Vom Smartphone bis zum Computerchip in der Waschmaschine: Wir sind jeden Tag darauf angewiesen, dass unzählige winzige elektronische Bauteile zuverlässig funktionieren. Doch das zu garantieren, ist eine schwierige Aufgabe: Immer kleiner werden die Transistoren, die man für moderne Chips verwendet. Und so können bereits winzige Fehler auf atomarer Skala das Verhalten des Transistors maßgeblich beeinflussen.

Markus Jech untersucht am Institut für Mikroelektronik der TU Wien, wie man die Zuverlässigkeit und das Fehlerverhalten elektronischer Bauteile berechnen, verstehen und verbessern kann. Für seine Dissertation, betreut von Prof. Tibor Grasser, wird er nun mit dem Ressel-Preis der TU Wien ausgezeichnet. Die offizielle Preisverleihung findet im Rahmen einer akademischen Feier am 5. November 2021 statt.

Kleinere Bauteile, andere Gesetze

Fehler sind unvermeidlich. Materialien wie Silizium und Siliziumoxid, aus denen elektronische Bauteile bestehen, sind niemals perfekt. An manchen Stellen fehlt vielleicht ein einzelnes Atom, oder ein Platz im Kristall ist von einem Atom der falschen Sorte besetzt. „Wenn ein Bauteil relativ groß ist, dann kann man statistisch abschätzen, mit wie vielen Fehlern dort zu rechnen ist. Und daraus kann man dann ableiten, welche Auswirkungen die Fehler für das elektronische Verhalten des Bauteils haben“, erklärt Markus Jech. Dafür gibt es gut erprobte Berechnungsmethoden, die von Chipherstellerfirmen seit Jahren verwendet werden.

Doch die Miniaturisierung der Bauteile macht die Sache komplizierter: Transistoren auf modernen Chips sind nur noch wenige Nanometer groß. Auf dieser Skala versagen die bisher verwendeten Methoden. Es genügt nicht mehr, die Unregelmäßigkeiten im Material bloß als statistische Fehlerquelle zu berücksichtigen. Wenn der Transistor nur noch aus einer relativ kleinen Zahl von Atomen besteht, dann kann es eine große Rolle spielen, wie viele Materialfehler welcher Art an welcher Stelle eingebaut sind. Man kann das elektronische Bauteil nicht mehr einfach durch seine Geometrie und seine Materialeigenschaften beschreiben, man muss es auf atomarer Skala untersuchen.

Das bedeutet, dass man die Gesetze der Quantentheorie berücksichtigen muss – allerdings sind auch die winzigsten elektronischen Bauteile für Quanten-Verhältnisse immer noch sehr groß. Es ist nicht möglich, die Gleichungen der Quantentheorie exakt zu lösen, wenn man es mit hunderttausenden Atomen gleichzeitig zu tun hat. Markus Jech musste in seinen Computermodellen daher eine Brücke bauen, zwischen den quantenphysikalischen Methoden, mit denen man einzelne Atome beschreiben kann, und makroskopischen Methoden, mit denen man große Objekte beschreiben kann.

Die Lebensdauer von Chips

„Wichtig ist das vor allem auch, um die Haltbarkeit elektronischer Bauteile vorhersagen zu können“, sagt Markus Jech. Um abschätzen zu können, wie lange die Bauteile im normalen Betrieb ihre Aufgabe erfüllen werden, setzt man sie im Experiment extremen Bedingungen aus – etwa erhöhten Spannungen oder erhöhter Temperatur. Aber wie kann man aus den Ergebnissen solcher Experimente auf die Lebensdauer des Bauteils unter Normalbedingungen schließen? „Auch dafür benötigt man wieder unsere Computersimulationen“, sagt Markus Jech. „Nur durch sie kann man verstehen, welche Parameter welche Rolle spielen und wie man aus diesen Experimenten zuverlässige Schlussfolgerungen ziehen kann.“

Markus Jech

Markus Jech stammt aus Wien. Ursprünglich studierte er Physik an der TU Wien, nach seinem Studienabschluss wechselte er an die Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, wo er seit 2015 am Institut für Mikroelektronik forscht. Für seine Dissertation erhält er nun den Resselpreis. Mit diesem Preis zeichnet die TU Wien jährlich ein Dissertationsprojekt aus, das in Zusammenhang mit interdisziplinärer Drittmittelforschung steht und in Kooperation mit einem Unternehmen als Forschungspartner durchgeführt wurde. Der Resselpreis ist mit € 13.000 dotiert.

Kontakt

Dr. Markus Jech
Institut für Mikroelektronik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 36034
markus.jech@tuwien.ac.at