Network softwarization plays a significantly important role in the development and deployment of the latest communication system for 5G and beyond. A more flexible and intelligent network architecture can be enabled to provide support for agile network management, rapid launch of innovative network services with much reduction in Capital Expense (CAPEX) and Operating Expense (OPEX). Despite these benefits, 5G system also raises unprecedented challenges as emerging machine-to-machine and human-to-machine communication use cases require Ultra-Reliable Low Latency Communication (URLLC). According to empirical measurements performed by the author of this dissertation on a practical testbed, State of the Art (STOA) technologies and systems are not able to achieve the one millisecond end-to-end latency requirement of the 5G standard on Commercial Off-The-Shelf (COTS) servers. This dissertation performs a comprehensive introduction to three innovative approaches that can be used to improve different aspects of the current software-driven network data plane. All three approaches are carefully designed, professionally implemented and rigorously evaluated. According to the measurement results, these novel approaches put forward the research in the design and implementation of ultra-reliable low-latency, energy-efficient and computing-first software data plane for 5G communication system and beyond.

In dieser Arbeit werden Methoden für die Inline-Überwachung umgeformter Blechteile mittels 2D-Bildverarbeitung entwickelt und deren Sensitivität hinsichtlich der Erkennung von Bauteilfehlern sowie deren Robustheit gegenüber den im Presswerk vorherrschenden lage-, umgebungs- und prozessbedingten Störeinflüssen untersucht. Um ein breites Spektrum möglicher Störeinflüsse abdecken zu können, wird ein repräsentativer Bauteiltyp ausgewählt. Dabei handelt es sich um ein PKW-Türinnenblech. Zur flächendeckenden Erfassung des ausgewählten Bauteiltyps wird ein Versuchsstand in Form eines über dem Auslaufband befindlichen Mehrkamerasystems in eine Pressenstraße integriert. Unter Berücksichtigung von Störeinflüssen werden die Methoden der nachbarschafts- und intensitätsbasierten Detektion systematisch erarbeitet. Beide Methoden basieren auf dem Prinzip der Anomaliedetektion, um die Erkennung neu auftretender Fehlervarianten zu ermöglichen. Als Datenbasis für die Evaluierung der Methoden dienen die mittels Versuchsstand aufgezeichneten Bilder von Bauteilen des ausgewählten Typs aus verschiedenen Produktionschargen.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Formelzeichen 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Verfolgter Lösungsansatz und Eingrenzung der Arbeit 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen und Stand der Technik 2.1 Grundlagen zur Klassifizierung von Qualitätsfehlern 2.2 Grundlagen zu Anforderungen an Inline-Überwachungssysteme 2.3 Bestehende Verfahren zur optischen Überwachung mittels 3D-Formerfassung 2.3.1 Lichtschnittverfahren 2.3.2 Streifenprojektion und andere Methoden der strukturierten Beleuchtung 2.4 Grundlagen zur optischen Überwachung mittels 2D-Bildverarbeitung 2.4.1 Rechnergestützte Repräsentation von Bildern 2.4.2 Geometrische Transformationen von Bildern und Bildähnlichkeit 2.4.3 Bildakquisition und Beschreibung von Kameras 2.4.4 Beleuchtungsanordnungen 2.4.5 Zusammenspiel von Beleuchtung und Bildverarbeitung 2.5 Bestehende Verfahren zur optischen Überwachung mittels 2D Bildverarbeitung 2.5.1 Systeme mit bewegter Kamera 2.5.2 Systeme mit stationären Kameras 2.5.3 Lösungsansätze für verwandte Problemstellungen 2.6 Bestehende Verfahren zur Inline-Überwachung basierend auf weiteren Prinzipien 2.7 Fazit 3 Zielstellung 4 Anforderungsanalyse und Konzeptentwicklung 4.1 Testumgebung und Bauteilauswahl 4.2 Anforderungsanalyse 4.2.1 Sensitivität der Detektion von Bauteilfehlern 4.2.2 Robustheit der Inline-Überwachung 4.2.3 Inline-Fähigkeit, Skalierbarkeit und Transparenz 4.3 Versuchsstand 4.4 Aufbau der Datenbasis 4.5 Konzept für die Inline-Überwachung 4.6 Zusammenfassung 5 Methoden zur Vorverarbeitung 5.1 Kompensation von Lageabweichungen 5.1.1 Definition Lagevariation und -abweichung 5.1.2 Bildverarbeitungstechnische Repräsentation der Soll-Lage 5.1.3 Vorüberlegungen zur Lagekompensation 5.1.4 Eignung von Bildregistrierungsverfahren 5.1.5 Evaluierung und Optimierung 5.2 Vordergrund-/Hintergrundtrennung 5.2.1 Herausforderungen bei der V/H-Trennung 5.2.2 Lösungsansatz für die V/H-Trennung 5.2.3 Evaluierung der eingeschränkten V/H-Trennung 5.2.4 Vollständige V/H-Trennung 5.3 Zusammenfassung 6 Fehlererkennung mittels Anomaliedetektion 6.1 Lernprinzip und Umsetzung als Online-Algorithmus 6.2 Intensitätsbasierte Detektion 6.2.1 Verfahrensbeschreibung 6.2.2 Analyse des Verfahrens 6.3 Nachbarschaftsbasierte Detektion 6.3.1 Verfahrensbeschreibung 6.3.2 Analyse des Verfahrens 6.4 Zusammenfassung 7 Evaluierung und Optimierung 7.1 Versuchsvorbereitung 7.2 Optimierung von Parametern 7.3 Statistische Auswertung 7.4 Ergebnisse und Schlussfolgerungen 8 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang Anhang A Komponenten des Versuchsstandes und deren Interaktion Anhang B OpenCV-Methoden für die merkmalsbasierte Registrierung Anhang C Implementierung von ECC unter Nutzung von OpenCV Anhang D Parameter für die Evaluierung der Bildregistrierung Anhang E Beispielrechnung für mehrstufiges ECC-Verfahren Anhang F Algorithmen

Vor allem in gasisolierten Schaltanlagen und Leitungen werden zylindrische Leiter aus Aluminium mit großen Durchmessern für den Energietransport eingesetzt. Um die Leiter mit anderen Bauteilen zu verbinden, werden i. d. R. lösbare Steckverbindungen mit federnden Kontaktelementen genutzt. Es ist zu prüfen, ob die Steckverbindungen in vielen Fällen durch nicht lösbare stromführende Verbindungen ersetzt werden können. Dadurch soll vorrangig die Kosten- aber auch die Energieeffizienz sowie die Zuverlässigkeit der gasisolierten Anlagen erhöht werden. Betriebserfahrungen lagen für diese Verbindungen bisher nicht vor. Deshalb ist zuerst sicherzustellen, dass diese, über die Lebenszeit der Anlagen von mehreren Jahrzehnten Dauerströme im Kiloampere-Bereich langzeitstabil führen können. Um nicht lösbare stromführende Verbindungen mit zylindrischen Leitern aus Aluminium herzustellen, können verschiedene Fügetechnologien eingesetzt werden. Im Rahmen der Arbeit werden das Längs- und Querpressen sowie das elektromagnetische Umformen zum Herstellen nicht lösbarer Verbindungen betrachtet. Das elektrische Kontakt- und Langzeitverhalten, der mit diesen Fügetechnologien hergestellten Verbindungen, wurde bisher nur unzureichend untersucht. Es wurde daher das elektrische Kontaktverhalten der zylindrischen Verbindungen abhängig von verschiedenen Fügeparametern experimentell ermittelt. Aus den Ergebnissen wurden Empfehlungen zur Vorbehandlung und zum Fügevorgang beim Längs- und Querpressen sowie zur Form der Innenteile beim elektromagnetischen Umformen erarbeitet. Mit mechanischen Modellen auf Basis der Finite-Elemente-Methode wurde der Fügevorgang beim Längs- und Querpressen nachgebildet. Ein Zusammenhang zwischen dem Kraftschluss in den Verbindungen und dem ermittelten Kontaktverhalten der Verbindungen konnte damit hergestellt werden. Um das elektrische Langzeitverhalten der Verbindungen zu bewerten, wurden diese bei thermischer und elektrisch-thermischer Belastung unter normaler Atmosphäre für eine Zeit von mindestens 20.000 h untersucht. Dabei zeigten die Verbindungen mit unbeschichteten Kontaktpartnern, im Gegensatz zu Verbindungen mit einem silberbeschichteten und einem unbeschichteten Kontaktpartner, ein sehr stabiles Langzeitverhalten. Die sehr große scheinbare Kontaktfläche und die relativ geringe mittlere mechanische Spannung sind für die untersuchten zylindrischen Verbindungen charakteristisch. Mit dem Kontaktwiderstandsbelag wurde ein elektrisches Vergleichs- und Bewertungskriterium für kraftschlüssige Flächenkontakte eingeführt. Es konnte gezeigt werden, dass das Kontaktverhalten quergepresster Verbindungen mit dem von Stromschienen mit deutlich kleinerer Kontaktfläche bei homogener Verteilung der Kontaktkraft vergleichbar und somit skalierbar ist.:1 Einleitung 2 Theorie zum stromführenden Verbinden von zylindrischen Leitern 2.1 Lösbares Verbinden 2.2 Nicht lösbares Verbinden 2.3 Kontakt- und Langzeitverhalten 3 Fügetechnologien für zylindrische Leiter 3.1 Pressen 3.1.1 Längspressen 3.1.2 Querpressen 3.1.3 Auslegen von längs- und quergepressten Verbindungen nach DIN 7190-1 3.2 Elektromagnetisches Umformen 4 Aufgabenstellung 5 Elektrisches Kontaktverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 5.1 Vorbetrachtungen 5.1.1 Messen der Kontakt- und Verbindungswiderstände 5.1.2 Genauigkeit der Widerstandsmessung mit dem Mikroohmmeter 5.2 Fügen der Verbindungen 5.2.1 Längspressen 5.2.2 Querpressen 5.2.3 Elektromagnetisches Umformen 5.3 Experimentelle Untersuchungen 5.3.1 Einfluss der Vorbehandlung beim Längs- und Querpressen auf den Widerstand 5.3.2 Anfangswert des Widerstands nach dem Fügen 5.3.3 Charakterisieren der Eigenschaften der Kontaktflächen 5.4 Berechnen des Fügevorgangs von längs- und quergepressten Verbindungen 5.4.1 FE-Modell der Fügeprozesse 5.4.2 Materialmodell und Materialverhalten der eingesetzten Leiterwerkstoffe 5.4.3 Qualitatives Verifizieren der FEM-Berechnungen 5.4.4 Kontaktkraft und mechanische Spannung in der Kontaktfläche 5.5 Metallographische Untersuchungen 6 Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 6.1 Versuche im Wärmeschrank 6.1.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.1.2 Versuchsergebnisse 6.2 Versuche bei Belastung mit Wechselstrom 6.2.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.2.2 Versuchsergebnisse 6.3 Zusammenfassung der Untersuchungen zum Kontakt- und Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 7 Verbindungen mit zylindrischen Leitern im Vergleich zu anderen Flächenkontakten 7.1 Bestimmen eines Bewertungs- und Vergleichskriteriums 7.2 Einfluss der erhöhten mechanischen Spannungen im Randbereich auf das elektrische Kontaktverhalten zylindrischer Verbindungen 7.3 Versuche bei flächiger Krafteinwirkung 8 Zusammenfassung und Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Bildverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis Anhang / Especially in Gas Insulated Switchgears and Gas Insulated Lines (GIS/GIL), cylindrical aluminum conductors with huge diameters are used for transportation of energy. To connect the conductors with other parts of the system, separable connections with contact elements are the common and most used solution. In many cases, the separable connections can be replaced with permanent connections in order to reduce costs as well as operating power losses and to increase the reliability. Until now, there had been no data of operating experience for these connections. Therefore a stable long-term behavior of the connections during the projected lifetime of the assets needs to be ensured. Different joining technologies can be used to set up these permanent electrical connections with cylindrical aluminum conductors. This work focuses on the press- and shrink-fit technology as well as the electromagnetic forming. Until now the electrical contact- and long-term behavior of connections joined through these technologies had not yet been sufficiently investigated. Therefore, the electrical contact behavior of the cylindrical connections was determined experimentally regarding different joining parameters. From these results, recommendations for the pretreatment and the joining processes when using press- and shrink-fit technologies as well as suggestions regarding the shape of the inserts when using electromagnetic forming were derived. Mechanical models based on the finite element method were used to calculate the joining processes of the press- and shrink-fit technologies. Through these models, a relation between the contact force and the contact behavior of the connections could be established. To evaluate the electrical long-term behavior, the connections were investigated under thermal- and electrical-thermal load for a minimum of 20,000 h within normal atmosphere. As a result, the connections with uncoated contact partners showed very stable long-term behavior compared to those connections with one silver-plated and one uncoated contact partner. Typical for the investigated cylindrical connections are the very large apparent contact area and the comparatively low average mechanical stress. The resistance of contact layer was established as an electrical criteria to compare and evaluate force closure based connections. It could be shown that the contact behavior of shrink-fit connections is comparable to that of joints with busbars, loaded with a homogenous distributed contact force, which have much smaller contact areas. The contact behavior is therefore scalable.:1 Einleitung 2 Theorie zum stromführenden Verbinden von zylindrischen Leitern 2.1 Lösbares Verbinden 2.2 Nicht lösbares Verbinden 2.3 Kontakt- und Langzeitverhalten 3 Fügetechnologien für zylindrische Leiter 3.1 Pressen 3.1.1 Längspressen 3.1.2 Querpressen 3.1.3 Auslegen von längs- und quergepressten Verbindungen nach DIN 7190-1 3.2 Elektromagnetisches Umformen 4 Aufgabenstellung 5 Elektrisches Kontaktverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 5.1 Vorbetrachtungen 5.1.1 Messen der Kontakt- und Verbindungswiderstände 5.1.2 Genauigkeit der Widerstandsmessung mit dem Mikroohmmeter 5.2 Fügen der Verbindungen 5.2.1 Längspressen 5.2.2 Querpressen 5.2.3 Elektromagnetisches Umformen 5.3 Experimentelle Untersuchungen 5.3.1 Einfluss der Vorbehandlung beim Längs- und Querpressen auf den Widerstand 5.3.2 Anfangswert des Widerstands nach dem Fügen 5.3.3 Charakterisieren der Eigenschaften der Kontaktflächen 5.4 Berechnen des Fügevorgangs von längs- und quergepressten Verbindungen 5.4.1 FE-Modell der Fügeprozesse 5.4.2 Materialmodell und Materialverhalten der eingesetzten Leiterwerkstoffe 5.4.3 Qualitatives Verifizieren der FEM-Berechnungen 5.4.4 Kontaktkraft und mechanische Spannung in der Kontaktfläche 5.5 Metallographische Untersuchungen 6 Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 6.1 Versuche im Wärmeschrank 6.1.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.1.2 Versuchsergebnisse 6.2 Versuche bei Belastung mit Wechselstrom 6.2.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.2.2 Versuchsergebnisse 6.3 Zusammenfassung der Untersuchungen zum Kontakt- und Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 7 Verbindungen mit zylindrischen Leitern im Vergleich zu anderen Flächenkontakten 7.1 Bestimmen eines Bewertungs- und Vergleichskriteriums 7.2 Einfluss der erhöhten mechanischen Spannungen im Randbereich auf das elektrische Kontaktverhalten zylindrischer Verbindungen 7.3 Versuche bei flächiger Krafteinwirkung 8 Zusammenfassung und Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Bildverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis Anhang

Our society demands for increasingly powerful and efficient microprocessors. However, the conventional method to achieve this, i.e. by reducing the device dimensions and operation voltage of field-effect transistors (FETs), is approaching physical limits. This state of things is driving science and industry to consider new approaches for the generation of efficient logic devices. An emerging solution is the use of reconfigurable FETs (RFETs) that – unlike conventional CMOS transistors – do not need doping but can be toggled between p- and n-type behavior in runtime. For this to be possible, it is necessary to employ an intrinsic channel with Schottky junctions at source and drain. A program gate then toggles the polarity of the device at the Schottky junction on the drain side while one or more additional control gates switch the transistor on or off. This allows to create compact and delay-efficient logic gates that can switch their functionality dynamically, e.g. to save area or to prevent the disclosure of the circuit functionality. Additionally, the ability to include multiple gates in a single transistor to implement a wired-AND functionality allows to create power- and delay-efficient circuits. This thesis demonstrates that such devices can be created by means of a lithographic top-down technology based on commercial silicon-on-insulator (SOI) wafers. In order to ensure a compatibility with future CMOS process lines, the channels are created from silicon nanosheets and nanowires, which will most likely substitute the current FinFET and FD-SOI technology in the future. Nano-dimensional channels allow for ideal electrostatic control by the gates especially if the gates surround them. For this purpose, a process employing multiple oxide etching and oxidation steps, nickel silicide formation and the structuring of conformal metal gates is developed to create shrank and omega-gated nanosheets and nanowires with atomically sharp source and drain Schottky junctions. The resulting RFETs feature high on-current densities, high on/off current ratios and up to four individual gates that realize a wired-AND functionality. More importantly, in contrast to top-down fabricated RFETs in earlier works, these RFETs provide symmetrical electrical characteristics for p- and n-configuration but only need a single supply voltage. These properties will allow to create circuits of cascaded, static logic gates with polarity-independent signal delay times and no need for interposed buffers to refresh the signals. Additionally, the use of ferroelectric materials to create RFETs with nonvolatile programming has been tested at a Schottky-barrier MOSFET. Unfortunately, contact fabrication by self-aligned silicidation can lead to some difficulties: The silicide intrusion length varies widely even between similar nanowires on the same chip, which makes the fabrication of short channels and the application of narrow gates particularly challenging. Detailed analyses in this work show that the variation is mainly caused by the variable amount of nickel supplied. Several material-, temperature- and geometry-based methods to gain a more homogeneous silicidation length are tested. One of these methods employs the layout freedom of the top-down technology to create novel structures of nanowires with local volume extensions. When using a single nickel source, these structures allow to study the impact of wire geometry on silicidation dynamics independently from the nickel contact quality. The gained findings have implications well beyond the application in RFETs, as nickel silicidation is widely used in state-of-the-art semiconductor technology.:Abstract Kurzzusammenfassung 1 Introduction 2 Fundamentals and state-of-the-art of reconfigurable field-effect transistors 2.1 Schottky junction 2.2 Schottky-barrier field-effect transistor 2.3 Current control by the gate voltage 2.4 Reconfigurable FETs 2.4.1 Working principle 2.4.2 Architectures and channel materials of RFETs in prior works 2.4.3 Applications 2.4.4 Requirements for the use in circuits 3 Transistor fabrication 3.1 Electron-beam lithography 3.2 Top-down nanowire fabrication 3.3 Nanowire oxidation and underetch 3.3.1 Oxidation of nanowires 3.3.2 Oxidation processes 3.4 Top-gate fabrication 3.4.1 Basic process for tri-gate 3.4.2 Advanced process for omega-gate 3.4.3 Integration of ferroelectric hafnium-zirconium oxide 3.5 Contact formation by nickel silicidation 3.5.1 Contact metal selection 3.5.2 Nickel deposition and silicide formation 3.5.3 Influences on nickel silicidation in nanowires 3.5.3.1 General 3.5.3.2 Silicide and void formation in different nanowire orientations 3.5.3.3 Influence of nanowire width on silicidation length 3.5.3.4 Importance of an oxide shell 3.5.3.5 Titanium interlayer and exhaustible nickel source 3.5.3.6 Influence of the contact to the nickel supply 3.5.3.7 Effect of temperature on silicidation length homogeneity 3.6 Gate-first and gate-last approach 3.7 RFET circuit realization 3.7.1 Logic gate layout 3.7.2 Mix-and-match technology 4 Nickel silicidation in extended wire geometries 4.1 Silicidation into areas 4.2 Control of silicide growth regime by extensions to nanowires 4.3 Polder extensions for controlled silicidation lengths 4.3.1 Concept and model 4.3.2 Experimental verification 5 Transistor characteristics 5.1 Measurement setup 5.2 Single gate Schottky-barrier MOSFET 5.2.1 Back-gate control 5.2.2 Single top-gate control 5.3 Double top-gate RFET 5.3.1 Tri-gate architecture by gate-last fabrication 5.3.2 Omega-gate architecture by gate-first fabrication 5.4 Multiple independent top-gate RFET 5.4.1 Value of multiple independent gates 5.4.2 Single channel MIG-RFET 5.4.3 Multiple channel MIG-RFET 5.5 Towards nonvolatile RFETs using ferroelectric gate dielectric 5.5.1 Fundamentals and applications of ferroelectric materials in FETs 5.5.2 Schottky-barrier MOSFET with ferroelectric gate 5.6 Performance comparison to state-of-the-art RFETs 6 Conclusion 7 Outlook 7.1 Enhanced understanding, performance and yield of RFETs 7.2 RFETs with split channels 7.3 Silicidation control 8 Appendix 8.1 Analysis of unsuccessful silicidation on circuit chips Bibliography Own publications List of constants and symbols List of abbreviations Acknowledgments Curriculum Vitae / Unsere Gesellschaft verlangt nach immer leistungsfähigeren und effizienteren Mikroprozessoren. Die herkömmlichen Methoden, d.h. das Reduzieren der Bauelementabmessungen und der Betriebsspannung von Feldeffekttransistoren (FETs), nähern sich jedoch physikalischen Grenzen. Diese Tatsache veranlasst Forschung und Industrie dazu, neue Ansätze bei der Erzeugung von effizienten logischen Schaltkreisen zu verfolgen. Auf großes Interesse stößt dabei die Verwendung von rekonfigurierbaren Feldeffekttransistoren (RFETs), die im Gegensatz zu herkömmlichen FETs keine Dotierung benötigen, sondern jederzeit zwischen p- und n-Typ Verhalten umgeschaltet werden können. Dazu wird ein intrinsischer Kanal mit Schottky-Kontakten an den Drain- und Source-Anschlüssen benötigt. Außerdem wird ein Programmier-Gate verwendet um die Polarität des Bauelements festzulegen, und ein oder mehrere weitere Kontroll-Gates schalten den Transistor ein oder aus. Dies ermöglicht es kompakte und laufzeiteffiziente Logikgatter zu konstruieren, die ihrer Funktionalität dynamisch verändern können, zum Beispiel um den Flächenverbrauch zu reduzieren oder um eine Enthüllung der Schaltkreisfunktionalität zu verhindern. Außerdem können in einem einzelnen Transistor mehrere Gates angelegt werden. Die sich ergebende nicht-komplementäre UND-Verkettung kann dazu genutzt werden, um energie- und laufzeit-sparende Schaltkreise zu generieren. Diese Arbeit weist nach, dass solche Bauelemente mit einem lithographischen Top-Down-Ansatz auf Basis von kommerziellen Silizium-auf-Isolator Substraten (sog. SOI-Wafern) realisierbar sind. Um eine Kompatibilität mit zukünftigen CMOS-Prozesslinien sicherzustellen, wurden die Kanäle aus nanometer-dünnen Silizium-Drähten oder -Bändern gebildet. Es wird erwartet, dass solche Kanalgeometrien bald die heutigen FinFET und FD-SOI Technologien ablösen werden, weil sie insbesondere mit umschließendem Gate eine optimale elektrostatische Gate-Kontrolle über den Kanal aufweisen. Der in dieser Arbeit entwickelte Prozess umfasst daher mehrfache Oxid-Ätzungen und Oxidationen zur Schrumpfung und teilweisen Unterätzung der Kanäle, die Bildung von abrupten Schottky-Kontakten aus Nickel-Silizid und die Strukturierung umschließender Metall-Gates. Die erzeugten RFETs weisen besonders hohe Stromdichten im An-Zustand und sehr hohe Verhältnisse von An- zu Aus-Strom auf. Außerdem besitzen sie bis zu vier unabhängige Gates, deren Eingänge somit quasi UND-verknüpft sind. Vor allem aber weisen diese RFETs im Gegensatz zu vorangegangenen Arbeiten symmetrische elektrische Charakteristiken für p- und n-Konfiguration auf, wozu sie sogar nicht mehr als eine Betriebsspannung benötigen. Diese Eigenschaften ermöglichen die Erzeugung von Schaltkreisen aus verkoppelten Logikgattern, bei denen die Signal-Laufzeit nicht von der Polarität der Transistoren abhängt und bei denen die Signale nicht durch zwischengeschaltete Pufferschaltungen aufgefrischt werden müssen. Darüber hinaus wurde in einem Schottky-Barrieren FET die Verwendung ferroelektrischer Materialien erprobt, mit denen zukünftig RFETs mit nichtflüchtiger Programmierung erzeugt werden könnten. Leider bereitet die Kontaktbildung durch die selbst-ausgerichtete Silizidierung häufig Probleme: Die Silizid-Eindringlänge schwankt stark, selbst zwischen ähnlichen Nanodrähten auf demselben Chip, was die Herstellung kurzer Kanäle und die Verwendung schmaler Gates besonders erschwert. Detaillierte Analysen in dieser Arbeit zeigen, dass insbesondere der ungleiche Nachschub von Nickel diese Varianz verursacht. Verschiedene material-, temperatur- und geometrie-basierte Ansätze wurden getestet um homogenere Silizid-Eindringlängen zu erreichen. Einer dieser Ansätze macht sich zunutze, dass mit der Top-Down-Technologie beliebige Strukturen definiert werden können, sodass Nanodrähte lokal erweitert werden können. Wenn solche Strukturen mit nur einer einzelnen Nickelquelle verbunden sind, kann der Einfluss der Drahtgeometrie auf den Silizidierungsprozess unabhängig von der Güte des Nickel-Kontakts beobachtet werden. Die auf diese Weise gewonnenen Erkenntnisse sind über die Arbeit an RFETs hinaus von Relevanz, da die Nickel-Silizidierung in vielen modernen Halbleiterprozessen zum Einsatz kommt.:Abstract Kurzzusammenfassung 1 Introduction 2 Fundamentals and state-of-the-art of reconfigurable field-effect transistors 2.1 Schottky junction 2.2 Schottky-barrier field-effect transistor 2.3 Current control by the gate voltage 2.4 Reconfigurable FETs 2.4.1 Working principle 2.4.2 Architectures and channel materials of RFETs in prior works 2.4.3 Applications 2.4.4 Requirements for the use in circuits 3 Transistor fabrication 3.1 Electron-beam lithography 3.2 Top-down nanowire fabrication 3.3 Nanowire oxidation and underetch 3.3.1 Oxidation of nanowires 3.3.2 Oxidation processes 3.4 Top-gate fabrication 3.4.1 Basic process for tri-gate 3.4.2 Advanced process for omega-gate 3.4.3 Integration of ferroelectric hafnium-zirconium oxide 3.5 Contact formation by nickel silicidation 3.5.1 Contact metal selection 3.5.2 Nickel deposition and silicide formation 3.5.3 Influences on nickel silicidation in nanowires 3.5.3.1 General 3.5.3.2 Silicide and void formation in different nanowire orientations 3.5.3.3 Influence of nanowire width on silicidation length 3.5.3.4 Importance of an oxide shell 3.5.3.5 Titanium interlayer and exhaustible nickel source 3.5.3.6 Influence of the contact to the nickel supply 3.5.3.7 Effect of temperature on silicidation length homogeneity 3.6 Gate-first and gate-last approach 3.7 RFET circuit realization 3.7.1 Logic gate layout 3.7.2 Mix-and-match technology 4 Nickel silicidation in extended wire geometries 4.1 Silicidation into areas 4.2 Control of silicide growth regime by extensions to nanowires 4.3 Polder extensions for controlled silicidation lengths 4.3.1 Concept and model 4.3.2 Experimental verification 5 Transistor characteristics 5.1 Measurement setup 5.2 Single gate Schottky-barrier MOSFET 5.2.1 Back-gate control 5.2.2 Single top-gate control 5.3 Double top-gate RFET 5.3.1 Tri-gate architecture by gate-last fabrication 5.3.2 Omega-gate architecture by gate-first fabrication 5.4 Multiple independent top-gate RFET 5.4.1 Value of multiple independent gates 5.4.2 Single channel MIG-RFET 5.4.3 Multiple channel MIG-RFET 5.5 Towards nonvolatile RFETs using ferroelectric gate dielectric 5.5.1 Fundamentals and applications of ferroelectric materials in FETs 5.5.2 Schottky-barrier MOSFET with ferroelectric gate 5.6 Performance comparison to state-of-the-art RFETs 6 Conclusion 7 Outlook 7.1 Enhanced understanding, performance and yield of RFETs 7.2 RFETs with split channels 7.3 Silicidation control 8 Appendix 8.1 Analysis of unsuccessful silicidation on circuit chips Bibliography Own publications List of constants and symbols List of abbreviations Acknowledgments Curriculum Vitae

This work presents the successful development of micro-origami sensorics by 3D self-assembling and reconfiguring in space integrated thin-film magnetic sensors, which rely on anisotropic (AMR) and giant magnetoresistance (GMR). Stimuli responsive polymeric materials able to reshape into mesoscale 3D “Swiss-roll” and polygonal architectures accomplish a strain driven parallel spatial realignment of magnetic sensors from the in-plane state. High performance 3D magnetic vector angular encoders demonstrates the successful realization of complex sensor configurations. The proposed concepts rely on parallel wafer scale processes, which allow for a monolithic fabrication of 3D sensor arrays and pave the way towards active sensory matrix circuits. As a proof of this concept, magneto-resistive Wheatstone bridge sensors are developed and integrated in the self-assembling platform at predefined rigid regions and integrated with an active matrix backplane circuit. This circuit, based on a-IGZO TFT technology, is specially designed for the operation with the Wheatstone bridge differential sensors and optimized to be compatible with the micro-origami self-folding technology. Such an active sensory matrix system with integrated 3D self-assembled pixels is called Integrated Micro-Origami Sensors or in short IMOS. IMOS is capable for static and dynamic mapping of magnetic fields enabling spatiotemporal mapping of artificial magnetic hair arrays embedded in an elastic skin layer. The presented results offer a fresh strategy for large area integration of microscale 3D electronic devices with various vector functionalities in active matrix circuits, which are of great interest in novel robotics, bioelectronics and diagnostic systems.

As microfabrication techniques stepped into the millimeter and sub-sub-millimeter scale world, a large amount of microelectronics has been developed and even commercialized. Microbatteries are considered as the important components to continuously power microelectronics without interruption. Over past few decades, a great deal of research have been devoted into the development of microbatteries with high energy density, long cycling life and minimum footprint area. These researches mainly focus on the fabrication procedure, which contributes to reducing the footprint area. However, the battery chemistry investigation and optimization are always ignored, which have great impact on the microbatteries performances. How to take the battery chemistry into account when shrinking the size of microbatteries is a huge challenge. To take up the challenge, applying the energy-dense materials into the three-dimensional microstructures could be a direct strategy. Among different three-dimensional microstrucutres, Swiss-roll microtube was proven as an effective way to improve the energy density without influencing the electrochemical kinetics. As for the material choice, the Zn-MnO2 aqueous system with high theoretical capacity and safe working environment is a good candidate for microbatteries. More importantly, fabrication and modification of both the electrode and electrolyte is compatible with standard microfabrication process in the atmosphere. Based on this, Zn anode is modified by a photolithgraphable electrolyte with small-molecular stabilizer, while the MnO2 cathode is modified by the zincophilic binder. Then the Swiss-roll three-dimensional structure is elaborately designed through the strain-engineering rolled-up technology to accommodate the energy-dense and highly reversible materials. As the results, the gap between bulky and microscale batteries is successfully bridged.

Spiking neural network models characterize the emergent collective dynamics of circuits of biological neurons and help engineer neuro-inspired solutions across fields. Most dynamical systems’ models of spiking neural networks typically exhibit one of two major types of interactions: First, the response of a neuron’s state variable to incoming pulse signals (spikes) may be additive and independent of its current state. Second, the response may depend on the current neuron’s state and multiply a function of the state variable. Here we reveal that deterministic spiking neural network models with additive coupling are equivalent to models with multiplicative coupling for simultaneously modified intrinsic neuron time evolution. As a consequence, the same collective dynamics can be attained by state-dependent multiplicative and constant (state-independent) additive coupling. Such a mapping enables the transfer of theoretical results between spiking neural network models with different types of interaction mechanisms and at the same time extends the option space for hardware implementation or modeling. By allowing to choose the coupling type or neuron type that is the simplest one to implement in a given practical situation where a specific dynamic or functionality is required, it potentially allows simpler or more effective engineering applications.

Scenario-based testing will help to validate automated driving systems (ADS) and establish safer road traffic. To date, most data-driven test scenario generation methods rely primarily on one data source such as police accident data (PD), naturalistic driving studies, or video-based traffic observations (VOs). However, none of these data sources perfectly satisfies all the layers of the six-layer model for the description of test scenarios. Moreover, not all available data sources cover the same location and period of time. Therefore, we fused information from 1,648 scenarios extracted from a German VO with information from 74 scenarios extracted from German PD into a comprehensive new PD* database. Finally, PD* consisted of 74 accident scenarios extended, for example, by variables containing the dynamic information of the VO scenarios. Thus, PD* contained more than 350 variables, whereas PD contained only 269 and VO only 122 variables. For fusion, we followed the Find-Unify-Synthesize-Evaluation (FUSE) for Representativity (FUSE4Rep) process model using statistical matching. Subsequently, we derived three logical scenarios from PD* to test an autonomous emergency braking system (AEB) in a stochastic traffic simulation incorporating driver-behavior models. The quality of the fusion itself was satisfactory, and we propose improving the VO data collection process and observation time to obtain even better results.

In this work, we demonstrate the usability of a fully-2D-material based device consisting of MoS₂/WSe₂ heterojunction encapsulated by hBN and contacted by graphene as temperature sensor for linear temperature measurement at cryogenic temper-atures. More precisely, temperatures in the range of 10 K up to 300 K were applied to the device while recording the I-V charac-teristics. In contrast to the classical expectation, the main current flows through the device when it is reversely biased. We ascribe this to a combination of drift-diffusion and band-to-band tunnel-ing, while for very low temperatures (T < 100 K), variable-range hopping or trap-assisted tunneling seems dominant. In case of for-ward bias, the Schottky contact on the WSe₂-anode hinders the charge transport in the voltage range of interest. Additionally, we obtained the activation energy of the saturation current in reverse direction in an Arrhenius diagram. Depending on the bias level, it varies between 100 meV and 300 meV, which may be related to the energy barrier caused by interface traps, generation centers be-tween both semiconducting 2D materials, and the band-to-band tunneling. Furthermore, we investigated the temperature-sensor performance by applying a constant current to the device and measuring the voltage drop at different temperatures. In the range of 40 K up to 300 K, the sensitivity of the sensor is 2 mV/K, which is comparable to Si devices, while the linearity is still lower (R² ~ 0.94). On the other hand, the demonstrated device consists only of 2D materials and is, thus, substrate independent, very thin, and can potentially be fabricated on a fully flexible substrate in a low-cost process.

Das Cu-Cu-Bonden ist eine vielversprechende lötfreie Fine-Pitch-Verbindungstechnologie für die 2,5D- und 3D-Systemintegration. Diese Bondtechnologie wurde in den letzten Jahren intensiv untersucht und wird derzeit für miniaturisierte mikroelektronische Produkte eingesetzt. Allerdings, stellt das Cu‑Cu-Bonden zum einen sehr hohe Anforderungen an die Oberflächenplanarität und -reinheit, und zum anderen sollten die Bondpartner frei von Oxiden sein. Oxidiertes Cu erfordert erhöhte Bondparameter, um die Oxidschicht zu durchbrechen und zuverlässige Cu-Cu-Verbindungen zu erzielen. Diese Bondbedingungen sind für viele sensible Bauelemente nicht geeignet. Aus diesem Grund sollten alternative Technologien mit einer einfachen Technik zum Schutz von Cu vor Oxidation gefunden werden. In dieser Arbeit werden selbstorganisierte Monolagen (SAMs) für den Cu-Oxidationsschutz und die Verbesserung der Cu-Cu-Thermokompression- (TC) und Ultraschall- (US) Flip-Chip-Bondtechnologien untersucht. Die Experimente werden an Si-Chips mit galvanisch aufgebrachten Cu-Microbumps und Cu-Schichten durchgeführt. Die Arbeit beinhaltet die umfassende Charakterisierung der SAM für den Cu-Schutz, die Bewertung der technologischen Parameter für das TC- und US-Flip-Chip-Bonden sowie die Charakterisierung der Cu-Cu-Bondqualität (Scherfestigkeitstests, Bruchflächen- und Mikrostrukturanalysen). Eine Lagerung bei tiefen Temperaturen (bei ‑18 °C und ‑40 °C) bestätigte die langanhaltende Schutzwirkung der kurzkettigen SAMs für das galvanisch abgeschiedene Cu ohne chemisch-mechanische Politur. Der Einfluss der Tieftemperaturlagerung an Luft und der thermischen SAM-Desorption in einer Inertgasatmosphäre auf die TC-Verbindungsqualität wird im Detail analysiert. Die Idee, mit Hilfe der US-Leistung SAM mechanisch zu entfernen und gleichzeitig das US-Flip-Chip-Bonden zu starten, wurde in der Literatur bisher nicht systematisch untersucht. Die Methode ermöglicht kurze Bondzeiten, niedrige Bondtemperaturen und das Bonden an Umgebungsluft. Sowohl beim TC- als auch beim US-Flip-Chip-Bonden zeigt es sich, dass die Scherfestigkeit bei den Proben mit SAM-Passivierung um ca. 30 % höher ist als bei unbeschichteten Proben. Das Vorhandensein von Si- und Ti-Bruchflächen nach den Scherfestigkeitstests ist für die Proben mit der SAM-Passivierung typisch, was auf eine höhere Festigkeit solcher Verbindungen im Vergleich zu ungeschützten Proben schließen lässt. Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zeigt keine SAM-Spuren im zentralen Bereich der Cu-Cu-Grenzfläche nach dem US-Flip-Chip-Bonden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen die Verbesserung der Bondqualität durch den Einsatz von SAM zum Schutz des Cu vor Oxidation im Vergleich zum üblicherweise angewandten Cu-Vorätzen. Das gefundene technologische Prozessfenster für das US-Flip-Chip-Bonden an Luft bietet eine hohe Bondqualität bei 90 °C und 150 °C, bei 180 MPa, bei einer Bonddauer von 1 s an. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse sind ein wichtiger Beitrag zum Verständnis des SAM-Einflusses auf Chips mit galvanischen Cu-Microbumps, bzw. Cu-Schichten, und zur weiteren Anwendung der Cu-Cu-Fine-Pitch-Bondtechnologie in der Mikroelektronik. / Cu-Cu bonding is one of the most promising fine-pitch interconnect technologies with solder elimination for 2.5D and 3D system integration. This bonding technology has been intensively investigated in the last years and is currently in application for miniaturized microelectronics products. However, Cu-Cu bonding has very high demands on the sur-face planarity and purity, and the bonding partners should be oxide-free. Oxidized Cu requires elevated bonding parameters in order to break through the oxide layer and achieve reliable Cu-Cu interconnects. Those bonding conditions are undesirable for many devices (e.g. due to the temperature/pressure sensitivity). Therefore, alternative technologies with a simple technique for Cu protection from oxidation are required. Self-assembled monolayers (SAMs) are proposed for the Cu protection and the improvement of the Cu-Cu thermocompression (TC) and ultrasonic (US) flip-chip bonding technologies in this thesis. The experiments were carried out on Si dies with electroplated Cu microbumps and Cu layers. The thesis comprises the comprehensive characterization of the SAM for Cu protection, evaluation of technological parameters for TC and US flip-chip bonding as well as characterization of the Cu-Cu bonding quality (shear strength tests, fracture surface and microstructure analyses). The storage at low temperatures (at ‑18 °C and ‑40 °C) confirmed the prolonged protective effect of the short-chain SAMs for the electroplated Cu without chemical-mechanical polishing. The influence of the low-temperature storage in air and the thermal SAM desorption in an inert gas atmosphere on the TC bonding quality was analyzed in detail. The approach of using US power to mechanically remove SAM and simultaneously start the US flip-chip bonding has not been systematically investigated before. The method provides the benefit of short bonding time, low bonding temperature and bonding in ambient air. Both the TC and US flip-chip bonding results featured the shear strength that is approximately 30 % higher for the samples with SAM passivation in comparison to the uncoated samples. The presence of Si and Ti fracture surfaces after the shear strength tests is typical for the samples with the SAM passivation, which suggests a higher strength of such interconnects in comparison to the uncoated samples. The transmission electron microscopy (TEM) indicated no SAM traces at the central region of the Cu-Cu bonding interface after the US flip-chip bonding. The results of this thesis show the improvement of the bonding quality caused by the application of SAM for Cu protection from oxidation in comparison to the commonly applied Cu pre-treatments. The found technological process window for the US flip-chip bonding in air offers high bonding quality at 90 °C and 150 °C, at 180 MPa, for the bonding duration of 1 s. The knowledge gained in this thesis is an important contribution to the understanding of the SAM performance on chips with electroplated Cu microbumps/layers and further application of the Cu-Cu fine-pitch bonding technology for microelectronic devices.