Integrierte Schaltkreise

Die Arbeitsgruppe Schaltungstechnik beschäftigt sich mit integrierter Schaltungstechnik. Dabei bestehen zwei wesentliche Forschungsschwerpunkte, einerseits analoge integrierte Schaltungen und andererseits optoelektronische integrierte Schaltungen.

Im Bereich der analogen integrierten Schaltungen geht es um die Integration von analogen Schaltungsblöcken, z.B. Operationsverstärker, Mixer oder Filter, in neuesten Nanometer CMOS Technologien. Durch die fortschreitende Miniaturisierung der Technologie sinken die möglichen Versorgungsspannungen und die Eigenschaften der Bauelemente entfernen sich immer mehr von denen idealer Bauteile. Diese Randbedingungen stellen große schaltungstechnische Herausforderungen dar, die mit neuen Konzepten und innovativen Ideen bearbeitet werden.

Der zweite Forschungsschwerpunkt über optoelektronische integrierte Schaltungen beschäftigt sich mit der Integration optoelektronischer Bauteile in CMOS und BiCMOS Siliziumtechnologien. Neben den fotoempfindlichen Bauelementen werden auch ganze Systeme mit integrierten Empfängern und nachfolgender Signalverarbeitung entworfen.

Beide Arbeitsbereiche erfordern neben dem Entwurf auch die Charakterisierung der realisierten Mikrochips, welche im eigenen Labor durchgeführt wird.

Verschiedene Fotos von Microchips, Beispiele der Arbeiten des Forschungsbereichs. 4 optische Empfänger, 1 Photodiode, 1 DC/DC  Konverter, 1 Wafer mit Nadeln des Waferprobers.

Microchips des Forschungsbereichs

Überblick über die Forschungsaktivitäten

  • Optoelektronische integrierte Schaltungen (OEICs)

    • Integration von Single Photon Avalanche Detektoren (SPAD)
    • Aktive Quencher und Gater-Schaltungen bis 9,9V SPAD-Überspannung
    • CMOS SPAD Empfänger
    • Bipolare SPAD Empfänger
    • Integration von Avalanche Fotodioden
    • Integration von Fotodioden/Fototransistoren
    • Empfänger für Optische Freiraum Übertragung (optical wireless communication OWC) bis 3 Gb/s und über 20m
    • Rauscharme Faserempfänger bis 11Gb/s
    • Low-Cost Empfänger
    • Nichtlineare optische Empfänger
    • Optische Abstandsmessung
  • Photonisch-elektronische Integration

    • 8×10Gb⁄s Empfänger
    • Modulatortreiber bis 10Gb⁄s
    • 4-PAM 10 GBd Empfänger und Modulatortreiber
    • Verlustleistungsarme Regelung der Heizelemente einer 48×16 optischen Schaltmatrix
Wafer am Waferprober mit einer positonierten Picoprobe auf einer Platine für rauscharme Messungen.

© S.E.A.N.

Waferprober

Technische Ressourcen

  • Für Design:
    • Design Framework: Cadence
    • Bauelementesimulation: Advanced TCAD Package für 2D und 3D Simulationen
  • Für Charakterisierung von fotoempfindlichen Bauelementen:
    • On-Wafer, auch halbautomatisch für Serienmessungen
    • Optische Messquellen in diversen Wellenlängen von infrarot bis blau
    • Flexible Kontaktierung durch Probecardsystem
Wissenschaftler schaut durch das Mikroskop des Waferprobers, auf dem ein Chip, Nadeln und eine optische Faser positioniert sind.

© Horst Zimmermann

On-Wafer Messung

  • Für Charakterisierung von SPADs :
    • Vollständig abgedunkelter Messaufbau („Dark-Box“)
    • Vollautomatisierte Messung von Dunkelzählraten, Folgepuls Wahrscheinlichkeit und Photon-Detektionswahrscheinlichkeit
    • Modulierbare Laserquelle mit äußerst geringer Lichtleistung (wenige Photonen)
Foto: Darkbox mit xyz-Stage zur Faserpositionierung. Diagramm: Messergebnisse der Empfindlichkeit einer 4-fach SPAD. Foto: Mikrochip des 4-fach SPAD Receivers

© Horst Zimmermann

Charakterisierung von SPADs

  • Für Charakterisierung von optischen Empfängern:
    • On-Wafer und mit Stecker möglich
    • Bitmustermessplatz bis 10 Gb/s
    • Schnell modulierbare Laserquellen (infrarot bis blau)
    • Fasergebundene und Freiraumübertragungen (OWC) möglich
Foto: Laser. Schematische Darstellung: Die Gesamtschaltung. Mikrophotograph: optischer Empfänger mit Satelliten-Dioden zur Positionierung des Lasers

© Horst Zimmermann

Charakterisierung von OWC-Empfängern

  • Für Charakterisierung von optischen Abstandssensoren:
    • Mechanische Abstandsmessschiene 3m
    • Fluxmeter
    • Optischer Leistungsmesser
    • Mixed Signal Oszilloskop
  • Weitere Geräte zur Charakterisierung:
    • Digital Sampling Oszilloskop (60GHz)
    • Single-Shot Oszilloskop (40GS/s)
    • Netzwerk- und Spektrum Analysator (3GHz + 20GHz)
    • Bitmustergenerator (10Gb/s + 40Gb/s)
    • Bitmusterempfänger (10Gb/s + 40Gb/s)
    • Multilevel Generator
    • Attoamperemeter
    • Präzisions-LRC-Meter
    • Optisches Leistungsmessgerät
    • Logik Analysator