#Forschungsspecial: Jan Dick forscht an Reinraumlabor und Büroschreibtisch
Mit #Forschungsspecial bieten wir Doktorandinnen und Doktoranden unseres Departments die Möglichkeit, ihre Forschungsthemen einer breiten Öffentlichkeit vorzustellen. Zum Sommerbeginn besuchen wir Jan Dick vom Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (LEB). Seine Arbeit findet nicht nur am Büroschreibtisch, sondern auch im Reinraumlabor statt.
Kurzinfo:
Name: Jan Dick
Lehrstuhl: Lehrstuhl für elektronische Bauelemente (LEB)
Forschungsgebiet: Funktionalisierung des Tunneleffekts für neuartige Leistungstransistorkonzepte
Lieber Herr Dick, Sie kommen ja nicht aus Erlangen. Wo haben Sie denn vorher studiert und wie fiel die Entscheidung für dieses Studium?
Ich habe an der Universität Stuttgart sowohl im Bachelor als auch im Master Elektro- und Informationstechnik studiert. Es gab für mich während der Schulzeit zwei Themen, die mich wirklich brennend interessierten: Das war zum einen die Raumfahrt und zum anderen die Mikroelektronik. Beide Themengebiete beschäftigen sich mit einer Hochtechnologie unserer Zeit. Die unterliegenden Ingenieurs-Fragestellungen haben mich schon damals sehr gereizt. Schlussendlich fiel die Entscheidung zu Gunsten der Mikroelektronik, da ich mir im Bereich der Elektrotechnik die besseren Karrierechancen ausmalte.
Und wie sind Sie von Stuttgart an die FAU gekommen?
Ich habe an der Universität Stuttgart auch meine Promotion begonnen. Nach 5 Monaten bin ich dann nach Erlangen gewechselt, da mein Doktorvater – Prof. Schulze – einem Ruf an die FAU gefolgt ist und mir angeboten hat, mitzukommen. Das Argument mit an die FAU zu wechseln, war die größere und umfangreichere Ausstattung des Reinraumlabors, das zusammen mit dem Fraunhofer IISB genutzt wird und die Möglichkeiten zur Charakterisierung von Leistungshalbleiterbauelementen.
Eine besonders für angehende Doktorandinnen und Doktoranden sicherlich sehr spannende Frage ist, wie man für sich die passende Doktormutter bzw. den passenden Doktorvater und natürlich auch das perfekte Promotionsthema findet. Wie war das denn bei Ihnen?
Da ich mich recht zielstrebig von vornherein auf Mikroelektronik spezialisieren wollte, bin ich ab dem vierten Semester bei Prof. Schulze am Institut für Halbleitertechnik an der Universität Stuttgart gelandet. Mich hat vor Allem die Möglichkeit der eigenen Mikrochip-Herstellung im Uni-eigenen Reinraum gereizt. Diese Möglichkeit besteht auch beim LEB hier an der FAU. Darüber hinaus hat Prof. Schulze im Jahr 2019 seine bauhaus-Inititative gegründet, die auf das Lehrkonzept der Architektur- und Designschule des bauhauses aufbaut. Zentral ist hier neben der strengen theoretischen Ausbildung der Studierenden auch eine praktische Ausbildung in der „Werkstatt“ – also unserem Reinraum – zu bieten. Dabei ist ein zentraler Gedanke die intrinsische Motivation und Kreativität der Studierenden anzusprechen, damit in den Werkstätten neue Ideen und Konzepte entwickelt werden.
Parallel zur Gründung der bauhaus-Initiative von Prof. Schulze hatte ich die Idee zu einem neuen leistungselektronischen Transistorkonzept das auf dem quantenmechanischen Tunneleffekt beruht. Das war noch während meines Masterstudiums. Die Idee kam daher, dass bereits an Prof. Schulzes Lehrstuhl zu Tunneltransistoren geforscht wurde und ich mir die Frage gestellt habe, inwiefern das Konzept auch auf leistungselektronische Bauelemente anwendbar ist. Ich durfte mein Konzept im Rahmen eines „Marktplatz der Ideen“ vorstellen und es wurde für so gut befunden, dass ich darauf meine Abschlussarbeit und nun auch meine Promotionsforschung machen darf. Ich forsche also zur „Funktionalisierung des Tunneleffekts für neuartige Leistungstransistorkonzepte“. So lautet mein Arbeitstitel.
Was können wir uns denn unter Ihrem Thema vorstellen? Könnten Sie es uns vielleicht an einem Alltagsphänomen erklären?
Leider ist das quantenmechanische Tunneln, das ich für meine Leistungstransistoren nutzen möchte, ein Effekt, der nur im Mikroskopischen vorkommt und uns deshalb in der makroskopischen Welt nur indirekt über den Weg läuft. Ich möchte es aber trotzdem versuchen so zu erklären, dass es greifbar wird: Man hat vielleicht als Kind schonmal den Versuch unternommen, einen Ball gegen eine Mauer zu kicken. Egal wie oft man das macht, kommt der Ball immer zurück. Damit der Ball die Mauer passieren kann, muss die Mauer einfach nur niedrig genug sein, damit man ihn drüber kicken kann. Das ist auch analog dazu, wie wir heute alle unsere Transistoren schalten: Wir verringern die Höhe einer „Elektronenmauer“ so weit, dass die Elektronen drüber kommen. Was in unserer makroskopischen Betrachtung mit dem Ball jedoch nicht funktioniert, ist die Mauer besonders dünn zu machen, damit der Ball durchgeht. Egal wie dünn wir die Mauer bauen, kommt der Ball immer zurück – vorausgesetzt die Mauer geht nicht kaputt.
In der mikroskopischen Welt gibt es jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron eine besonders schmale „Elektronenmauer“ passieren kann, ohne diese kaputt zu machen. Wir sprechen hierbei vom quantenmechanischen Tunneln. In meiner Arbeit geht es im Prinzip darum solche Elektronenmauern durch elektrische Felder so schmal zu machen, damit ein großer Elektronenstrom getragen werden kann.
Das klingt sehr spannend! Welche Effekte erhoffen Sie sich dadurch?
Transistoren, die auf quantenmechanischem Tunneln beruhen, werden schon seit Jahrzehnten für Anwendungen in Mikroprozessoren wegen ihrer potenziell besseren dynamischen Eigenschaften und höherer Effizienz erforscht. In der Leistungselektronik stellt sich mittlerweile die gleiche Frage zur Verbesserung der dynamischen Eigenschaften von Leistungstransistoren. Die Verbesserungen durch den Umstieg auf andere Materialsysteme ist mit der Abkehr von Silizium hin zu Halbleitern mit großer Bandlücke bereits in vollem Gange. Es wird jedoch noch wenig im Bereich der alternativen Bauteilkonzepte geforscht, die aber in anderen Bereichen der Halbleitertechnik bereits Fuß gefasst haben. Ziel meiner Arbeit ist es insbesondere den „Proof of Concept“ für den Leistungstunneltransistor zu zeigen, das dynamische Verhalten von solchen Bauelementen zu charakterisieren und mit dem Stand der Technik zu vergleichen.
Das hört sich sehr umfangreich und sehr arbeitsintensiv an! Wie sieht denn, ganz allgemein gesprochen, Ihr Arbeitsalltag als Doktorand aus?
Die Arbeit an solch einer Dissertation mit recht offenem Thema ist extrem vielfältig. Natürlich muss man den Überblick behalten, welche Literatur neu in diesem Themengebiet publiziert wird, jedoch ist der Löwenanteil eigentlich die Arbeit im Labor zur Herstellung und Charakterisierung der Halbleiterbauelemente bei uns im Reinraum. Die Laborarbeit wird natürlich auch durch meine Studierenden, die Abschlussarbeiten oder Hiwi-Tätigkeiten bei mir absolvieren, unterstützt.
Ich verstehe meine Dissertation nicht nur als Weiterbildung auf meinem Fachgebiet, sondern auch als Ausbildung im Bereich des Projektmanagements und der Personalführung.
Jan Dick
Die Koordination der Studierenden und Experimentplanung machen einen großen Teil meiner Zeit aus. Im Team schafft man immer mehr und man befähigt Studierende gleichzeitig zur eigenständigen Arbeit. Das sollte einen schon auch reizen, wenn man promovieren möchte.
Lieber Herr Dick, herzlichen Dank für dieses spannende Interview!