Heute wird das Christian Doppler (CD) Labor für Multi-Scale-Prozessmodellierung von Halbleiter-Bauelementen und -Sensoren feierlich eröffnet. Dieses widmet sich Ansätzen, die der Beurteilung von Eigenschaften neuer Materialien dienen, die in der Halbleiterindustrie zum Einsatz kommen. Da experimentelle Ansätze oft teuer und zeitaufwendig sind, erarbeiten Lado Filipovic (TU Wien) und das Softwareunternehmen Silvaco gemeinsam einen rechengestützten Ansatz. Gefördert wird das Vorhaben durch das Bundesministerium für Arbeit und Wirtschaft.

BMAW fördert neue Anwendungsbereiche von Halbleitern

„Halbleiter-Komponenten stehen am Anfang der meisten wichtigen strategischen Wertschöpfungsketten und gelten somit als Eckpfeiler für Innovation und die Wettbewerbsfähigkeit eines Wirtschaftsstandortes. Die Forschungsarbeit des neuen CD-Labors, um das bisher dominierende Silizium durch neue, verbesserte Materialien zu ersetzen, kann zur Stärkung der Innovationskraft Österreichs im Bereich der Mikroelektronik beitragen. Gleichzeitig sind neue Halbleitermaterialien auch die Voraussetzung für notwendige künftige Anwendungen in der Energie- und Mobilitätsbranche“, so Arbeits- und Wirtschaftsminister Martin Kocher.

Silizium gilt als das wichtigste Material bei der Herstellung von Halbleitern. Allerdings stößt es zunehmend an die Grenzen seines Nutzens. „Die Nachfrage nach immer kleineren und schnelleren integrierten Schaltkreisen hat die Effizienz des Materials bis an die Grenze des Machbaren getrieben“, erklärt Lado Filipovic. So befürchten Branchenexperten, dass Silizium bald an die Grenzen des Mooreschen Gesetzes stoßen wird. Daher wird auf der Nanoskala intensiv an alternativen Materialien geforscht.

Die Branche strebt nicht nur nach immer kleineren Transistoren, in denen Halbleiter zum Einsatz kommen, neue Materialien können auch weitere fortschrittliche und innovative Anwendungen ermöglichen. „Energieeffiziente Hochleistungsbauelemente und Sensoren eignen sich besser für Halbleiter mit breiter Bandlücke wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN). Neu entstehende Speicherkonzepte basieren auf dem Einsatz neuartiger Materialien, wie z. B. Hafniumoxid (HfOx) oder Magnesiumoxid (MgO). Seit der Entdeckung von Graphen wurde auch eine große Vielfalt an neuen 2D-Materialien für zahlreiche Anwendungen untersucht, darunter auch digitale Transistoren und Sensoren“, nennt Filipovic als Beispiele. „Die Zukunft fast aller Elektronikindustrien, einschließlich der Display-Technologien, der Optoelektronik und der Sensorik, basiert mit großer Wahrscheinlichkeit auf dem weiteren Verständnis neuartiger Materialien und der Frage, wie diese in die bestehenden Herstellungsverfahren für Mikroelektronik integriert werden können“, resümiert Filipovic. 

TCAD meets Verfahrenstechnik

Die Idee, Materialeigenschaften zu simulieren und entsprechend abzubilden, ist nicht neu. Process TCAD (technology computer-aided design) im Bereich der Halbleiterindustrie basiert jedoch zumeist auf Daten aus Experimenten und Messungen mit Silizium, weshalb die Modellierung sich nicht zur Vorhersage von Eigenschaften neuer Materialien eignet.

Möchte man nun neue – und vor allem besser geeignete – Werkstoffe finden, kann man den klassischen Weg gehen, der mit viel Zeit und Geld für Messungen und Experimente verbunden ist. Mit dem neuen, mehrstufigen Ansatz, den Lado Filipovic und sein Team verfolgen, schaffen sie eine Alternative für die Beurteilung neuartiger Werkstoffe, wie sie bereits im Device TCAD eingesetzt wird. Im Bereich der Verfahrenstechnik stehen Ansätze wie diese jedoch noch ganz am Anfang.

Der neue mehrstufige Ansatz kombiniert dabei zwei Extrema in Zeit- und Längenskalen für die Modellierung miteinander: Das Kontinuum-Modell und das atomistische Modell. „Die Simulation greift erst auf das Kontinuum-Modell zurück und nur, wenn nötig, auf das zeit- und rechenaufwändigere atomistische Modell“, erklärt Lado Filipovic. Bei der Entwicklung des Ansatzes greifen die Kompetenzen von TU Wien und dem Unternehmenspartner Silvaco optimal ineinander: „Silvaco ist einer der weltweit führenden Anbieter von TCAD-Software, EDA-Software und Design IP. Außerdem verfügt das Unternehmen über langjährige Erfahrung in der Halbleiterindustrie und kennt die wichtigsten Problemstellungen in diesem Bereich“, betont Filipovic. Gemeinsam können sie die Grundlagen für die effiziente Herstellung der High-Tech-Produkte von morgen schaffen.

Über Christian Doppler Labors

In Christian Doppler Labors wird anwendungsorientierte Grundlagenforschung auf hohem Niveau betrieben, hervorragende Wissenschafter_innen kooperieren dazu mit innovativen Unternehmen. Für die Förderung dieser Zusammenarbeit gilt die Christian Doppler Forschungsgesellschaft international als Best-Practice-Beispiel.

Christian Doppler Labors werden von der öffentlichen Hand und den beteiligten Unternehmen gemeinsam finanziert. Wichtigster öffentlicher Fördergeber ist das Bundesministerium für Arbeit und Wirtschaft (BMAW).

Rückfragehinweis

Dr. Lado Filipovic
Forschungsbereich Mikroelektronik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 360 36
lado.filipovic@tuwien.ac.at

Aussenderin:

Sarah Link, MA
PR und Marketing
Technische Universität Wien
+43 664 605882412
sarah.link@tuwien.ac.at