Studentische Monatszeitung für Duisburg, Essen und das Ruhrgebiet

WISSENSCHAFT

Hochfrequent in Richtung Zukunft

Auf sogenannten Wafern können Sensoren aufgebracht werden. [Foto: flickr.com/Santi(CC BY-SA 2.0]

11.03.2019 10:58 - Erik Körner

Dr. Nils Weimann, Dr. Andreas Stöhr und Dr. Thomas Kaiser forschen an der Universität Duisburg-Essen an Sensoren auf Basis von Hochfrequenzstrahlung, die unter anderem in autonomen Fahrzeugen, bei der Erkennung von Giftstoffenoder bei Radarmessungen zum Einsatz kommen können. akduell-Redakteur Erik Körner hat Dr. Weimann vier Fragen zu dem Projekt gestellt.

ak[due]ll: Was ist der Kern Ihrer Forschungsarbeiten?

Weimann: Zwischen den höchsten elektronisch erzeugbaren Hochfrequenzen und den längsten optisch erzeugbaren Wellenlängen (das heißt den niedrigstem optisch erzeugbaren Frequenzen) liegt die sogenannte Terahertz-Lücke. Es gibt bis heute keine integrierten Komponenten, um Hochfrequenzstrahlung über 300 GHz kostengünstig und effizient zu erzeugen. Wir beschäftigen uns mit elektronischen und photonischen Komponenten aus Indiumphosphid. In diesem Halbleiter-Materialsystem können sich die Elektronen schneller als in Silizium bewegen, daher ist es das Material der Wahl für höchste Frequenzen. Außerdem eignet es sich zur Infrarot-Lichterzeugung in photonischen THz-Komponenten. Wir sind Teil des von der UDE geleiteten DFG (Anm. d. Red: Deutsche Forschungsgemeinschaft, die Zwei-Drittel aller Drittmittel stellt) Sonderforschungsbereichs 196 (MARIE), in dem zusammen mit drei weiteren Universitäten und zwei Forschungsinstituten vielfältige Aspekte der THz-Erzeugung und deren Anwendung untersucht werden.

ak[due]ll: Wann denken Sie, wird die Technologie massentauglich sein?

Weimann: Erste Labormuster von integrierten THz-Halbleiter-Chips funktionieren bereits, weltweit wird in vielen Gruppen daran geforscht. Ein wichtiger Aspekt für die massenhafte Verwendung ist die kostengünstige Herstellung, und die Realisierung robuster Komponenten, die keine komplizierte Kalibrierung benötigen. Wir arbeiten zum Beispiel an Integrationskonzepten, um die InP-Chips auf Silizium CMOS-Wafern zu integrieren. Mit diesen Methoden sparen wir uns teure Höchstfrequenz-Aufbautechnik, und wir kombinieren die Performanz des speziellen Halbleitermaterials mit der in Silizium möglichen extrem hohen Komplexität – damit werden intelligente THz-Sensoren in massenhafter Fertigung möglich. In 10 Jahren werden hochauflösende THz-Radarsysteme in autonomen Fahrzeugen zu finden sein. In der Kommunikationstechnik wird in spätestens 10 Jahren das 300 GHz Band verwendet werden. Bis dahin werden diese Chips serienreif sein.
 
ak[due]ll: Wie gut gehen Ihre Forschungsarbeiten voran? Kam es bisher zu irgendwelchen unvorhergesehenen Schwierigkeiten?

Weimann: Schwierigkeiten gibt’s immer, man kann in der Forschung natürlich nicht alles voraussehen. Man hat eine Vorstellung davon, wie sich Materialien und Bauelemente verhalten. Wir modellieren Transistoren und Dioden, um die jeweils nächste Generation zu entwickeln. Manchmal stimmen jedoch die Modelle nicht mit der Wirklichkeit überein, das merkt man erst im Experiment. Dazu haben wir demnächst mehr Möglichkeiten, indem wir Bauelemente auch über 1 THz vermessen können. THz-Bauelemente beruhen auf sehr kleinen Strukturen. Zum Beispiel beträgt die Dicke einzelner Halbleiterschichten in einer THz-Tunneldiode nur ein paar Nanometer. Diese Schichten werden wir in Zukunft mit einer neuen Anlage zur Halbleiterepitaxie (Kristallwachstum) sehr viel genauer herstellen können.

Ein großer
zukünftiger Markt liegt in der
Telekommunikation.

Neben den eigentlichen Halbleitermaterial ist die Prozessierung, also die laterale Strukturierung der aktiven Flächen und die Herstellung von Kontakten, entscheidend für die Performanz der Bauelemente: parasitäre Kapazitäten und Widerstände verlangsamen die Dioden und Transistoren. Auch muss man im Reinraum bei der Herstellung sehr sauber und exakt arbeiten, sonst funktioniert das Bauelement am Ende nicht so, wie geplant. Die ganze Prozesskette, die wir in unserem Reinraum-Labor, dem Zentrum für Halbleitertechnik und Optoelektronik (ZHO) durchführen können, besteht aus vielen Einzelschritten, die alle stimmen müssen. Es dauert einige Wochen, um Dioden oder Transistoren herzustellen. Wenn man einen Fehler macht, muss man meistens wieder von vorne anfangen.

Wenn die Prozesse korrekt ablaufen, dann funktioniert auch etwas auf Anhieb. Zum Beispiel hat einer unserer Studenten, Herr Mutlu, im Rahmen seiner Masterarbeit gerade seinen ersten InP-Empfangsdetektor hergestellt, den er mit mehr als 300 GHz Bandbreite erfolgreich vermessen konnte.
 
ak[due]ll: Wo genau werden die Sensoren in Zukunft zum Einsatz kommen?

Weimann: Es gibt viele Anwendungen für THz-Sensoren, zum Beispiel zur genauen Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung mittels RADAR für autonome Verkehrssysteme und intelligente Robotik. Die im THz-Bereich verfügbare hohe Bandbreite um die Trägerfrequenz herum ermöglicht sehr genaue Radarmessungen. Dazu erlaubt die kurze Wellenlänge höhere Auflösung in abbildenden Verfahren. Auch können Materialien über charakteristische Absorptionsspektren identifiziert und analysiert werden. Ein großer zukünftiger Markt liegt in der Telekommunikation: bei 300 GHz und höheren Trägerfrequenzen können sehr hohe Datenraten drahtlos übertragen werden. Das wird im übernächsten Mobilfunkstandard (beyond 5G) bereits eine starke Rolle spielen, da die Übertragungsbänder in den niedrigeren Frequenzen voll belegt sein werden.

 

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