Diese Arbeit setzt sich mit der Gesamtheit des Antriebsstrangs vom Brennstoffzellen-Modul bis zum Rad auseinander. Hierfür wird das Verhalten der Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle als Einzelzelle und zusammengeschalten als Stack mithilfe eines vereinfachten Greybox-Modells in MATLAB/Simulink® beschrieben. Das Modell, welches zudem an ein idealisiertes aber aussagekräftiges Antriebsstrangmodell gekoppelt ist, erlaubt die Auslegung der Antriebskomponenten für konkrete Betriebsszenarien unter Variation der zu- und abgeführten Medien sowie der Zustandsgrößen Temperatur und Druck. Simulierte Drehmomentverläufe im berechneten Motorkennfeld mit effektivem Arbeitspunkt, Zwischenkreisspannungen und auftretende Verluste in den elektrischen Komponenten bieten die Grundlage, um bereits in der Entwicklungsphase das Zusammenwirken der Antriebskomponenten abzuschätzen und den Antriebsstrang für ein Demonstratorfahrzeug auslegen zu können. / This work addresses the entirety of the powertrain from the fuel cell module to the wheel. For this purpose, the behaviour of the low-temperature polymer electrolyte fuel cell as a single cell and assembled as a stack is described using a simplified greybox model in MATLAB/Simulink®. The model, which is also coupled to an idealized but conclusive powertrain model, allows the design of the powertrain components by varying the media supplied and discharged as well as the state variables temperature and pressure. Simulated torque progressions in the calculated engine characteristics with the effective operating point, DC link voltages and losses occurring in the electrical components provide the basis for estimating the interaction of the powertrain components in the development phase and for dimensioning the powertrain for a demonstrator vehicle.

Methods for reliability assessment and a deep understanding of degradation mechanisms are important for product and process development. In this work, reliability under electrical stress of a state-of-the-art integrated low-temperature PVD PZT Film stack is discussed. DC and AC lifetime under electric stress are investigated experimentally over wide ranges of temperature and applied electric field. Empirical Weibull analysis and comparison of the obtained Weibull slope is used to evaluate suitable acceleration ranges for empirical testing. Changes of the Weibull slope above a temperature of 150 °C and gradual change over voltage acceleration in the range of 100 kV/cm to 200 kV/cm were found. This indicates that accelerated lifetime testing in the temperature range below 150 °C is possible and caution is required for voltage acceleration. The results of this study are also published in Ref. (a). Closing the literature gap, time to breakdown data under unipolar AC electric stress is presented. Comparison with results obtained under DC electric stress reveals that the DC degradation mechanism still dominates under unipolar AC load. This observation was found to hold over tested AC frequency, DC offset, and temperature ranges. As consequence, AC lifetime can be predicted based on DC time to breakdown experiments (b). To enhance the physical understanding of degradation and breakdown, variation of the leakage current over time during electrical load is analyzed. An enhanced physical model for leakage current degradation is proposed and degradation kinetics are studied experimentally. For the first time, more than one defect species being active and manifesting in leakage current degradation of perovskite oxides are proposed and experimental evidence is presented to substantiate the hypotheses. Model predictions and experimental results are found to be in excellent agreement. The proposed characterization method allows for characterization of contributing defect types by associated charge and true activation energy (c). Based on experimental observations, a direct connection between leakage current degradation mechanism and time dependent dielectric breakdown (TDDB) mechanism is proposed and formulated in a physical model. For the first time, kinetics of leakage current degradation and TDDB are successfully linked, using new evaluation methods for the experimental data obtained under DC and AC electrical stress. This pioneering connection between leakage current and breakdown ultimately leads to the fundament of a comprehensive HALT model. Fundamental implications of the new findings on reliability testing of high-k dielectrics are discussed. / Methoden zur Zuverlässigkeitsbewertung und ein tiefes Verständnis der Degradationsmechanismen sind wichtig für die Produkt- und Prozessentwicklung. In dieser Arbeit wird die Zuverlässigkeit eines auf dem Stand der Technik befindlichen integrierten niedertemperatur PVD PZT Dünnschichtstapels unter elektrischer Last diskutiert. Lebenszeit unter Gleichstrom- (DC) und Wechselstromlast (AC) werden experimentell über weite Bereiche der Temperatur und angelegter Feldstärke untersucht. Empirische Weibull Analyse und Vergleich der erhaltenen Weibull-Module werden verwendet, um Beschleunigungsbereiche für empirische Testverfahren zu bewerten. Eine Veränderung der Weibull-Module oberhalb von 150 °C und eine graduelle Veränderung für Spannungsbeschleunigung im Bereich von 100 kV/cm bis 200 kV/cm wurden festgestellt. Dies weist darauf hin, dass beschleunigte Lebenszeittests im Temperaturbereich unterhalb von 150 °C möglich sind, Spannungsbeschleunigung jedoch mit hoher Vorsicht zu bewerten ist. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind ebenfalls in Ref. (a) veröffentlicht. Durch die Präsentation von Durchbruchzeiten unter unipolarer AC-Belastung wird eine Forschungslücke geschlossen. Ein Vergleich mit Ergebnissen, die unter Gleichstrombelastung erhoben wurden zeigt, dass Degradationsmechanismen, die unter DC aktiv sind unter unipolarer AC-Belastung das Durchbruchverhalten weiterhin dominieren. Diese Beobachtung hat Bestand über die untersuchten Bereiche von AC-Frequenz, DC-Versatz und Temperatur. Daraus folgt, dass Lebenszeit unter AC-Belastung durch Experimente unter DC vorhergesagt werden kann (b). Um das physikalische Verständins von Degradation und Durchbruch zu erweitern, wird die Veränderung des Leckstroms über elektrischer Belastungszeit analysiert. Ein erweitertes physikalisches Modell für die Leckstromdegradation wird vorgeschlagen und die Degradationskinetik wird experimentell untersucht. Zum ersten Mal, werden mehr als zwei aktive Defektarten, die sich in der Leckstromdegradation von Perowskit Oxiden abzeichnen eingebracht und durch experimentelle Befunde untermauert. Modellvorhersagen und experimentelle Ergebnisse zeigen eine exzellente Übereinstimmung. Die vorgeschlagene Charakterisierungsmethode erlaubt die Charakterisierung der beteiligten Defektarten über zugeordneter Ladung und wahrer Aktivierungsenergie (c). Basierend auf experimentellen Beobachtungen wird ein direkter Zusammenhang zwischen Leckstromdegradation und zeitabhängigem dielektrischen Durchbruchmechanismus (TDDB) vorgeschlagen und in einem physikalischen Modell abgebildet. Zum ersten Mal werden die Kinetik hinter Leckstromdegradation und TDDB über neue Auswerteverfahren der erhobenen experimentellen Daten unter DC- und AC-Belastung erfolgreich verknüpft. Dieser wegweisende Zusammenhang zwischen Leckstromdegradation und Durchbruch legt das Fundament zu einer verständnisbasierten stark beschleunigten Grenzlastprüfung. Grundlegende Auswirkungen der neuen Ergebnisse auf Zuverlässigkeitstestmethoden von high-k Dielektrika werden diskutiert.

Manufacturing of electronics devices, continuously decreasing in size, commonly requires the vapor phase deposition of materials into small structures on a wafer, often at a nanometer scale. In this thesis the goal is to simulate vapor-phase deposition processes at a scale where fully atomistic simulations using Molecular Dynamics are no longer feasible. This is achieved by combing two methods, one simulating the gas flow and deposition processes and another method simulating the changing surface. A Particle Monte Carlo method, specifically designed for free molecular flow, the typical flow regime at this length scale, is used. The simulation of growing surfaces uses the Level Set Method. Combining these two methods requires some additional coupling steps presented in this work. With the coupled model, different deposition processes are simulated within trenches to observe how well these processes perform for achieving a uniform deposition, as well as evaluating different process conditions.:Table of Contents List of Figures List of Tables List of Abbreviations List of Symbols 1 Introduction 2 Basics 2.1 Surface deposition processes 2.1.1 Chemical Vapor Deposition 2.1.2 Atomic Layer Deposition 2.1.3 Physical Vapor Deposition 2.2 Simulation approaches for surface depositions 2.2.1 Modeling chemical reactions on a surface 2.2.2 Interaction tables for PVD 2.3 Flow regimes 2.4 Molecular Dynamics 2.5 Particle Monte Carlo 2.6 Marker Particle Method 2.7 Level Set Method 2.7.1 Re-initialization of the signed distance function 2.7.2 Extension Velocities 2.7.3 Fast Marching Method 2.7.4 Upwind scheme 2.7.5 Curvature 2.8 Marching-Squares/Cubes Algorithm 3 Methods and Implementation 3.1 Software 3.1.1 External libraries 3.1.2 Geosect 3.2 Initialization of the signed distance field 3.3 Coupling between particle simulations and Level Set 3.3.1 The simulation cycle 3.3.2 Conversion from a grid to a discrete mesh 3.3.3 Extension of growth rates from a mesh to a grid 3.4 Integrating the Level Set Equation 3.4.1 Splitting the number of particles between different steps 3.4.2 Re-initializing the signed distance function 3.4.3 Handling surface coverage 3.4.4 The full update of the surface 3.5 Curvature dependent reflow 3.6 Level Set for radial symmetry 4 Verification 4.1 Testing different integration schemes 4.1.1 Growth of a circle in a linear velocity field 4.1.2 PVD in trenches 4.2 Mass preservation during curvature dependent reflow 4.3 Comparisons between 2D, radial 2D and 3D 4.3.1 Comparing 2D and 3D 4.3.2 Comparing radial 2D and 3D 5 Process Simulations 5.1 Resputter process using a PVD 5.1.1 Simulations and their parameters 5.1.2 Surfaces after the deposition step 5.1.3 Surface growth in the resputter step 5.1.4 Conditions for improved layer thickness 5.2 CVD with an effective sticking coefficient 5.3 Incomplete ALD cycles 5.4 Deposition onto a complex 3D shape 6 Conclusion Bibliography Acknowledgment Statement of authorship

A PhD dissertation which presented a numerical modelling study on the long-term behavior in the multiple borehole heat exchanger array system for sustainable utilisation of shallow geothermal energy.

This letter presents a scalable technique to reduce the power of the analog input stage in neural recording front-ends in Globalfoundries 22 -nm FDSOI. The back-gate voltages are adapted to reduce the threshold voltage and thus allow supply voltage reduction. This adaption increases PVT stability of subthreshold circuits. A comparison to a conventional delta–sigma ADC is drawn and the minimum power point is measured, resulting in 0.7 - μW /channel at 7.2 - μV input-referred noise. Additionally, the transition to smaller technologies promises low-power consumption in the digital domain, by allowing smaller supply voltage and higher integration density.

Der Einsatz von neuronalen Netzen in Edge-Geräten und deren Einbindung in unser tägliches Leben findet immer mehr Beachtung. Ihre hohen Rechenkosten machen jedoch viele eingebettete Anwendungen zu einer Herausforderung. Das Hauptziel meiner Doktorarbeit ist es, einen Beitrag zur Lösung dieses Dilemmas zu leisten: die Optimierung neuronaler Netze und die Entwicklung entsprechender neuronaler Verarbeitungseinheiten für Endgeräte. Diese Arbeit nahm die algorithmische Forschung als Ausgangspunkt und wandte dann deren Ergebnisse an, um das Architekturdesign von Neural Processing Units (NPUs) zu verbessern. Die Optimierung neuronaler Netzwerkmodelle begann mit der Quantisierung neuronaler Netzwerke mit einfacher Präzision und entwickelte sich zu gemischter Präzision. Die Entwicklung der NPU-Architektur folgte den Erkenntnissen der Algorithmusforschung, um ein Hardware/Software Co-Design zu erreichen. Darüber hinaus wurde ein neuartiger Ansatz zur gemeinsamen Entwicklung von Hardware und Software vorgeschlagen, um das Prototyping und die Leistungsbewertung von NPUs zu beschleunigen. Dieser Ansatz zielt auf die frühe Entwicklungsphase ab. Er hilft Entwicklern, sich auf das Design und die Optimierung von NPUs zu konzentrieren und verkürzt den Entwicklungszyklus erheblich. Im Abschlussprojekt wurde ein auf maschinellem Lernen basierender Ansatz angewendet, um die Rechen- und Speicherressourcen der NPU zu erkunden and optimieren. Die gesamte Arbeit umfasst mehrere verschiedene Bereiche, von der Algorithmusforschung bis zum Hardwaredesign. Sie alle arbeiten jedoch an der Verbesserung der Inferenz-Effizienz neuronaler Netze. Die Optimierung der Algorithmen zielt insbesondere darauf ab, den Speicherbedarf und die Rechenkosten von neuronalen Netzen zu verringern. Das NPU-Design hingegen konzentriert sich auf die Verbesserung der Nutzung von Hardwareressourcen. Der vorgeschlagene Ansatz zur gemeinsamen Entwicklung von Software und Hardware verkürzt den Entwurfszyklus und beschleunigt die Entwurfsiterationen. Die oben dargestellte Reihenfolge entspricht dem Aufbau dieser Dissertation. Jedes Kapitel ist einem Thema gewidmet und umfasst relevante Forschungsarbeiten, Methodik und Versuchsergebnisse.:1 Introduction 2 Convolutional Neural Networks 2.1 Convolutional layer 2.1.1 Padding 2.1.2 Convolution 2.1.3 Batch Normalization 2.1.4 Nonlinearity 2.2 Pooling Layer 2.3 Fully Connected Layer 2.4 Characterization 2.4.1 Composition of Operations and Parameters 2.4.2 Arithmetic Intensity 2.5 Optimization 3 Quantization with Double-Stage Squeeze-and-Threshold 19 3.1 Overview 3.1.1 Binarization 3.1.2 Multi-bit Quantization 3.2 Quantization of Convolutional Neural Networks 3.2.1 Quantization Scheme 3.2.2 Operator fusion of Conv2D 3.3 Activation Quantization with Squeeze-and-Threshold 3.3.1 Double-Stage Squeeze-and-Threshold 3.3.2 Inference Optimization 3.4 Experiment 3.4.1 Ablation Study of Squeeze-and-Threshold 3.4.2 Comparison with State-of-the-art Methods 3.5 Summary 4 Low-Precision Neural Architecture Search 39 4.1 Overview 4.2 Differentiable Architecture Search 4.2.1 Gumbel Softmax 4.2.2 Disadvantage and Solution 4.3 Low-Precision Differentiable Architecture Search 4.3.1 Convolution Sharing 4.3.2 Forward-and-Backward Scaling 4.3.3 Power Estimation 4.3.4 Architecture of Supernet 4.4 Experiment 4.4.1 Effectiveness of solutions to the dominance problem 4.4.2 Softmax and Gumbel Softmax 4.4.3 Optimizer and Inverted Learning Rate Scheduler 4.4.4 NAS Method Evaluation 4.4.5 Searched Model Analysis 4.4.6 NAS Cost Analysis 4.4.7 NAS Training Analysis 4.5 Summary 5 Configurable Sparse Neural Processing Unit 65 5.1 Overview 5.2 NPU Architecture 5.2.1 Buffer 5.2.2 Reshapeable Mixed-Precision MAC Array 5.2.3 Sparsity 5.2.4 Post Process Unit 5.3 Mapping 5.3.1 Mixed-Precision MAC 5.3.2 MAC Array 5.3.3 Support of Other Operation 5.3.4 Configurability 5.4 Experiment 5.4.1 Performance Analysis of Runtime Configuration 5.4.2 Roofline Performance Analysis 5.4.3 Mixed-Precision 5.4.4 Comparison with Cortex-M7 5.5 Summary 6 Agile Development and Rapid Design Space Exploration 91 6.1 Overview 6.1.1 Agile Development 6.1.2 Design Space Exploration 6.2 Agile Development Infrastructure 6.2.1 Chisel Backend 6.2.2 NPU Software Stack 6.3 Modeling and Exploration 6.3.1 Area Modeling 6.3.2 Performance Modeling 6.3.3 Layered Exploration Framework 6.4 Experiment 6.4.1 Efficiency of Agile Development Infrastructure 6.4.2 Effectiveness of Agile Development Infrastructure 6.4.3 Area Modeling 6.4.4 Performance Modeling 6.4.5 Rapid Exploration and Pareto Front 6.5 Summary 7 Summary and Outlook 123 7.1 Summary 7.2 Outlook A Appendix of Double-Stage ST Quantization 127 A.1 Training setting of ResNet-18 in Table 3.3 A.2 Training setting of ReActNet in Table 3.4 A.3 Training setting of ResNet-18 in Table 3.4 A.4 Pseudocode Implementation of Double-Stage ST B Appendix of Low-Precision Neural Architecture Search 131 B.1 Low-Precision NAS on CIFAR-10 B.2 Low-Precision NAS on Tiny-ImageNet B.3 Low-Precision NAS on ImageNet Bibliography 137 / Deploying neural networks on edge devices and bringing them into our daily lives is attracting more and more attention. However, its expensive computational cost makes many embedded applications daunting. The primary objective of my doctoral studies is to make contributions towards resolving this predicament: optimizing neural networks and designing corresponding efficient neural processing units for edge devices. This work took algorithmic research, specifically the optimization of deep neural networks, as a starting point and then applied its findings to steer the architecture design of Neural Processing Units (NPUs). The optimization of neural network models started with single precision neural network quantization and progressed to mixed precision. The NPU architecture development followed the algorithmic research findings to achieve hardware/software co-design. Furthermore, a new approach to hardware and software co-development was introduced, aimed at expediting the prototyping and performance assessment of NPUs. This approach targets early-stage development. It helps developers to focus on the design and optimization of NPUs and significantly shortens the development cycle. In the final project, a machine learning-based approach was applied to explore and optimize the computational and memory resources of the NPU. The entire work covers several different areas, from algorithmic research to hardware design. But they all work on improving the inference efficiency of neural networks. Specifically, algorithm optimization aims to reduce the memory footprint and computational cost of neural networks. The NPU design, on the other hand, focuses on improving the utilization of hardware resources. The proposed software and hardware co-development approach shortens the design cycle and speeds up the design iteration. The order presented above corresponds to the structure of this dissertation. Each chapter corresponds to a topic and covers relevant research, methodology, and experimental results.:1 Introduction 2 Convolutional Neural Networks 2.1 Convolutional layer 2.1.1 Padding 2.1.2 Convolution 2.1.3 Batch Normalization 2.1.4 Nonlinearity 2.2 Pooling Layer 2.3 Fully Connected Layer 2.4 Characterization 2.4.1 Composition of Operations and Parameters 2.4.2 Arithmetic Intensity 2.5 Optimization 3 Quantization with Double-Stage Squeeze-and-Threshold 19 3.1 Overview 3.1.1 Binarization 3.1.2 Multi-bit Quantization 3.2 Quantization of Convolutional Neural Networks 3.2.1 Quantization Scheme 3.2.2 Operator fusion of Conv2D 3.3 Activation Quantization with Squeeze-and-Threshold 3.3.1 Double-Stage Squeeze-and-Threshold 3.3.2 Inference Optimization 3.4 Experiment 3.4.1 Ablation Study of Squeeze-and-Threshold 3.4.2 Comparison with State-of-the-art Methods 3.5 Summary 4 Low-Precision Neural Architecture Search 39 4.1 Overview 4.2 Differentiable Architecture Search 4.2.1 Gumbel Softmax 4.2.2 Disadvantage and Solution 4.3 Low-Precision Differentiable Architecture Search 4.3.1 Convolution Sharing 4.3.2 Forward-and-Backward Scaling 4.3.3 Power Estimation 4.3.4 Architecture of Supernet 4.4 Experiment 4.4.1 Effectiveness of solutions to the dominance problem 4.4.2 Softmax and Gumbel Softmax 4.4.3 Optimizer and Inverted Learning Rate Scheduler 4.4.4 NAS Method Evaluation 4.4.5 Searched Model Analysis 4.4.6 NAS Cost Analysis 4.4.7 NAS Training Analysis 4.5 Summary 5 Configurable Sparse Neural Processing Unit 65 5.1 Overview 5.2 NPU Architecture 5.2.1 Buffer 5.2.2 Reshapeable Mixed-Precision MAC Array 5.2.3 Sparsity 5.2.4 Post Process Unit 5.3 Mapping 5.3.1 Mixed-Precision MAC 5.3.2 MAC Array 5.3.3 Support of Other Operation 5.3.4 Configurability 5.4 Experiment 5.4.1 Performance Analysis of Runtime Configuration 5.4.2 Roofline Performance Analysis 5.4.3 Mixed-Precision 5.4.4 Comparison with Cortex-M7 5.5 Summary 6 Agile Development and Rapid Design Space Exploration 91 6.1 Overview 6.1.1 Agile Development 6.1.2 Design Space Exploration 6.2 Agile Development Infrastructure 6.2.1 Chisel Backend 6.2.2 NPU Software Stack 6.3 Modeling and Exploration 6.3.1 Area Modeling 6.3.2 Performance Modeling 6.3.3 Layered Exploration Framework 6.4 Experiment 6.4.1 Efficiency of Agile Development Infrastructure 6.4.2 Effectiveness of Agile Development Infrastructure 6.4.3 Area Modeling 6.4.4 Performance Modeling 6.4.5 Rapid Exploration and Pareto Front 6.5 Summary 7 Summary and Outlook 123 7.1 Summary 7.2 Outlook A Appendix of Double-Stage ST Quantization 127 A.1 Training setting of ResNet-18 in Table 3.3 A.2 Training setting of ReActNet in Table 3.4 A.3 Training setting of ResNet-18 in Table 3.4 A.4 Pseudocode Implementation of Double-Stage ST B Appendix of Low-Precision Neural Architecture Search 131 B.1 Low-Precision NAS on CIFAR-10 B.2 Low-Precision NAS on Tiny-ImageNet B.3 Low-Precision NAS on ImageNet Bibliography 137

Elektroakustische Systeme wie Lautsprecher, die elektrische Signale in akustische Signale umwandeln, sind heute Eckpfeiler der Kommunikation. Von Mikrotreibern in Kopfhörern und Smartphones über Audiosysteme in Fahrzeugen und Wohnzimmern bis hin zu großen Beschallungsanlagen in öffentlichen Räumen, Kinos und Konzerten sowie zahlreichen technischen Anwendungen sind sie heute ein allgegenwärtiger Bestandteil des täglichen Lebens. Die gängigsten Lautsprechertechnologien basieren auf elektrodynamischen Wandlern. Seit der ersten Patentierung vor 145 Jahren wurden diese, die notwendige Leistungselektronik sowie die Methoden zur Auslegung und Systembeschreibung im Klein- und Großsignalbereich kontinuierlich weiterentwickelt. Die Forschung befasst sich aber auch ständig mit alternativen Technologien, die Vorteile gegenüber konventionellen Antrieben haben können. In diesem Zusammenhang haben dielektrische Elastomere (DE) in den letzten 25 Jahren zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Sie versprechen u.a. einen höheren Wirkungsgrad, neuartige Konstruktionen und eine erhebliche Gewichtsreduktion. Zudem können sie aus kostengünstigen Ausgangsmaterialien ohne den Einsatz von Seltenen Erden oder ferroelektrischen Materialien hergestellt werden, was die Abhängigkeit von Rohstoffimporten verringert und neue Anwendungsfelder eröffnet. Trotz sehr aktiver Forschung und Entwicklung bei Materialien, Design und Herstellung gibt es bisher nur wenige kommerziell verfügbare Aktuatoranwendungen. Eine grundlegende Voraussetzung für die Etablierung einer Technologie sind standardisierte und nachvollziehbare Methoden zur prädiktiven Systembeschreibung und zum rechnergestützten Systementwurf. Diese sind für DE in dynamischen Anwendungen noch nicht verfügbar. In dieser Arbeit wird die etablierte Entwurfsmethodik zur prädiktiven Beschreibung kleinsignaliger dynamischer Systeme mit elektromechanischen und akustischen Netzwerken auf dielektrische Elastomere erweitert. Das Kernelement ist die Ableitung der elektromechanischen Wandlermodelle für DE-Längs- und Dickenoszillatoren. Basierend auf dieser Systembeschreibung, werden Auslegungskriterien für DE-basierte Schallquellen aufgestellt. Der Fokus liegt dabei auf der praktischen Anwendbarkeit und der Generierung von technologischen Vorteilen gegenüber elektrodynamischen Wandlern. Aus diesen Kriterien werden neuartige Wandlerkonzepte in Form von rollenaktorgetriebenen Lautsprechermembranen und unimorphen Membranen entwickelt, analysiert und als Demonstratoren realisiert. Darüber hinaus wird die Leistungselektronik untersucht, auf deren Basis Schaltungen zur Durchführung messtechnischer Untersuchungen und zum Betrieb der Demonstratoren entwickelt und realisiert wurden. Ziel der Arbeit ist es, Anwendungsentwicklern mit der vorgestellten Entwurfsmethodik einen besseren Zugang zur Technologie zu ermöglichen und so zur Entwicklung von DE-basierten Schallquellen im Speziellen und dynamischen DE-Aktoren im Allgemeinen beizutragen.:1 Introduction 1 2 Fundamentals of Dielectric Elastomers 5 3 Electromechanical Network Model of Dielectric Elastomers 9 3.1 Transducer Network Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.1.1 Electrostatic Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.1.2 Simulative-experimental Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.3 Mechanical Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.1.4 Determination of the Parameters at the Operating Point . . . . . . . . . 19 3.1.5 Electromechanical Transducer Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 Electrical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.3 Operating Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.4 Mechanical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4 Power Electronics 37 4.1 Fundamental Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.2 Alternative Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.1 Adapted Circuit Designs for Capacitive Loads . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2.2 Summing Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3 Realization of Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.1 Coupling Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.2 Branch to Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3.3 Charging Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3.4 Additional Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3.5 Implemented Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5 Design of DE Loudspeakers 49 5.1 State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.1.1 Membrane and Bubble-Loudspeakers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.1.2 Annular Membrane Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.1.3 Preformed Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.1.4 Thickness Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.2 Fundamental Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.3 Proposed Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 6 DE-Roll Actuator based Loudspeaker Driver 61 6.1 Fundamentals of DERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 6.2 Stability Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.3 Model Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.3.1 Fundamental Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.4 Construction and Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6.4.1 PolyPower Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 VTable of Contents 6.4.2 Elastosil Actuator Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6.4.3 Overview of Manufactured Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 6.5 Measurement Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.5.1 Static Function Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 6.5.2 Electrical Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.5.3 Dynamic Electromechanical Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.6 Electromechanical Test Results and Model Updating . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6.7 Radial Actuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.8 Acoustic Extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.8.1 Acoustic Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.8.2 Selection of loudspeaker diaphragm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 6.8.3 Loudspeaker in Closed Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.8.4 Loudspeaker in Vented Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 6.8.5 Bending Wave Transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.9 Acoustic Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.10 Demonstrator Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.11 Considerations towards Large-Signal Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7 Dielectric Elastomer Unimorph Membrane 115 7.1 Membrane Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 7.2 Model-based Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 7.3 Headphones demonstrator construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 7.4 Measurements and Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8 Summary and Outlook 129 Appendix 133 A ANSYS APDL simulation code for DE elementary cell model . . . . . . . . . . . . 136 B Additional comparisons of measurement and simulation data . . . . . . . . . . 138 / Electroacoustic systems such as loudspeakers, which convert electrical signals into acoustic signals, are nowadays cornerstones of communication. From microdrivers in headphones and smartphones, to audio systems in vehicles and living rooms, to large sound reinforcement systems in public spaces, cinemas and concerts, as well as numerous technical applications, they are nowadays a ubiquitous part of everyday life. The most common loudspeaker technologies are based on electrodynamic transducers. Since the first patent 145 years ago, they, the necessary power electronics as well as the methods for design and system description in the small- and large- signal range have been continuously developed. However, research is also constantly looking at alternative technologies that may have advantages over conventional drives. In this context, dielectric elastomers (DE) have gained increasing attention over the past 25 years. They promise, among other things, higher efficiency, novel designs and considerable weight reduction. Moreover, they can be manufactured from inexpensive starting materials without the use of rare-earths elements or ferroelectric materials, which reduces the dependence on raw materials imports and opens up new fields of application. Despite very active research and development of materials, designs and fabrication, there are only few commercially available actuator applications so far. A fundamental requirement for the establishment of a technology are standardized and comprehensible methods for predictive system description and for computer-aided system design. These are not yet available for DE in dynamic applications. In this work, the established design methodology for the predictive description of smallsignal dynamic systems using electromechanical and acoustic networks is being extended to dielectric elastomers. The core element is the derivation of the electromechanical transducer models for DE longitudinal and thickness oszillators. Based on this system description, design criteria for DE based sound sources are established. The focus lies on practical applicability and the generation of technological advantages compared to electrodynamic transducers. From these criteria, novel transducer concepts in the form of roll actuator driven loudspeaker diaphragms and unimorph membranes are developed, analyzed and realized as demonstrators. In addition, the power electronics are examined, on the basis of which circuits for carrying out metrological investigations and for operating the demonstrators were developed and implemented. The goal of the work is to provide application developers with better access to the technology using the presented design methodology and thus contribute to the development of DE-based sound sources in particular and dynamic DE actuators in general.:1 Introduction 1 2 Fundamentals of Dielectric Elastomers 5 3 Electromechanical Network Model of Dielectric Elastomers 9 3.1 Transducer Network Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.1.1 Electrostatic Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.1.2 Simulative-experimental Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.3 Mechanical Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.1.4 Determination of the Parameters at the Operating Point . . . . . . . . . 19 3.1.5 Electromechanical Transducer Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 Electrical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.3 Operating Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.4 Mechanical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4 Power Electronics 37 4.1 Fundamental Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.2 Alternative Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.1 Adapted Circuit Designs for Capacitive Loads . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2.2 Summing Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3 Realization of Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.1 Coupling Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.2 Branch to Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3.3 Charging Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3.4 Additional Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3.5 Implemented Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5 Design of DE Loudspeakers 49 5.1 State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.1.1 Membrane and Bubble-Loudspeakers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.1.2 Annular Membrane Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.1.3 Preformed Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.1.4 Thickness Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.2 Fundamental Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.3 Proposed Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 6 DE-Roll Actuator based Loudspeaker Driver 61 6.1 Fundamentals of DERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 6.2 Stability Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.3 Model Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.3.1 Fundamental Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.4 Construction and Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6.4.1 PolyPower Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 VTable of Contents 6.4.2 Elastosil Actuator Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6.4.3 Overview of Manufactured Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 6.5 Measurement Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.5.1 Static Function Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 6.5.2 Electrical Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.5.3 Dynamic Electromechanical Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.6 Electromechanical Test Results and Model Updating . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6.7 Radial Actuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.8 Acoustic Extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.8.1 Acoustic Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.8.2 Selection of loudspeaker diaphragm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 6.8.3 Loudspeaker in Closed Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.8.4 Loudspeaker in Vented Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 6.8.5 Bending Wave Transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.9 Acoustic Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.10 Demonstrator Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.11 Considerations towards Large-Signal Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7 Dielectric Elastomer Unimorph Membrane 115 7.1 Membrane Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 7.2 Model-based Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 7.3 Headphones demonstrator construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 7.4 Measurements and Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8 Summary and Outlook 129 Appendix 133 A ANSYS APDL simulation code for DE elementary cell model . . . . . . . . . . . . 136 B Additional comparisons of measurement and simulation data . . . . . . . . . . 138

Die Digitalisierung ist in vollem Gange. Viele Geräte werden intelligent, das heißt sie bekommen ein eigenes Rechenwerk und werden mit permanentem Internetzugang ausgestattet. Da viele dieser neuen intelligenten Geräte möglichst mobil sein sollen, werden neue energieeffiziente nichtflüchtige Halbleiterspeicher notwendig. Das hat zur Folge, dass großer Forschungsaufwand in die Entwicklung neuer Speicherkonzepte und der dafür notwendigen Materialien gesteckt wird. Daraus ergibt sich ein breites Forschungsfeld für zukünftige Speicherkonzepte. Hierfür wird versucht auf Grundlage von ferroelektrischen, magnetischen oder resistiven Materialeigenschaften neue Speicherbauelemente zu entwickeln und zur Anwendung zu bringen. Daraus folgten bereits Konzepte wie der magnetische RAM, der resistive RAM und der ferroelektrische RAM. Neue ferroelektrische Speicherkonzepte basierend auf Materialien mit Perowskitstruktur zeigten zwar viele positive Eigenschaften, konnten aber mangels ausreichender Skalierbarkeit keinen breiten Marktzugang finden. Die Entdeckung von Ferroelektrizität in dünnen dotierten HfO2-Schichten kann dieses Problem überwinden und ist dadurch für die weitere Entwicklung neuer Speicherkonzepte von großer Bedeutung. Das Mischoxid Hafniumdioxid-Zirkondioxid hat sich als eines der geeignetsten auf Hafniumdioxid basierenden ferroelektrischen Materialsysteme erwiesen. Gemein haben alle ferroelektrischen hafniumbasierten Schichten, dass die polare orthorhombische Kristallphase der Ursprung des ferroelektrischen Verhaltens ist. Das Verständnis der Phasenübergänge und der Phasenstabilisierung in dotiertem, ferroelektrischem HfO2 ist somit von entscheidender Bedeutung für zukünftige ferroelektrische Speicheranwendungen. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Sauerstoffkonzentration auf die Stabilisierung der monoklinen, orthorhombischen und tetragonalen Kristallphasen und deren Auswirkung auf die ferroelektrischen Eigenschaften untersucht. Dafür werden detaillierte elektrische und strukturelle Untersuchungen an gesputterten und mit Atomlagenabscheidung hergestellten, dünnen HfO2- und Hf(1-x)Zr(x)O2-Schichten vorgenommen. Die Sauerstoffkonzentration wurde entweder direkt über die Prozessparameter während der Abscheidung oder nachträglich durch Änderung der Elektrodenstöchiometrie beeinflusst. Dadurch konnten Parameter gefunden werden, die die Stabilisierung der ferroelektrischen orthorhombischen Kristallphase positiv beeinflussen. Temperaturabhängige Untersuchungen erlaubten zusätzlich die nähere Betrachtung welcher Klasse von Ferroelektrika ferroelektrisches Hafniumdioxid zugeordnet werden kann. Für den orthorhombisch-tetragonalen Phasenübergang konnte ein Phasenübergang erster Ordnung mit kleiner Temperaturhysterese und einem Peak in der relativen Permittivität, in Übereinstimmung mit dem Curie-Weiss-Verhalten, beobachtet werden. Mit diesen und weiteren Beobachtungen kann HfO2 sehr wahrscheinlich der Klasse der echten Ferroelektrika zugeordnet werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit schließen eine weitere Lücke im Verständnis der Ferroelektrizität in HfO2 und können ein weiterer Schritt auf dem Weg zur Anwendung auf dem Massenmarkt sein.:Index I 1 Einleitung 1 2 Theoretische Grundlagen 3 2.1 Ferroelektrizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1.1 Thermodynamische Betrachtungen der Ferroelektrizität . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.2 Preisach-Modell und das Auftreten ferroelektrischer Domänen . . . . . . . . . . 11 2.1.3 Reales ferroelektrisches Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2 Ferroelektrizität in HfO 2 -basierten Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.1 Ursachen der Ferroelektrizität in Hafniumdioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.2 Ferroelektrisches Verhalten dünner HfO 2 -Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Anwendungsmöglichkeiten ferroelektrischer Materialien . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.1 Speicheranwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.2 Weitere Anwendungsfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3 Probenherstellung und deren elektrische und strukturelle Charakterisierung 36 3.1 Prozessfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.1.1 Atomlagenabscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.2 Sputterabscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2 Strukturelle Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3 Chemische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.4 Elektrische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4 Stabilisierung der ferroelektrischen Phase in HfO 2 und der Einfluss der Sau- erstoffkonzentration 49 4.1 Undotiertes gesputtertes HfO 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.1.1 Eigenschaften undotierter gesputterter HfO 2 -Schichten . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.1.2 Einfluss der Sauerstoffkonzentration während der Abscheidung auf die orthorhom- bische Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.2 Zusammenspiel von Sauerstoffkonzentration und ZrO 2 -Konzentration . . . . . . 72 4.3 Einfluss von IrO 2 -Metalloxidelektroden auf die orthorhombische Phase der HfO 2 - Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5 Temperaturstabilität der ferroelektrischen Schichten 97 5.1 Einfluss der Ozondosiszeit auf mit Atomlagenabscheidung hergestellte Hf 0,5 Zr 0,5 O 2 - Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.2 Temperaturabhängige Phasentransformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.3 Klassifizierung von ferroelektrischem HfO 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.4 Temperaturstabilität des Konditionierungseffekts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 6 Zusammenfassung und Ausblick 127 Literaturverzeichnis XII Abbildungsverzeichnis XLII Tabellenverzeichnis LII A Abkürzungen und Formelzeichen LIII B Publikationsliste LVII C Danksagung LXII D Lebenslauf LXIV / Digitization is in full swing. Many prior offline devices are becoming smart devices with permanent internet access. Since many of these new smart devices are expected to be as mobile as possible, new energy-efficient non-volatile semiconductor memories are needed. As a consequence, a great effort of research is being put into the development of new memory concepts and the materials required for them. This results in the research field of emerging memories, which tries to develop and apply new memory concepts based on ferroelectric, magnetic or resistive material properties. Concepts such as magnetic RAM, resistive RAM and ferroelectric RAM followed. Ferroelectric memory concepts based on perovskite showed many positive properties, but could not find a broad market access due to a lack of sufficient scalability. The discovery of ferroelectricity in doped HfO2 thin films can overcome this problem and is thus of great importance for the further development of new memory concepts. The composition of hafnium dioxide and zirconium dioxide has proven to be one of the most suitable hafnium-based ferroelectric material systems. Common to all ferroelectric hafnium-based films is that the polar orthorhombic crystal phase is the origin of the ferroelectric behavior. Thus, understanding the phase transitions and stabilization in doped ferroelectric HfO2 is crucial for future ferroelectric memory applications. In this work, the influence of oxygen concentration on the stabilization of the monoclinic, orthorhombic and tetragonal crystal phase and its effect on the ferroelectric properties is investigated. For this purpose, detailed electrical and structural studies are performed on sputtered and atomic layer deposition prepared thin HfO2 and Hf(1-x)Zr(x)O2 films. The oxygen concentration was influenced either directly by the process parameters during deposition or subsequently by changing the electrode stoichiometry. Thus, parameters were found to positively influence the stabilization of the ferroelectric orthorhombic crystal phase. Temperature-dependent investigations additionally allowed a closer look at which class of ferroelectrics hafnium oxide-based ferroelectrics can be assigned to. For the orthorhombic-tetragonal phase transition, a first-order phase transition with small temperature hysteresis and a peak in relative permittivity, in agreement with the Curie-Weiss-behavior, could be observed. With these and other observations, HfO2 can most likely be assigned to the class of proper ferroelectrics. The results of this work fill another gap in the understanding of ferroelectricity in HfO2 and may be another step towards mass market applications.:Index I 1 Einleitung 1 2 Theoretische Grundlagen 3 2.1 Ferroelektrizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1.1 Thermodynamische Betrachtungen der Ferroelektrizität . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.2 Preisach-Modell und das Auftreten ferroelektrischer Domänen . . . . . . . . . . 11 2.1.3 Reales ferroelektrisches Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2 Ferroelektrizität in HfO 2 -basierten Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.1 Ursachen der Ferroelektrizität in Hafniumdioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.2 Ferroelektrisches Verhalten dünner HfO 2 -Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Anwendungsmöglichkeiten ferroelektrischer Materialien . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.1 Speicheranwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.2 Weitere Anwendungsfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3 Probenherstellung und deren elektrische und strukturelle Charakterisierung 36 3.1 Prozessfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.1.1 Atomlagenabscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.2 Sputterabscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2 Strukturelle Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3 Chemische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.4 Elektrische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4 Stabilisierung der ferroelektrischen Phase in HfO 2 und der Einfluss der Sau- erstoffkonzentration 49 4.1 Undotiertes gesputtertes HfO 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.1.1 Eigenschaften undotierter gesputterter HfO 2 -Schichten . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.1.2 Einfluss der Sauerstoffkonzentration während der Abscheidung auf die orthorhom- bische Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.2 Zusammenspiel von Sauerstoffkonzentration und ZrO 2 -Konzentration . . . . . . 72 4.3 Einfluss von IrO 2 -Metalloxidelektroden auf die orthorhombische Phase der HfO 2 - Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5 Temperaturstabilität der ferroelektrischen Schichten 97 5.1 Einfluss der Ozondosiszeit auf mit Atomlagenabscheidung hergestellte Hf 0,5 Zr 0,5 O 2 - Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.2 Temperaturabhängige Phasentransformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.3 Klassifizierung von ferroelektrischem HfO 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.4 Temperaturstabilität des Konditionierungseffekts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 6 Zusammenfassung und Ausblick 127 Literaturverzeichnis XII Abbildungsverzeichnis XLII Tabellenverzeichnis LII A Abkürzungen und Formelzeichen LIII B Publikationsliste LVII C Danksagung LXII D Lebenslauf LXIV

SiGe HBTs are preferred for quantum computing (QC) readout circuits due to their high gain and speed as well as the integration with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. The device physics of SiGe HBTs at cryogenic temperatures (CT), like carrier scattering, carrier transport, high-injection effects were not systematically and physically investigated. Thus, a physical compact model for circuit simulation did not exist at the start of this thesis work. In this work, the measurement setup has been built for obtaining direct-current (DC) and small-signal characteristics from medium to high frequencies over a wide temperature range. The radio frequency (RF) power of network analyzer and integration time of source monitor units have been investigated to ensure the accuracy of the DC and small-signal measurement. The key electrical parameters of SiGe HBTs have been characterized. The temperature trend of the transfer current, base current, sheet resistance, depletion capacitance, and built-in voltage, zero-bias hole charge have been extensively demonstrated and physically analyzed. Based on the comprehensive investigation on the electrical parameters over a wide range of temperatures, the following work consists of two parts: (1) the existing analytical formulations for various electrical components have been compared for their validation, and (2) in case of evident discrepancies the physical origin has been analyzed and valid compact formulations have been derived. For the first part, different bandgap models have been compared and the Lin et al. model is used for both TCAD simulation and compact model due to its high accuracy over a wide temperature and easy normalization for compact model usage. Based on the normalized bandgap voltage model, the derived built-in voltage model has been verified utilizing measured value for three depletion regions, i.e., base-emitter, base-collector and collector-substrate junction. Because the temperature dependence of zero-bias depletion capacitance and hole charge is attributed to the built-in voltage, the temperature behaviors of capacitance and hole charge are well modeled by the existing formulations according to the comparison between calculation and measurement. For the second part, for various SiGe HBT components discrepancies between model and measurement have been identified and comprehensive studies have been conducted. Firstly, the measured sheet and contact resistances of various components reduce with decreasing temperatures and saturate as the temperature towards 0K, which cannot be modeled by a widely used single power-law model. A Matthiesen's rule based model, consisting of two scattering mechanisms with opposite temperature trend, agrees well with the measured values. Additionally, an extended power-law model with a linear term is deduced for backward compatibility and less parameters. Secondly, direct tunneling is supposed to be dominant for transfer current at cryogenic temperatures, and a comprehensive derivation of transfer tunneling current for SiGe HBT is demonstrated. Moreover, a pronounced downward bending effect in both base-emitter and base-collector currents becomes significant at high current density region with decreasing temperatures. A modified diode current model including high-injection effect is given. Additionally, the recombination current is relevant for base-collector current and has been considered in the model. Due to the different temperature trends of thermal conductivity of silicon from cryogenic to room temperature, the thermal resistance shows a bell-shape and a modified formulation has been derived. Moreover, the dependence on chuck temperature and power dissipation has been considered. Finally, the derived formulations have been implemented in the mainstream industry BJT/HBT compact model, HIgh CUrrent Model - Level 2 (HICUM/L2), and good agreement has been achieved with the measurement. / Silizium-Germanium (SiGe) Heterojunction-Bipolartransistoren (HBTs) werden aufgrund ihrer hohen Verstärkung und Geschwindigkeit sowie der Integration in die komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS)-Technologie für Ausleseschaltungen im Quantencomputer (QC) bevorzugt. Die Bauelemente Physik von SiGe-HBTs bei kryogenen Temperaturen (CT), wie z.B. Ladungsträgerstreuung, Ladungsträgertransport und Hochinjektionseffekte, wurde nicht systematisch und physikalisch untersucht. Daher gab es kein physikalisches Kompaktmodell für die Schaltungssimulation zu Beginn dieser Arbeit. In dieser Arbeit wurde der Messaufbau für Gleichstrom- und Kleinsignaleigenschaften von mittleren bis hohen Frequenzen über einen weiten Temperaturbereich aufgebaut. Die Radiofrequenz (RF)-Leistung des Netzwerkanalysators und die Integrationszeit der Source-Monitor-Einheiten wurden untersucht, um die Genauigkeit der Gleichstrom- und Kleinsignalmessung zu gewährleisten. Die wichtigsten elektrischen Parameter von SiGe HBTs wurden charakterisiert. Der Temperaturtrend des Transferstroms, des Basisstroms, der Schichtwiderstände, der Verarmungskapazitäten, der eingebauten Spannung und der Gleichgewicht-Lochladung wurde ausführlich demonstriert und physikalisch analysiert. Basierend auf der umfassenden Untersuchung der elektrischen Parameter über einen weiten Temperaturbereich besteht diese Arbeit aus zwei Teilen: (1) die bestehenden analytischen Formulierungen für verschiedene elektrische Komponenten wurden zu ihrer Validierung verglichen, und (2) im Falle von Abweichungen wurden die physikalischen Ursachen analysiert und gültige kompakte Formulierungen abgeleitet. Für den ersten Teil wurden verschiedene Bandgap-Modelle verglichen, wobei das Modell von Lin et al. für sowohl Technology Computer-Aided Design (TCAD) Simulation als auch das Kompaktmodell aufgrund seiner hohen Genauigkeit über einen großen Temperaturbereich und der einfachen Normierung im Kompaktmodell verwendet wurde. Auf der Grundlage des normaierten Bandlückenmodells wurde das abgeleitete eingebaute Spannungsmodell anhand von Messwerten für drei Verarmungsbereiche, d.h. Basis-Emitter-, Basis-Kollektor- und Kollektor-Substrat-Übergang, verifiziert. Da die Temperaturabhängigkeit der Verarmungskapazität und der Löcherladung auf die eingebaute Spannung zurückzuführen ist, wird das Temperaturverhalten der Kapazität und der Löcherladung gemäß dem Vergleich zwischen den Berechnungen und den Messungen durch die ausgearbeitete Formulierung gut modelliert. Im zweiten Teil wurden für verschiedene Komponenten des SiGe HBTs Abweichungen zwischen Modellen und Messungen identifiziert und umfassende Studien durchgeführt. Erstens nehmen die gemessenen Schicht- und Kontaktwiderstände verschiedener Komponenten mit abnehmender Temperatur ab und bleiben konstant mit der Temperatur in Richtung 0K, was nicht durch ein weit verbreitetes einfaches Power-Law-Modell modelliert werden kann. Ein auf der Matthiesenschen Regel basierendes Modell, das aus zwei Streumechanismen mit entgegengesetztem Temperaturtrend besteht, stimmt gut mit den gemessenen Werten überein. Zusätzlich wird ein erweitertes Power-Law-Modell mit einem linearen Term abgeleitet, um bei geriegerer Parameterzahl die Rückwärtskompatibilität zu gewährleisten. Zweitens wird angenommen, dass direktes Tunneln für den Transferstrom bei kryogenen Temperaturen dominant ist, und es wird eine umfassende Herleitung des Transfer-Tunnelstroms für SiGe HBTs. Drittens wird ein ausgeprägter Effekt sowohl bei den Basis-Emitter- als auch bei den Basis-Kollektor-Strömen im Bereich hoher Stromdichten mit abnehmender Temperatur signifikant. Es wird ein modifiziertes Diodenstrommodell angegeben, das den Hochinjektionseffekt berücksichtigt. Darüber hinaus ist der Rekombinationsstrom für den Basis-Kollektor-Strom von Bedeutung und wurde in dem Modell berücksichtigt. Viertens zeigt der Wärmewiderstand aufgrund des unterschiedlichen Temperaturverlaufs der Wärmeleitfähigkeit in Silizium von Tieftemperatur bis Raumtemperaturen eine Glockenkurve und es wurde eine modifizierte Formulierung abgeleitet. Außerdem wurde die Abhängigkeit von der Chuck-Temperatur und der Verlustleistung wurde berücksichtigt. Schließlich wurden die abgeleiteten Formulierungen in das branchenübliche Bipolartransistor (BJT)/HBT Kompaktmodell, HIgh CUrrent Model - Level 2 (HICUM/L2), implementiert, und es wurde eine gute Übereinstimmung mit der Messung erzielt. / 硅锗异质结双极晶体管(SiGe HBT)因其高增益、高速度以及与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的集成而成为量子计算(QC)读出电路的首选。极低温 (CT) 下 SiGe HBT 的器件物理特性，如载流子散射、载流子传输、高注入效应等，尚未得到系统的物理研究。因此，在本论文工作开始时，并不存在用于极低温下电路仿真的紧凑型物理模型。 在这项工作中，首先搭建立了极低温电学测量装置，用于在宽温度范围内获得直流(DC)和中高频率小信号特性。为确保直流和小信号测量的准确性，对矢网分析仪的射频功率和信号源测量单元(SMU)的积分时间进行了研究。对 SiGe HBT 的关键电气参数进行了表征。对传输电流、基极电流、薄膜电阻、耗尽电容、内建电压、零偏置空穴电荷的温度变化趋势进行了广泛的论证和物理分析。 基于对宽温度范围内电气参数的全面研究，以下工作由两部分组成：(1) 比较各种电气元件的现有解析公式，以验证其有效性；(2) 对于有明显差异的物理量分析其物理原因，并推导出有效的紧凑型。 在第一部分中，比较了不同的禁带温度模型，由于 Lin 等提出的模型在较宽温度范围内具有较高的精确度，而且易于归一化，因此被用于 TCAD 仿真和紧凑型模型。根据归一化禁带温度模型，利用三个耗尽区(即基极-发射极、基极-集电极和集电极-衬底交界处)的测量值验证了推导出的内建电压模型。由于零偏压耗尽电容和空穴电荷的温度依赖性归因于内建电压，因此根据计算和测量结果的比较，现有公式可以很好地模拟电容和空穴电荷的温度行为。 在第二部分中，针对各种 SiGe HBT 组分发现了模型与测量值之间的差异，并进行了全面研究。首先，测量到的各种组分的薄膜电阻和接触电阻随着温度的降低而减小，当温度接近 0K 时达到饱和，这无法用广泛使用的单一幂律模型来模拟。基于 Matthiesen 规则的模型由两种温度趋势相反的散射机制组成，与测量值非常吻合。此外，为了实现向前兼容和减少参数，还推导出一个带有线性项的扩展幂律模型。其次，在低温条件下，直接隧穿是传输电流的主导，因此对 SiGe HBT 的传输隧穿电流进行了全面推导。此外，随着温度的降低，在高电流密度区域，基极-发射极和基极-集电极电流都会出现明显的向下弯曲效应，由此包含高注入效应的修正二极管电流模型给出。此外，模型还考虑了与基极-集电极电流相关的复合电流。由于硅的热导率从低温到室温的温度变化趋势不同，热阻呈现钟形，因此得出了一个修正的公式。此外，还考虑了热阻受环境温度和功耗的相关性。 最后，推导的公式嵌入到工业界主流 BJT/HBT 紧凑型模型 HIgh CUrrent Model - Level 2 (HICUM/L2) 中，仿真结果与测量结果取得了良好的一致。

This study presents a method developed to achieve the roll-to-roll sintering of printed Ag patterns based on exposure to hot air, near-infrared, and mid-infrared sources. The sintering energy was quantified and evaluated based on theoretical and experimental calculations. Moreover, the effect of the sintering energy on the web tension was simultaneously considered. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.