The electric-field-driven and reversible polarization switching in ferroelectric materials provides a promising approach for nonvolatile information storage. With the advent of ferroelectricity in hafnium oxide, it has become possible to fabricate ultrathin ferroelectric films suitable for nanoscale electronic devices. Among them, ferroelectric field-effect transistors (FeFETs) emerge as attractive memory elements. While the binary switching between the two logic states, accomplished through a single voltage pulse, is mainly being investigated in FeFETs, additional and unusual switching mechanisms remain largely unexplored. In this work, we report the natural property of ferroelectric hafnium oxide, embedded within a nanoscale FeFET, to accumulate electrical excitation, followed by a sudden and complete switching. The accumulation is attributed to the progressive polarization reversal through localized ferroelectric nucleation. The electrical experiments reveal a strong field and time dependence of the phenomenon. These results not only offer novel insights that could prove critical for memory applications but also might inspire to exploit FeFETs for unconventional computing.

Hafnium oxide (HfO₂)-based ferroelectric field-effect transistor (FeFET) is an attractive device for nonvolatile memory. However, when compared to the well-established flash devices, the memory window (MW) of FeFETs reported so far is rather limited, which might be an obstacle to practical applications. In this article, we report on FeFETs fabricated in the 28-nm high-𝑘 metal gate (HKMG) bulk technology with 90 and 80 nm for the channel length and width, respectively, which show a large MW of nearly 3 V. This is achieved by adopting 20-nm-thick HfO₂ films in the gate stack instead of the usually employed 10-nm-thick films. We show that such a thickness increase leads to only a moderate increase of the switching voltages, and to a significantly improved resilience of the memory characteristics upon the parasitic charge trapping. The devices display a good retention at high temperatures and endure more than 10⁵ bipolar cycles, thus supporting this technology for a future generation of FeFET memories.

In dieser Arbeit wird die Phasenseparation und Mischung zwischen konjugierten Stäb-chenmolekülen in dünnen Filmen untersucht. Hauptaugenmerk liegt darauf zu ergrün-den welche molekularen Eigenschaften zu Mischung und/ oder Phasenseparation füh-ren. Mit den 5 Molekülen Pentacen (PEN), Quaterthiophen (4T), Sexithiophen (6T), p-Sexiphenylen (6P), alpha,omega-Dihexylsexithiophen (DH6T) werden Materialpaare zusammen gestellt, die sich in den Parametern „optische und elektrische Eigenschaf-ten“, „Länge des konjugierten Kerns“ und Alkylkettensubstitution unterscheiden. Alle Schichten werden mittels organischer Molekularstrahlabscheidung auf die Substrate Siliziumoxid und Mylar, einer PET Folie, simultan von zwei Quellen aufgedampft. Das Mischungsverhältnis wird mittels der individuellen Aufdampfraten eingestellt und eine Gesamtrate von 0.5 nm/min eingehalten. Es wird Phasenseparation für Materialpaare mit ungleicher konjugierter Kernlänge, z.B. [4T/6T], beobachtet. Erstaunlicherweise führt die Co-Verdampfung von Molekülpaaren mit ähnlicher konjugierter Kernlänge [4T/PEN] und [6T/6P] zu wohlgeordneten Fil-men, in denen die Moleküle in gemischten Lagen parallel zur Substratoberfläche auf-wachsen und die Längsachse der Moleküle fast senkrecht zur Substratoberfläche orien-tiert ist. Molekülpaare mit ähnlicher konjugierter Kernlänge und Alkylsubstitution [6T/DH6T] und [6P/DH6T] zeigten ebenfalls geordneten Schichten, wobei als Besonderheit eine lineare Abhängigkeit des Lagenabstandes vom DH6T-Gehalt zu beobachten ist. Dies wird mit einer Phasenseparation in eine aromatische und eine alkyl Domäne erklärt. Mit abnehmendem DH6T-Gehalt im Film ist die Alkyldomäne weniger dicht gepackt, was auf Grund der Flexibilität der Alkylketten zu einer Abnahme des gesamten Lagenab-standes führt. Die besonders geringe Oberflächenrauhigkeit und die miteinander verbundenen Inseln der [DH6T/6T] Filme prädestinieren sie zur Verwendung in Feldeffekttransistoren. Es wird gezeigt, dass es möglich ist, die Ladungsträgerdichte im Kanal durch Änderung des Verhältnisses zwischen DH6T und 6T so zu verändern, dass der Transistor im Verar-mungs- oder Anreicherungsregime betrieben werden kann. Dabei bleibt die Ladungsträ-germobilität auf gleich bleibend hohem Niveau. Dies entspricht dem Dotieren eines anorganischen Halbleiters. / This thesis is centered on studies of phase separation and mixing in co-deposited thin films of rod-like conjugated molecules. The main focus is to determine which molecular properties lead to phase separation and/or mixing of two materials. To address this question I used five materials, of importance in the context of “organic electronics”: pentacene (PEN), quaterthiophene (4T), sexithiophene (6T), p-sexiphenylene (6P), alpha,omega-dihexylsexithiophene (DH6T). With these it was possible to form material pairs which differ in the parameters: energy levels, length of the conjugated core, and alkyl-end-chain-substitution. All films were deposited by organic molecular beam deposition onto the chemically inert substrates silicon oxide and Mylar, a polyethylene terephthalate (PET) foil. The material pairs were deposited simultaneously from two thermal sublima-tion sources. The mixing ratio was controlled by the individual deposition rates, which were measured online by a microbalance. The total deposition rate was 0.5 nm/min, and the film thicknesses ranged from 4 nm to 40 nm. Phase separation is observed for material pairs with dissimilar conjugated core sizes, i.e. [4T/6T]. Noteworthy, the co-deposition of material pairs with similarly sized conju-gated cores [4T/PEN] and [6T/6P] lead to well ordered layered structures. The mole-cules show mixing within layers on a molecular scale and the long molecular axis is ori-ented almost perpendicular to the substrate surface. Material pairs with similarly sized conjugated core and alkyl-end-chain-substitution [6T/DH6T] and [6P/DH6T] show also growth in mixed layered structures. An especially appealing fact is that the interlayer distance increases proportional to the DH6T content in the film. This can be explained with a phase separation into an aromatic and an alkyl domain vertically to the substrate surface. A decrease of the DH6T content in the film leads to a less dense packing in the alkyl domain. This leads, due to the flexibility of the alkyl chains, to a decrease of the overall interlayer distance. The low surface corrugation and the interconnected islands render the material pair [6T/DH6T] well suitable for the use as active layer in organic field effect transistors. It is shown that it is possible to tune the charge carrier density in the channel by changing the ratio between 6T and DH6T. This effect enables switching the transistor from en-hancement to depletion mode, while maintaining a high charge carrier mobility. This is comparable to p-type doping of inorganic semiconductors.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Simulation und Modellierung organischer Feldeffekt-Transistoren (OFETs). Mittels numerischer Simulationen wurden detaillierte Untersuchungen zu mehreren Problemstellungen durchgeführt. So wurde der Einfluss einer exponentiellen Verteilung von Trapzuständen, entsprechend dem sogenannten a-Si- oder TFT-Modell, auf die Transistorkennlinien untersucht. Dieses Modell dient der Beschreibung von Dünnschicht-Transistoren mit amorphen Silizium als aktiver Schicht und wird teils auch für organische Transistoren als zutreffend angesehen. Dieser Sachverhalt wird jedoch erstmals in dieser Arbeit detailliert untersucht und simulierte Kennlinien mit gemessenen Kennlinien von OFETs verglichen. Insbesondere aufgrund der Dominanz von Hysterese-Effekten in experimentellen Kennlinien ist jedoch eine endgültige Aussage über die Gültigkeit des a-Si-Modells schwierig. Neben dem a-Si-Modell werden auch noch andere Modelle diskutiert, z.B. Hopping-Transport zwischen exponentiell verteilten lokalisierten Zuständen (Vissenberg, Matters). Diese Modelle liefern, abhängig von den zu wählenden Modellparametern, zum Teil ähnliche Abhängigkeiten. Möglicherweise müssen die zu wählenden Modellparameter selbst separat gemessen werden, um eindeutige Schlussfolgerungen über den zugrundeliegenden Transportmechanismus ziehen zu können. Unerwünschte Hysterese-Effekte treten dabei sowohl in Transistorkennlinien als auch in Kapazitäts-Spannungs- (CV-) Kennlinien organischer MOS-Kondensatoren auf. Diese Effekte sind bisher weder hinreichend experimentell charakterisiert noch von ihren Ursachen her verstanden. In der Literatur findet man Annahmen, dass die Umladung von Trapzuständen oder bewegliche Ionen ursächlich sein könnten. In einer umfangreichen Studie wurde daher der Einfluß von Trapzuständen auf quasistatische CV-Kennlinien organischer MOS-Kondensatoren untersucht und daraus resultierende Hysterese-Formen vorgestellt. Aus den Ergebnissen läßt sich schlussfolgern, dass allein die Umladung von Trapzuständen nicht Ursache für die experimentell beobachteten Hysteresen in organischen Bauelementen sein kann. Eine mögliche Erklärung für diese Hysterese-Effekte wird vorgeschlagen und diskutiert. In einem weiteren Teil der Arbeit wird im Detail die Arbeitsweise des source-gated Dünnschicht-Transistors (SGT) aufgezeigt, ein Transistortyp, welcher erst kürzlich in der Literatur eingeführt wurde. Dies geschieht am Beispiel eines Transistors auf der Basis von a-Si als aktiver Schicht, die Ergebnisse lassen sich jedoch analog auch auf organische Transistoren übertragen. Es wird geschlussfolgert, dass der SGT ein gewöhnlich betriebener Dünnschicht-Transistor ist, limitiert durch das Sourcegebiet mit großem Widerstand. Die detaillierte Untersuchung des SGT führt somit auf eine Beschreibung, die im Gegensatz zur ursprünglich verbal diskutierten Arbeitsweise steht. Ambipolare organische Feldeffekt-Transistoren sind ein weiterer Gegenstand der Arbeit. Bei der Beschreibung ambipolarer Transistoren vernachlässigen bisherige Modelle sowohl die Kontakteigenschaften als auch die Rekombination von Ladungsträgern. Beides wird hingegen in den vorgestellten numerischen Simulationen erstmalig berücksichtigt. Anhand eines Einschicht-Modellsystems wurde die grundlegende Arbeitsweise von ambipolaren (double-injection) OFETs untersucht. Es wird der entscheidende Einfluß der Kontakte sowie die Abhängigkeit gegenüber Variationen von Materialparametern geklärt. Sowohl der Kontakteinfluß als auch Rekombination sind entscheidend für die Arbeitsweise. Zusätzlich werden Möglichkeiten und Einschränkungen für die Datenanalyse mittels einfacher analytischer Ausdrücke aufgezeigt. Es zeigte sich, dass diese nicht immer zur Auswertung von Kennlinien herangezogen werden dürfen. Weiterhin werden erste Simulationsergebnisse eines ambipolaren organischen Heterostruktur-TFTs mit experimentellen Daten verglichen.

Ferroelectric field effect transistor (FeFET) memories based on a new type of ferroelectric material (silicon doped hafnium oxide) were studied within the scope of the present work. Utilisation of silicon doped hafnium oxide (Si:HfO2) thin films instead of conventional perovskite ferroelectrics as a functional layer in FeFETs provides compatibility to the CMOS process as well as improved device scalability. The influence of different process parameters on the properties of Si:HfO2 thin films was analysed in order to gain better insight into the occurrence of ferroelectricity in this system. A subsequent examination of the potential of this material as well as its possible limitations with the respect to the application in non-volatile memories followed. The Si:HfO2-based ferroelectric transistors that were fully integrated into the state-of-the-art high-k metal gate CMOS technology were studied in this work for the first time. The memory performance of these devices scaled down to 28 nm gate length was investigated. Special attention was paid to the charge trapping phenomenon shown to significantly affect the device behaviour.

Im Rahmen dieser Arbeit werden haftstellen-basierte Speicherzellen als mögliche Alternative zum bestehenden Floating-Gate Konzept untersucht. Hierbei wird zunächst mittels Simulation und ausgewählten Messverfahren das Verständnis der Funktionsweise vertieft. Der darauffolgende Abschnitt befasst sich mit der Verbesserung der elektrischen Eigenschaften, basierend auf Änderungen der verwendeten Materialien und dem räumlichen Aufbau. Abschließend erfolgt die Untersuchung der Anwendbarkeit des Zellkonzeptes in hochdichten Zellenfeldern.

In dieser Arbeit werden organische Feldeffekttransistoren (OFETs) aus den verschiedenen Materialien Manganphthalocyanin (MnPc), [6,6]Phenyl-C61-butansäuremethylester (PCBM), 6,13-Bis(triisopropylsilyethinyl)pentacen (TIPS-Pentacen) und N,N’- Bis(n-octyl)-1,6-Dicyanoperylen-3,4:9,10-Bis(Dicarboximid) (PDI8-CN2) hergestellt. Dabei finden unterschiedliche Abscheidemethoden wie die Molekularstrahlabscheidung, die Ultraschallsprühbeschichtung und die Drehbeschichtung Anwendung. Die Morphologie sowie die Funktionsweise der Transistoren werden in Abhängigkeit von den Herstellungsparametern und bezüglich ihrer Stabilität gegenüber Lufteinfluss und elektrischer Belastung charakterisiert. Durch Aufdampfen von MnPc konnten so zum ersten Mal ambipolare MnPc-OFETs hergestellt und charakterisiert werden. Die bestimmten Löcher- und Elektronenbeweglichkeiten bestätigen die Eignung von MnPc für die Anwendung in Spintronik-Bauelementen. Desweiteren wird anhand gesprühter PCBM- und TIPS-Pentacen-OFETs gezeigt, dass die Ultraschallsprühbeschichtung eine geeignete Technik ist, um organische Halbleiter aus Lösung für die Verwendung in OFETs abzuscheiden. Die Abscheidung organischer Filme lässt sich mit einer Vielzahl an Parametern beeinflussen und die Funktionsweise von OFETs optimieren. In Verbindung mit den Untersuchungen aufgeschleuderter PDI8-CN2-OFETs konnte ein erheblicher Einfluss der Oberflächenenergie des verwendeten SiO2-Gateisolators auf die Korngröße im organischen Film festgestellt werden.

For the X-ray astronomy project Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics (Athena) wafer-scale DEpleted P-channel Field Effect Transistor (DEPFET) detectors are proposed as Focal Plane Array (FPA) for the Wide Field Imager (WFI). Prototype structures with different pixel layouts, each consisting of 64 x 64 pixels, were fabricated to study four different DEPFET designs. This thesis reports on the results of the electrical and spectroscopic characterization of the different DEPFET designs. With the electrical qualification measurements the transistor properties of the DEPFET structures are investigated in order to determine whether the design intentions are reflected in the transistor characteristics. In addition, yield and homogeneity of the prototypes can be studied on die, wafer and batch level for further improvement of the production technology with regard to wafer-scale devices. These electrical characterization measurements prove to be a reliable tool to preselect the best detector dies for further integration into full detector systems. The spectroscopic measurements test the dynamic behavior of the designs as well as their spectroscopic performance. In addition, it is revealed how the transistor behavior translates into the detector performance. This thesis, as the first systematic study of different DEPFET designs on die and detector level, shows the limitations of the current DEPFET assessment methods. Thus, it suggests a new concise characterization procedure for DEPFET detectors as well as guidelines for expanded testing in order to increase the general knowledge of the DEPFET. With this study of four different DEPFET variants not only designs suitable for Athena mission have been found but also improvement impulses for the starting wafer-scale device production are provided.

The work presented in the thesis is focused on the synthesis of diverse colloidal semiconductor NCs in organic media, their surface design with tiny inorganic and hybrid capping species in solution phase, and subsequent assembling of these NC building units into two-dimensional close-packed thin-films and three-dimensional non-ordered porous superstructures.

For the X-ray astronomy project Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics (Athena) wafer-scale DEpleted P-channel Field Effect Transistor (DEPFET) detectors are proposed as Focal Plane Array (FPA) for the Wide Field Imager (WFI). Prototype structures with different pixel layouts, each consisting of 64 x 64 pixels, were fabricated to study four different DEPFET designs. This thesis reports on the results of the electrical and spectroscopic characterization of the different DEPFET designs. With the electrical qualification measurements the transistor properties of the DEPFET structures are investigated in order to determine whether the design intentions are reflected in the transistor characteristics. In addition, yield and homogeneity of the prototypes can be studied on die, wafer and batch level for further improvement of the production technology with regard to wafer-scale devices. These electrical characterization measurements prove to be a reliable tool to preselect the best detector dies for further integration into full detector systems. The spectroscopic measurements test the dynamic behavior of the designs as well as their spectroscopic performance. In addition, it is revealed how the transistor behavior translates into the detector performance. This thesis, as the first systematic study of different DEPFET designs on die and detector level, shows the limitations of the current DEPFET assessment methods. Thus, it suggests a new concise characterization procedure for DEPFET detectors as well as guidelines for expanded testing in order to increase the general knowledge of the DEPFET. With this study of four different DEPFET variants not only designs suitable for Athena mission have been found but also improvement impulses for the starting wafer-scale device production are provided.