Adaptive Materialien 

In dieser Forschungsgruppe entwickeln wir funktionale Materialien für die Mikroelektronik und integrieren sie in etablierte Siliziumtechnologien. Dabei verbinden wir grundlegende Untersuchungen von Materialeigenschaften mit Forschung zu Integration, Bauelementdesign und Systemanwendungen und schaffen so skalierbare Lösungen im Kontext von CMOS+X.

Zur Weiterentwicklung dieser Forschung nutzen wir theoretische Modellierung und fortschrittliche experimentelle Methoden auf Mikro- und Nanoskala, um Materialeigenschaften gezielt zu kontrollieren und ihre Integration in Bauelemente zu ermöglichen.

Forschungsrelevanz und Anwendungsbereiche

Funktionale Materialien können bestehende Technologien verbessern und neue Bauelementkonzepte ermöglichen. Die Gruppe konzentriert sich darauf, neue Entwicklungen in etablierte Technologieplattformen zu integrieren, damit diese effizient in die Forschung und Gesellschaft übertragen werden können. In diesem Zusammenhang ist es unser Ziel, sicherzustellen, dass neue technologische Fortschritte mit einer anpassungsfähigen Umsetzung in etablierten Technologieplattformen einhergehen.

Zu den wichtigsten Anwendungsbereichen adaptiver Materialien zählen nichtflüchtige Speicher, neuronale Netze, Edge- und In-Memory-Computing, hyperspektrale Bildgebung, medizinische Diagnostik, industrielle und Umweltüberwachung, Landwirtschaft, E-Mobilität, Luft- und Raumfahrt, Photonik sowie Quantentechnologie.

Zentrale Forschungsziele

• Weiterentwicklung, Charakterisierung und Modellierung memristiver Bauelemente für nichtflüchtige Speicher sowie ihrer Schaltungen und Algorithmen für Anwendungen in neuronalen Netzen und im Edge Computing
• Entwicklung und Integration plasmonischer und dielektrischer Nahfeldsensoren im VIS-/IR- und THz-Bereich für hyperspektrale Bildgebung, medizinische Diagnostik, industrielle und Umweltüberwachung sowie Biofunktionalisierung
• Integration von III-V-Verbindungshalbleitermaterialien in die etablierte CMOS-kompatible Silizium-Technologieplattform für elektronische und photonische Bauelementkonzepte und Systeme
• Verständnis technologischer Problemstellungen im Zusammenhang mit Defekten in Materialien und Bauelementen der Mikroelektronik und Photonik

Forschungsbereiche

Neuronale Netze

Memristive Bauelemente ermöglichen eine Speicherfunktion durch einen variablen elektrischen Widerstand. Von besonderem Interesse sind diese Bauelemente als schaltbare Elemente in nichtflüchtigen RRAM-Speichern, analogen neuronalen Schaltungen und beim energieeffizienten In-Memory-Computing. Sie könnten dazu beitragen, bestehende Grenzen bei der digitalen Verarbeitung kognitiver Funktionen zu überwinden.

Unsere Forschung im Bereich Neuronale Netze konzentriert sich auf die Entwicklung Al-basierter memristiver Bauelemente für zukünftige elektronische Schaltungen mit einer starken Orientierung an biologischen Systemen. Auf Basis dieser Bauelemente entwickeln wir vielversprechende AI-Lösungen für komplexe Aufgaben, beispielsweise zur Bild-, Objekt- und Szenenerkennung sowie zur Steuerung dynamischer, nichtlinearer Systeme in den Bereichen E-Mobilität, Luft- und Raumfahrt, Datenverarbeitung und Sensorsteuerung.

Um die Funktionsweise memristiver Bauelemente innerhalb eines intelligenten In-Memory-Computing-Konzepts auch unter extremen Umgebungsbedingungen zu verstehen und sicherzustellen, untersuchen wir den Einfluss von Strahlung und kryogenen Temperaturen auf die Bauelemente und ihre Systemarchitektur.

Sensoren

Wir entwickeln plasmonische, dielektrische und photoakustische Sensorsysteme für ein breites Spektrum von Anwendungen im Alltag. In diesem Zusammenhang untersuchen wir Biosensoren auf Basis von Plasmonenresonanz, einer der empfindlichsten Methoden zur Erfassung von Veränderungen in der Struktur einzelner Biomoleküle.

Unsere ersten plasmonischen Sensoren wurden gemeinsam mit der BTU Cottbus-Senftenberg entwickelt und getestet, um Erkrankungen von Nutzpflanzen frühzeitig zu erkennen.

III/V-on-Si

Die kontinuierliche Skalierung und Weiterentwicklung rein siliziumbasierter mikroelektronischer Bauelemente stößt zunehmend an physikalische Grenzen. III-V-Verbindungshalbleiter gelten aufgrund ihrer überlegenen Eigenschaften, beispielsweise hinsichtlich Ladungsträgerbeweglichkeit und Bandlücken-Engineering, als vielversprechende Kandidaten, um diese Grenzen zu überwinden. Dadurch sind III-V-Halbleiter sowohl für elektronische Bauelemente als auch für aktive photonische Komponenten und Anwendungen in der Quantentechnologie von großem Interesse.

Unsere Forschung im Bereich III/V-on-Si konzentriert sich auf die Integration von III-V-Materialien auf Silizium, um leistungsfähige und kosteneffiziente Systeme zu ermöglichen. Diese Systeme verbinden die Vorteile und Funktionen von III-V-Materialien mit der ausgereiften und breit etablierten Silizium-Fertigungstechnologie.

Mit unserer neuen, von der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) geförderten explorativen Prozesslinie in unserem Reinraum erforschen wir III-V-Materialien, Prozesse und Bauelemente für eine zukünftige Implementierung in CMOS+X-kompatiblen Systemen.

Projekte