Labor für Heterogene Integration

Die Forschung im Heterogeneous Integration Laboratory (HIL) ist multidisziplinär und explorativ und liegt an den Schnittstellen von Materialwissenschaft, Elektrotechnik und angewandter Physik. Wir konzentrieren uns auf multidisziplinäre, explorative Forschung, die sich mit der heterogenen Integration von Nanomaterialien und -geräten über Längenskalen- und Materialgrenzen hinweg befasst. Die Projekte können in zwei Bereiche unterteilt werden:

Heterogene Integration über Längenskalen hinweg durch Selbstorganisation und Transfer

Der erste Forschungsschwerpunkt ist auf die Entwicklung von Methoden der technischen Selbstmontage und des Nanotransfers ausgerichtet, um die Integration funktioneller (elektronischer und photonischer) Materialien und Geräte in heterogene Systeme zu ermöglichen. Ziel ist es, die Grenzen der Skalierbarkeit von Roboter-Fließbändern und Serienfertigung zu überwinden. Das Team leistete Pionierarbeit bei den Techniken der Selbstmontage und des Transfers und demonstrierte eine Reihe verschiedener Anwendungen. Die Methoden finden eine Vielzahl von Anwendungen:

  • Metamorphe Elektronik, d. h. elektronische Produkte, die morphologische Veränderungen erfahren und neue Formen und Formfaktoren annehmen

  • Dehnbare Elektronik, die anorganische Halbleiterbauelemente auf dehnbaren Substraten verteilt

  • Herstellung von mikroskopisch kleinen Chips (mit LEDs, Transistoren, Solarzellen), die in unseren eigenen Projekten und in Gemeinschaftsprojekten verwendet werden

 

Erfahrung: Die Forschung erfordert, dass wir lernen, wie man Geräte mit anorganischen Halbleitern herstellt. Wir können Bauelemente auf Si-Basis, einschließlich Transistoren und photovoltaische Zellen, herstellen. Darüber hinaus haben wir Erfahrung in der Verarbeitung von Bauelementen auf GaAs- und GaN-Basis, die von Transistoren bis zu LEDs mit mikroskopischen Chipabmessungen reichen. Unser Hauptaugenmerk liegt darauf, diese Bauelemente zu vertreiben und in neue Anwendungen zu integrieren. So haben wir zum Beispiel Pionierarbeit bei der Selbstmontage geleistet. Die technischen Prozesse der Selbstmontage nutzen Oberflächenspannung, Formerkennung, Hierarchien, Rezeptoren und Bindungsstellen, die programmiert werden können, um die Montage zu steuern (kein "pick and place") und elektrische Verbindungen zwischen den einzelnen Elementen herzustellen (kein Drahtbonder erforderlich). Das Verfahren wurde in den folgenden Anwendungen eingesetzt:

  • Montage von LEDs mittels Reel to Reel Fluidic Self-Assembly für Festkörperbeleuchtungsanwendungen

  • Realisierung flexibler zylindrischer Display-Segmente mit Hilfe von Flüssiglot-gesteuerter Selbstmontage und Bonding

  • Paralleles Self-Packaging von Halbleiterchips als Ersatz für serielles Pick and Place und Wirebonding

  • Flip-Chip-Selbstmontage von Halbleiterchips mit einzigartiger Winkelausrichtung und Kontaktflächenregistrierung

  • Sequentielle Selbstmontage eines miniaturisierten Transponder-/Sensorsystems, das aus der Ferne aktiviert und abgefragt werden kann

 

Integration und Charakterisierung von funktionellen Nanomaterialien und Bauelementen

Der zweite Forschungsschwerpunkt verfolgt ein ähnliches Thema, befasst sich aber ausschließlich mit Nanomaterialien, die in unserem Labor durch Bottom-up-Synthese hergestellt werden. Auch hier besteht ein Ziel darin, diese Bausteine an präzisen Stellen auf einer Oberfläche oder in 3D zu integrieren. Auf diese Weise geht der Trust eine bekannte Herausforderung der Nanoverarbeitung an. Die Herausforderung bei der Herstellung von Nanomaterialien stellt sich wie folgt dar: Niedrigdimensionale Nanomaterialien sind die Bausteine zukünftiger nanotechnologischer Produkte und bieten bekanntermaßen eine Vielzahl von größenabhängigen Funktionen. Die Entdeckung dieser Funktionen ist abgeschlossen und war die Triebfeder für die erste Phase der Nanowissenschaften. Die zweite Phase sieht nun eine industrielle Nutzung vor, die durch einen Mangel an skalierbaren "Nanomanufacturing"-Methoden behindert wird. Die Entdeckung und Entwicklung von skalierbaren Nanoverarbeitungsprozessen ist das Ziel der zweiten Phase.

 
  • Herstellung von funktionellen Nanopartikeln (reaktive Nanopartikel, Nanopartikeltransistoren, Nanopartikelsensoren, metallische und halbleitende Nanopartikel)

  • Nanoxerografische Drucker - Das Team hat eine Reihe von nanoxerografischen Druckern entwickelt, die die parallele Integration funktioneller Nanopartikel an präzisen Stellen auf einem Substrat aus der Gas- oder Flüssigphase mit einer Auflösung ermöglichen, die 5000 Mal höher ist als bei herkömmlichen xerografischen Druckern. Die Technik kann organische, anorganische, metallische, halbleitende oder isolierende Nanopartikel in einem Größenfenster von 0,1 nm bis 40 mm drucken und findet Anwendung bei der Integration von auf Nanopartikeln basierenden Geräten.Integration von Nanodrähten - Ein weiterer Ansatz zielt auf die Integration von Nanodrähten zur Bildung von auf Nanodrähten basierenden Geräten und Systemen. Wir haben das Wachstum von Nanodrähten an vordefinierten Stellen auf einer Oberfläche und die Herstellung von Nanodraht-LEDs mit Heteroübergang demonstriert, wobei wir die Gerätephysik, den Transport und die Elektrolumineszenz in Zusammenarbeit untersucht haben.

  • Selbstausgerichtetes Wachstum von nanoskopischen Bonddrähten - Das Team hat ein Verfahren entdeckt, das das selbstausgerichtete Wachstum von nanoskopischen Bonddrähten ermöglicht. Das Verfahren ermöglicht die Realisierung von frei geformten elektrischen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Die Drähte bestehen aus metallischen Nanopartikeln.

  • Elektroabscheidung von Nanopartikeln aus der Gasphase - Dies ist ein weiteres Verfahren, das wir derzeit erforschen. Das Verfahren ermöglicht die Abscheidung von funktionellen Materialien an vorher festgelegten Stellen auf einer Oberfläche. Es ist ähnlich wie die Elektroabscheidung in der Flüssigphase. Es handelt sich jedoch um ein Gasphasenverfahren, das auf dem Zusammenspiel von Gasionen mit hoher Mobilität, einem strukturierten Substrat und luftgetragenen Nanopartikeln beruht. Es vermeidet Materialverluste und hat einzigartige Eigenschaften, die es zu erforschen gilt.

  • Gerichtetes Transportieren in der Luft - Grundlagen und Anwendungen. Dies ist ein grundlegendes wissenschaftliches Projekt. Das Projekt untersucht einen neuen, von uns entdeckten Transportmechanismus, der die örtlich begrenzte Sammlung von Schwebeteilchen mit einer höheren Rate als bisher möglich unterstützt. Stark vereinfacht ist der Prozess ein gerichteter elektrodynamischer Transportprozess. Der Prozess führt zu einer lokalisierten Sammlung und Konzentration von Luftpartikeln an vorbestimmten Messpunkten auf einem strukturierten Substrat. Der entdeckte Prozess ist auf eine breite Palette von Partikelgrößen (bisher 15 Größenordnungen in Bezug auf das Partikelgewicht) und -arten (organisch und anorganisch) anwendbar.