Nukleare Effekte in Elektronik und Optik

Die Forschungsgruppe »Nukleare Effekte in Elektronik und Optik« erforscht, wie ionisierende Strahlung elektronische, optoelektronische und photonische Komponenten beeinflusst. Die Arbeiten basieren auf über 50 Jahren Erfahrung in der Strahlungsforschung und -qualifikation.

Sie führt Strahlungstests nach internationalen Standards durch und unterstützt Unternehmen bei der Qualifizierung und Härtung ihrer Systeme. Das gesammelte Know-how fließt zudem in die Entwicklung innovativer Strahlungssensorik ein. Die Tests erfolgen sowohl in eigenen Anlagen als auch in Zusammenarbeit mit externen Partnern.

Für Messungen stehen moderne elektrische und optische Messsysteme, eine Präzisions-Werkstatt sowie ein Elektroniklabor zur Verfügung. Dadurch können die meisten Irradiationstests vollständig am Institut durchgeführt werden – ohne zusätzliche Ressourcen seitens der Auftraggeber.

Cobalt-60 Bestrahlungsanlagen

Drei Cobalt-60-Einrichtungen stehen für Gamma-Bestrahlungen elektronischer und optischer Komponenten zur Verfügung.

• Isotrope Gamma-Strahlung in Punktgeometrie
• Dosisleistungen von 10 µGy/s bis 1 Gy/s (3,6 rad/h bis 360 krad/h)
• Spezielle Anlage für Low-Dose-Rate-Tests (ELDRS)
• Dosen bis 1 MGy innerhalb weniger Tage
• Dosimetrie über kalibrierte Ionisationskammern
• Option für Online- und In-situ-Messungen

Neutronengenerator

Ein D-T-Neutronengenerator ermöglicht die Untersuchung von Displacement Damage sowie die Simulation von Single Event Effects (SEE).

• Neutronenenergie: 14,1 MeV
• Beschleunigungsspannung: 150 kV
• Strom: 2,5 mA
• Neutronenfluss: bis 3×10¹⁰ Neutronen/s

SEE-Laser-Testsysteme

Zwei unabhängige Lasersysteme zum Testen von Einzelteilcheneffekten (SEE) sowohl in Silizium- als auch Wide-Bandgap-Halbleitern.

• Ultrakurze, hochfokussierte Laserpulserzeugung (ps bis fs, ~ 1 µm)
• Wechselwirkung über Ein- oder Zwei-Photonenabsorption
• Wellenlängen zwischen 550 nm und 1550 nm
• Vollautomatische Rasterung und Messwertaufnahme

Kryostaten für Bestrahlungen bei tiefen Temperaturen

Ein Kryostat ermöglicht Bestrahlungstests in einem erweiterten Temperaturbereich und wird zur Untersuchung temperaturabhängiger strahlungsinduzierter Effekte eingesetzt.

• Temperaturbereich unter Bestrahlung: 20 K bis 350 K
• Geeignet zur Analyse der temperaturabhängigen strahlungsinduzierten Dämpfung von Glasfasern an einer Cobalt-60-Gammaquelle
• Probenkammer: Ø 120 mm, Höhe 50 mm
• Heliumbefüllung für homogene Temperaturverteilung
• Kapillaren Ø 2 mm zur Durchführung optischer oder elektrischer Kontakte
• Ermöglicht Online-Messungen während der Bestrahlung

Plasma- und Säure-Dekapsulatoren

Zur Vorbereitung elektronischer Bauelemente auf SEE-Untersuchungen stehen ein Plasma- und ein Säure-Dekapsulator zur Verfügung.

Plasma-Dekapsulator (JIACO):

• Plasmainduzierter, materialschonender Prozess
• Keine aggressiven Gase wie CF₄
• Geeignet für GaAs-, GaN- und andere empfindliche Halbleitermaterialien
• Betrieb bei Atmosphärendruck
• Probenhalter für bis zu sechs Bauteile

Säure-Dekapsulator (Mega Etch 7300):

• Temperaturbereiche: 10–250°C je nach Säuremedium
• Präzise Temperaturführung: ±1 %
• Ätzzeiten: 1–2400 Sekunden, dynamisch justierbar
• Variable Ätzvolumen: 1–8 ml/min

Röntgen-CT

Ein hochauflösendes X-Ray-CT-System ermöglicht zerstörungsarme Inspektionen elektronischer Bauteile.

• Energie bis 160 keV
• Bis zu 2400× Vergrößerung
• 2D-Auflösung: 0,5 µm
• 360°-CT mit 3D-Rekonstruktion

Präzisionsfräsen (ASAP-1 In-situ)

Für mechanische Öffnung und Politur elektronischer Komponenten steht ein Präzisionsfrässystem zur Verfügung.

• Z-Präzision: 40 nm
• XY-Tischpräzision: 200 nm
• duale 4K-Live-Ansicht (Top-Down und 45°)
• Temperatursteuerung bis 130°C
• automatische Neigungsregelung ±5°

Total Ionizing Dose Tests (TID)

Drei Cobalt-60-Anlagen stehen für Total-Ionizing-Dose- (TID-)Untersuchungen zur Verfügung. Die vorhandene Infrastruktur ermöglicht sowohl einfache Bestrahlungsabläufe als auch komplexe Testprogramme mit ergänzenden Messungen.

Leistungsmerkmale und Infrastruktur:

• TID-Tests nach internationalen Standards (z. B. ESCC 22900)
• ISO 9001:2015-zertifizierte Qualitätssicherung für die Anwendung und Charakterisierung strahlungsinduzierter Effekte an Elektronik und Optik
• Drei interne Co-60-Anlagen, darunter eine im Low-Dose-Rate-Bereich des ESCC-22900-Standards
• Möglichkeit für In-situ- und Online-Messungen, Step-Stress-Sequenzen und spezifische Prüfaufbauten
• Aktive und passive Prüfungen an optischen Fasern, elektronischen Komponenten und Systemen
• Testdurchführungen unter variablen Randbedingungen, z. B. hohe oder niedrige Temperaturen oder Vakuum

Single-Event-Effect Tests (SEE)

Für die komplette Durchführung von Einzelteilcheneffekt-Tests sind alle erforderlichen Anlagen und Fähigkeiten vorhanden, von der Bauteilöffnung über die Anfertigung anspruchsvoller Messsysteme, bis hin zur Bestrahlung an unseren Lasersystemen oder externen Anlagen.

Leistungsmerkmale und Infrastruktur:

• SEE-Tests nach internationalen Standards (z. B. ESCC 25100)
• ISO 9001:2015-zertifizierte Qualitätssicherung für die Anwendung und Charakterisierung strahlungsinduzierter Effekte an Elektronik und Optik
• Zwei interne SEE-Laser-Anlagen
• Interne Bauteilöffnung mit Laser, Plasma, nasschemisch oder per Präzisionsfräse
• Aktive Prüfungen an elektronischen Komponenten und Systemen
• Testdurchführungen unter variablen Randbedingungen, z. B. hohe oder niedrige Temperaturen
• Möglichkeit für In-situ- und Online-Messungen und spezifische Prüfaufbauten

Zusätzlich besteht in regelmäßigen Intervallen Zugang zu externen Bestrahlungsanlagen für die Durchführung von SEE-Tests mit Protonen und Schwerionen.

Displacement Damage Tests

Bestrahlungstests zur Ermittlung von Displacement Damage in Halbleiterbauelementen werden überwiegend mit Protonen oder Neutronen durchgeführt. Für Untersuchungen an elektronischen und optischen Komponenten stehen zwei Neutronengeneratoren zur Verfügung.

Technische Eckdaten der Neutronengeneratoren:

• Neutronenenergien: 2,5 MeV und 14,1 MeV
• Neutronenfluss: bis zu 3 × 10¹⁰ Neutronen/s in 4π-Geometrie
• Fluenzmessung während der Bestrahlung über kalibrierte Uran-Spaltkammern

Zudem hat die Gruppe regelmäßig Zugang zu externen Bestrahlungsanlagen für die Durchführung von Protonenbestrahlungen.

Strahlungswirkungen in optischen Materialien, optischen Fasern und Faser-Bragg-Gitter (FBG)

Ionisierende Strahlung erzeugt in optischen Materialien sogenannte Farbzentren. Dabei entstehen Elektronen, die Defekte in der Glasstruktur besetzen. Diese Besetzungszustände führen zu zusätzlicher Absorption im Bandabstand, wodurch das optische Material verdunkelt wird.

Untersuchungen strahlungsinduzierter Effekte an optischen Fasern, Faser-Bragg-Gittern (FBG) sowie optischen Volumen- und Schichtmaterialien erfolgen anhand spezialisierter Gamma- und Neutronenquellen sowie temperaturvariabler Aufbauten.

Optische Materialien

Transmissionseigenschaften von Volumenmaterialien werden nach Bestrahlung über breitbandige Lichtquellen und optische Spektrometer analysiert.

• Spektralmessungen 200–1700 nm
• Untersuchung dünner Schichten (< 1 µm) an externen Elektronen- oder Protonenquellen

Optische Fasern

Für Bestrahlungstests an optischen Fasern steht ein präziser Messaufbau zur Verfügung, der simultane Wellenlängenmessungen und vollständige Spektralanalysen ermöglicht.

• Zwei diskrete Wellenlängen + Gesamtspektrum
• Strahlungsharte und abgeschirmte Messleitungen
• Referenzkanal zur Kompensation systematischer Einflüsse

Faser-Bragg-Gitter (FBG)

FBGs werden hinsichtlich strahlungsinduzierter Änderungen des Brechungsindex untersucht. Ein Interrogator mit optischem 1-zu-8-Schalter ermöglicht hochpräzise Wellenlängenmessungen.

• Spannungsfreie Probenhalterung
• Thermisch stabilisierte Messumgebung
• Nachweis von Wellenlängenverschiebungen im pm-Bereich