Die organisch-anorganische Hybridelektronik bietet verschiedene Möglichkeiten zur Entwicklung neuartiger Bauelemente, welche die Vorteile von organischen und anorganischen Halbleitern vereinen. Planare Bauelemente werden typischerweise mittels Schattenmasken-basierter Strukturierung hergestellt. Ein Grund hierfür ist die Empfindlichkeit organischer Halbleiter gegenüber Ultraviolettem Licht und Lösungsmitteln, welche in den Standard-Photolithographieprozessen eingesetzt werden. Die Schattenmasken-Strukturierung führt allerdings zu Bauelementen mit kleinsten Abmessungen im Mikrometerbereich. Für die Reduzierung der Kanalabmessungen von planaren organisch-anorganischen Hybridbauelementen unterhalb eines Mikrometers ist die Elektronenstrahllithographie die am häufigsten verwendete Technik. Aufgrund des hohen Kosten- und Zeitaufwandes ist es nicht möglich, diese Technik für Wafermaßstab-Herstellung in der industriellen Anwendung einzusetzen. In dieser Arbeit wird eine alternative Technologie zur Herstellung von planaren Bauelementen mit isolierten Grabenelektroden und Kanalabmessungen von wenigen Hundert Nanometer bis unter 100 nm vorgestellt. Gräben kleiner als ein Mirkometer werden zunächst auf Silizium-Substraten strukturiert und anschließend mit einer isolierenden SiO2 Schicht aufgefüllt. Diese hilft dabei die gewünschten Elektrodenabstände, also die gewünschte Kanallänge, zu erreichen. Die Flexibilität des neuen Herstellungsverfahrens ermöglicht es nicht nur verschiedenen Kanallängen und Bauelement-Geometrie, sondern auch die Verwendung verschiedener Materialien für Elektroden und organischen Kanäle. Dies wiederum ermöglicht eine Vielfalt von potentiellen Anwendungen der hybriden Bauelemente. In dieser Arbeit wurde 6,13-bis (triisopropylsilylethinyl)-Pentacen (TIPS-Pentacen) Lösung und metallfreie Phthalocyanin als organisches Material verwendet und als Elektrodenmaterial diente Gold. Die entstandenen auf TIPS-Pentacen-Lösung basierenden planaren hybriden Bauelemente wurden für potentielle Anwendungen als optische sowie magnetoresistive Sensoren getestet.:Table of Contents Bibliografische Beschreibung 1 Chapter 1. Introduction 3 1.1 Organic-inorganic hybrid electronics 4 1.2 Inorganic semiconductors versus organic semiconductors 5 1.3 Electronic properties of a molecular layer 5 1.4 Vertical HEDs and planar HEDs 6 Chapter 2. Wafer-scale fabrication approach for planar HED-TIEs 8 2.1 Overview of nano-patterning techniques 8 (a) Electron beam lithography (EBL) 8 (b) Nanostencil lithography (NSL) 8 (c) Nanoimprint lithography (NIL) 9 2.2 Fabrication of planar organic-inorganic HED-TIEs 12 2.2.1 Trench refill approach for fabricating HED-TIEs 12 2.2.1.1 Deposition of the trench refill layer 15 2.2.1.2 Deposition of the organic channel material 16 (a) HED-TIE with thermally evaporated organic channel 16 (b) HED-TIE with solution processed organic channel 18 2.2.2 Spacer approach for fabricating HED-TIEs 21 2.2.2.1 Deposition of the isolation layer 23 2.3 Characterization techniques 26 (a) Electrical characterization 26 (b) Raman spectroscopy 26 (c) Photoluminescence spectroscopy 27 2.4 Summary and outlook 27 Chapter 3. Electrical characterization of HED-TIEs 29 3.1 Theoretical background 29 3.1.1 Space charge limited current (SCLC) conduction mechanism 29 3.2 Experimental details 32 3.3 Results and discussions 34 3.4 Summary and outlook 40 Chapter 4. Application of HED-TIEs as optical sensors 41 4.1 Photosensing properties of TIPS-pentacene based HED-TIEs 41 4.1.1 Theoretical background 41 4.1.2 Experimental details 43 4.1.3 Results and discussions 44 4.1.4 Summary and outlook 49 4.2 Photosensing properties of TIPS-pentacene based HED-TIEs with Au nanoparticles in the channel matrix 50 4.2.1 Theoretical background 50 4.2.2 Experimental details 51 4.2.3 Results and discussions 52 4.2.4 Summary and outlook 59 Chapter 5. Application of HED-TIE devices as magnetoresistive sensors 61 5.1 Theoretical background 61 5.1.1 Organic spintronics 61 5.1.2 Mechanisms of organic magnetoresistance (OMAR) 65 (a) Bipolaron model 68 (b) Electron-hole (e-h) pair model 69 (c) Exciton–charge interaction model 70 5.2. OMAR measurements on TIPS-pentacene OFETs and HED-TIEs 71 5.2.1 Experimental details 71 5.3 Results and discussions 73 5.4 Summary and outlook 79 Chapter 6. Summary and outlook 81 References 86 List of Figures 97 List of Tables 103 List of Abbreviations 104 Acknowledgements 106 List of Publications 108 List of Conference Presentations and Posters 109 Selbstständigkeitserklärung 111 Curriculum Vitae 112

Failure analysis and optimization of semiconducting devices request knowledge of their electrical properties. To meet the demands of today’s semiconductor industry, an electrical nanometrology technique is required which provides quantitative information about the doping profile and which enables scans with a lateral resolution in the sub-10 nm range. In the presented work it is shown that Kelvin probe force microscopy (KPFM) is a very promising electrical nanometrology technique to face this challenge. The technical and physical aspects of KPFM measurements on semiconductors required for the correct interpretation of the detected KPFM bias are discussed. A new KPFM model is developed which enables the quantitative correlation between the probed KPFM bias and the dopant concentration in the investigated semiconducting sample. Quantitative dopant profiling by means of the new KPFM model is demonstrated by the example of differently structured, n- and p-type doped silicon. Additionally, the transport of charge carriers during KPFM measurements, in particular in the presence of intrinsic electric fields due to vertical and horizontal pn junctions as well as due to surface space charge regions, is discussed. Detailed investigations show that transport of charge carriers in the semiconducting sample is a crucial aspect and has to be taken into account when aiming for a quantitative evaluation of the probed KPFM bias.

In der heutigen Zeit sind optoelektronische Bauelemente allgegenwärtig. Sie finden Anwendung für Beleuchtungszwecke, in Anzeigen und für die Telekommunikation. Die Entwicklung dieser Anwendungen wurde lange Zeit von anorganischen Halbleitern getragen, in jüngerer Vergangenheit auch von der organischen Elektronik. Neuerdings werden verstärkt Konzepte entwickelt, um die spezifischen Vorteile der jeweiligen komplementären Materialklassen auszunutzen. Für diese Hybridisierung müssen die Eigenschaften der verschiedenen Materialien, insbesondere die elektronische Struktur, genau auf einander abgestimmt sein. In dieser Arbeit werden Leiter-para-phenylene auf spektrale Überlagerung und angepasste Orbitalenergien mit ZnO, auf chemische Inertheit und auf die Bildung von dünnen Schichten über vakuumbasierte Verarbeitungsmethoden optimiert. Dazu konzentriert sich der synthetische Gesichtspunkt auf die selektive Funktionalisierung der verschiedenen Methylenbrücken mit Alkyl-, Aryl- und Fluorsubstituenten. Die finalen Stufen werden bezüglich ihrer optischen Eigenschaften mittels Absorption und Fluoreszenz, bezüglich ihrer elektrochemischen Eigenschaften und bezüglich ihrer Festkörperstruktur mittels Röntgenstrukturanalyse von Einkristallen charakterisiert. Außerdem widmet sich ein erheblicher Teil dieser Arbeit der Erforschung des photochemischen Abbaus von fluorenbasierten Strukturen. Es werden neue Erkenntnisse zum Abbaumechanismus und der Ursache der grünen Emission gewonnen. Weiterhin werden die Abbauraten von Fluorenstrukturen mit verschiedenen Brückensubstituenten verglichen. Dabei konnten auch verschiedene Reaktionsprodukte und Mechanismen nachgewiesen werden. Letztendlich wird auch die Anwendung einzelner Derivate in Hybridstrukturen diskutiert. / Nowadays optoelectronic devices are ubiquitous for illumination purposes, in telecommunication and displays. For a long time, the development for these devices was driven by inorganic semiconductors, later organic semiconductors contributed, as well. Recently concepts have been developed to combine both complementary material classes to exploit the specific advantages of each one. For the hybridization, the properties of the materials, especially the electronic structure, have to match very well. In this work the optimization of ladder-type p-phenylenes towards spectral overlap and energy level alignment with ZnO, vacuum-processability, inertness, as well as layer formation is described. In terms of molecular design the different properties are addressed by site-selective functionalization of the methylene bridges with alkyl, aryl, and fluoro groups. The final products are characterized regarding their optical properties by absorption and fluorescence, their electrochemical properties, as well as their solid-state structure by single crystal X-ray diffraction. Apart from that, a large part of the work is devoted to investigations of the photochemical degradation of fluorene-type structures. New insights are gained into the mechanism of degradation, as well as the origin of the green emission in ladder-type structures The dependence of the rate of degradation is described semi-quantitatively with respect to the substitution pattern. By that, different reaction mechanisms for different substituents are found. Finally, the integration of some products in hybrid structures is discussed.

Jahresbericht des Instituts für Halbleiter- und Mikrosystemtechnik der Technischen Universität Dresden

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This work presents the design of two compact multi-standard low-noise amplifier (LNA) in a 28 nm low-power bulk CMOS process. The transistor parameters were optimized by the Gₘ/ID method taking into account the parasitics and the behavior of highly scaled transistors. To cover the industrial science medical (ISM)-bands around 2.4 and 5.8 GHz, the WLAN band as well as the Kᵤ band a bandwidth enhancement is required. Two versions of LNAs, one with vertical inductors and one with active inductors, are implemented and verified by measurements. The noise figure (NF) exhibits 4.2 dB for the LNA with active inductors and 3.5 dB for the LNA with vertical inductors. The voltage gain reaches 12.8 and 13.4 dB, respectively, with a 3 dB-bandwidth of 20 GHz. Both input referred 1-dB-compression points are higher than 212 dBm making the chips attractive for communication standards with high linearity requirements. The chips consume 53 mW DC power and the LNA with active inductors occupies a core area of only 0.0018 mm², whereas the version with vertical inductors requires 0.021 mm².

Failure analysis and optimization of semiconducting devices request knowledge of their electrical properties. To meet the demands of today’s semiconductor industry, an electrical nanometrology technique is required which provides quantitative information about the doping profile and which enables scans with a lateral resolution in the sub-10 nm range. In the presented work it is shown that Kelvin probe force microscopy (KPFM) is a very promising electrical nanometrology technique to face this challenge. The technical and physical aspects of KPFM measurements on semiconductors required for the correct interpretation of the detected KPFM bias are discussed. A new KPFM model is developed which enables the quantitative correlation between the probed KPFM bias and the dopant concentration in the investigated semiconducting sample. Quantitative dopant profiling by means of the new KPFM model is demonstrated by the example of differently structured, n- and p-type doped silicon. Additionally, the transport of charge carriers during KPFM measurements, in particular in the presence of intrinsic electric fields due to vertical and horizontal pn junctions as well as due to surface space charge regions, is discussed. Detailed investigations show that transport of charge carriers in the semiconducting sample is a crucial aspect and has to be taken into account when aiming for a quantitative evaluation of the probed KPFM bias.

Das Prinzip „Leicht Bauen mit Beton“ kann durch stabförmige Bauelemente außerordentlich gut umgesetzt werden, da einwirkende Beanspruchungen konzentriert und optimiert aufgenommen werden können. Stabförmige Bauelemente gehören zu den maßgebenden Bestandteilen von Mast- und Turmkonstruktionen sowie Fachwerk- und Rahmenstrukturen (Bild 1). Obgleich die Stäbe in diesen Konstruktionen überwiegend normalkraftbeansprucht sind, führen horizontale Beanspruchungen z. B. infolge Wind sowie Einspannungen in den Verbindungsknoten zu Biege- und Querkraftbeanspruchungen. Daneben sind nahezu alle räumlichen Konstruktionen durch einseitige oder unsymmetrische Beanspruchungen einer gewollten oder ungewollten Torsionsbeanspruchung unterworfen. [Aus: Einleitung] / The principles of “Concrete Light“ apply extraordinarily well to tubular concrete members, as applied stresses can be absorbed in a concentrated and optimized way. Tubular members are decisive components of mast and tower constructions as well as of truss and frame structures (Fig. 1). Although tubular members in such constructions are predominantly subjected to normal forces, horizontal loads (e.g. due to wind) and rigid joints lead to secondary bending moments and shear forces. In addition, as a result of one-sided or asymmetrical loads, almost all spatial constructions are subjected to intentional or unintentional torsion. [Off: Introduction]

Metal oxide (MO) semiconductors are widely used in electronic devices due to their high optical transmittance and promising electrical performance. This work describes the advancement toward an eco-friendly, streamlined method for preparing thin-film transistors (TFTs) via a pure water-solution blade-coating process with focus on a low thermal budget. Low temperature and rapid annealing of triple-coated indium oxide thin-film transistors (3C-TFTs) and indium oxide/zinc oxide/indium oxide thin-film transistors (IZI-TFTs) on a 300 nm SiO2 gate dielectric at 300 °C for only 60 s yields devices with an average field effect mobility of 10.7 and 13.8 cm2 V−1 s−1, respectively. The devices show an excellent on/off ratio (>106), and a threshold voltage close to 0 V when measured in air. Flexible MO-TFTs on polyimide substrates with AlOx dielectrics fabricated by rapid annealing treatment can achieve a remarkable mobility of over 10 cm2 V−1 s−1 at low operating voltage. When using a longer post-coating annealing period of 20 min, high-performance 3C-TFTs (over 18 cm2 V−1 s−1) and IZI-TFTs (over 38 cm2 V−1 s−1) using MO semiconductor layers annealed at 300 °C are achieved.

Systeme aus konjugierten Molekülen und Graphenen bergen hohes Potential für Anwendungen. Die Untersuchung ihrer Wechselwirkungsmechanismen ist wichtig für die Entwicklung neuer Anwendungen und Fokus dieser Arbeit: Optische Mikroskopie, Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie werden komplementär verwendet, um die optischen und strukturellen Eigenschaften solcher Systeme zu erforschen. Insbesondere werden (i) die Permeationsbarriere-Eigenschaften von Graphen in-situ auf einem halbleitenden Polymerfilm quantifiziert. Weiterhin werden (ii) die Fluoreszenz- und (iii) Raman-Emission von konjugierten Molekülen in der Nähe von Graphen untersucht und die entsprechenden Kopplungsmechanismen diskutiert. (i) Graphene zeigen sich als effizienter Schutz des empfindlichen Polymers [Poly(3-hexylthiophen)] vor Degeneration durch Sauerstoff und Wasser aus der Umgebungsluft. Dies legt nahe, dass Graphene nicht nur als transparente Elektrode, sondern gleichzeitig als Barriereschicht in künftigen optoelektronischen Bauelementen dienen können. (ii) Es wird gezeigt, dass die bekannten optischen Eigenschaften von Graphen die Existenz stark lokalisierter Graphen-Plasmonen im Sichtbaren implizieren. Durch Verwendung von nanoskaligen Emittern [Rhodamin 6G (R6G)], welche die für effiziente Anregung von Graphen-Plasmonen im optischen Frequenzbereich notwendigen großen Wellenvektor bereitstellen, wird Graphen-Plasmonen-induzierte (GPI) Fluoreszenz-Anregungsverstärkung von nahezu 3 Größenordnungen nachgewiesen. Demnach ist Graphen für plasmonische Bauelemente im Sichtbaren interessant. (iii) Außerdem wird GPI Verstärkung des Raman-Querschnittes von R6G um 1 Größenordnung nachgewiesen. Zukünftige Entwicklung von Antennen für zusätzliche direkte Anregung von Graphen-Plasmonen aus dem Fernfeld macht Graphen vielversprechend für leistungsfähige oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie. Zusammenfassend wurden neue und anwendungsrelevante Einblicke in die analysierten Systeme gewonnen. / Systems of conjugated molecules and graphenes bear high application potential. The investigation of their interaction mechanisms is important for design of new applications and the focus of this thesis: Optical microscopy, spectroscopy and scanning force microscopy are complementarily used to explore the optical and structural properties of such systems. In particular (i) the permeation barrier properties of graphene are quantified in-situ on a semiconducting polymer film. Furthermore (ii) the fluorescence and (iii) Raman emission of conjugated molecules in proximity to graphene are investigated and the respective coupling mechanisms are discussed. (i) Graphenes are found to efficiently protect the sensitive polymer [poly(3-hexylthiophene)] from degradation by oxygen and water from the ambient atmosphere. This suggests that graphenes can not only serve as transparent electrode, but simultaneously as a barrier layer in future optoelectronic devices. (ii) It is shown that the known optical properties of graphene imply the existence of strongly localized graphene plasmons in the visible. Using nanoscale emitters [rhodamine 6G (R6G)] that provide the high wave vectors necessary to efficiently excite graphene plasmons at optical frequencies, graphene plasmon induced (GPI) fluorescence excitation enhancement by nearly 3 orders of magnitude is demonstrated. Graphene is thus interesting for plasmonic devices in the visible. (iii) In addition GPI enhancement of the Raman cross section of R6G by 1 order of magnitude is demonstrated. The future design of antennas for additional direct farfield excitation of graphene plasmons makes graphene promising for powerful surface enhanced Raman spectroscopy. In summary new and application relevant insights were gained into the studied systems.