Die enorme Steigerung der Leistungsfähigkeit integrierter Schaltkreise wird seit über 50 Jahren im Wesentlichen durch eine Verkleinerung der Bauelementdimensionen erzielt. Aufgrund des Erreichens physikalischer Grenzen kann dieser Trend, unabhängig von der Lösung technologischer Probleme, langfristig nicht fortgesetzt werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung neuartiger Transistoren und Schaltungen, welche im Vergleich zu konventionellen Bauelementen funktionserweitert sind, wodurch ein zur Skalierung alternativer Ansatz vorgestellt wird. Ausgehend von gewachsenen und nominell undotierten Silizium-Nanodrähten wird die Herstellung von Schottky-Barrieren-Feldeffekttransistoren (SBFETs) mit Hilfe etablierter und selbst entwickelter Methoden beschrieben und die Ladungsträgerinjektion unter dem Einfluss elektrischer Felder an den dabei erzeugten abrupten Metall–Halbleiter-Grenzflächen analysiert. Zur Optimierung der Injektionsvorgänge dienen strukturelle Modifikationen, welche zu erhöhten ambipolaren Strömen und einer vernachlässigbaren Hysterese der SBFETs führen. Mit dem rekonfigurierbaren Feldeffekttransistor (RFET) konnte ein Bauelement erzeugt werden, bei dem sich Elektronen- und Löcherinjektion unabhängig und bis zu neun Größenordnungen modulieren lassen. Getrennte Topgate-Elektroden über den Schottkybarrieren ermöglichen dabei die reversible Konfiguration von unipolarer Elektronenleitung (n-Typ) zu Löcherleitung (p-Typ) durch eine Programmierspannung, wodurch die Funktionen konventioneller FETs in einem universellen Bauelement vereint werden. Messungen und 3D-FEM-Simulationen geben einen detaillierten Einblick in den elektrischen Transport und dienen der anschaulichen Beschreibung der Funktionsweise. Systematische Untersuchungen zu Änderungen im Transistoraufbau, den Abmessungen und der Materialzusammensetzung verdeutlichen, dass zusätzliche Strukturverkleinerungen sowie die Verwendung von Halbleitern mit niedrigem Bandabstand die elektrische Charakteristik dieser Transistoren weiter verbessern. Im Hinblick auf die Realisierung neuartiger Schaltungen wird ein Konzept beschrieben, die funktionserweiterten Transistoren in einer energieeffizienten Komplementärtechnologie (CMOS) nutzbar zu machen. Die dafür notwendigen gleichen Elektronen- und Löcherstromdichten konnten durch einen modifizierten Ladungsträgertunnelprozess infolge mechanischer Verspannungen an den Schottkyübergängen erzielt und weltweit erstmalig an einem Transistor gezeigt werden. Der aus einem <110>-Nanodraht mit 12 nm Si-Kerndurchmesser erzeugte elektrisch symmetrische RFET weist dabei eine bisher einzigartige Kennliniensymmetrie auf.Die technische Umsetzung des Schaltungskonzepts erfolgt durch die Integration zweier RFETs innerhalb eines Nanodrahts zum dotierstofffreien CMOS-Inverter, der flexibel programmiert werden kann. Die rekonfigurierbare NAND/NOR- Schaltung verdeutlicht, dass durch die RFET-Technologie die Bauelementanzahl reduziert und die Funktionalität des Systems im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungen erhöht werden kann. Ferner werden weitere Schaltungsbeispiele sowie die technologischen Herausforderungen einer industriellen Umsetzung des Konzeptes diskutiert. Mit der funktionserweiterten, dotierstofffreien RFET-Technologie wird ein neuartiger Ansatz beschrieben, den technischen Fortschritt der Elektronik nach dem erwarteten Ende der klassischen Skalierung zu ermöglichen. / The enormous increase in performance of integrated circuits has been driven for more than 50 years, mainly by reducing the device dimensions. This trend cannot continue in the long term due to physical limits being reached. The scope of this thesis is the development and fabrication of novel kinds of transistors and circuits that provide higher functionality compared to the classical devices, thus introducing an alternative approach to scaling. The fabrication of Schottky barrier field effect transistors (SBFETs) based on nominally undoped grown silicon nanowires using established and developed techniques is described. Further the charge carrier injection in the fabricated metal to semiconductor interfaces is analyzed under the influence of electrical fields. Structural modifications are used to optimize the charge injection resulting in increased ambipolar currents and negligible hysteresis of the SBFETs. Moreover, a device has been developed called the reconfigurable field-effect transistor (RFET), in which the electron and hole injection can be independently controlled by up to nine orders of magnitude. This device can be reversibly configured from unipolar electron conducting (ntype) to hole conducting (p-type) by the application of a program voltage to the two individual top gate electrodes at the Schottky junctions. So the RFET merges the functionality of classical FETs into one universal device. Measurements and 3D finite element method simulations are used to analyze the electrical transport and to describe the operation principle. Systematic investigations of changes in the device structure, dimensions and material composition show enhanced characteristics in scaled and low bandgap semiconductor RFET devices. For the realization of novel circuits, a concept is described to use the enhanced functionality of the transistors in order to realize energy efficient complementary circuits (CMOS). The required equal electron and hole current densities are achieved by the modification of charge carrier tunneling due to mechanical stress and are shown for the first time ever on a transistor. An electrically symmetric RFET based on a compressive strained nanowire in <110> crystal direction and 12 nm silicon core diameter exhibits unique electrical symmetry. The circuit concept is demonstrated by the integration of two RFETs on a single nanowire, thus realizing a dopant free CMOS inverter which can be programmed flexibly. The reconfigurable NAND/NOR shows that the RFET technology can lead to a reduction of the transistor count and can increase the system functionality. Additionally, further circuit examples and the challenges of an industrial implementation of the concept are discussed.The enhanced functionality and dopant free RFET technology describes a novel approach to maintain the technological progress in electronics after the expected end of classical device scaling.

Die enorme Steigerung der Leistungsfähigkeit integrierter Schaltkreise wird seit über 50 Jahren im Wesentlichen durch eine Verkleinerung der Bauelementdimensionen erzielt. Aufgrund des Erreichens physikalischer Grenzen kann dieser Trend, unabhängig von der Lösung technologischer Probleme, langfristig nicht fortgesetzt werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung neuartiger Transistoren und Schaltungen, welche im Vergleich zu konventionellen Bauelementen funktionserweitert sind, wodurch ein zur Skalierung alternativer Ansatz vorgestellt wird. Ausgehend von gewachsenen und nominell undotierten Silizium-Nanodrähten wird die Herstellung von Schottky-Barrieren-Feldeffekttransistoren (SBFETs) mit Hilfe etablierter und selbst entwickelter Methoden beschrieben und die Ladungsträgerinjektion unter dem Einfluss elektrischer Felder an den dabei erzeugten abrupten Metall–Halbleiter-Grenzflächen analysiert. Zur Optimierung der Injektionsvorgänge dienen strukturelle Modifikationen, welche zu erhöhten ambipolaren Strömen und einer vernachlässigbaren Hysterese der SBFETs führen. Mit dem rekonfigurierbaren Feldeffekttransistor (RFET) konnte ein Bauelement erzeugt werden, bei dem sich Elektronen- und Löcherinjektion unabhängig und bis zu neun Größenordnungen modulieren lassen. Getrennte Topgate-Elektroden über den Schottkybarrieren ermöglichen dabei die reversible Konfiguration von unipolarer Elektronenleitung (n-Typ) zu Löcherleitung (p-Typ) durch eine Programmierspannung, wodurch die Funktionen konventioneller FETs in einem universellen Bauelement vereint werden. Messungen und 3D-FEM-Simulationen geben einen detaillierten Einblick in den elektrischen Transport und dienen der anschaulichen Beschreibung der Funktionsweise. Systematische Untersuchungen zu Änderungen im Transistoraufbau, den Abmessungen und der Materialzusammensetzung verdeutlichen, dass zusätzliche Strukturverkleinerungen sowie die Verwendung von Halbleitern mit niedrigem Bandabstand die elektrische Charakteristik dieser Transistoren weiter verbessern. Im Hinblick auf die Realisierung neuartiger Schaltungen wird ein Konzept beschrieben, die funktionserweiterten Transistoren in einer energieeffizienten Komplementärtechnologie (CMOS) nutzbar zu machen. Die dafür notwendigen gleichen Elektronen- und Löcherstromdichten konnten durch einen modifizierten Ladungsträgertunnelprozess infolge mechanischer Verspannungen an den Schottkyübergängen erzielt und weltweit erstmalig an einem Transistor gezeigt werden. Der aus einem <110>-Nanodraht mit 12 nm Si-Kerndurchmesser erzeugte elektrisch symmetrische RFET weist dabei eine bisher einzigartige Kennliniensymmetrie auf.Die technische Umsetzung des Schaltungskonzepts erfolgt durch die Integration zweier RFETs innerhalb eines Nanodrahts zum dotierstofffreien CMOS-Inverter, der flexibel programmiert werden kann. Die rekonfigurierbare NAND/NOR- Schaltung verdeutlicht, dass durch die RFET-Technologie die Bauelementanzahl reduziert und die Funktionalität des Systems im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungen erhöht werden kann. Ferner werden weitere Schaltungsbeispiele sowie die technologischen Herausforderungen einer industriellen Umsetzung des Konzeptes diskutiert. Mit der funktionserweiterten, dotierstofffreien RFET-Technologie wird ein neuartiger Ansatz beschrieben, den technischen Fortschritt der Elektronik nach dem erwarteten Ende der klassischen Skalierung zu ermöglichen.:Kurzzusammenfassung Abstract 1 Einleitung 2 Nanodrähte als aktivesGebiet fürFeldeffekttransistoren 2.1 Elektrisches Potential und Ladungsträgertransport in Transistoren 2.1.1 Potentialverlauf 2.1.2 Ladungsträgerfluss und Steuerung 2.2 Der Metall-Halbleiter-Kontakt 2.2.1 Ladungsträgertransport über den Schottky-Kontakt 2.2.2 Thermionische Emission 2.2.3 Ladungsträgertunneln 2.2.4 Methoden zur Beschreibung der Gesamtinjektion 2.3 Der Schottkybarrieren-Feldeffekttransistor 2.4 Stand der Technik 2.4.1 Elektronische Bauelemente auf Basis von Nanoröhren und Nanodrähten 2.4.2 Rekonfigurierbare Transistoren und Schaltungen 2.5 Zusammenfassung 3 TechnologienzurHerstellung vonNanodraht-Transistoren 3.1 Herstellung von SB-Nanodraht-Transistoren mit Rückseitengatelektrode 3.1.1 Nanodraht-Strukturbildung durch VLS-Wachstum 3.1.2 Drahttransfer 3.1.3 Herstellung von Kontaktelektroden 3.1.4 Herstellung von Schottky-Kontakten innerhalb eines Nanodrahtes 3.2 Strukturerzeugung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.1 Schichtstrukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.2 Strukturierung mittels ungerichteter Elektronenstrahllithographie 3.2.3 Justierte Strukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.4 Justierte Strukturierung mittels feinangepasster Elektronenstrahllithographie 3.2.5 Justierte Strukturierung mittels kombinierter optischer und Elektronenstrahllithographie 3.3 Zusammenfassung 4 Realisierung und Optimierung siliziumbasierter Schottkybarrieren- Nanodraht-Transistoren 4.1 Nanodraht-Transistor mit einlegierten Silizidkontakten 4.1.1 Transistoren auf Basis von Nanodrähten in <112>-Richtung 4.1.2 Transistoren mit veränderten Abmessungen 4.2 Analyse und Optimierung der Gatepotentialverteilung im Drahtquerschnitt in Kontaktnähe 4.3 Si/SiO2 - Core/Shell Nanodrähte als Basis für elektrisch optimierte Transistoren 4.3.1 Si-Oxidation im Volumenmaterial 4.3.2 Si-Oxidation am Draht 4.3.3 Silizidierung innerhalb der Oxidhülle 4.3.4 Core/Shell-Nanodraht-Transistoren mit Rückseitengate 4.4 Analyse der Gatepotentialwirkung in Abhängigkeit des Abstands zur Barriere 4.5 Zusammenfassung 5 RFET - Der Rekonfigurierbare Feldeffekttransistor 5.1 Realisierung des RFET 5.2 Elektrische Charakteristik 5.2.1 Elektrische Beschaltung und Funktionsprinzip 5.2.2 Elektrische Messungen 5.2.3 Auswertung 5.3 Transporteigenschaften des rekonfigurierbaren Transistors 5.3.1 Tunnel- und thermionische Ströme im RFET 5.3.2 Analyse der Transportvorgänge mit Hilfe der numerischen Simulation 5.3.3 Schaltzustände des RFET 5.3.4 On-zu-Off Verhältnisse des RFET 5.3.5 Einfluss der Bandlücke auf das On- zu Off-Verhältnis 5.3.6 Abhängigkeiten von geometrischen, materialspezifischen und physikalischen Parametern 5.3.7 Skalierung des RFET 5.3.8 Längenskalierung des aktiven Gebietes 5.4 Vergleich verschiedener Konzepte zur Rekonfigurierbarkeit 5.5 Zusammenfassung 6 Schaltungen aus rekonfigurierbaren Bauelementen 6.1 Komplementäre Schaltkreise 6.1.1 Inverter 6.1.2 Universelle Gatter 6.1.3 Anforderungen an komplementäre Bauelemente 6.1.4 Individuelle Symmetrieanpassung statischer Transistoren 6.2 Rekonfigurierbare Transistoren als Bauelemente für komplementäre Elektronik 6.2.1 Analyse des RFET als komplementäres Bauelement 6.2.2 Bauelementbedingungen für eine rekonfigurierbare komplementäre Elektronik 6.3 Erzeugung eines RFETs für rekonfigurierbare komplementäre Schaltkreise 6.3.1 Möglichkeiten der Symmetrieanpassung 6.3.2 Erzeugung eines RFET mit elektrischer Symmetrie 6.3.3 Erzeugung und Aufbau des symmetrischen RFET 6.3.4 Elektrische Eigenschaften des symmetrischen RFET 6.4 Realisierung von komplementären rekonfigurierbaren Schaltungen 6.4.1 Integration identischer RFETs 6.4.2 RFET-basierter komplementärer Inverter 6.4.3 Rekonfigurierbarer CMOS-Inverter 6.4.4 PMOS/NMOS-Inverter 6.4.5 Zusammenfassung zur RFET-Inverterschaltung 6.4.6 Rekonfigurierbarer NAND/NOR-Schaltkreis 6.5 Zusammenfassung und Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick 7.1 Zusammenfassung 7.2 Ausblick Anhang Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Literaturverzeichnis Publikations- und Vortragsliste Danksagung Eidesstattliche Erklärung / The enormous increase in performance of integrated circuits has been driven for more than 50 years, mainly by reducing the device dimensions. This trend cannot continue in the long term due to physical limits being reached. The scope of this thesis is the development and fabrication of novel kinds of transistors and circuits that provide higher functionality compared to the classical devices, thus introducing an alternative approach to scaling. The fabrication of Schottky barrier field effect transistors (SBFETs) based on nominally undoped grown silicon nanowires using established and developed techniques is described. Further the charge carrier injection in the fabricated metal to semiconductor interfaces is analyzed under the influence of electrical fields. Structural modifications are used to optimize the charge injection resulting in increased ambipolar currents and negligible hysteresis of the SBFETs. Moreover, a device has been developed called the reconfigurable field-effect transistor (RFET), in which the electron and hole injection can be independently controlled by up to nine orders of magnitude. This device can be reversibly configured from unipolar electron conducting (ntype) to hole conducting (p-type) by the application of a program voltage to the two individual top gate electrodes at the Schottky junctions. So the RFET merges the functionality of classical FETs into one universal device. Measurements and 3D finite element method simulations are used to analyze the electrical transport and to describe the operation principle. Systematic investigations of changes in the device structure, dimensions and material composition show enhanced characteristics in scaled and low bandgap semiconductor RFET devices. For the realization of novel circuits, a concept is described to use the enhanced functionality of the transistors in order to realize energy efficient complementary circuits (CMOS). The required equal electron and hole current densities are achieved by the modification of charge carrier tunneling due to mechanical stress and are shown for the first time ever on a transistor. An electrically symmetric RFET based on a compressive strained nanowire in <110> crystal direction and 12 nm silicon core diameter exhibits unique electrical symmetry. The circuit concept is demonstrated by the integration of two RFETs on a single nanowire, thus realizing a dopant free CMOS inverter which can be programmed flexibly. The reconfigurable NAND/NOR shows that the RFET technology can lead to a reduction of the transistor count and can increase the system functionality. Additionally, further circuit examples and the challenges of an industrial implementation of the concept are discussed.The enhanced functionality and dopant free RFET technology describes a novel approach to maintain the technological progress in electronics after the expected end of classical device scaling.:Kurzzusammenfassung Abstract 1 Einleitung 2 Nanodrähte als aktivesGebiet fürFeldeffekttransistoren 2.1 Elektrisches Potential und Ladungsträgertransport in Transistoren 2.1.1 Potentialverlauf 2.1.2 Ladungsträgerfluss und Steuerung 2.2 Der Metall-Halbleiter-Kontakt 2.2.1 Ladungsträgertransport über den Schottky-Kontakt 2.2.2 Thermionische Emission 2.2.3 Ladungsträgertunneln 2.2.4 Methoden zur Beschreibung der Gesamtinjektion 2.3 Der Schottkybarrieren-Feldeffekttransistor 2.4 Stand der Technik 2.4.1 Elektronische Bauelemente auf Basis von Nanoröhren und Nanodrähten 2.4.2 Rekonfigurierbare Transistoren und Schaltungen 2.5 Zusammenfassung 3 TechnologienzurHerstellung vonNanodraht-Transistoren 3.1 Herstellung von SB-Nanodraht-Transistoren mit Rückseitengatelektrode 3.1.1 Nanodraht-Strukturbildung durch VLS-Wachstum 3.1.2 Drahttransfer 3.1.3 Herstellung von Kontaktelektroden 3.1.4 Herstellung von Schottky-Kontakten innerhalb eines Nanodrahtes 3.2 Strukturerzeugung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.1 Schichtstrukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.2 Strukturierung mittels ungerichteter Elektronenstrahllithographie 3.2.3 Justierte Strukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.4 Justierte Strukturierung mittels feinangepasster Elektronenstrahllithographie 3.2.5 Justierte Strukturierung mittels kombinierter optischer und Elektronenstrahllithographie 3.3 Zusammenfassung 4 Realisierung und Optimierung siliziumbasierter Schottkybarrieren- Nanodraht-Transistoren 4.1 Nanodraht-Transistor mit einlegierten Silizidkontakten 4.1.1 Transistoren auf Basis von Nanodrähten in <112>-Richtung 4.1.2 Transistoren mit veränderten Abmessungen 4.2 Analyse und Optimierung der Gatepotentialverteilung im Drahtquerschnitt in Kontaktnähe 4.3 Si/SiO2 - Core/Shell Nanodrähte als Basis für elektrisch optimierte Transistoren 4.3.1 Si-Oxidation im Volumenmaterial 4.3.2 Si-Oxidation am Draht 4.3.3 Silizidierung innerhalb der Oxidhülle 4.3.4 Core/Shell-Nanodraht-Transistoren mit Rückseitengate 4.4 Analyse der Gatepotentialwirkung in Abhängigkeit des Abstands zur Barriere 4.5 Zusammenfassung 5 RFET - Der Rekonfigurierbare Feldeffekttransistor 5.1 Realisierung des RFET 5.2 Elektrische Charakteristik 5.2.1 Elektrische Beschaltung und Funktionsprinzip 5.2.2 Elektrische Messungen 5.2.3 Auswertung 5.3 Transporteigenschaften des rekonfigurierbaren Transistors 5.3.1 Tunnel- und thermionische Ströme im RFET 5.3.2 Analyse der Transportvorgänge mit Hilfe der numerischen Simulation 5.3.3 Schaltzustände des RFET 5.3.4 On-zu-Off Verhältnisse des RFET 5.3.5 Einfluss der Bandlücke auf das On- zu Off-Verhältnis 5.3.6 Abhängigkeiten von geometrischen, materialspezifischen und physikalischen Parametern 5.3.7 Skalierung des RFET 5.3.8 Längenskalierung des aktiven Gebietes 5.4 Vergleich verschiedener Konzepte zur Rekonfigurierbarkeit 5.5 Zusammenfassung 6 Schaltungen aus rekonfigurierbaren Bauelementen 6.1 Komplementäre Schaltkreise 6.1.1 Inverter 6.1.2 Universelle Gatter 6.1.3 Anforderungen an komplementäre Bauelemente 6.1.4 Individuelle Symmetrieanpassung statischer Transistoren 6.2 Rekonfigurierbare Transistoren als Bauelemente für komplementäre Elektronik 6.2.1 Analyse des RFET als komplementäres Bauelement 6.2.2 Bauelementbedingungen für eine rekonfigurierbare komplementäre Elektronik 6.3 Erzeugung eines RFETs für rekonfigurierbare komplementäre Schaltkreise 6.3.1 Möglichkeiten der Symmetrieanpassung 6.3.2 Erzeugung eines RFET mit elektrischer Symmetrie 6.3.3 Erzeugung und Aufbau des symmetrischen RFET 6.3.4 Elektrische Eigenschaften des symmetrischen RFET 6.4 Realisierung von komplementären rekonfigurierbaren Schaltungen 6.4.1 Integration identischer RFETs 6.4.2 RFET-basierter komplementärer Inverter 6.4.3 Rekonfigurierbarer CMOS-Inverter 6.4.4 PMOS/NMOS-Inverter 6.4.5 Zusammenfassung zur RFET-Inverterschaltung 6.4.6 Rekonfigurierbarer NAND/NOR-Schaltkreis 6.5 Zusammenfassung und Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick 7.1 Zusammenfassung 7.2 Ausblick Anhang Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Literaturverzeichnis Publikations- und Vortragsliste Danksagung Eidesstattliche Erklärung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der elektrischen Charakterisierung von Zinkoxid-Nanodrähten, die mittels gepulster Laserablation (PLD) hergestellt wurden. Ausgehend von den so generierten ZnO-Nanodraht-Ensembles werden Methoden zu deren elektrischer Untersuchung diskutiert und auf praktische Anwendbarkeit hin verglichen. Die entwickelten Methoden werden auf Ensembles von auf n-leitenden ZnO- und ZnO:Ga-Dünnschichten aufgewachsenen Phosphor-dotierten ZnO-Nanodrähten angewendet. Deren reproduzierbares, in Strom–Spannungs- (I–U-) Kennlinien beobachtetes diodenartiges Verhalten wird genauer beleuchtet. Im Zusammenhang mit der elektrischen Charakterisierung einzelner ZnO-Nano-drähte werden experimentelle Methoden zur Vereinzelung und zur Kontaktierung der vereinzelten ZnO-Nanodrähte diskutiert. Dabei werden sowohl etablierte Methoden wie Elektronenstrahllithographie (EBL) als auch neue Techniken wie elektronen- und ionenstrahlinduzierte Deposition (EBID/IBID) und Strom–Spannungs-Rastersondenmikroskopie (I-AFM) behandelt und ihre Eignung für eingehende elektrische Untersuchungen und reproduzierbare Messungen analysiert. Die geeignetsten Methoden werden schließlich eingesetzt, um spezifischen Widerstand sowie Ladungsträgermobilität und -dichte sowohl in nominell undotierten als auch in Aluminium-dotierten ZnO-Nanodrähten zu untersuchen und zu vergleichen. In der Ableitung der physikalischen Materialparameter aus den Messdaten wird dabei besonderes Augenmerk auf die Einbeziehung der geometrischen Besonderheiten der Nanodrähte gegenüber Volumenmaterial- und Dünnschichtproben gelegt. Im Zuge dessen wird unter anderem ein Modell für den elektrischen Widerstand in Nanodrähten mit ihrer Länge nach veränderlichem Querschnitt abgeleitet.

The present work is aimed at investigating the mechanisms of nanowire growth from aqueous solutions through a physical and chemical modeling. Based on this modeling, deriving an optimized process control is intended. The work considers two methods of nanowire growth. The first is the dielectrophoretic nanowire assembly from neutral molecules or metal clusters. Secondly, in the directed electrochemical nanowire assembly metal-containing ions are reduced in an AC electric field in the vicinity of the nanowire tip and afterwards deposited at the nanowire surface. To describe the transport and growth processes, continuum models are employed. Furthermore, it has been necessary to consider electro-kinetic fluid flows to match the experimental observations. The occurring partial differential equations are solved numerically by means of finite element method (FEM). The effect of the process parameters on the nanowire growth are analyzed by comparing experimental results to a parameter study. The evaluation has yielded that an AC electro-osmotic fluid flow has a major influence on the dielectrophoretic nanowire assembly regarding the growth velocity and morphology. In the case of directed electrochemical nanowire assembly, the nanowire morphology can be controlled by the applied AC signal shape. Based on the nanowire growth model, an optimized AC signal has been designed, whose parametrization allows to adjust to the chemical precursor and the desired nanowire diameter. / Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, mittels physikalischer und chemischer Modelle die Mechanismen des Nanodrahtwachstums aus wässrigen Lösungen zu erforschen und daraus eine optimierte Prozesskontrolle abzuleiten. Dabei werden zwei Verfahren des Nanodrahtwachstums näher betrachtet: Dies sind die dielektrophoretische Assemblierung von neutralen Molekülen oder Metallclustern sowie die gerichtete elektrochemische Nanodrahtabscheidung (engl. directed electrochemical nanowire assembly), bei der metallhaltige Ionen im elektrischen Wechselfeld an der Nanodrahtspitze zunächst reduziert und anschließend als Metallatome abgeschieden werden. Zur Beschreibung der Transport- und Wachstumsprozesse werden Kontinuumsmodelle eingesetzt. Darüber hinaus hat es sich als notwendig erwiesen, elektrokinetische Fluidströmungen zu berücksichtigen, um die experimentellen Beobachtungen zu reproduzieren. Die auftretenden partiellen Differenzialgleichungen werden mittels der Finiten Elemente Methode (FEM) numerisch gelöst. Die Auswirkungen der Prozessparameter auf das Nanodrahtwachstum werden durch den Vergleich von experimentellen Ergebnissen mit Parameterstudien analysiert. Die Auswertung hat ergeben, dass für das dielektrophoretische Wachstum ein durch Wechselfeldelektroosmose (engl. AC electro-osmosis) angetriebener Fluidstrom die Drahtwachstumsgeschwindigkeit und -morphologie maßgeblich beeinflusst. Im Falle der gerichteten elektrochemischen Nanodrahtabscheidung lässt sich die Drahtmorphologie über das angelegte elektrische Wechselsignal steuern. Unter Verwendung des Wachstumsmodells ist ein optimiertes Signal generiert worden, dessen Parametrisierung eine gezielte Anpassung auf den chemischen Ausgangsstoff und den gewünschten Drahtdurchmesser erlaubt.

This work focuses on the evaluation of the feasibility to employ silicon (Si) nanowire based parallel arrays of Schottky-barrier field effect transistors (SB-FETs) as transducers for potentiometric biosensors and their overall performance as building blocks for novel functional electronics. Nanowire parallel arrays of SB-FETs were produced and electrically characterized during this work. Nominally undoped Si nanowires with mean diameter of 20nm were synthesized by chemical vapor deposition (CVD) driven bottom-up growth and subsequently transferred via a printing process to Si/SiO2 chip substrates. Thereby, dense parallel aligned nanowire arrays are created. After dry oxidation of the nanowires, standard photolithography and deposition methods are employed to contact several hundred nanowires with interdigitated Ni electrodes in parallel. A silicidation step is used to produce axially intruded Ni-silicide (metallic) phases with a very abrupt interface to the Si (semiconducting) segment. Acting as front gate dielectric, the chip surface is entirely covered by an Al2O3 layer. For sensor applications, this layer further serves as electrical isolation of the electrodes and protects them from corrosion in electrolytes. Fabricated devices are part of the SOI (Si on insulator) transistor family with top (front) and back gate and exhibit ambipolar rectifying behavior. The top gate exhibits omega geometry with a 20nm thin Al2O3 dielectric, the back gate planar geometry with a 400nm thick SiO2 dielectric. The influence of both gates on the charge transport is summarized in the statistical analysis of transfer and output characteristic for 7 different lengths (for each 20 devices) of the Si conduction channel. A nonlinear scaling of on-currents and transconductance with channel length is revealed. Off-currents are influenced from both p- and n-type conduction at the same time. Increasing lateral electric fields (LEF) lead to a decline of suppression capability of both p- and n-currents by a single gate. This is reflected in a deteriorated swing and higher off-current towards decreasing channel lengths (increasing LEF). However, by individual gating of Schottky junction and channel, p- and n-type currents can be controlled individually. Both charge carrier types, p and n, can be suppressed efficiently at the same time leading to low off-currents and high on/off current ratio for all investigated channel lengths. This is achieved by a combined top and back double gate architecture, for which the back gate controls the Schottky junction resistance. It is demonstrated that a fixed high Schottky junction serial resistance, severely impairs the transconductance. However, the transconductance can be significantly increased by lowering this resistance via the back gate, enhancing the transducer performance significantly. Al2O3 covered SB-FETs were employed as pH sensors to evaluate their performance and signal to noise ratio (SNR). Current modulation per pH was observed to be directly proportional to the transconductance. The transistor related signal to noise ratio (SNR) is thus proportional to the transconductance to current noise ratio. Device noise was characterized and found to limit the SNR already below the peak transconductance regime. Statistical analysis showed that the nanowire SB-FET transconductance and noise both scale proportional with the current. Therefore, the SNR was found to be independent on the nanowire channel lengths under investigation. The high process yield of nanowire SB-FET parallel array fabrication close to hundred percent enables this platform to be used for simple logic and biosensor elements. Because of the low fabrication temperatures needed, the foundation is laid to produce complementary logic with undoped Si on flexible substrates. For previously reported results, the presence of Schottky junctions severely impaired the transconductance, restricting the applicability of SB-FETs as transducers. This work shows, that an electric decoupling of the Schottky junction can reduce these restrictions, making SB-FETs feasible for sensor applications. / Diese Dissertation ist der Bewertung von Silizium (Si) Nanodraht basierten Parallelschaltungen von Schottky-Barrieren-Feld-Effekt-Transistoren (SB-FETs) als Wandler für potentiometrische Biosensoren und deren generelle Leistungsfähigkeit als Bauelement neuartiger funktioneller Elektronik gewidmet. In dieser Arbeit wurden Parallelschaltungen von Nanodraht SB-FETs hergestellt und elektrisch charakterisiert. Nominell undotierte Si Nanodrähte mit durchschnittlichem Durchmesser von 20nm wurden mittels chemischer Dampfphasenabscheidung (CVD) synthetisiert und anschließend durch einen Druckprozess auf ein Si/SiO2 Chip-Substrat transferiert. Damit wurden dicht gepackte, parallel ausgerichtete Nanodraht Schichten erzeugt. Nach Trockenoxidation der Nanodrähte wurden diese mit Standard Lithographie und Abscheidungsmethoden mit interdigitalen Nickel (Ni) Elektroden als Parallelschaltung kontaktiert. Durch einen Temperprozess bilden sich axial eindiffundierte metallische Ni-Silizid-Phasen, mit einer sehr abrupten Grenzfläche zum halbleitenden Si Segments des Nanodrahts. Die Chipoberfläche wird vollständig mit einer Al2O3-Schicht bedeckt, welche als Frontgate-Dielektrikum oder als elektrische Isolation und Korrosionsschutzschicht für Elektroden in Elektrolytlösungen im Falle der Sensoranwendungen dient. Die hier gezeigten Bauelemente sind Teil der SOI (Si on insulator) Transistoren-Familie mit Top- (Front) und Backgate und zeigen ein ambipolares Schaltverhalten. Die Topgates besitzen eine Omega-Geometrie mit 20nm dickem Al2O3 Dielektrikum, das Backgate eine planare Geometrie mit 400nm dickem SiO2 Dielektrikum. Der Einfluss beider Gates auf den Ladungstransport ist in einer statistischen Analyse der Transfer- und Output-Charaktersitiken für 7 unterschiedliche Si-Leitungskanallängen zusammengefasst. Eine nichtlineare Skalierung von Strom und Transkonduktanz mit Leitungskanallänge wurde aufgedeckt. Die Ströme im Aus-Zustand des Transistors sind durch das Vorhandensein gleichzeitiger p- als auch n-Typ Leitung bestimmt. Die Zunahme lateraler elektrischer Felder (LEF) führt zu einem Verlust des gleichzeitigen Ausschaltvermögens von p- und n-Strömen bei Ansteuerung mit einem einzelnen Gate. Dies äußert sich durch einen graduell verschlechterten Swing und höheren Strom im Aus-Zustand bei verringerter Leitungskanallänge (gleichbedeutend mit erhöhten LEF). Durch eine getrennte Ansteuerung von Schottky-Kontakt und Leitungskanal lassen sich p- and n-Leitung jedoch unabhängig voneinander kontrollieren. Beide Ladungsträgertypen können so simultan effizient unterdrückt werden, was zu einem geringen Strom im Aus-Zustand und einem hohen An/Aus- Stromverhältnis für alle untersuchten Kanallängen führt. Dies wird durch eine Gatearchitektur mit kombiniertem Top- und Backgate erreicht, bei der das Backgate den Ladungstransport durch den Schottky-Kontakt und dessen Serienwiderstand kontrolliert. Es wird gezeigt, dass ein konstant hoher Schottky-Kontakt bedingter Serienwiderstand die Transkonduktanz erheblich vermindert. Jedoch kann die Transkonduktanz im höchsten Maße durch eine Herabsetzung des Serienwiderstandes durch das Backgate gesteigert werden. Dies erhöht die Leistungsfähigkeit des SB-FET als Wandler deutlich. Al2O3 oberflächenbeschichtete SB-FETs wurden als pH-Sensoren erprobt, um deren Tauglichkeit und Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) zu evaluieren. Die Strommodulation pro pH-Wert konnte als direkt proportional zur Transkonduktanz bestätigt werden. Das Transistor bedingte SNR ist daher proportional zum Verhältnis von Transkonduktanz und Stromrauschen. Bei der Analyse des Transistorrauschens wurde festgestellt, dass dieses das SNR bereits bei einer niedrigeren Transkonduktanz als der maximal Möglichen limitiert. Eine statistische Auswertung zeigte, dass sowohl SB-FET Transkonduktanz als auch Stromrauschen proportional zu dem Transistorstrom skalieren. Somit ist deren Verhältnis unabhängig von der Nanodraht-Leitungskanallänge, im hier untersuchten Rahmen. Die geringe Ausschuss bei der Fabrikation der Nanodraht SB-FET-Parallelschaltungen ermöglicht eine Nutzung dieser Plattform für simple Logik und Biosensorelemente. Durch die geringen Prozesstemperaturen wurde die Grundlage geschaffen, komplementäre Logik mit undotiertem Si auf flexiblen Substraten zu fertigen. Vorangegangene Resultate zeigte eine verminderte Transkonduktanz durch die Präsenz von Schottky-Barrieren, was die Anwendbarkeit von SB-FETs als Wandler einschränkt. Diese Arbeit zeigt, dass eine elekrtische Entkopplung der Schottky-Kontakte zu einer Aufhebung dieser Beschränkung führen kann und somit den Einsatz von SB-FETs als praktikable Wandler für Sensoranwendungen zulässt.

An early evaluation in terms of circuit design is essential in order to assess the feasibility and practicability aspects for emerging nanotechnologies. Reconfigurable nanotechnologies, such as silicon or germanium nanowire-based reconfigurable field-effect transistors, hold great promise as suitable primitives for enabling multiple functionalities per computational unit. However, contemporary CMOS circuit designs when applied directly with this emerging nanotechnology often result in suboptimal designs. For example, 31% and 71% larger area was obtained for our two exemplary designs. Hence, new approaches delivering tailored circuit designs are needed to truly tap the exciting feature set of these reconfigurable nanotechnologies. To this effect, we propose six functionally enhanced logic gates based on a reconfigurable nanowire technology and employ these logic gates in efficient circuit designs. We carry out a detailed comparative study for a reconfigurable multifunctional circuit, which shows better normalized circuit delay (20.14%), area (32.40%), and activity as the power metric (40%) while exhibiting similar functionality as compared with the CMOS reference design. We further propose a novel design for a 1-bit arithmetic logic unit-based on silicon nanowire reconfigurable FETs with the area, normalized circuit delay, and activity gains of 30%, 34%, and 36%, respectively, as compared with the contemporary CMOS version.

The present work is aimed at investigating the mechanisms of nanowire growth from aqueous solutions through a physical and chemical modeling. Based on this modeling, deriving an optimized process control is intended. The work considers two methods of nanowire growth. The first is the dielectrophoretic nanowire assembly from neutral molecules or metal clusters. Secondly, in the directed electrochemical nanowire assembly metal-containing ions are reduced in an AC electric field in the vicinity of the nanowire tip and afterwards deposited at the nanowire surface. To describe the transport and growth processes, continuum models are employed. Furthermore, it has been necessary to consider electro-kinetic fluid flows to match the experimental observations. The occurring partial differential equations are solved numerically by means of finite element method (FEM). The effect of the process parameters on the nanowire growth are analyzed by comparing experimental results to a parameter study. The evaluation has yielded that an AC electro-osmotic fluid flow has a major influence on the dielectrophoretic nanowire assembly regarding the growth velocity and morphology. In the case of directed electrochemical nanowire assembly, the nanowire morphology can be controlled by the applied AC signal shape. Based on the nanowire growth model, an optimized AC signal has been designed, whose parametrization allows to adjust to the chemical precursor and the desired nanowire diameter. / Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, mittels physikalischer und chemischer Modelle die Mechanismen des Nanodrahtwachstums aus wässrigen Lösungen zu erforschen und daraus eine optimierte Prozesskontrolle abzuleiten. Dabei werden zwei Verfahren des Nanodrahtwachstums näher betrachtet: Dies sind die dielektrophoretische Assemblierung von neutralen Molekülen oder Metallclustern sowie die gerichtete elektrochemische Nanodrahtabscheidung (engl. directed electrochemical nanowire assembly), bei der metallhaltige Ionen im elektrischen Wechselfeld an der Nanodrahtspitze zunächst reduziert und anschließend als Metallatome abgeschieden werden. Zur Beschreibung der Transport- und Wachstumsprozesse werden Kontinuumsmodelle eingesetzt. Darüber hinaus hat es sich als notwendig erwiesen, elektrokinetische Fluidströmungen zu berücksichtigen, um die experimentellen Beobachtungen zu reproduzieren. Die auftretenden partiellen Differenzialgleichungen werden mittels der Finiten Elemente Methode (FEM) numerisch gelöst. Die Auswirkungen der Prozessparameter auf das Nanodrahtwachstum werden durch den Vergleich von experimentellen Ergebnissen mit Parameterstudien analysiert. Die Auswertung hat ergeben, dass für das dielektrophoretische Wachstum ein durch Wechselfeldelektroosmose (engl. AC electro-osmosis) angetriebener Fluidstrom die Drahtwachstumsgeschwindigkeit und -morphologie maßgeblich beeinflusst. Im Falle der gerichteten elektrochemischen Nanodrahtabscheidung lässt sich die Drahtmorphologie über das angelegte elektrische Wechselsignal steuern. Unter Verwendung des Wachstumsmodells ist ein optimiertes Signal generiert worden, dessen Parametrisierung eine gezielte Anpassung auf den chemischen Ausgangsstoff und den gewünschten Drahtdurchmesser erlaubt.

Siliziumnanodrähte (SiNWs) bieten eine aussichtsreiche Grundlage zur Entwicklung neuartiger nanoelektronischer Bauelemente, wie Feldeffekttransistoren oder Sensoren. Dabei ist insbesondere die Oxidation der Drähte interessant, weil diese weitreichenden Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften der Bauelemente hat, die aus den SiNWs gefertigt werden. Die Größe der untersuchten Strukturen erfordert eine atomistische Analyse des Oxidationsprozesses. In der vorliegenden Arbeit wird der bisher wenig verstandene Beginn der Oxidation dünner Drähte molekulardynamisch simuliert, wobei als Potential ein reaktives Kraftfeld dient. Dabei wird sich intensiv mit dem Transfer elektrischer Ladungen zwischen Atomen unterschiedlicher Elektronegativitäten während der Simulationen auseinandergesetzt. Desweiteren werden Strukturen, die während der Oxidation von SiNWs der Orientierungen <100> und <110> bei Temperaturen von 300 K und 1200 K entstehen, untersucht. Ein Fokuspunkt dieser Untersuchungen ist die Analyse der Anzahl am Draht adsorbierter Sauerstoffatome während der frühen Oxidationsphase. Darüber hinaus wird die Dichte der entstehenden Strukturen beleuchtet. Dies geschieht mit einer hohen radialen Auflösung und erstmalig während der gesamten Simulation. Hierbei zeigt sich, dass während des Übergangs von kristallinem Silizium zu amorphem Siliziumdioxid zwischen den Siliziumatomen Sauerstoff eingelagert wird, die Kristallstruktur des Siliziums sich zunächst jedoch noch nicht auflöst. Dadurch entsteht ein charakteristisches Muster hoher und niedriger Dichten, das von der ursprünglichen Kristallstruktur des SiNW abhängt.:Abbildungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 2 Einführung zu Siliziumnanodrähten 2.1 Kristallstuktur von Silizium 2.2 Ideale Siliziumnanodrähte 2.3 Herstellung von Siliziumnanodrähten 3 Grundlagen der Molekulardynamik 3.1 Newtonsche Axiome 3.2 Einige grundlegende Begriffe der statistischen Physik 3.3 Molekulardynamik 3.4 Reaktives Kraftfeld 3.5 Methoden zur Beschreibung des Ladungstransfers 3.6 Thermostat und Barostat 3.7 Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator 4 Entwicklung des Modellsystems 4.1 Ausgangsstruktur 4.2 Vorrelaxation 4.3 Ablauf der Oxidation 4.4 Verwendeter ReaxFF-Parametersatz 4.5 Optimierung der Zeitschrittweite 4.5.1 Modellsystem, Relaxation und Oxidation 4.5.2 Festlegung der Zeitschrittweite 4.6 Optimierung der Systemlänge 4.6.1 Modellsystem, Relaxation und Oxidation 4.6.2 Festlegung der Systemlänge 4.7 Einfluss des globalen, instantanen Ladungstransfers auf die Simulation 4.7.1 Festlegung des Einsetzabstands 4.7.2 Vergleich mit Daten von Khalilov et al. 5 Variation von System- und Einsetztemperatur sowie Drahtorientierung 5.1 Variation von System- und Einsetztemperatur 5.1.1 Untersuchung des Oxidationsgrads 5.1.2 Untersuchung von Dichten und Grenzflächenpositionen 5.2 Variation der Drahtorientierung 5.2.1 Untersuchung des Oxidationsgrads 5.2.2 Untersuchung von Dichten und Grenzflächenpositionen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Literaturverzeichnis

Siliziumnanodrähte (SiNWs) bieten aufgrund ihrer exzellenten elektrostatischen Kontrollierbarkeit eine gute Grundlage für die Entwicklung neuartiger Bauelemente, wie rekonfigurierbarer Feldeffekttransistoren (RFETs). Da SiNWs durch die Oxidation gezielt verzerrt werden können und diese Verzerrung die Bandstruktur des Siliziums verändert, bietet der Oxidationsprozess eine Möglichkeit, die Leitungseigenschaften der RFETs zu modulieren und eine symmetrische Transfercharakteristik zu erhalten. Die Untersuchung von SiNWs mit Durchmessern im einstelligen Nanometerbereich bedarf eines atomistischen Ansatzes. In der vorliegenden Arbeit wird mit einem reaktiven Kraftfeld die initiale Phase der Oxidation dünner SiNWs molekulardynamisch simuliert. Gegenstand der Untersuchungen sind die Temperaturabhängigkeit der Oxidation von <110>-SiNWs mit Anfangsradien von 10.2 Å sowie das Oxidationsverhalten von <110>- und <100>-SiNWs mit Anfangsradien von 5.1 Å. Dabei wird neben dem Sauerstoffanteil im Simulationssystem und der radial aufgelösten Dichte auch das radial aufgelöste Verhältnis zwischen Sauerstoff- und Siliziumatomen während der gesamten Simulationsdauer untersucht und ein Zusammenhang zur Dichte festgestellt. Darüber hinaus wird bei 300 K erstmals eine Analyse der Verzerrungsentwicklung während der initialen Oxidationsphase durchgeführt, bei der sich sowohl für <110>-SiNWs als auch für <100>-SiNWs eine tensile Verzerrung im unoxidierten Drahtkern einstellt. Wie eine Analyse der partiellen radialen Verteilungsfunktion zeigt, kommt es zu dieser Verzerrung, weil während der Oxidation die Grundstruktur des Siliziums im Oxid erhalten bleibt, durch die Einlagerung des Sauerstoffs allerdings der Bindungsabstand erhöht wird. Dieser erhöhte Bindungsabstand wird durch Bindungen zu Siliziumatomen im Oxid auch Siliziumatomen im unoxidierten Kern aufgezwungen.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1. Einleitung 2. Theoretische Grundlagen 2.1. Molekulardynamik 2.2. Siliziumnanodrähte 2.3. Verzerrung und Verspannung 3. Modellsystem 3.1. Ausgangsstruktur 3.2. Vorrelaxation 3.3. Ablauf der Oxidation 4. Untersuchungsmethoden 4.1. Sauerstofffluenz, Oxidationsgrad und Oxidationsrate 4.2. Massendichte und Siliziumanteil 4.3. Radiale Verteilungsfunktion 4.4. Verzerrung 4.4.1. <110>-Draht 4.4.2. <100>-Draht 5. Ergebnisse und Diskussion 5.1. Festlegung des Einsetzintervalls 5.2. Temperaturvariation 5.2.1. Oxidationsgrad 5.2.2. Siliziumanteil 5.2.3. Massendichte 5.2.4. Radiale Verteilungsfunktion 5.3. Radius- und Orientierungsvariation 5.4. Verzerrung 6. Zusammenfassung und Ausblick 6.1. Zusammenfassung 6.2. Ausblick A. Festlegung des Einsetzintervalls Literaturverzeichnis

The past decade has witnessed a breakthrough in the field of structural DNA nanotechnology, which utilizes DNA molecules as a construction material rather than as simple carriers of the genetic information. With the superior programmability of DNA, sub-nanometer precision in the self-assembly of various complex two- and three-dimensional nanostructures is achievable. It also allows a site-specific placement of different objects and functional groups onto the formed structures. This has enabled the assembly of highly sophisticated nanostructures for various applications. While the field of structural DNA nanotechnology has been astonishingly advancing, many nanoelectronics-relevant structures are made of inorganic materials, and DNA-based nanostructures have shown rather low conductivity. This has limited the use of DNA structures in nanoelectronics and reflected the need for a similar programmable route for the inorganic nanofabrication. A conceivable solution would use DNA nanostructures in a way that will precisely transfer the structural information of the DNA shapes into fabricated metallic nanostructures. One way to do that is to use the DNA nanostructures as templates for external material deposition onto the DNA surface. While this strategy has been effective in proving the concept of DNA-shape transfer, metallic nanostructures fabricated this way have shown some drawbacks, such as showing rough surface morphologies and lacking the required homogeneity for the fabricated metallic structures. An alternative strategy would be to design DNA mold structures that can dictate the shape of metal that is “cast” inside such a DNA container. The main topic of my thesis concerns the second strategy. To discuss this in detail, the structure and some of the important properties of DNA are introduced in section 1.1. In section 1.2 the main milestones in the development of the DNA-nontechnology field are discussed and section 1.3 focuses on previous fabrication approaches of DNA-based metallic nanostructures.