Institut für Mikroelektronik

Seit seiner Gründung im Jahr 1988 steht das Institut für Mikroelektronik (IµE) der TU Wien für interdisziplinäre Forschung entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Mikro- und Nanoelektronik. Das Institut vereint theoretische Modellierung, moderne Simulationsmethoden und experimentelle Charakterisierung und deckt damit ein breites Spektrum von Prozess-, Bauelement- und Schaltungssimulation über Messtechnik bis hin zu Quantenelektronik, zweidimensionalen Materialien und Leistungshalbleitern ab. Die enge Verbindung von Simulationssoftware, Laborinfrastruktur und physikalischem Verständnis ermöglicht es, neue Technologien von der atomistischen Ebene bis zur Anwendung zu erforschen und zu optimieren.

Die Forschung am IµE erfolgt in enger Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Partnern aus Wissenschaft und Industrie und wird durch zahlreiche nationale Projekte (FWF, FFG, COMET, Christian Doppler Labore) und internationale Forschungsprojekte (EU- und ERC-Grants) getragen. Gleichzeitig ist die Lehre stark forschungsgeleitet und verbindet Grundlagenfächer mit modernen Themen wie Programmieren, Modellierung und Simulation mikroelektronischer Bauelemente, Halbleiterphysik, Quantenelektronik und Elektrodynamik, u.v.m, wodurch Studierende früh an aktuelle Fragestellungen der Mikro- und Nanoelektronik herangeführt werden.

Einleitung und Historisches

In den ersten Jahrzehnten nach seiner Gründung durch Prof. Siegfried Selberherr lag der Schwerpunkt des Instituts auf der Entwicklung physikalischer Modelle und numerischer Methoden zur physikalischen Beschreibung mikroelektronischer Bauelemente. Zu einer Zeit, als die verfügbare Rechenleistung noch stark begrenzt war und computerunterstützte Simulation in der Halbleiterentwicklung vielfach noch Pioniercharakter hatte, erkannte man am IµE früh das enorme Potenzial simulationsgestützter Forschung. Aufbauend auf der Entwicklung von TCAD-Werkzeugen wie MINIMOS leistete das Institut zahlreiche Beiträge zur Modellierung und Simulation mikroelektronischer Systeme. Dazu zählen unter anderem physikalische Modelle zur Durchführung von Prozess- und Bauelementsimulation, die Modellierung von Leistungshalbleitern. Damit etablierte sich das IµE früh als international anerkanntes Zentrum für computerunterstützte Mikroelektronikentwicklung und als einer der Wegbereiter des damals entstehenden Forschungsfeldes des Technology CAD.

Mit der fortschreitenden Miniaturisierung mikroelektronischer Technologien rückten zunehmend Fragen zur Vorhersage der Bauelementzuverlässigkeit, der Defektphysik und statistischen Variabilität in den Mittelpunkt. Insbesondere im Bereich der Zuverlässigkeit von Bauelementen und der damit verbundenen physikalischen Modellierung der Dynamik einzelner Defekte entwickelte sich das Institut zu einem weltweit führenden Forschungsstandort. Parallel dazu gewannen quantenmechanische Effekte und atomistische Modellierungsansätze immer stärker an Bedeutung, wodurch sich die Forschung des Instituts schrittweise von der klassischen Mikroelektronik hin zur Nano- und Quantenelektronik erweiterte.

Ein Meilenstein in der Entwicklung des Instituts war auch die Gründung des Technologielabors im Jahr 2012. Dadurch wurde die bestehende Stärke in der Simulation um eine umfassende experimentelle Infrastruktur erweitert. Seither bilden modernste Messmethoden, die Charakterisierung neuartiger Bauelemente sowie die Entwicklung hochpräziser Testsysteme einen zentralen Bestandteil der Forschung. Die enge Verzahnung von Simulation und Charakterisierung ermöglicht es, physikalische Modelle direkt experimentell zu validieren und neue Technologien effizient bis zur Anwendung zu begleiten.

Neben der lateralen Miniaturisierung rückt zunehmend die dreidimensionale Integration in den Fokus der Halbleitertechnologie. Vertikale Architekturen, gestapelte Schichten und heterogene Integrationskonzepte eröffnen neue Möglichkeiten für Leistungsdichte, Energieeffizienz und Funktionalität, bringen jedoch zugleich erhebliche technologische Herausforderungen mit sich. Insbesondere erfordern neuartige Prozesse präzise Simulationsmethoden. Dadurch erweitert sich die Rolle der Prozess- und Bauelementsimulation von der Optimierung einzelner Technologieschritte hin zur ganzheitlichen Beschreibung dreidimensional integrierter Systeme.

Heute verbindet das Institut Methoden der Multiskalen- und Multiphysik-Simulation mit modernster Messtechnik, datengetriebenen Ansätzen und quantentechnologischer Forschung. Damit spannt das IµE einen Bogen von fundamentalen physikalischen Fragestellungen bis hin zu konkreten Anwendungen zukünftiger Informations- und Energietechnologien und gehört damit zu den international führenden Forschungseinrichtungen der Mikroelektronik.

Die wissenschaftliche Exzellenz des Instituts spiegelt sich in einer großen Zahl nationaler und internationaler Forschungsprojekte wider. Das IµE führt seit vielen Jahren zahlreiche Projekte im Rahmen von FWF- und FFG-Programmen, insbesondere ein COMET-Projekt, sowie bisher insgesamt acht Christian Doppler Labore durch. Darüber hinaus ist das Institut in einer Vielzahl europäischer Forschungsinitiativen aktiv und beteiligt sich an internationalen Kooperationen innerhalb zahlreicher EU-Projekte. Mehrere ERC-Grants unterstreichen zusätzlich die internationale Sichtbarkeit und wissenschaftliche Bedeutung der am Institut durchgeführten Forschung.

Forschung am Institut für Mikroelektronik

Die Forschung am Institut für Mikroelektronik vermittelt ein umfassendes Bild der modernen Halbleiterforschung und der strategischen Rolle des Instituts innerhalb der internationalen Mikro- und Nanoelektronik. Die Verbindung aus Grundlagenphysik, Materialwissenschaft, numerischer Simulation und Messtechnik bildet einen durchgängigen Forschungsansatz entlang der gesamten Halbleiter-Wertschöpfungskette.

Die Arbeiten reichen von atomistischen Methoden und Prozesssimulation über Bauelementmodellierung, Spintronik und Zuverlässigkeitsphysik bis hin zu Sensorik, Leistungselektronik, Quantentechnologien und Beyond-CMOS-Konzepten. Charakteristisch für das Institut ist dabei die enge Verbindung zwischen physikalischem Verständnis, experimenteller Validierung und industrieller Anwendung. Durch internationale Kooperationen sowie zahlreiche Industrieprojekte trägt das Institut wesentlich zur Entwicklung zukünftiger Halbleitertechnologien bei.

Silizium- und Halbleitertechnologie

Die wissenschaftlichen Arbeiten im Bereich der Silizium- und Halbleitertechnologie bilden seit der Gründung des Instituts eine zentrale Säule des IµE. Aufbauend auf der langjährigen Expertise in Technology CAD beschäftigt sich das Institut mit der physikalischen Modellierung, Simulation und experimentellen Charakterisierung moderner Halbleitertechnologien. Ein Schwerpunkt liegt auf der Defektphysik und den daraus resultierenden Zuverlässigkeitsphänomenen mikroelektronischer Bauelemente. Untersucht werden eine Reihe von Effekten, darunter anderem Alterungs- und Ausfallmechanismen moderner CMOS-Technologien. Dabei spielen Einzeldefekte und deren stochastisches Verhalten eine zentrale Rolle, insbesondere im Nanometerbereich, in dem einzelne atomare Defekte bereits das Verhalten kompletter Schaltungen beeinflussen können.

Zur Beschreibung dieser Effekte entwickelt das Institut moderne physikalische Simulationswerkzeuge und Multiskalenmodelle, welche atomistische Methoden, Dichtefunktionaltheorie (DFT), Bauelementsimulation und Schaltungssimulation miteinander verbinden. Mit der am Institut entwickelten Software Comphy entstand eines der international führenden Softwarepakete zur physikalisch fundierten Modellierung von Defekt- und Alterungsmechanismen in Halbleiterbauelementen. Parallel dazu werden experimentelle Methoden und hochpräzise Messsysteme entwickelt, um Defekte und Degradationsprozesse direkt charakterisieren und mit Simulationen vergleichen zu können. Die Kombination aus Simulation und Messtechnik ermöglicht ein tiefes Verständnis physikalischer Mechanismen über mehrere Längenskalen hinweg.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Prozesssimulation und die Entwicklung sogenannter „Virtual Fab“-Konzepte. Ziel ist es, komplexe Halbleiterfertigungsprozesse virtuell abzubilden, Prozessfenster systematisch zu analysieren und neue Technologien bereits vor der realen Fertigung optimieren zu können. Methodisch verfolgt das Institut dabei einen konsequenten Multiskalenansatz, der von atomistischer Modellierung über klassische und zunehmend durch maschinelles Lernen gestützte Molekulardynamik bis hin zu Monte-Carlo-Methoden und neuartigen Prozessmodellen reicht. Dadurch können Materialeigenschaften, Oberflächenreaktionen, Transportphänomene, Defektbildung und Grenzflächenprozesse über mehrere Längen- und Zeitskalen hinweg beschrieben und in technologische Prozesssimulationen überführt werden. Dazu entwickelt das Institut moderne, GPU-beschleunigte Simulationsplattformen wie ViennaPS, mit denen zentrale Prozessschritte der Halbleiterfertigung, von Ätzung, Deposition und Implantation über Dotierung, Oxidation und Diffusion bis hin zu Materialmodifikation und Strukturierung, in komplexen zwei- und dreidimensionalen Geometrien realitätsnah abgebildet werden können.

Darüber hinaus gewinnen datengetriebene Ansätze und Methoden der künstlichen Intelligenz zunehmend an Bedeutung. Maschinelles Lernen wird eingesetzt, um Simulationsmodelle effizienter zu machen, große Datenmengen aus Messungen auszuwerten und neue Optimierungsstrategien für Prozesse und Bauelemente zu entwickeln. Durch die Verbindung aus Physik, numerischer Simulation, experimenteller Charakterisierung und datengetriebenen Methoden trägt das Institut wesentlich zur Entwicklung zukünftiger Siliziumtechnologien bei.

Leistungselektronik

Die Leistungselektronik stellt einen weiteren bedeutenden Forschungsschwerpunkt des Instituts dar. Moderne Energie- und Mobilitätssysteme stellen höchste Anforderungen an Effizienz, Zuverlässigkeit und Leistungsdichte elektronischer Bauelemente. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich das IµE intensiv mit Wide-Bandgap-Halbleitern wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), die als Schlüsseltechnologien für zukünftige energieeffiziente Leistungselektronik gelten. Diese Materialien ermöglichen höhere Schaltfrequenzen, geringere Verlustleistungen und den Betrieb bei hohen Temperaturen und Spannungen.

Ein zentrales Forschungsgebiet in diesem Bereich ist ebenfalls die Untersuchung von Defekten und Zuverlässigkeitsmechanismen. Anders als bei klassischen Siliziumtechnologien befinden sich Defekte in Wide-Bandgap-Materialien häufig direkt im Halbleitermaterial selbst und beeinflussen maßgeblich die elektrische Stabilität und Lebensdauer der Bauelemente. Das Institut untersucht daher die physikalischen Mechanismen von Ladungseinfang, Degradation und Alterung in GaN- und SiC-Bauelementen mithilfe modernster Messtechnik und simulationsgestützter Modelle. Darüber hinaus werden simulationsbasierte Ansätze genutzt, um die Implantation von Dotierstoffen in Wide-Bandgap-Materialien sowie die damit verbundene Entstehung prozessinduzierter Defekte besser zu verstehen. Besondere Bedeutung haben dabei zeitabhängige Effekte, Hysteresephänomene sowie thermisch aktivierte Defektprozesse, die unter realen Betriebsbedingungen auftreten.

Zur experimentellen Charakterisierung entwickelt das Institut hochspezialisierte Messmethoden und Testsysteme, welche schnelle transiente Vorgänge ebenso erfassen können wie langfristige Alterungsprozesse. Die dabei gewonnenen Daten fließen unmittelbar in physikalische Modelle und TCAD-Simulationen ein, wodurch ein konsistentes Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen entsteht. Neben der Bauelementphysik beschäftigt sich die Forschung auch mit Prozessfragen und Fertigungsaspekten moderner Leistungshalbleiter.

Emerging Technologies

Neben etablierten Silizium- und Leistungshalbleitertechnologien beschäftigt sich das Institut intensiv mit sogenannten Emerging Technologies und zukünftigen Konzepten der Nano- und Quantenelektronik. Im Mittelpunkt stehen dabei neue Materialsysteme und Bauelementarchitekturen, welche die physikalischen und technologischen Grenzen klassischer CMOS-Technologien überwinden sollen. Einen besonderen Schwerpunkt bilden zweidimensionale Materialien wie MoS₂, WS₂, Graphen und andere atomar dünne Halbleiter, deren außergewöhnliche elektronische Eigenschaften neue Möglichkeiten für energieeffiziente, hochskalierte und funktional erweiterte Bauelemente eröffnen. Aufgrund ihrer atomaren Dicke ermöglichen diese Materialien eine ausgezeichnete elektrostatische Kontrolle des Kanals und gelten daher als vielversprechende Kandidaten für zukünftige Technologiegenerationen unterhalb heutiger CMOS-Skalierungsgrenzen.

Eine zentrale Herausforderung bei der Integration solcher Materialien in reale Technologien liegt jedoch in der Material- und Grenzflächenphysik. Dazu gehört auch das Verständnis von Umgebungseinflüssen, etwa durch Adsorbate, Feuchtigkeit, Sauerstoff oder Oberflächenkontaminationen, welche die Leistungsfähigkeit, elektrische Stabilität, Ladungsträgerdynamik und das Schaltverhalten zweidimensionaler Bauelemente während des Betriebs wesentlich beeinflussen können. Das Institut untersucht daher intensiv Fragen des Fermi-Level-Engineerings, der Kontaktbildung sowie der geeigneten Gate-Dielektrika und Oxidsysteme für zweidimensionale Materialien. Ziel ist es, Grenzflächen mit möglichst geringen Defektdichten und optimalen elektronischen Eigenschaften zu entwickeln, um stabile und leistungsfähige Bauelemente realisieren zu können. Dabei spielen Materialwissenschaft, atomistische Modellierung und experimentelle Charakterisierung eine eng verzahnte Rolle. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt des IµE liegt im Bereich der Spintronics. Diese eröffnet durch die gezielte Nutzung des Elektronenspins neben seiner Ladung neue Wege für energieeffiziente, nichtflüchtige und funktional erweiterte Bauelemente in der Mikro- und Nanoelektronik.

Lehre

Die Lehre am Institut für Mikroelektronik ist seit jeher eng mit der Forschung des Instituts verbunden und folgt konsequent dem Prinzip der forschungsgeleiteten Ausbildung. Ziel ist es, Studierenden nicht nur theoretische Grundlagen zu vermitteln, sondern sie frühzeitig an aktuelle wissenschaftliche Fragestellungen und moderne Methoden der Mikro- und Nanoelektronik heranzuführen. Durch die enge Verzahnung von Physik, Mathematik, numerischer Simulation, Programmierung und experimenteller Charakterisierung entsteht eine Ausbildung, die gleichermaßen wissenschaftlich fundiert und technologisch relevant ist. Die Lehrveranstaltungen orientieren sich dabei stark an den Forschungsschwerpunkten des Instituts und spiegeln die Entwicklungen moderner Halbleitertechnologien wider.

Bereits im Bachelorstudium übernimmt das Institut zentrale Aufgaben in der Ausbildung angehender Elektrotechnikerinnen und Elektrotechniker. Einen besonderen Stellenwert haben dabei Programmierung und wissenschaftliches Rechnen, welche heute zu den grundlegenden Werkzeugen moderner Ingenieurwissenschaften zählen. Lehrveranstaltungen zu Python, C/C++, objektorientierter Programmierung und Softwareengineering vermitteln Studierenden früh die Fähigkeit, numerische Modelle zu entwickeln und technische Problemstellungen algorithmisch zu lösen. Ergänzt wird dies durch Grundlagenfächer wie Elektrodynamik, Halbleiterphysik und numerische Methoden, welche die physikalische Basis für spätere Spezialisierungen schaffen.

Im Masterstudium „Microelectronics and Photonics“ bietet das Institut eine breite Palette spezialisierter Lehrveranstaltungen an, welche aktuelle Themen der internationalen Halbleiterforschung behandeln. Dazu zählen unter anderem Prozesssimulation, Bauelementmodellierung, Elektromigration, Zuverlässigkeitsphysik und moderne Charakterisierungsmethoden. Studierende lernen dabei sowohl klassische Siliziumtechnologien als auch neue Materialsysteme und zukünftige Bauelementkonzepte kennen. Es fließen dabei Themen wie Quantenelektronik, Beyond-CMOS-Technologien und datengetriebene Methoden zunehmend in die Lehre ein und ermöglichen den Studierenden Einblicke in zukünftige Entwicklungen der Mikroelektronik.

Eine weitere wichtige Rolle spielt das interdisziplinäre Masterstudium „Computational Science and Engineering“, in dem das Institut Lehrveranstaltungen zu wissenschaftlicher Programmierung, numerischer Simulation, Hochleistungsrechnen und physikalischer Modellierung anbietet. Hier lernen Studierende, komplexe Simulationswerkzeuge zu entwickeln und moderne Computerarchitekturen effizient für wissenschaftliche Anwendungen zu nutzen. Die Ausbildung verbindet dabei Methoden aus Elektrotechnik, Physik, Mathematik und Informatik und bereitet die Studierenden gezielt auf interdisziplinäre Forschungs- und Entwicklungsaufgaben vor.

Charakteristisch für die Lehre am IµE ist außerdem die frühe Einbindung von Studierenden in laufende Forschungsprojekte. Viele Bachelor-, Master- und Dissertationsarbeiten entstehen in enger Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Forschungsinitiativen sowie Industriepartnern. Dadurch erhalten Studierende bereits während ihres Studiums Einblicke in aktuelle wissenschaftliche Fragestellungen und moderne Entwicklungsprozesse der Halbleiterindustrie. Insgesamt vermittelt die Lehre am Institut nicht nur fundiertes Fachwissen, sondern auch die Fähigkeit, komplexe technologische Herausforderungen wissenschaftlich und interdisziplinär zu bearbeiten. Damit trägt das IµE wesentlich zur Ausbildung zukünftiger Expertinnen und Experten der Mikro-, Nano- und Quantenelektronik bei.

Mitwirkende

Die wissenschaftliche Arbeit des Instituts wird von Professoren, assoziierten Professoren sowie Laufbahnstelleninhaber_innen getragen, die gemeinsam ein breites Spektrum der modernen Mikro- und Nanoelektronik abdecken. Durch ihre unterschiedlichen wissenschaftlichen Schwerpunkte prägen sie maßgeblich die internationale Sichtbarkeit und interdisziplinäre Ausrichtung des Instituts.

Vorstand des Instituts für Mikroelektronik

 

Professoren und Laufbahnstelleninhaber_innen