Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Testen - noch vor der Laborproduktion

10.06.2003


Simulationsprogramm aus dem Weierstraß-Institut modelliert Halbleiterbauelemente



Die Miniaturisierung der Elektronikbauteile geht ungebremst weiter. Immer kleiner werden die Chips mit ihren Schaltelementen und Leitbahnen, die winzigen Sender und Empfänger für Informationen. Daher müssen die Entwickler solcher Elemente zunehmend auf die Kunst der Mathematiker und Modellierer zurückgreifen, wenn sie Bauteile neu entwerfen oder optimieren. Am Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik (WIAS) in Berlin hat sich eine Arbeitsgruppe auf solche Fragestellungen spezialisiert. Es geht um die Berechnung von Halbleiterbauelementen. Um solche Teile zu produzieren, ist ein technologischer Prozess nötig, der Tage bis Wochen dauert. "Das kann bis zu zweihundert einzelne Arbeitsschritte umfassen", sagt Dr. Reiner Nürnberg vom WIAS. Zur Fertigung gehören Strukturierungs-, Beschichtungs- und Dotierungsprozesse.

... mehr zu:
»Bauelement »WIAS »WIAS-TeSCA »Wärme


Noch bevor also die komplizierten Fertigungsanlagen anlaufen - und die teuren Versuchschargen eingespeist werden -, simulieren die WIAS-Experten die Funktionsweise des neuen Bauelements. Ihr Programm dafür heißt WIAS-TeSCA. Es dient dazu, das Verhalten der Elemente während des Betriebs vorherzusagen: Welche Ströme fließen? Welche Wärme entsteht im Innern? Wie reagiert es auf Strahlen? Die Wissenschaftler greifen dabei auf ein mehr als zwanzigjähriges Know-how zurück.

Dieses Wissen hat sich unter anderem in WIAS-TeSCA niedergeschlagen. Der Name steht für "Two and three dimensional Semi-Conductor Analysis". Zu dem als 2D-Simulator entwickelten Programm sind in den letzten Jahren zahlreiche Komponenten neu hinzugekommen. Die dritte Raumdimension ist dabei nur ein Teil der Überarbeitung. Man kann von einer dreifachen Erweiterung sprechen. Nürnberg: "Erstens haben wir zusätzliche Gleichungen integriert, die Wärme, Licht und mechanische Bauteilveränderungen abbilden. Zweitens haben wir neue nichtlineare Modelle berücksichtigt. Und dann eben die dritte Dimension."

Was bedeutet das im Einzelnen? Wärme zum Beispiel ist immer eine Begleiterscheinung in der Halbleiterelektronik. Chips oder Laserdioden können während des Betriebs heiß werden. Diese lokale Wärmeentwicklung wirkt auf die elektronischen Eigenschaften zurück. Generationsraten und Beweglichkeiten ändern sich stark mit der Temperatur. Und das kann den normalen Betrieb eines Bauelements beeinträchtigen und gefährden, schon lange bevor es mechanisch zerstört wird.

Manche Effekte sind erwünscht, gehören also zur Funktion. Auch sie müssen berechnet werden. Etwa die Wirkung von Lichtteilchen, die auf die hochempfindlichen Oberflächen treffen. Diese nutzt man in optoelektronischen Sensoren. Die Geräte sind dann so empfindlich, dass sie ein einzelnes Photon registrieren können, weil das auftreffende Lichtteilchen eine ganze Kaskade von Reaktionen auslöst (das Prinzip ist nach dem englischen Wort für Lawine benannt: Avalanche). Auch bei Avalanche-Detektoren spielt wiederum Wärme eine Rolle.

WIAS-TeSCA simuliert nicht jedes einzelne Elektron in einem Bauelement, sondern geht von einer "Teilchenwolke" aus. "Dabei stoßen wir aber jetzt schon an Grenzen", berichtet Nürnberg, "denn Quanteneffekte lassen sich nicht mehr mit solchen Vereinfachungen berechnen." Ein Gleichungssystem mit hunderttausend Unbekannten muss das Programm schon im 2D-Fall lösen, um ein Bauelement zu simulieren. In der dritten Dimension ist man rasch bei Millionen von Variablen angelangt.

"Es ist aber unabdingbar, dass wir die Simulationsergebnisse mit Daten aus Experimenten vergleichen", sagt Nürnberg. Daher ist die Zusammenarbeit mit anderen Forschungsinstituten sehr wichtig. Ganz eng kooperiert das WIAS zum Beispiel mit dem Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), welches das Programm WIAS-TeSCA bei der Entwicklung von Laserdioden einsetzt. Beide Institute sind Teil des Forschungsverbundes Berlin. Über Lizenzgebühren ist das Mathematik-Institut dabei auch an Einnahmen aus Forschungsaufträgen der Industrie beteiligt.

Simulationsprogramme sind in der Elektronikbranche längst Standard. Was zeichnet WIAS-TeSCA nun aus? Die Numerik ist sehr leistungsfähig. Das heißt, die Gleichungen bilden die Wirklichkeit besonders gut ab und der Rechner spuckt rasch eine Lösung aus. Die WIAS-Entwickler betonen: "Unser Programm arbeitet stabil und bietet auch dann eine Chance auf Erfolg, wenn kommerzielle Software-Produkte an ihre Grenzen stoßen." Außerdem zeichnet WIAS-TeSCA eine hohe Flexibilität aus. Zum Angebot gehören schnelles Reagieren auf Kundenwünsche, der Einbau spezifischer Modelle, die gemeinsame Lösungssuche und schließlich auch die Ausführung von Auftragsrechnungen. WIAS-TeSCA ist also leistungsfähig und aktuell. Nah an der Forschung dran. "Und am Anwender", fügt Nürnberg hinzu. "Der fast tägliche Kontakt mit den Nutzern gibt uns die entscheidenden Impulse zur Weiterentwicklung."


Ansprechpartner: Dr. Reiner Nürnberg; Tel. 030 / 2 03 72-570; nuernberg@wias-berlin.de

Josef Zens | idw
Weitere Informationen:
http://www.wias-berlin.de
http://www.fv-berlin.de
http://www.leibniz-gemeinschaft.de

Weitere Berichte zu: Bauelement WIAS WIAS-TeSCA Wärme

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Verfahrenstechnologie:

nachricht Fraunhofer-Institute entwickeln zerstörungsfreie Qualitätsprüfung für Hybridgussbauteile
19.01.2017 | Fraunhofer IFAM

nachricht Löschwasser mobil und kosteneffizient reinigen
18.01.2017 | Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

21.500 Euro für eine grüne Zukunft – Unserer Umwelt zuliebe

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

innovations-report im Interview mit Rolf-Dieter Lafrenz, Gründer und Geschäftsführer der Hamburger Start ups Cargonexx

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

Niederlande: Intelligente Lösungen für Bahn und Stahlindustrie werden gefördert

20.01.2017 | Förderungen Preise