RF & Nanoelektronische Bauelemente

Die Arbeitsgruppe RF & Nano-Bauelemente arbeitet seit vier Jahrzehnten an der Entwicklung ultraschneller und extrem kleiner Transistoren für Anwendungen in der Höchstfrequenzelektronik (RF Elektronik, Radio Frequency Electronics) und in der Digitalelektronik. In jüngster Zeit wurden die Forschungsarbeiten der Gruppe auf innovative Bauelementen aus zweidimensionalen (2D) Halbleitern konzentriert. Die Arbeiten umfassen die Theorie und Simulation, das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der Bauelemente. 

Aktuell bearbeiten wir die Forschungsprojekte
  • Ultimativ skalierte MoS2 MOSFETs.
  • Memristoren aus 2D Materialien für neuromorphe Systeme.
  • Gassensoren aus 2D Materialien.
Weiterführende Informationen über derzeitig laufende Projekte:

Leiter Arbeitsgruppe 

PD Dr.-Ing. habil. Frank Schwierz

E-Mail senden | +49 3677 69-3120 | Fax: +49 3677 69-3132
​​​​​​Kirchhoffbau, Raum 1021

Ultimativ skalierte MoS2 MOSFETs 

MoS2 ist ein halbleitendes Material aus der Gruppe der Übergangsmetalldichalcogenide (Transition Metal Dichalcogenides – TMDs), das in Form von MoS2 Monolagen, also in rein zweidimensionaler (2D) Form hergestellt werden kann. Derzeit wird weltweit intensiv an Transistoren (MOSFETs) mit Kanälen aus 2D TMDs geforscht. Solche Transistoren lassen sich deutlich weiter verkleinern (skalieren) als die heute üblichen Si MOSFETs. In seinem Plenarvortrag auf dem International Electron Device Meeting im Dezember 2019 hat Robert Chau, Director of Components Research der Intel Corporation, seine Sicht auf die Zukunft der Halbleiterelektronik präsentiert und dabei den MOSFET mit gestapelten 2D TMD Kanälen als den Transistortyp der Wahl für die finale Stufe der Skalierung am Ende der CMOS-Roadmap bezeichnet.

Wir untersuchen durch theoretische Betrachtungen und quantenmechanische Simulationen das Skalierungspotenzial von 2D MOSFETs. Unsere aktuellen Arbeiten dazu laufen im Rahmen des DFG DACH Projekts ULTIMOS2, in dem wir zusammen mit der RWTH Aachen, der AMO GmbH Aachen und der TU Wien die Skalierungsgrenzen von MoS2 MOSFETs ausloten und so die Entwicklung ultimativ skalierter Transistoren für die zukünftige Digitalelektronik vorantreibt.

Memristoren aus 2D Materialien für neuromorphe Systeme

Neuromorphe Systeme arbeiten nach dem Vorbild biologischer Gehirne und erlauben die extrem energieeffiziente Verarbeitung von Informationen. Mit Memristoren lässt sich die Funktion der Grundelemente biologischer Gehirne (Synapsen und Neuronen) auf sehr elegante Weise nachbilden. Unsere Forschungen befassen sich mit Memristoren auf der Basis zweidimensionaler (2D) Materialien und umfassen die Herstellung von 2D Memristoren wie auch die Entwicklung von Theorien und Modellen zur Beschreibung des Verhaltens dieser Bauelemente.

Unsere aktuellen Arbeiten zu 2D Memristoren laufen im Rahmen des von der Carl-Zeiss-Stiftung geförderten Projekts MemWerk, in dem sieben Arbeitsgruppen der TU Ilmenau gemeinsam an memristiven Werkstoffen und Bauelementen für neuromorphe Systeme forschen.

Gassensoren aus 2D Materialien

Zweidimensionale (2D) Materialien bestehen fast nur aus Oberfläche und reagieren daher extrem sensitiv auf ihre Umgebung, z.B. auf das Vorhandensein von Gasen. Tatsächlich wurden bei Raumtemperatur arbeitende hochsensitive resistive 2D MoS2 Gassensoren bereits von Forschern der UCLA in den USA demonstriert (Nachweisgrenze für NO2 20 ppb). Auf der anderen Seite ist es noch nicht gelungen, die Funktion resistiver 2D Gassensoren theoretisch gut zu beschreiben und zu berechnen.

Wir arbeiten aktuell an der Etablierung einer Methode zur Simulation des Verhaltens resistiver 2D Gassensoren. Dazu entwickeln wir Modelle, die die Reaktion der 2D Materialien auf Gase korrekt beschreiben und an der Implementierung dieser Modelle in einen Bauelementesimulator. Ziel ist es, die Sensitivität und Selektivität von 2D Gassensoren unter Einwirkung von Gasen zu berechnen, damit die Zahl aufwändiger Experimente zu minimieren und so die Entwicklung resistiver 2D Gassensoren erheblich zu beschleunigen.

Unsere aktuellen Arbeiten zu 2D Gassensoren laufen im Rahmen der von uns koordinierten Thüringer Forschergruppe 2D-Sens, in der fünf Arbeitsgruppen, drei von der TU Ilmenau und zwei von der FSU Jena, gemeinsam die Entwicklung von 2D Gassensoren vorantreiben. In 2D-Sens wird die gesamte Wertschöpfungskette der Forschung zu 2D Gassensoren, beginnend bei der Bauelementetheorie über die Materialsynthese und Prozessentwicklung, die Herstellung und Charakterisierung von Sensoren bis hin zur Realisierung von Demonstratoren, abgedeckt.