Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Akustomigrationsresistenz von in Kupfertechnologie hergestellten SAW-Strukturen charakterisiert und diese mit dem Schädigungsverhalten von Al-basierten SAW-Strukturen unter gleichen Belastungsbedingungen verglichen. Dies wurde durch die Anwendung einer speziellen Power-SAW-Teststruktur ermöglicht. Das Schädigungsniveau wurde hierbei über die irreversible Verschiebung der Peakfrequenz bzw. durch Änderungen im elektrischen Widerstand sowie durch mikroskopische Untersuchung der Mikrostruktur beurteilt. Die durchgeführten SAW-Belastungsexperimente mit HF-Leistungen bis zu 4,5 W zeigten, dass das entwickelte Ta-Si-N/Cu/Ta-Si-N-System im Vergleich zur Al/Ti-Metallisierung eine Akustomigrationsresistenz besitzt, die um mehr als drei Größenordnungen höher ist als jene der Al/Ti-Metallisierung. Hohe SAW-Belastungen verursachten sowohl im Al- als auch im Cu-Testwandler Hügel- und Lochbildung. Während die Hügel in der Al/Ti-Metallisierung senkrecht zur Oberfläche bis zu einer Höhe von 1 µm und die Löcher bis hinab an die Ti-Schicht wuchsen, bildeten sich in den extrem belasteten Cu-basierten Wandlern nur flache Hügel und schmale Löcher aus, welche noch mit der Deckschicht vollständig bedeckt waren. Anhand von REM/EBSD, TEM sowie FIB-Untersuchungen konnte ein relevanter Zusammenhang zwischen der Mikrostruktur und dem Schädigungsverhalten aufgezeigt werden.

Edge computing requires highly energy efficient microprocessor units with embedded non-volatile memories to process data at IoT sensor nodes. Ferroelectric non-volatile memory devices are fast, low power and high endurance, and could greatly enhance energy-efficiency and allow flexibility for finer grain logic and memory. This paper will describe the basics of ferroelectric devices for both hysteretic (non-volatile memory) and negative capacitance (steep slope switch) devices, and then project how these can be used in low-power logic cell architectures and fine-grain logic-in-memory (LiM) circuits.

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This letter discusses a feasible variant of vertically integrated reconfigurable field effect transistors (RFET) based on top-down nanowires. The structures were studied by 3-D device simulations. Subdividing the structure into two vertical pillars allows a lean technological realization as well as simple access to the electrodes. In addition of enabling p- and n-FET operations like a horizontal RFET, the device delivers higher performance. We show that by the integration of additional vertical pillars and select gates, a higher device functionality and flexibility in interconnection are provided.

So far, only CMOS compatible and scalable hafnia-zirconia (HZO) based ferroelectric (FE) n-FeFETs have been reported. To enable the full ferroelectric hierarchy [1] both p- and n-type devices should be available. Here we report a p-FeFET with a large memory window (MW) for the first time. Moreover, we propose different integration schemes comprising structures with and without internal gate resulting in metal-FE-insulator-Si (MFIS) and metal-FE-metal-insulator-Si (MFMIS) devices which could be used to tackle the problem of interface (IF) degradation and possibly decrease the power consumption of the devices.

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

Organische Leuchtdioden weisen, verglichen mit anorganischen Leuchtdioden, viele Vorteile auf. So sind sie nicht nur energiesparender, sondern können auch in neuen flexiblen Technologien verwendet werden. Um ihr volles Potenzial auszuschöpfen, können zusätzliche Schichten und neue Materialien hinzugefügt werden. Der Ersatz spröder Elektroden durch dünne Metallschichten kann OLEDs flexibler machen, Zwischenschichten verbessern den Ladungstransport und neuartige Materialien können die Lösungsprozessierung von OLEDs vereinfachen. In den Kapiteln dieser Arbeit wurden je ein Ansatz zur Steigerung der Leistung von OLEDs untersucht. Es wurden dünne Silberschichten aus einer partikelfreien Silbertinte mittels Tintenstrahldruck hergestellt und ihre optischen sowie elektrischen charakterisiert. Die gedruckten Elektroden zeigen eine hohe Biegefestigkeit, bei gleichbleibend guten elektrischen Eigenschaften. Die damit hergestellten Leuchtdioden übertreffen in ihrer Effizienz Referenzdioden mit Indium Zinn Oxid Elektroden. Um die Effizienz organischer Leuchtdioden weiter steigern zu können wurden anschließend Zwischenschichten untersucht. Mittels einer gemischten Schicht aus Zinkoxid und einem Polymer konnte die Effizienz von invertierten Leuchtdioden signifikant gesteigert werden. Weiterhin wurden zwei neu synthetisierte Moleküle dazu verwendet, um die Benetzung von Perowskiten auf Elektroden zu verbessern und somit ihre Herstellbarkeit mittels Tintenstrahldruck zu ermöglichen. Abschließend wurde das Quervernetzen von Polymeren zur Herstellung von Mehrschichtsystemen erforscht. Hierbei wird ein die Löslichkeit eines Polymers durch verschiedene Ansätze verringert. Anhand des lichtemittierenden Polymers Super Yellow wurde dies demonstriert. Die Beständigkeit einer Schicht aus Super Yellow gegenüber Toluol konnte erfolgreich stark erhöht werden. Somit wurde eine nachfolgende Prozessierung einer zusätzlichen Schicht aus demselben Lösungsmittel ermöglicht. / Organic light-emitting diodes have many advantages compared to their inorganic counterparts. Not only can they be used more energy-efficiently, but they can also be used in new, flexible technologies. To reach their full potential, additional layers and new materials can be added. Replacing brittle electrodes with thin metal layers can make OLEDs more flexible, intermediate layers improve charge transport, and novel materials can simplify solution processing of OLEDs. In each of the chapters of this thesis, an approach to increasing the performance of OLEDs was examined. Thin silver layers were produced from a particle-free silver ink using inkjet. Their optical and electrical properties were characterized. The printed electrodes show a high flexural strength while retaining good electrical properties. The efficacy of the light-emitting diodes produced in this way exceeds that of reference diodes. To be able to further increase the efficiency of organic light-emitting diodes, intermediate layers made of new material combinations were subsequently investigated. The efficiency of inverted light-emitting diodes could be significantly increased by means of a blend intermediate layer made of zinc oxide and a polymer. Furthermore, two newly synthesized molecules were used to improve the wetting of perovskites on electrodes and thus enable their manufacturability using inkjet printing. Finally, crosslinking of polymers to fabricate multilayer devices was investigated. Here, the solubility of a polymer is reduced by various approaches. This principle was demonstrated using the light-emitting polymer Super Yellow. The resistance of a layer of Super Yellow against toluene was successfully reduced significantly. Thus, subsequent processing of an additional layer from the same solvent was made possible.

The multidisciplinary field of memristors calls for the necessity for theoreticallyinclined researchers and experimenters to join forces, merging complementary expertise and technical know-how, to develop and implement rigorous and systematic techniques to design variability-aware memristor-based circuits and systems. The availability of a predictive physics-based model for a memristor is a necessary requirement before commencing these investigations. An interesting dynamic phenomenon, occurring ubiquitously in non-volatile memristors, is fading memory. The latter may be defined as the appearance of a unique steady-state behavior, irrespective of the choice of the initial condition from an admissible range of values, for each stimulus from a certain family, for example, the DC or the purely-AC periodic input class. This paper first provides experimental evidence for the emergence of fading memory effects in the response of a TaOₓ redox-based random access memory cell to inputs from both of these classes. Leveraging the predictive capability of a physics-based device model, called JART VCM v1, a thorough system-theoretic analysis, revolving around the Dynamic Route Map graphic tool, is presented. This analysis allows to gain a better understanding of the mechanisms, underlying the emergence of history erase effects, and to identify the main factors, that modulate this nonlinear phenomenon, toward future potential applications.

Recently, the proposal to use voltage amplification from ferroelectric negative capacitance (NC) to reduce the power dissipation in nanoelectronic devices has attracted significant attention. Homogeneous Landau theory predicts, that by connecting a ferroelectric in series with a dielectric capacitor, a hysteresis-free NC state can be stabilized in the ferroelectric below a critical film thickness. However, there is a strong discrepancy between experimental results and the current theory. Here, we present a comprehensive revision of the theory of NC stabilization with respect to scaling of material and device dimensions based on multi-domain Ginzburg–Landau theory. It is shown that the use of a metal layer in between the ferroelectric and the dielectric will inherently destabilize NC due to domain formation. However, even without this metal layer, domain formation can reduce the critical ferroelectric thickness considerably, limiting not only the range of NC stabilization, but also the maximum amplification attainable. To overcome these obstacles, the downscaling of lateral device dimensions is proposed as a way to prevent domain formation and to enhance the voltage amplification due to NC. These insights will be crucial for future NC device design and scaling towards nanoscale dimensions.

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.