Institut für Festkörperelektronik

Das Institut für Festkörperelektronik (FKE) der Technischen Universität Wien ist eines der weltweit führenden Institute auf dem Gebiet der experimentellen Mikro- und Nanoelektronik und verfügt entsprechend über eine international anerkannte Außenwirkung. Das FKE vertritt in Lehre und Forschung die Bereiche Halbleiterelektronik und Halbleitertechnologie, mit dem Ziel, die Studierenden für künftige Anforderungen im Bereich der Mikro-und Optoelektronik so wie in der Nano- und Quantentechnologie auf international kompetitivem Niveau auszubilden. Der Schwerpunkt der Forschung liegt auf der Entwicklung neuer Materialsysteme so wie deren Umsetzung  in neuartigen nanoelektronischen und optoelektronischen Bauelementen von den Grundlagen bis zur Anwendung.

Das FKE feierte im Jahr 2023 sein 30-jähriges Jubiläum und koordiniert das Reinraumlabor, das Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen (ZMNS), welches von Univ. Prof. Walter M. Weber geleitet wird. Aktuell wird das FKE von Univ. Prof. Alexander Grüneis geleitet und ist organisatorisch in drei Forschungsbereiche unterteilt:

• 362-01 Optoelektronische Materialien (Univ. Prof. Alexander Grüneis) mit dem Fokus auf der Herstellung und Charakterisierung von 2D-Halbleitermaterialien
• 362-02 Nanoelektronische Bauelemente (Univ. Prof. Walter M. Weber) mit dem Fokus auf Halbleitetechnologie der Gruppe IV und neuartigen nanoelektronischen Bauelementen, und
• 362-03 Optoelektronische Bauelemente (Univ. Prof. Benedikt Schwarz) mit dem Fokus auf optoelektronischen Bauelementen auf Basis von III-V Verbindungshalbleitern.

Im Folgenden werden die drei Forschungsbereiche näher beschrieben.

Optoelektronische Materialien (362-01)

Dieser Forschungsbereich untersucht experimentell die Herstellung und die elektronischen und optischen Eigenschaften neuartiger ein- und zweidimensionaler Materialien. Insbesondere werden atomar präzise 1D Nanostreifen aus Graphen, Lagen aus 2D Halbleitern wie MoS₂ und topologische Isolatoren (TI) untersucht. In diesen Materialien führt die räumliche Beschränkung der Wellenfunktion und der Stapelsequenz zu neuartigen Eigenschaften. Die hohe Spin-Bahn Wechselwirkung erzeugt spinpolarisierte Zustände. Unser Ansatz verbindet Synthese und Spektroskopie dieser Materialien. Zur Charakterisierung nutzen wir winkel- und spinaufgelöste Photoemissionsspektroskopie, um die elektronische Bandstruktur zu analysieren und optische Spektroskopie. Ein Beispiel für die am Institut gemessene Bandstruktur eines TI ist  im folgenden Bild zu sehen. TIs sind Materialien mit spinpolarisierten Elektronenzuständen an der Oberfläche, die für Anwendungen in der Spintronik interessant sind.  Der  Forschungsbereich ist auch in der Instrumentenentwicklung aktiv. So wurde ein einzigartiges Experiment fertiggestellt, mit dem man im Ultrahochvakuum Ramanspektroskopie und elektrische Transportmessungen simultan bei tiefen Temperaturen bis 3.7 K durchführen kann. Aktuell wird an der Entwicklung Lichtquelle im  ultravioletten Spektrum mit µm Spotgröße für winkelaufgelöste Photoemission geforscht.

Nanoelektrische Bauelemente (362-02)

Während die herkömmliche CMOS Technologie jahrzehntelang durch Miniaturisierung nach dem Mooreschen Gesetz vorangetrieben wurde, erfordern aktuelle Herausforderungen Beyond CMOS und More than Moore Lösungsansätze.

Dieser Forschungsbereich verfolgt, die Grenzen herkömmlicher Bauelemente zu überwinden. Dabei stehen energieeffiziente, rekonfigurierbare Bauelemente und integrierte Schaltungen im Fokus, die bei niedrigen Versorgungsspannungen arbeiten und die Anzahl der benötigten Transistoren reduzieren. Ein zentrales Element ist die Entwicklung neuartiger Bauelemente, die Logik-Rechenleistung mit nichtflüchtiger Speicherfunktionalität kombinieren. Besonders hervorzuheben ist die Spezialisierung auf rekonfigurierbare Transistoren, die am Institut hergestellt und charakterisiert werden.  Die inhärente Adaptivität der Bauelementen  ermöglicht energieeffiziente neuromorphe Schaltungen in Echtzeit, die mit konventionellen CMOS-Technologien nur mit erheblichem Mehraufwand oder gar nicht realisierbar wären.  Technologisch setzen wir  auf die eigene Herstellung und Charakterisierung von Bauelementen basierend auf top-down und bottom-up hergestellten nanowires, 2D Materialien und nanosheets. Die einzigartigen ein- bzw. zwei-dimensionalen Eigenschaften dieser Materialien werden in neuartigen Transistoren, Photodetektoren, Sensoren sowie plasmonischen- und Quantenbauelementen verwertet.

Optoelektronische Bauelemente (362-03)

Der Forschungsbereich Optoelektronische Bauelemente beschäftigt sich mit der Entwicklung neuartiger photonischer und optoelektronischer Technologien für zukünftige Sensorsysteme in Umweltmonitoring, industrieller Analytik und medizinischer Diagnostik. Im Mittelpunkt stehen integrierte Lichtquellen und photonische Bauelemente im mittleren Infrarotbereich auf Basis von III-V Verbindungshalbleitern.

Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf Quantenkaskadenlasern, Interband-Kaskadenlasern und integrierten photonischen Plattformen zur spektroskopischen Detektion von Molekülen. Darüber hinaus erforscht der Forschungsbereich neuartige laserphysikalische Konzepte wie integrierte Frequenzkämme, nichtlineare Dynamik und dissipative Solitonen in Halbleiterlasern. Diese Arbeiten verbinden experimentelle Halbleiterphysik mit theoretischer Modellierung und numerischer Simulation komplexer photonischer Systeme.

Die Forschung umfasst die gesamte technologische Prozesskette von Materialwachstum mittels Molekularstrahlepitaxie über Nanostrukturierung und Bauelementdesign bis hin zur optischen und elektronischen Charakterisierung. Ziel ist die Entwicklung kompakter und energieeffizienter Technologien für integrierte photonische Sensorsysteme der nächsten Generation.

Verfügbare Instrumente und Reinraumausstattung

Für die Forschungs- und Lehrinfrastruktur stehen den Studierenden am Institut für Festkörperelektronik nahezu komplette Prozesslinien für die Halbleitertechnologie mit nanostrukturtauglichen Geräten und Anlagen zur Verfügung. Die Anlagen sind sowohl ausser- als auch innerhalb des Reinraums untergebracht. Ausserhalb des Reinraums   stehen Molekularstrahlepitaxie für 2D Materialien, winkel- und spinaufgelöste Photoemission und ein Raman/Luminszenzspektrometer, optische Spektroskopie und elektrische Charakterisierung zur Verfügung. Ein grosser Teil der Gräte ist in der Reinraumumgebung  des ZMNS untergebracht. Insbesondere sind hier Anlagen für die präzise Abscheidung und Temperung von Schichten und Laminaten zu nennen: Atomic Layer Deposition (ALD), Chemical Vapor Deposition (CVD), Physical Vapor Deposition (PVD), Molecular Beam Epitaxy (MBE), und Rapid Thermal Processing (RTP). Zur Strukturierung stehen  des weiteren konventionelle Photolithographie Mask-Aligner so wie maskenlose direct write Electron Beam Lithography (EBL) sowie Laser Lithografiesysteme und Reactive Ion Etching (RIE) zur Verfügung.

Dazu kommen strahlgestützte Prozess- und Analysegeräte wie Focused Ion Beam (FIB) und Focused Electron Beam Induced Deposition (FEBID), welche eine direkte, strukturierte Abscheidung von Nanostrukturen erlauben.

Für die physikalische und optische Charakterisierung können X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Secondary Electron Microscopy (SEM), Atomic Force Microscopy (AFM), Energy Dispersive X-Ray (EDX), X-Ray Diffraction (XRD),   Infrarot-Spektroskopie (IR) sowie Photolumineszenz (PL) und Raman-Spektroskopie eingesetzt werden. Dedizierte elektrische Messaufbauten zur Bauelement Charakterisierung für Zuverlässigkeit, Electrostatic Disscharge (ESD), Kapazität-Spannung   (aF Capacitance Bridges), gepulste Speichercharakterisierung  und Ladungsträgerbeweglichkeit (Hall), stehen auf abgeschirmte und Kryogene Probe-Stations zur Verfügung.

Durch den gezielten Ausbau der vorhandenen Reinraum Prozessinfrastruktur und Charakteriseirmethoden im Hinblick auf Technologien für den einstelligen Nanometerbereich wird die Voraussetzung geschaffen, innovative Prozesskonzepte unter Einbeziehung neuartiger Materialien für die Realisierung nanoelektronischer Bauelemente und Schaltungen der Zukunft umzusetzen.

Lizenzen der einschlägigen Simulationstools wie Labview, Multsim, Matlab, COMSOL Multiphysics, Mathematica sowie Synopsys Sentaurus Device TCAD sind vorhanden und werden in Forschung und Lehre eingesetzt.

Lehre

In der Lehre stellt das Institut im Bachelorstudiengang die wichtigen Pflichtvorlesungen/Übungen Halbleiterphysik (Grüneis/Schwarz) und Elektronische Bauelemente (Weber/Sistani) sowie das Pflichtlabor Technische Elektronik (Smoliner/Lugstein/ Nazzari). In diesen Veranstaltungen werden die Grundlagen der Halbleitermaterialien und Bauelementen den Studierenden gelehrt werden. Darüber hinaus bietet das Institut die Vertiefungsmodule an, in denen über die Grundlagen hinaus neue Trends vermittelt werden.

Im Masterstudium des Elektrotechnik Masters „Mikroelektronik und Photonik“ wird zu Materialien in Mikroelektronik und Photonik gelehrt (Grüneis, Lugstein, Pandeya), zu Prozesstechnik (Schwarz,Wanzenböck) und zu integrierten Bauelementen (Weber, Nazzari). Das Institut bietet auch Lehre für den Master in Materialwissenschaften und für den Master in „Quantum Information Science and Technology“ an.

Mitwirkende

Outreach

Das Institut beteiligt sich regelmäßig an Veranstaltungen der Wissenschaftskommunikation wie der Langen Nacht der Forschung sowie an Schulbesuchen, Laborführungen und Programmen für Studieninteressierte. Dabei erhalten Besucher:innen Einblicke in aktuelle Entwicklungen der Halbleitertechnologie, Nanoelektronik, Photonik und Quantentechnologien sowie in moderne Reinraum- und Charakterisierungstechniken. Durch Demonstrationen und experimentelle Aufbauten werden Forschungsthemen des Instituts anschaulich vermittelt und die technologische Bedeutung moderner Mikro- und Nanotechnologien aufgezeigt.