Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAFDr. Felix Heinz promovierte am Fraunhofer IAF im Bereich der Mikrosystemtechnik über ultrarauscharme Verstärker. Er ist Teil der Modellierungsgruppe in der Abteilung Mikroelektronik und arbeitet an kryogenen, rauscharmen Hochfrequenzverstärkern, die in der Radioastronomie und im Quantencomputing genutzt werden.
»Die hervorragende HEMT-Technologie sowie die Hightech-Laborausrüstung des Fraunhofer IAF machen die Arbeit hier sehr attraktiv für mich.«
Dr. Felix Heinz arbeitet in der Abteilung Mikroelektronik am Fraunhofer IAF
Wie und wann bist du ans Fraunhofer IAF gekommen?
Ich bin 2017 nach meinem Studium ans Fraunhofer IAF gekommen. Davor habe ich an der Universität Freiburg meinen Master in Embedded Systems Engineering gemacht und habe dabei eine Vorlesung von Rüdiger Quay über Hochfrequenz-Elektronik besucht. Im Rahmen der Vorlesung gab es eine Reinraumführung am IAF, bei der ich gemerkt habe, dass man hier auch Masterarbeiten schreiben kann. Im Anschluss meiner Masterarbeit am IAF, bin ich gleich für meine Doktorarbeit hiergeblieben und seitdem arbeite ich in der Modellierungsgruppe in der Abteilung Mikroelektronik. Meine Promotion habe ich im Mai 2022 abgeschlossen.
Woran arbeitest du gerade und was gefällt dir daran?
Aktuell arbeite ich an kryogenen, rauscharmen Hochfrequenzverstärkern, die in der Radioastronomie, aber auch beim Quantencomputing eingesetzt werden. Wir forschen daran, das elektronische Rauschen der Verstärker weiter zu verringern, um damit extrem schwache elektromagnetische Signale, wie zum Beispiel aus dem All oder von Quantenbits (Qubits), zu empfangen. Damit das möglich ist, muss der Verstärker auf etwa 4 Kelvin (-267,15° Celsius) gekühlt werden. Das Herunterkühlen reduziert das Eigenrauschen des Verstärkers, da thermisches Rauschen linear von der Temperatur des Verstärkers abhängig ist.
Felix Heinz hat seine Masterarbeit am Fraunhofer IAF geschrieben und im Mai 2022 seine Promotion abgeschlossen. Er arbeitet u.a. an kryogener Hochfrequenzelektronik für Quantencomputer.
Ein Kryo-on-Wafer-Messplatz, der Charakterisierungen von Wafern bei extrem niedrigen Temperaturen ermöglicht.
Kryo-Elektronik ist zwar ein Nischenthema, dafür kann man an die technischen Limits gehen und das ist ganz schön cool. Beispielsweise ist die metamorphe High-Electron-Mobility Transistortechnologie (HEMT-Technologie) des Fraunhofer IAF eine der rauschärmsten Transistortechnologien weltweit. Außerdem ist meine Arbeit ziemlich vielfältig: Ich charakterisiere und modelliere Bauelemente, designe Schaltungen und manage Projekte. Es ist die Arbeit an Hightech-Elektronik, die mich fasziniert.
Welche Aufgaben und Ziele verfolgt das Kryoelektronik-Team aktuell?
Das Hauptziel unserer Arbeit ist es, das Rauschen unserer HEMT-Verstärker bei kryogenen Temperaturen weiter zu reduzieren. Außerdem wollen wir die Größe und Leistungsaufnahme der Verstärker verringern. Das ist zum Beispiel in zukünftigen Quantencomputern wichtig, in denen die Anzahl der Qubits stark erhöht werden soll, um fehlerkorrigierte Rechnungen durchführen zu können. Da ein kryogener HEMT-Verstärker nur wenige Qubits gleichzeitig auslesen kann, muss auch die Anzahl dieser Verstärker stark erhöht werden. Dementsprechend ist es wichtig, die DC-Leistungsaufnahme und die Größe der Verstärker möglichst klein zu halten. Um das zu erreichen, entwickle ich zum Beispiel Mehrkanalverstärker, mit denen eine größere Anzahl an Qubits ausgelesen werden kann.
Außerdem arbeite ich an der Optimierung unserer aktiven und passiven elektronischen Komponenten für extrem rauscharme kryogene Verstärkung. Dazu entwickle ich CAD-Modelle, die das elektrische Verhalten der Einzelkomponenten bei Tieftemperaturen möglichst genau vorhersagen. Mittels dieser Modelle versuchen wir Verbesserungen an den Verstärkerschaltungen, aber auch an der Technologie zu erreichen.
Wie wichtig sind Kooperationen für deine Arbeit?
Kooperationen sind enorm wichtig, um im Austausch mit Systementwicklern und Anwendern zu bleiben. Wir haben beispielsweise eine Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie, die kryogene HEMT-Verstärker vom Fraunhofer IAF in ihren Radioteleskopen nutzen. Außerdem arbeiten wir intensiv mit Partnern in den Quantencomputing-Projekten »QBriqs« und »MuniQC-SC« zusammen. Hier entwickeln wir skalierbare Aufbautechnik für unsere HEMT-Verstärkerchips, wie zum Beispiel Mehrkanalmodule mit geringem Formfaktor zum Auslesen von Qubits. Außerdem versuchen wir supraleitende Materialen in unsere Verstärker zu integrieren, um noch geringeres Rauschen zu erzielen.
Was macht für dich deine Arbeit hier am Fraunhofer IAF besonders attraktiv?
Am Fraunhofer IAF habe ich die Möglichkeit sehr selbstbestimmt zu arbeiten und ich kann viele meiner Forschungsthemen selbst definieren oder zumindest aktiv mitgestalten. Ich schätze außerdem die flexiblen Arbeitszeiten und das eigenverantwortliche Arbeiten hier. Die Möglichkeit mit der hervorragenden HEMT-Technologie zu arbeiten sowie der Zugriff auf die Hightech-Laborausrüstung des IAF machen die Arbeit hier sehr attraktiv für mich.
Wie geht es für dich in den nächsten Jahren weiter?
Ich plane zunächst als Wissenschaftler und Projektleiter am Fraunhofer IAF zu bleiben. Meine Promotion ist noch nicht lange her und ich möchte gerne meine Erfahrungen im wissenschaftlichen Projektmanagement weiter vertiefen. Außerdem will ich weiterhin im Bereich des Schaltungsdesigns und der Modellierung aktiv bleiben.
Hast du einen Lieblingsort in Freiburg? Wenn ja, teilst du den Geheimtipp mit uns?
Ich mag das Cafe Pow sehr, hier kann man im meist warmen Freiburger Sommer entspannt draußen im Hof einen guten Cappuccino genießen. Ansonsten weiß ich die Nähe Freiburgs zum Hochschwarzwald sehr zu schätzen, wo man im Sommer gut wandern und im Winter auch mal Skifahren gehen kann.