xSnx
    (2023) Berkmann, Fritz; Steuer, Oliver; Ganss, Fabian; Prucnal, Slawomir; Schwarz, Daniel; Fischer, Inga Anita; Schulze, Jörg
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    Der Germanium-Zener-Emitter für die Silizium-Photonik
    (2020) Körner, Roman; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)
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    Monolithische Integration von Millimeterwellenbauelementen auf rückseitenstrukturiertem Silizium
    (2007) Hasch, Jürgen; Kasper, Erich (Prof. Dr.)
    Die vorliegende Arbeit untersucht die monolithische Integration aktiver und passiver Millimeterwellen-Komponenten auf hochohmigem Silizium in der sogenannten Silicon Millimeter Wave Integrated Circuit (SIMMWIC)-Technologie. Ziel ist es, mit Hilfe von Standard-Prozessen aus der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik, ein Integrationskonzept darzustellen, mit dem sich der Hochfrequenzteil eines Radar-Sensors als monolithisch integrierte Schaltung im Millimeterwellenbereich realisieren lässt. Ein solcher Hochfrequenzteil besteht zumindest aus Sendesignalerzeugung, passiven Strukturen zur Signalverteilung, einem Antennenelement als Schnittstelle zu den elektromagnetischen Wellen im Freiraum und einer Empfängerschaltung, die typischerweise in Form eines Mischers ausgeführt wird. Der Einsatz eines solchen "Radar-ICs" als komplett monolithisch integrierte Schaltung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem bisher verbreiteten Aufbau aus diskreten Komponenten. So kann durch den Wegfall diskreter Hochfrequenz-Komponenten die Anzahl der eingesetzten Bauelemente reduziert und die Baugröße des Sensors verringert werden. Durch die Integration aller Hochfrequenz-Komponenten ist außerdem eine wesentlich vereinfachte elektrische Kontaktierung möglich, da keine Hochfrequenzsignale von der Halbleiterschaltung nach außen geführt werden müssen. Dies ermöglicht auch den Einsatz einer einfachen Leiterplattentechnologie für die umgebenden Schaltungskomponenten. Durch den Einsatz einer Standard-Backend-Technologie aus der Mikroelektronik können Leiterstrukturen im Mikrometerbereich realisiert werden. Dies erlaubt die präzise Herstellung von Schaltungskomponenten mit sehr geringen Abmessungen, eine Voraussetzung für Arbeitsfrequenzen oberhalb von 100 GHz. Zusätzlich zur Strukturierung der Leiterstrukturen auf der Oberseite des Siliziumwafers, wird mit Hilfe eines Verfahrens zum anisotropen Ätzen von Silizium (dem sogenannten Bosch-Prozess) die Rückseite des Siliziumwafers selektiv rückgedünnt, damit dort partiell eine dünne Siliziummembran entsteht. Im Bereich dieser Membran können Mikrostreifenleitungsstrukturen mit sehr günstigen Hochfrequenzeigenschaften und einer Leitungsdämpfung von weniger als 0,3 dB/mm für den Frequenzbereich von 90-140 GHz realisiert werden. Diese günstigen Eigenschaften konnten durch messtechnische Untersuchung nachgewiesen werden. Ein wesentlicher Bestandteil des Integrationskonzeptes ist die Verfügbarkeit eines integrierten Antennenelements. Erst damit ist eine vollständige monolithische Integration der grundlegenden Millimeterwellenkomponenten auf der Siliziumschaltung erreicht. Dazu wurde eine Mikrostreifen-Patchantenne untersucht und charakterisiert. Trotz der hohen Permittivität von Silizium konnte gezeigt werden, dass sich ein Patch-Antennenelement auf Basis von Mikrostreifenleitungen mit einem Wirkungsgrad von mehr als 50% realisieren lässt. Die Integration aktiver Bauelemente wurde anhand einer Impatt-Diode untersucht, die mittels Molecular Beam Epitaxy direkt auf dem Siliziumwafer hergestellt wird. Mit Hilfe dieses Verfahrens können Halbleiterschichten mit einer genau definierten Schichtdicke und Dotierung erzeugt werden. Durch aufeinander folgendes Abscheiden mehrerer dotierter Halbleiterschichten und anschließendem selektiven Ätzen konnten Impatt-Dioden mit Lawinenfrequenzen von bis zu 110 GHz hergestellt und gemessen werden. Die Impatt-Dioden wurden bis 140 GHz messtechnisch in ihren Kleinsignaleigenschaften charakterisiert. Durch Parameterextraktion konnte ein einfaches Ersatzschaltbild für die Impatt-Diode bestimmt und das Hochfrequenzverhalten der Diode in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt untersucht werden. Basierend auf einer Impatt-Diode als aktivem Element wurden Oszillatoren auf Basis von Koplanarleitungen entworfen und charakterisiert. Es konnten Oszillatoren mit einer Arbeitsfrequenz von bis zu 124 GHz bei 1dBm Ausgangsleistung realisiert werden. Die maximale Ausgangsleistung wurde für einen 104 GHz-Oszillator mit 11,4dBm erreicht. Abschließend wurde eine Transmitterschaltung entworfen und realisiert, die mikromechanisch strukturierte passive Strukturen und aktive Bauelemente in Form von Impatt-Dioden enthält.
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    Germanium-Zinn Molekularstrahlepitaxie zur Herstellung von L-Band Photodioden
    (2013) Werner, Jens; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil)
    Die wichtigsten Lichtwellenlängen für Telekommunikationssysteme sind momentan 1310 nm und 1550 nm. Dies liegt vor allem an der geringen Dämpfung, der zurzeit verwendeten Glasfasermaterialien, bei diesen Wellenlängen. Um moderne Multiplexverfahren (wie z.B. dem Dichte-Wellenlängen-Multiplex-Verfahren (DWDM)) verwenden zu können werden vor allem Betriebswellenlängen zwischen 1530 nm und 1625 nm, den sogenannten C- und L-Bändern, benötigt. Die dann eingesetzten optoelektronischen Bauelemente müssen ihren Arbeitsbereich ebenfalls in diesen Wellenlängenbereichen haben. Damit Halbleiterbauelemente kostengünstig hergestellt und ebenso für On-Chip Kommunikation eingesetzt werden können, ist eine Realisierung dieser Bauteile auf Silizium notwendig. Silizium ist das Rückgrat der CMOS-Technologie, was vor allem an den Materialkosten und der Verfügbarkeit des Grundmaterials liegt. Somit ist es sinnvoll, dass zukünftige optoelektronische Bauelemente vollständig siliziumkompatibel sind. Das Problem bei der Verwendung von Silizium ist, dass Silizium aufgrund seiner Bandlücke zwar vor allem im Bereich von ultravioletten und nahem Infrarot (~1000 nm) Licht empfindlich ist, jedoch für Wellenlängen von > 1100 nm transparent ist. Eine Ausweitung der optischen Empfindlichkeit kann durch Beimischungen von hohen Anteilen an Germanium (> 90 %) erreicht werden. So konnte vor allem in den letzten Jahrzehnten, durch eine ständig steigende Qualität von Silizium-Germanium-Heterostrukturen, Photosensoren hergestellt werden für den wichtigen Lichtwellenlängenbereich von 1310 nm und 1550 nm. Der Vorteil an Germanium ist dabei, dass es auf Silizium vollständig integrierbar ist. Jedoch ist auch die optische Empfindlichkeit von Germanium bei 1550 nm nicht besonders hoch. Erste Berechnungen in den frühen 90ern Jahren zeigten, dass durch eine Beimischung von Zinn, die optische Empfindlichkeit von Germanium bei 1550 nm erheblich erhöht werden kann und es zudem zu einer Verschiebung der optischen Empfindlichkeit zu größeren Wellenlängen > 1550 nm kommt. Die wesentlichen Probleme bei der Herstellung von Germanium-Zinn-Legierungen sind unter anderem die sehr hohe Gitterfehlpassung von 14,7% zwischen Germanium und Alpha-Zinn, die hohen Segregationseigenschaften von Zinn, sowie die geringe Löslichkeit (<1%) von Zinn in Germanium. Hier setzt diese Arbeit an und soll mögliche Lösungsvarianten für die Herstellung von Germanium-Zinn Legierungen durch das Vorstellen von verschiedenen Wachstumskonzepten, basierend auf dem Verfahren der Molekularstrahlepitaxie, geben. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit ist die Untersuchung von Germanium-Zinn-Legierungen mit Zinnanteilen von bis zu 2,7 %, die mittels eines Tieftemperaturschritts hergestellt wurden. Es wird gezeigt, dass durch das Wachstum bei einer Substrattemperatur von TSub = 85°C die Herstellung von Germanium-Zinn-Legierungen mit homogenem Zinneinbau gelingt. Dabei wurden die hergestellten Schichten sowohl in Hinblick auf die Segregationseigenschaften von Zinn und dem Verspannungszustand der Germanium-Zinn-Schicht untersucht. Aus den experimentellen µ-Ramanspektroskopie-Daten wurde eine Auswertemethode basierend auf der Verschiebung des Ge-Ge-Signals bezüglich des Verspannungszustands und des Zinn-Anteils entwickelt. Damit steht nun eine schnelle, quantitative und nicht zerstörende Untersuchungsmethode für die Germanium-Zinn-Legierungen zur Verfügung. Der Verspannungszustand der Germanium-Zinn-Schichten wird unter anderem durch die Qualität der eingesetzten virtuellen Germanium-Substrate bestimmt. In Untersuchungen der Temperaturstabilität von Germanium-Zinn-Schichten konnte gezeigt werden, dass mit Zinn-Ausscheidungen in Germanium-Zinn-Schichten erst ab einer Temperatur von > 650°C zu rechnen ist. Die Germanium-Zinn-Dioden zeigen die zu erwartende theoretische Verschiebung der optischen Empfindlichkeit zu größeren Wellenlängen und eine Erhöhung der optischen Empfindlichkeit bei 1550 nm im Vergleich zu einer gewöhnlichen Germanium-Diode. Der Vorteil der hergestellten Dioden ist, dass diese nicht nur als Sensor eingesetzt werden können, sondern ebenfalls als Emitter. Dabei strahlt die Diode ebenfalls vermehrt Licht aus im Bereich > 1550 nm als eine vergleichbare Germaniumdiode. Durch den zusätzlichen Aspekt, dass sich bei einem Zinngehalt von ungefähr 6-7 % der indirekte Halbleiter von Germanium zu einem direkten Germanium-Zinn-Halbleiter wandelt, scheint die Herstellung von zukünftigen Silizium basierten Germanium-Zinn-Lasern durchaus möglich. In dieser Arbeit konnte neben neuen Wachstumsmethoden für Germanium-Zinn-Legierungen auch das große Potential von Germanium-Zinn für die Realisierung von optoelektronischen Bauelementen in den Wellenlängenbändern C und L gezeigt werden.
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    Ge(Sn) nano-island/Si heterostructure photodetectors with plasmonic antennas
    (2020) Schlykow, Viktoria; Manganelli, Costanza Lucia; Römer, Friedhard; Clausen, Caterina; Augel, Lion; Schulze, Jörg; Katzer, Jens; Schubert, Michael Andreas; Witzigmann, Bernd; Schroeder, Thomas; Capellini, Giovanni; Fischer, Inga Anita
    We report on photodetection in deep subwavelength Ge(Sn) nano-islands on Si nano-pillar substrates, in which self-aligned nano-antennas in the Al contact metal are used to enhance light absorption by means of local surface plasmon resonances. The impact of parameters such as substrate doping and device geometry on the measured responsivities are investigated and our experimental results are supported by simulations of the three-dimensional distribution of the electromagnetic fields. Comparatively high optical responsivities of about 0.1 A W-1 are observed as a consequence of the excitation of localized surface plasmons, making our nano-island photodetectors interesting for applications in which size reduction is essential.
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    Germanium-Lumineszenzdioden mit optischem Resonator für optoelektronische integrierte Schaltkreise
    (2019) Gollhofer, Martin; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)
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    Modulationsdotierte Germanium-MOSFETs für den Spin-Transport in zweidimensionalen Lochgasen
    (2023) Weißhaupt, David; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)
    Die Halbleiter-Spintronik beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Bauelementkonzepte, die den intrinsischen Spin-Freiheitsgrad des Elektrons ausnutzen. Dabei werden spin-basierte Logik-Bauelemente aufgrund des geringen Energiebedarfs zum Umschalten der Spin-Orientierung als aussichtsreiche Kandidaten für zukünftige Transistor-Anwendungen diskutiert. Anzuführen sind hierfür beispielsweise der Spin-Feldeffekttransistor (FET) nach Datta und Das sowie der Spin-Metall-Oxid-Halbleiter-FET von Sugahara und Tanaka. Für diese Bauteilkonzepte müssen jedoch vier grundlegende Komponenten beherrscht werden: Die Spin-Information muss in den Halbleiter eingebracht (Spin-Injektion), transportiert sowie evtl. manipuliert (Spin-Transport & Spin-Manipulation) und final wiederum detektiert (Spin-Detektion) werden. Für die Integration dieser Bauelemente in die bestehende komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie ist eine elektrische Spin-Injektion bzw. Spin-Detektion notwendig. Die Realisierung von halbleiterbasierten spintronischen Bauelementen erfordert allerdings ein Materialsystem, das gute Spin-Transporteigenschaften sowie eine starke Spin-Bahn-Wechselwirkung für eine potenzielle Spin-Manipulation aufweist. Als vielversprechendes System hat sich hier das zwei-dimensionale Lochgas (engl. „two-dimensional hole gas“, 2DHG), welches in einer Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur gebildet wird, erwiesen. Trotz der guten Eignung dieses Systems konnte bisher noch keine elektrische Spin-Injektion demonstriert werden, hauptsächlich wegen der Schwierigkeit, zuverlässige ferromagnetische Kontakte mit dem vergrabenen 2DHG herzustellen. Diese Arbeit befasst sich nun mit der elektrischen Spin-Injektion und Spin-Detektion in ein hochbewegliches (µ = (3,02 ± 0,01) ⋅ 10^4 cm^2/Vs) Ge 2DHG. Die für das Ge 2DHG zugehörige Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur wurde dabei mittels Molekularstrahlepitaxie epitaktisch auf einem Si-Substrat gezüchtet. Um dieses Ziel zu erreichen, werden verschiedene Untersuchungsschwerpunkte adressiert. Zunächst werden zur Optimierung der Spin-Transporteigenschaften unterschiedliche Designs der Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur auf der (100) Kristallorientierung untersucht. Dazu wurden anhand von Hall-Strukturen Tieftemperaturmagnetwiderstandsmessungen durchgeführt. Hierbei werden Shubnikov-de Haas Oszillationen beobachtet, aus denen die Ladungsträgerdichte, effektive Masse und Quantenstreuzeit des Ge 2DHGs extrahiert werden. Das daraus resultierende optimierte Design mit einer Modulationsdotierung von N_A = 5 ⋅ 10^17 cm^-3 und einer Ge-Quantentopf (engl. „quantum well“, QW) Dicke von d = 15 nm wird dann auf die (111) Kristallorientierung übertragen. Für die elektrische Spin-Injektion und Spin-Detektion werden als ferromagnetischen Kontakt dünne Mn5Ge3-Schichten, die mittels Interdiffusion direkt in den Ge-QW wachsen, benutzt. Dazu wird vor der Bildung der Kontakte die gesamte Si1-xGex-Deckschicht oberhalb des Ge-QWs mithilfe eines Trocken-Ätzprozesses entfernt. Zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften werden die so hergestellten Mn5Ge3-Mikromagnete mit einem supraleitenden Quanteninterferenzmagnetometer analysiert. Dabei konnte nur für die (111) Kristallorientierung die ferromagnetische Natur der gewachsenen Mn5Ge3-Schicht nachgewiesen werden. Durch die Variation der Formanisotropie ergeben sich unterschiedliche Koerzitivfeldstärken. Der Nachweis der elektrischen Spin-Injektion erfolgt schließlich anhand von Magnetwiderstandsmessungen an lateralen Mn5Ge3/Ge 2DHG/Mn5Ge3 Spin-Ventil Bauelementen. Dazu werden die zuvor untersuchten ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakte in einem Abstand von ca. l ≈ 135 nm im vergrabenen Ge-QW platziert. Die Experimente zeigen einen Riesenmagnetowiderstand (engl. „giant magneto resistance“, GMR) als Nachweis einer erfolgreichen elektrischen Spin-Injektion. Neben der elektrischen Spin-Injektion beinhaltet das auch den Spin-Transport im Ge 2DHG sowie die finale Spin-Detektion am zweiten ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakt. In Übereinstimmung zu den Spin-Transportuntersuchungen zeigt das GMR-Signal eine starke Abhängigkeit von der Temperatur und konnte bis zu einer maximalen Temperatur von T = 13 K beobachtet werden. Neben der elektrischen Spin-Injektion und Spin-Detektion wird für die Realisierung von Spin-Transistoren eine funktionierende Gate-Technologie vorausgesetzt. Um diese zu demonstrieren, werden zunächst auf Basis des Ge 2DHGs klassische modulationsdotierte Feldeffekttransistoren (MODFET) hergestellt und elektrisch charakterisiert. Mit einem An-Aus-Verhältnis von I_ON/I_OFF = 3,2⋅10^6 bei einer Steilheit von SS = 64 mV⁄dec könnte der Ge 2DHG MODFET unabhängig von der Halbleiter-Spintronik auch für zukünftige Tieftemperaturanwendungen interessant sein. Der Spin-FET nach Datta und Das würde dann durch das Tauschen der Source-Drain-Kontakte in ferromagnetische Mn5Ge3-Kontakte entstehen. Technologisch bedingt sind im Rahmen dieser Arbeit allerdings nur Transistoren mit einer minimalen Gate-Länge von L = 1 µm herstellbar. Da der Spin im Ge 2DHG über diese Länge nicht transportiert werden kann, ist die Realisierung eines Spin-Transistors technologiebedingt nicht möglich.
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    Plasmonic gratings from highly doped Ge1-ySny films on Si
    (2021) Berkmann, Fritz; Ayasse, Markus; Schlipf, Jon; Mörz, Florian; Weißhaupt, David; Oehme, Michael; Prucnal, Slawomir; Kawaguchi, Yuma; Schwarz, Daniel; Fischer, Inga Anita; Schulze, Jörg
    Plasmonic modes in metal structures are of great interest for optical applications. While metals such as Au and Ag are highly suitable for such applications at visible wavelengths, their high Drude losses limit their usefulness at mid-infrared wavelengths. Highly n-doped Ge1-ySny alloys are interesting possible alternative materials for plasmonic applications in this wavelength range. Here, we investigate the use of highly n-doped Ge1-ySny films grown directly on Si by molecular beam epitaxy with varying Sn-content from 0% up to 7.6% for plasmonic grating structures. We compare plasma wavelengths and relaxation times obtained from electrical and optical characterization. While theoretical considerations indicate that the decreasing effective mass with increasing Sn content in Ge1-ySny films could improve performance for plasmonic applications, our optical characterization results show that the utilization of Ge1-ySny films grown directly on Si is only beneficial if material quality can be improved.
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    Realization of silicon-based monolithic E-band IMPATT-transmitter and Schottky-receiver for wireless applications
    (2019) Zhang, Wogong; Schulze, Jörg (Prof. Dr.)
    In dieser Dissertation ist die Realisierbarkeit eines hochperformanten, integrierten E-Band-IMPATT-Sender- und Schottky-Empfängermoduls in SIMMWIC-Technologie (SIMMWIC, engl. für Silicon mm-Wave Integrated Circuit) mit einer Chipfläche 4 mm2 erfolgreich demonstriert. Im Vergleich zur Silizium-basierten RF-CMOS- bzw. BiCMOS-Technologie (BiCMOS, engl. für Bipolar Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) könnte somit die SIMMWIC-Technologie eine kostengünstigere Alternative für moderne, hochperformante Drahtlosekommunikationsanwendungen darstellen.