Master: Mikro- und Nanotechnologien http://www.tu-ilmenau.de/imn Technische Universität Ilmenau GaN-basierende Mikro- und Nanosysteme Institut für Mikro- und Nanotechnologien O. Ambacher V. Cimalla V. Lebedev G. Ecke K. Tonisch F. Will M. Niebelschütz M. Ali G. Kittler B. Lübbers Ch. Wang D. Chenger J. Pezoldt T. Stauden
66
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GaN-basierende Mikro- und O. Ambacher V. Cimalla ... · einer AlN/Si-Heterostruktur. Strukturierung der Au-Schicht. Anisotropes Ätzen der AlN-Schicht. Unterätzen des Resonatorbalkens
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Direkte optische Messung der Tröpfchen-Volumen bis zu 5 pl!
V = 133 plV = 11 pl
V = 370 plV = 4.5 pl
Tröpfchenvolumen
Industrieller Partner:
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Mischen von Nanotröpfchen
Mischen von Nanotröpfchen mit gekreuzten Oberflächenwellen-Bauelementen.
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Sensor Array
Sieben transparente AlGaN/GaN-Sensoren in Silicium- oder LTCC-Rahmen.
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Sensor-, Dosier- und Positioniersystem
Sterile Umgebung mit kontrollierterLuftfeuchte und Temperatur.
Computer gesteuerte Dosierung, Positionierung und Messung.
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Enzym: Lipase
Das Enzym Lipase spaltet Fette in kleine Bestandteile auf. Gespaltene Fette können von der Dünndarmwand aufgenommen werden und über die Blutbahn im ganzen Körper verteilt werden.
Lipase
Leber
Magen
Gallenblase
Zwölffinger-darm Bauchspeicheldrüse
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Histone Deacetylase-ähnlicheAmidohydrolase (HDAH)
Das Enzym HDAH wird eingesetzt um Gene zu identifizieren die bei Vorliegen von Krebs in erhöhter Konzentration auftreten.
Enzym: HDAH
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Optical Marker
pH-Wert reduziert sich
4-Nitrophenylacetylate
Essigsäure
transparent gelb
Absorption steigt
Reaktion wird durch Enzyme (LIpase, HDAH) katalisiert
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Empfindlichkeit des Detektors.
Optische Detektion
Emission der Laserdiode.
λ [nm]350 400 450 500
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0Em
issi
on
[r
.u.]
412 nm 419 nm
λ [nm]350 400 450 500
10
10
10
10 Para
nit
rop
hen
ol
Emp
fin
dlic
hke
it [
r.u.] 0
-1
-2
-3
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Passivierter AlGaN/GaN-Sensor für die pH-Wert-Messung von Mikro- und Nanotröpfchen.
Ag/AgCl-Referenz
KCl-AgaroseLaser-strahl
Tröpfchen
Sensoraufbau
Laser/Mikrooptischer Aufbau
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Nachweis von Enzymen
Optische Detektion einer biochemischen Reaktion (katalytische Reaktion zwischen Lipase und Ac-pnp).
Elektrische Messung des pH-Wertes zum Nachweis einer
biochemischen Reaktion zwischen HDAH und Ac-pnp.
0 5 10 15 20 25 300.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
time [min]
optic
al tr
ansm
issi
on
5 l (Ac-pnp) + 5 l (lipase)μ μ
-2 0 2 4 6 8 10
7.4
7.6
7.8
8.0
8.2
8.4
time [min]
pH
dosi
ng 2
00 n
l
Ac-npn
Ac-npn + HDAH
micro droplet
nano droplet
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Applikation, Vision
Identifikation von BakterienpH-Wert Sensoren
Industrielle Partner:
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AlN/Si-basierende Mikro- und Nanoresonatorenzur Bestimmung von Viskosität und Temperatur von kleinsten Flüssigkeitsmengen.
Mikro- und Nanoresonatoren
Si
AlGaN
GaN
Au
Nanotröpfchen
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Vorteile AlN-basierender Mikro- und Nanomechanik?
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Motivation
Innenohr Basilarmembran
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100 - 200 nm
Reihen von Haarzellen Innere Haarzelle Flimmerhärchen
1013 Oszillationen in einem Menschenleben!
Mechanische Eigenschaften
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Elektromechanische Eigenschaften
Amplitude der Oszillation entspricht dem Durchmesser
eines Atoms
Vergleichbar einer Schwingung des Eifelturms
um 1 cm
HaarzelleFlimmerhaar: Ø 0.2 μm x 10 μm
Masse: 10-13 g
Volumen: 0.3 μm3
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Resonator aus AlN:Haar: Ø 80 μmResonatorbreite: 4 μmResonatordicke: 200 nm
Mikro- und Nanoresonatoren
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1. Caltech: X.M.H. Huang, C.A. Zorman, M. Mehregany, M.L. Roukes, Nature 421, 496 (2003).2. Georgia Tech: G. Piazza, R. Abdolvand, F. Ayazi, Proc. IEEE MEMS2003.3. Maryland: B. Piekarski, D. DeVoe, M. Dubey, R. Kaul, J. Conrad, Sensors&Actuators A91, 313 (2001).4. Cornell: L. Sekaric, M. Zalalutdinov, R.B. Bhiladvala, A.T. Zehnder, J.M. Parpia, H.G. Craighead,
Appl. Phys. Lett. 81, 2641 (2002).5. UC Santa Barbara: A.N. Cleland, M. Pophoristic, I. Ferguson, Appl. Phys. Lett. 79, 2070 (2001).
Vergleich von MEMS
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Geometrie, Design
d
eig
1eig
hohes Ausgangssignal
?maximaleEmpfindlichkeit
hohe Masse,große Abmessungen
kleinste Abmessungen
optimaler Resonator
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅+
⋅⋅≈
eigeigf
w
w
f
Qηρπη
ρ
023
2Gütefaktor
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅+
⋅⋅≈ηρπη
ρ
0
Gütefaktor
Δ−≈Δ
Änderung der Eigenfrequenzmm
ffΔ
−≈Δ2
Änderung der Eigenfrequenz
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Au-Metallisierung einer AlN/Si-Heterostruktur.
Strukturierung der Au-Schicht.
Anisotropes Ätzen der AlN-Schicht.
Unterätzen des Resonatorbalkensund Realisierung der Au-Kontakte.
Au/AlN/Si-basierende MEMS
Au
AlN
Si-Substrat
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piezoelektrische AlN-Resonatoren
SEM-Bilder von AlN-basierenden Mikro- und Nanoresonatoren.
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200 µm
Gepulste Anregung
Signal Signal
Signal
- -
-
-
U
US
D
t
t
0
?
Resonator
Generator 1 Generator 2
Verstärker
U
U
T
Trigger
t
Oszi
Q =ln(2) ln(2)
π πt0.5
Tp= N
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Eigenfrequenz, Güte
Eigenfrequenz und Güte von SiC- und AlN-Resonatoren mit Breiten von 1 μm und Dicken von etwa 150 nm.
50 100 150 250Resonatorlänge [ m]μ
50 100 150 250Resonatorlänge [ m]μ
60
100
200
400
600
1000
2000
10
10
10
10
10
in Luft
in Vakuum
AlN
SiCEi
genf
requ
enz
[kH
z]
Güt
e Q
1
2
3
4
5
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Applikation
U-förmiger AlN-Resonator (150 μm x 50 μm x 200 nm) in Luft.
Resonator bedeckt durch ein Nano-tröpfchen von Isoprophanol.
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Adhärierte Gewebszelle auf einem Mikroresonator.
AlN-Resonator: 75 μm x 8 μm x 200 nmfeig = 420 kHz
Nach dem Adhärieren der Zelle:feig = 61.7 kHz
Zellmasse: 1.5 ngMittlere Zelldichte: ~ 1.5 g/cm³
Applikation, Vision
Δf = - f eig eig12
Δmm
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Vision
Biomimetischer Sensor
Nanodrähte
AlGaN/GaN
Al O2 3
2DEG
Nanodraht
Depletion
Drehmomentdurch
StrömungKraft auf AlGaN
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InN für „optische“ Applikationen?
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THz-Strahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen mit Frequenzen von 0.1 – 10 THz.Wellenlänge: 30 μm – 3 mmEnergie: 0.4 – 40 meV
Interessanter Übersichtsartikel:Ferguson and Zhang in Nature 2002“Materials for THz science and technology”
THz-Strahlung
http://www.iaf.fhg.de
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Silicon Gold
D. Clery, Science 297 (2002) 761
Bei Frequenzen von etwa 100 GHz reflektieren Wasser und Metalle
elektromagnetische Wellen. Papier und Kleidung sind nahezu transparent.
THz-Strahlung ist wie Röntgenstrahlung aber kann über Entfernungen von mehr als 25 m eingesetzt werden.
Applikation
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Verdächtige Stelle an einermenschlichen Stirn.
THz-Bild mit „hot spot“.Krebszellen-Cluster reichern Wasser an.
Detektion von Hautkrebs durch Histologie.
Nutung der THz-Strahlung
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InN-ProbeChopper
Strahlteiler
parabolischerSpiegel
Zeitverzögerungs-strecke
Spiegel und Linse
fs-Laser (1060 nm, 800 nm)
Trigger Signal
SHG
THz-Antenne(LT-GaAs)
S. Riehemann, G. Notni, A. Tünnermann
Erzeugung von THz-Strahlung
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Photo-Dember Effekt
fs-La
serp
uls
- -- -
n ~ 3 - 5
THz+ ++ +
p-InAsInN
Am
plit
ude
des
E-Fe
lds
[r.E
.]
Zeit [ps]
-10
-5
0
5
10
15
20
0 5 10 15 20 25 30 35
Schematische Darstellung des Photo-Dember Effekts; Trennung der photogenerierten Ladungs-träger.
Abstrahlung einer THz-Welledurch oszillierende eh-Dipole.
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Spek
tral
e A
mp
litud
e [r
.E.]
p-InAsInN
p-InAsInN
Frequenz [THz]1 2 3 4 5
10
10
10
10
10
0
-1
-2
-3
-4
Frequenz [THz]1 2 3
10
10
10
10
0
-1
-2
-3
THz-Strahlung aus InAs & InN
Die spektrale Amplitude wird aus der Amplitude des elektrischen Feldes E(t) mit Hilfe FFT berechnet.
Anregung mit λ = 1060 nm. Anregung mit λ = 800 nm.
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Was ist besonders an InN?
800 nm 1060 nm
<100> <111>
InAs
GaSb
InP
InN
GaAs
k
E
GaSb
InP
InN
GaAs
InAs
10
10
10
10
10
10
10
10 10Energiedifferenz [eV]
no
rm.T
Hz-
Emis
sio
n[%
]
-2
2
3
-1
-1
0
0
1
1
Bandstrukturen verschiedener Verbindungshalbleiter (links). Auf die Emission von InAsnormierte Intensität der THz-Strahlung in Abhängigkeit von der Energiedifferenz
zwischen Γ-Punkt und dem nächst höheren Leitungsbandminimum (rechts).
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Photo-Dember Effekt:
hoher Absorptionskoeffizient
hohes μn/μp-Verhältnis
geringe Hintergrund-Dotierung
Oberflächenleitfähigkeit?
Photo-Dember Effekt
fs-La
serp
uls
---
-
n ~ 3 - 5
THz
+ ++ +
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InN-bedeckte Pyramiden
Vision
Substrate (Saphir, GaN, Si)
fs-L
aser
puls
THz-Emission
InN
Pyramide(GaN, Si)
+
+--
--+
+
InN-Nanodrähte
fs-La
serp
uls
- --
+++
THz
InN
Si(111) mit Gate
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AlGaN/GaN-HEMTs für Klasse-S Verstärker
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Duplexfilter
Test und Diagnose
Kühlung
HF-Verstärker
StromverteilungKühlung
Schnittstellen
Radio- undBasisbahnkarten
UMTS-Basisstation, Lucent OneBTS
PADuplexer
RF/BBDigitaler
Controller
ZentraleGeräte
PS
TOC RF20 W
AC Power6184 W
DC Power5526 W
Wärme658 W
Wärme328 W
Wärme288 W
Wärme2820 W
818 W
328 W490 W
618 W
Ver
lust
leis
tung
du
rch
Wär
me
5734
W
Basisstation
Dr. G. Fischer
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Klasse-S Verstärker
PADuplexer
RF/BBDigitaler
Controller
ZentraleGeräte
PS
TOC RF20 W
AC Power1568 W
DC Power1380 W
Wärme188 W
Wärme150 W
Wärme130 W
Wärme180 W
200 W
150 W50 W
180 W
Ver
lust
leis
tung
du
rch
Wär
me
1398
W
IntegrierterHF-Modulator
RF in (analog)
Bandpassfilter
Treiber
RF out (analog)
SiGe 1-bitQuantisierer
Rau
sch
leis
tung
ssp
ektr
um
Sign
alre
kon
stru
ktio
n
Ref/Clock
GaN-Schaltverstärker
1-bit
1-bit
Betriebsfrequenz 2 GHz
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Applikation
Evolution der Plattform für die Basisstations-Funktionalität.
Basisstation Basisstation Router
Switch
Wireless Line Card
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Mikrostrukturen und Systeme aus GaN-basierendenVerbindungshalbleitern besitzen ein riesiges Potential für
grundlagen- & anwendungsorientiertes Forschen sowie innovative Produkte
Fazit und Ergebnisse
Ausgewählte Beispiele hierfür sind:
AlGaN/GaN-HEMT´s für neuartige Verstärkerarchitekturen,
GaN-Sensoren zum Nachweis biochemischer Reaktionen,
AlN-basierende Mikro- und Nanoresonatoren sowie
InN-Strukturen zur Erzeugung von THz-Strahlung.
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Analysis of virusesIdentification of bacteria
Kollegen, Mitarbeiter
A. SchoberC. Buchheim, M. Fischer, M. Himmerlich,S. Krischok, J.A. Schaefer, H. Romanus, E. Remdt, J. Burgold, F. Weise,H. Wurmus, K.H. Drüe, M. Hintz, I. Koch, H. Thust,R. Goldhahn
M. Kittler, F. Schwierz,R. Mastylo, E. Manske, G. Jäger, Ch. Knedlik, G. Winkler, L. Spiess, A. Spitznas, T. Kerekes, H. Döllefeld,T. Sändig,M. EickhoffG. SteinhoffT. SuskiM. Hein