nferring the network topology from the dynamics of interacting units constitutes a topical challenge that drives research on its theory and applications across physics, mathematics, biology, and engineering. Most current inference methods rely on time series data recorded from all dynamical variables in the system. In applications, often only some of these time series are accessible, while other units or variables of all units are hidden, i.e. inaccessible or unobserved. For instance, in AC power grids, frequency measurements often are easily available whereas determining the phase relations among the oscillatory units requires much more effort. Here, we propose a network inference method that allows to reconstruct the full network topology even if all units exhibit hidden variables. We illustrate the approach in terms of a basic AC power grid model with two variables per node, the local phase angle and the local instantaneous frequency. Based solely on frequency measurements, we infer the underlying network topology as well as the relative phases that are inaccessible to measurement. The presented method may be enhanced to include systems with more complex coupling functions and additional parameters such as losses in power grid models. These results may thus contribute towards developing and applying novel network inference approaches in engineering, biology and beyond.

Long Range (LoRa) has become a key enabler technology for low power wide area networks. However, due to its ALOHA-based medium access scheme, LoRa has to cope with collisions that limit the capacity and network scalability. Collisions between randomly overlapped signals modulated with different spreading factors (SFs) result in inter-SF interference, which increases the packet loss likelihood when signal-to-interference ratio (SIR) is low. This issue cannot be resolved by channel coding since the probability of error distance is not concentrated around the adjacent symbol. In this paper, we analytically model this interference, and propose an interference cancellation method based on the idea of segmentation of the received signal. This scheme has three steps. First, the SF of the interference signal is identified, then the equivalent data symbol and complex amplitude of the interference are estimated. Finally, the estimated interference signal is subtracted from the received signal before demodulation. Unlike conventional serial interference cancellation (SIC), this scheme can directly estimate and reconstruct the non-aligned inter-SF interference without synchronization. Simulation results show that the proposed method can significantly reduce the symbol error rate (SER) under low SIR compared with the conventional demodulation. Moreover, it also shows high robustness to fractional sample timing offset (STO) and carrier frequency offset (CFO) of interference. The presented results clearly show the effectiveness of the proposed method in terms of the SER performance.

Die Schriftenreihe informiert über die Entwicklung eines CMOS-Sensors mit OLED-Mikrodisplay für die Düngungsoptimierung bei Zierpflanzen. Die Grundannahme, dass sich der Ernährungszustand einer Pflanze in einem hochaufgelösten Bild bzw. Scan ihrer Blätter mit unterschiedlichen Lichtfarben frühzeitig erkennen lässt, konnte weder bestätigt noch widerlegt werden. Es wurden Grundlagen für weitere Forschungsarbeiten gelegt. Die Veröffentlichung richtet sich an Praktiker, Bildung, Forschung & Entwicklung. Redaktionsschluss: 21.11.2023

Der zunehmende Einsatz regenerativer Energiequellen erfordert die Nutzung von Energiezwischenspeichern, die umweltfreundlich, günstig und skalierbar sein sollten. Die Zink-Luft-Flussbatterie (ZLFB) kann perspektivisch diese Anforderungen erfüllen, wobei zur Bereitstellung der gespeicherten Energie eine Suspension aus Zinkpartikeln in einem gelierten Elektrolyt durch eine elektrochemische Zelle gepumpt wird. Um die Strömungsstruktur der ZLFB auszulegen und Fehlfunktionen zu vermeiden, ist ein grundlegendes Verständnis der Rheologie der Zinksuspension notwendig. Außerdem kann über die Einstellung einer geeigneten Strömung die bei der Entladung erreichte elektrische Leistungsdichte gesteigert werden. Bereits die Flüssigphase der Zinksuspension weist eine komplexe nicht-Newtonsche Rheologie auf, welche durch die Zugabe der Partikel komplexer wird. Für das grundlegende Verständnis der Rheologie werden daher Modellexperimente durchgeführt, wobei in dieser Arbeit ein L-förmiger Kanal mit Strömungsaufweitung untersucht wurde, um die komplexen strömungsmechanischen Eigenschaften der Zinksuspension abzubilden. Zur Erfassung des Strömungsfeldes ist eine Ortsauflösung von 1 … 2 mm in einem Messbereich von 20 × 15 mm2 erforderlich. Ultraschall ist prinzipiell geeignet, um das Strömungsfeld in der opaken Suspension zu erfassen, wobei die wesentliche Herausforderung in den starken Wellenfrontverzerrungen besteht, welche durch die Zinkpartikel eingebracht werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Ultrasound Imaging Velocimetry (UIV) robuster gegenüber diesen Störungen ist, als die Ultraschall-Doppler-Velozimetrie (UDV). Die UIV wurde daher mittels Geschwindigkeitsnormal an die messtechnischen Randbedingungen der Zinksuspension angepasst und charakterisiert. Bei einer Ortsauflösung von 1,6 mm wurde eine Gesamtmessunsicherheit von 2,5 % axial und 4,1 % lateral zur Schallausbreitungsrichtung erreicht. Das im Modellexperiment gemessene Strömungsfeld weist eine Totzone an der Strömungsumlenkung auf, deren Auftreten durch eine von der Scherhistorie abhängige Viskosität erklärt werden kann. Dieser Effekt wird als Thixotropie bezeichnet. Durch die In-situ-Messung der Strömung in einer aktiven ZLFB kann eine Korrelation von Strömung und elektrischer Leistung erfolgen und die erzielte Leistungsdichte perspektivisch durch eine Anpassung der Strömung gesteigert werden. Bei der Messung im 2,6 mm hohen Anodenspalt muss aufgrund der komplexen Rheologie der Suspension und der daraus resultierenden hohen Geschwindigkeitsgradienten eine Ortsauflösung von unter 100 µm bei gleichzeitig kleiner Ultraschallfrequenz realisiert werden, da der Ultraschall für hohe Frequenzen nicht in die Zinksuspension eindringt. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde die Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry (SRPTV) genutzt, welche Ortsauflösungen unterhalb des Beugungslimits ermöglicht. Einzelne nichtlineare Streupartikel werden mittels Harmonic Imaging isoliert abgebildet und verfolgt, wobei die durch die Zinkpartikel eingebrachten Wellenfrontstörungen durch einen kohärenzgewichteten Strahlformer kompensiert werden. Es wurde eine Ortsauflösung von 67 µm axial und 30 µm lateral zur Schallausbreitungsrichtung bei einer Anregungswellenlänge von 330 µm erreicht. Trotz der stark streuenden Zinksuspension, konnte so eine Messung in der aktiven ZLFB mit einer maximalen Messunsicherheit von 12,5 % durchgeführt werden. Dabei wurde eine Wandgleitgeschwindigkeit von 3 mm s−1 bei einer maximalen Geschwindigkeit von etwa 8 mm s−1 festgestellt. Die SRPTV kann darüber hinaus in anderen technischen Prozessen eingesetzt werden, in denen Suspensionsströmungen in kleinen Geometrien auftreten.:Symbolverzeichnis xiii Abkürzungsverzeichnis xv 1 Einleitung 1 1.1 Motivation und Zielstellung 1 1.2 Stand der Technik 4 1.3 Lösungsansatz und Struktur der Arbeit 8 2 Theoretische Grundlagen 11 2.1 Grundlagen der Schallausbreitung 11 2.1.1 Schallausbreitung in homogenen Medien 11 2.1.2 Schallausbreitung in inhomogenen Medien 13 2.2 Ultraschall Bildgebung 14 2.2.1 Phased-Array-Prinzip 15 2.2.2 Plane wave imaging 16 2.2.3 Grenzen der Schallfeldfokussierung 16 2.3 Messung von Strömungsfeldern 17 2.3.1 Ultraschall-Doppler-Velozimetrie 18 2.3.2 Ultrasound Imaging Velocimetry 19 2.3.3 Ultrasound Particle Tracking Velocimetry 19 2.4 Nichtlineare akustische Effekte 20 2.4.1 Beschreibung von Linearität 20 2.4.2 Interaktion von nichtlinearen Streupartikeln und Schallwelle 20 2.4.3 Harmonic Imaging 21 3 Experimentelle Grundlagen 25 3.1 Charakterisierung der Zinksuspension 25 3.1.1 Zusammensetzung der Zinksuspension 25 3.1.2 Bestimmung von Dämpfung und Schallgeschwindigkeit 26 3.1.3 Bestimmung der spezifischen akustischen Impedanz 29 3.2 Messtechnik 30 3.2.1 Ultraschallforschungsplattform: Phased Array Ultrasound Dopp- ler Velocimeter 30 3.2.2 Ultraschallwandler 32 4 Verfahren zur Strömungsmessung im Modellexperiment 37 4.1 Experimenteller Aufbau 37 4.2 Untersuchung geeigneter Verfahren zur Messung von Strömungsfel- dern in der Zinksuspension 38 4.3 Optimierung der Signalverarbeitung und Charakterisierung der Messei- genschaften 44 4.3.1 Geschwindigkeitsnormal 44 4.3.2 Optimierung der Messsystemparameter 45 4.3.3 Charakterisierung der Messeigenschaften 48 4.3.4 Validierung 49 4.4 Messung der Suspensionsströmung im Modellexperiment 55 4.4.1 Messergebnisse 55 4.4.2 Vergleich von Simulation und Messung 58 4.5 Fazit 61 5 Verfahren zur In-situ-Strömungsmessung in einer Zink-Luft-Flussbatterie 63 5.1 Experimenteller Aufbau 63 5.2 Strömungsmessung unterhalb des Beugungslimits - Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry (SRPTV) 65 5.2.1 Nutzung nichtlinearer Streupartikel 68 5.2.2 Trennung von linearem und nichtlinearem Signalanteil 72 5.2.3 Strahlformung mit Kompensation der Streuung 76 5.2.4 Particle Tracking 80 5.3 Charakterisierung der Messeigenschaften 81 5.3.1 Vorgehen zur Charakterisierung der Messeigenschaften 82 5.3.2 Untersuchung der Positionsunsicherheit 83 5.3.3 Untersuchung der Geschwindigkeitsunsicherheit 92 5.4 Messung an einer aktiven Zink-Luft-Flussbatterie 95 5.4.1 Aufbau und Durchführung 95 5.4.2 Messergebnisse 97 5.4.3 Vergleich von Simulation und Messung 97 5.5 Fazit 102 6 Zusammenfassung und Ausblick 103 6.1 Erkenntnisse und Fortschritt 103 6.1.1 Ultrasound Imaging Velocimetry 103 6.1.2 Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry 104 6.1.3 Fazit 106 6.2 Ausblick und weiterführende Arbeiten 106 6.2.1 Messtechnik 106 6.2.2 Anwendung 107 Literaturverzeichnis 109 Publikationsverzeichnis 117 Artikel in Zeitschriften mit peer-review 117 Tagungsbeiträge 117 Patente 119 / For the efficient use of renewable energies, energy storage systems are required that are environmentally friendly, low priced and scalable. The zinc-air flow battery (ZAB), which is operated by pumping an opaque suspension of zinc particles in an gelled electrolyte through an electrochemical cell, is a promising candidate as energy storage system for these requirements. To design the fluidic structures and avoid malfunction, a fundamental understanding of the rheology of the zinc suspension is required. Additionally, the electrical performance of the cell can be imporved by optimizing the flow in the electrochemical cell. The liquid phase of the suspension itself has complex non-Newtonian properties, which are even more complex when the particles are considered. For the fundamental understanding of the suspension rheology, model experiments are conducted. In this work an L-shaped channel with a widening is used to represent relevant effects from the complex rheology of the suspension. To measure the flow field, a spatial resolution of 1 … 2 mm and a measurement area of 20 × 15 mm2 are required. Ultrasound can be used to measure the flow in opaque liquids, but wavefront distortions are introduced by the zinc particles. Established measurement methods for homogeneous opaque fluids, the Ultrasound Imaging Velocimetry (UIV) and the Ultrasound Doppler Velocimetry (UDV), were compared for the application at the suspension. The UIV has a 50 % lower random deviation, which makes it more suitable for the flow measurement in the suspension and it was adapted to the measurement conditions in the suspension. At a spatial resolution of 1.66 mm, a velocity uncertainty of 2.5 % axial and 4.1 % lateral to the ultrasound propagation were achieved. The application of the UIV to the suspension flow in the model experiment revealed a thixotropic behavior of the fluid, which resulted in a dead flow zone opposite to the inlet of the channel. The in situ measurement of the flow in an active ZAB, allows to correlate electrical performance and flow and thereby an improvement of the cell performance by adapting the flow. For the measurement in the anodic channel with a width of 2.6 mm, a spatial resolution of 100 µm is required because of the high velocity gradients due to the non-Newtonian rheology of the suspension. The high spatial resolution has to be achieved at low ultrasound frequencies, since the ultrasound does not penetrate into the suspension for high frequencies. To achieve this, the Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry (SRPTV) was used, which allows a spatial resolution beyond the diffraction limit. Harmonic Imaging is used to image isolated non-linear tracer particles, which are tracked for velocity estimation. The speckle and image distortion due to the induced wavefront distortions are compensated with a coherence weighting beamformer. A spatial resolution of 67 µm axial and 30 µm lateral to the ultrasound propagation were achieved. Despite the strong scattering of the ultrasound at the zinc particles, a maximum velocity uncertainty of 12.5 % referred to the maximum velocity was achieved for the measurement in the active ZAB. A slip velocity of 3 mm at a maximum velocity of 8 mm was observed. The SRPTV can be applied to other technical processes, where suspension flows in small geometries play an important role.:Symbolverzeichnis xiii Abkürzungsverzeichnis xv 1 Einleitung 1 1.1 Motivation und Zielstellung 1 1.2 Stand der Technik 4 1.3 Lösungsansatz und Struktur der Arbeit 8 2 Theoretische Grundlagen 11 2.1 Grundlagen der Schallausbreitung 11 2.1.1 Schallausbreitung in homogenen Medien 11 2.1.2 Schallausbreitung in inhomogenen Medien 13 2.2 Ultraschall Bildgebung 14 2.2.1 Phased-Array-Prinzip 15 2.2.2 Plane wave imaging 16 2.2.3 Grenzen der Schallfeldfokussierung 16 2.3 Messung von Strömungsfeldern 17 2.3.1 Ultraschall-Doppler-Velozimetrie 18 2.3.2 Ultrasound Imaging Velocimetry 19 2.3.3 Ultrasound Particle Tracking Velocimetry 19 2.4 Nichtlineare akustische Effekte 20 2.4.1 Beschreibung von Linearität 20 2.4.2 Interaktion von nichtlinearen Streupartikeln und Schallwelle 20 2.4.3 Harmonic Imaging 21 3 Experimentelle Grundlagen 25 3.1 Charakterisierung der Zinksuspension 25 3.1.1 Zusammensetzung der Zinksuspension 25 3.1.2 Bestimmung von Dämpfung und Schallgeschwindigkeit 26 3.1.3 Bestimmung der spezifischen akustischen Impedanz 29 3.2 Messtechnik 30 3.2.1 Ultraschallforschungsplattform: Phased Array Ultrasound Dopp- ler Velocimeter 30 3.2.2 Ultraschallwandler 32 4 Verfahren zur Strömungsmessung im Modellexperiment 37 4.1 Experimenteller Aufbau 37 4.2 Untersuchung geeigneter Verfahren zur Messung von Strömungsfel- dern in der Zinksuspension 38 4.3 Optimierung der Signalverarbeitung und Charakterisierung der Messei- genschaften 44 4.3.1 Geschwindigkeitsnormal 44 4.3.2 Optimierung der Messsystemparameter 45 4.3.3 Charakterisierung der Messeigenschaften 48 4.3.4 Validierung 49 4.4 Messung der Suspensionsströmung im Modellexperiment 55 4.4.1 Messergebnisse 55 4.4.2 Vergleich von Simulation und Messung 58 4.5 Fazit 61 5 Verfahren zur In-situ-Strömungsmessung in einer Zink-Luft-Flussbatterie 63 5.1 Experimenteller Aufbau 63 5.2 Strömungsmessung unterhalb des Beugungslimits - Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry (SRPTV) 65 5.2.1 Nutzung nichtlinearer Streupartikel 68 5.2.2 Trennung von linearem und nichtlinearem Signalanteil 72 5.2.3 Strahlformung mit Kompensation der Streuung 76 5.2.4 Particle Tracking 80 5.3 Charakterisierung der Messeigenschaften 81 5.3.1 Vorgehen zur Charakterisierung der Messeigenschaften 82 5.3.2 Untersuchung der Positionsunsicherheit 83 5.3.3 Untersuchung der Geschwindigkeitsunsicherheit 92 5.4 Messung an einer aktiven Zink-Luft-Flussbatterie 95 5.4.1 Aufbau und Durchführung 95 5.4.2 Messergebnisse 97 5.4.3 Vergleich von Simulation und Messung 97 5.5 Fazit 102 6 Zusammenfassung und Ausblick 103 6.1 Erkenntnisse und Fortschritt 103 6.1.1 Ultrasound Imaging Velocimetry 103 6.1.2 Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry 104 6.1.3 Fazit 106 6.2 Ausblick und weiterführende Arbeiten 106 6.2.1 Messtechnik 106 6.2.2 Anwendung 107 Literaturverzeichnis 109 Publikationsverzeichnis 117 Artikel in Zeitschriften mit peer-review 117 Tagungsbeiträge 117 Patente 119

Die Fertigung zukünftiger integrierter Schaltkreise und von Produkten des Bereichs Konsumerelektronik erfordert die Anwendung von Verfahren mit reduzierter thermischer Belastung, um bereits gefertigte Bauelemente und temperaturempfindliche Materialien nicht durch nachfolgende Prozesse thermisch zu beschädigen. Das ms-Blitzlampentempern (engl. flash lamp annealing, FLA) ist ein Kurzzeittemperverfahren, bei dem nur ein oberflächennaher Bereich des Substrats für die Dauer von wenigen Millisekunden eine sehr starke Temperaturerhöhung erfährt, während das Bulkmaterial nicht bzw. nur in deutlich geringerem Maße erwärmt wird. Dadurch ermöglicht das FLA die Realisierung von thermisch aktivierten Prozessen mit einem vergleichsweise geringen thermischen Budget. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einsatz des FLA-Verfahrens für die FLA-induzierte Abscheidung dünner Schichten, die Verbesserung von Schichteigenschaften durch das zyklische Zwischentempern der Schichten während eines Abscheideprozesses und die Rekristallisation von amorphem Silizium (a-Si) zur lokal kontrollierten Herstellung großer Si-Körner untersucht und evaluiert. Die direkte Abscheidung dünner Schichten mittels FLA wurde am Beispiel von aluminium-basierten Schichten und Rutheniumschichten untersucht. Die Realisierung der Prozesse erfolgte durch zyklisch wiederholte Anwendung des FLA's während die Substrate den jeweiligen Präkursoren ausgesetzt waren. In beiden Fällen wurde das Schichtwachstum durch den Energieeintrag des FLA's ausgelöst. Weiterhin weisen die Prozesse typische Merkmale der Atomlagenabscheidung (engl. atomic layer deposition, ALD) auf, wie zum Beispiel ein Lage-zu-Lage-Wachstum und Wachstumsraten von weniger als einem Angström pro Zyklus. Die Abscheidung der aluminiumbasierten Schichten ist zudem durch das für die ALD charakteristische selbstbegrenzende Schichtwachstum gekennzeichnet. Die erzielten Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und Wachstumseigenschaften wie auch der Schichteigenschaften werden stets in Bezug zur Wirkung der FLA-induzierten Temperaturentwicklung auf das Schichtwachstum gesetzt und diskutiert. So werden beispielsweise substratabhängige Wachstumsraten auf die unterschiedlichen optischen Eigenschaften der verwendeten Substrate und die daraus resultierenden unterschiedlichen Temperaturen während des FLA's zurückgeführt. Die FLA-induzierte Abscheidung von Ruthenium wurde ferner als single-source-Prozess mit nur einem Präkursor realisiert. Zudem wird gezeigt, dass sich eine durch substratbegrenztes Schichtwachstum verursachte Aufwachsverzögerung durch die Anwendung derartiger FLA-induzierter Abscheideprozesse signifikant reduzieren lässt. Die Verbesserung von Schichteigenschaften durch FLA wurde am Beispiel der Aluminium-oxid-ALD (Al2O3), die bei niedrigen Prozesstemperaturen stattfand, untersucht. Das Ziel war, eine Vergrößerung der Dichte der Al2O3-Schichten zu erreichen. Zu diesem Zweck wurde das FLA in den ALD-Prozess integriert und zyklisch während der Spülpulse der ALD-Prozesssequenz ausgeführt. Vorteil dieses Ansatzes gegenüber konventionellen Temperverfahren ist, dass die Schichten bereits direkt während der Schichtwachstumsphase getempert werden können. Als Ergebnis dieser in situ Temperung wurde eine Steigerung der Dichte von Al2O3-Schichten, die bei 75 °C abgeschieden wurden, um ca. 10 % erreicht. Dieser Anstieg ist jedoch nicht auf eine gewöhnliche Verdichtung des Schichtmaterials zurückzuführen. Stattdessen implizieren die Ergebnisse, dass die zyklische FLA-Anwendung das Schichtwachstum fördert und so direkt zum Aufwachsen von Schichten mit größerer Dichte führt. Dieses unterstützte Wachstum wurde auch in Form eines um ca. 25 % größeren Massenzuwachses pro Zyklus beobachtet und es ist am ausgeprägtesten, wenn das FLA nach jedem einzelnen oder nach jedem zweiten ALD-Zyklus ausgeführt wird. Des Weiteren hatte die Anwendung des in situ FLA-Zwischentemperns eine verbesserte Schichtzusammensetzung, eine Vergrößerung des Brechungsindex, größere Dielektrizitätskonstanten sowie eine Reduzierung der Leckströme zur Folge. Die Anwendung von Wasserstoff während der FLA-Teilschritte führte zu einer nochmaligen Steigerung des Massenzuwachses und einer weiteren Verbesserung der Schichteigenschaften. Die mit dem in situ Zwischentempern erreichten Dichten wurden durch ein konventionelles Nachtempern der Al2O3-Schichten mit Temperaturen bis zu 600 °C nicht erreicht. Bezüglich der FLA-induzierten Rekristallisation von a-Si wurde die Anwendung von strukturierten Metallschichten unter der zu rekristallisierenden a-Si-Schicht untersucht. Die kleinen Metallgebiete wirken als eingebettete Mikrospiegel und führen während des FLA zu einer verstärkten Wärmeentwicklung im darüber befindlichen a-Si. Infolgedessen wird mit diesem Ansatz gezielt ein lateraler Temperaturgradient in der a-Si-Schicht erzeugt. Während der FLA-Rekristallisation in Verbindung mit einem Aufschmelzen des a-Si beginnt das Wachstum von Si-Körnern an Positionen, die durch die niedrigste Temperatur des Gradients gekennzeichnet sind und setzt sich dann durch die epitaktische Anlagerung von weiterem Material fort. Demgemäß findet die Bildung von Si-Gebieten mit großen Kristalliten in kontrollierter Art und Weise statt. Im Vergleich verschiedenster Spiegelrastertypen erwiesen sich Raster aus kreisförmigen und linienförmigen Spiegeln als die vielversprechendsten Varianten. Die entstandenen Si-Gebiete befinden sich ausschließlich in Bereichen zwischen benachbarten Spiegeln und haben ein kissenförmiges Erscheinungsbild, sie weisen Abmessungen von einigen zehn Mikrometern auf und bestehen aus Si-Körnern mit Längen von bis zu ca. 28 µm. Die Bildung einkristalliner Si-Inseln wurde im Fall eines Spiegelraster mit kreisförmigen Spiegeln festgestellt. Im Vergleich dazu führte der Einsatz von Spiegelrastern mit linienförmigen Spiegeln zur Bildung von langgestreckten Si-Kissen mit länglichen und nahezu rechteckigen Körnern. Dies wird mit dem von einer Seite ausgehenden lateralen Erstarren des geschmolzenen Si erklärt. Desweiteren zeichnet sich dieser Ansatz durch das Herausfiltern eines einzelnen Kornes und somit durch grain-filter-Eigenschaften aus. Dies ermöglicht es, Si-Körner in kontrollierter Weise an zuvor festgelegten Positionen herzustellen. Die größten derart erzeugten Si-Körner haben Abmessungen von ca. 26 x 6 µm².:Kurzfassung i Abstract iii Inhaltsverzeichnis v Abkürzungs- und Kurzzeichenverzeichnis ix Abkürzungsverzeichnis ix Kurzzeichenverzeichnis xiii 1 Einleitung 1 1.1 Trends bei der Herstellung mikroelektronischer Schaltkreise 1 1.2 Ziele der Arbeit 4 1.3 Aufbau der Arbeit 5 2 Grundlagen des ms-Blitzlampentemperns 7 2.1 Grundprinzip des ms-Blitzlampentemperns 7 2.2. Einordnung und Vergleich mit anderen Temperverfahren 9 2.3 Anwendungsgebiete des ms-Blitzlampentemperns 10 2.4 Erzeugung und Kenngrößen eines Lichtblitzes 12 2.5 Physikalische Teilprozesse 14 2.5.1 Wechselwirkungen der elektromagnetischen Strahlung mit Gasmolekülen 15 2.5.2 Reflexion und Absorption 16 2.5.3 Wärmeentwicklung und Wärmeleitung 20 2.5.4 Wärmestrahlung, Konvektion und Wärmeübergang in den Substratträger 21 2.6 Modellierung und Simulation der Temperaturverteilung 23 2.7 Temperaturentwicklung am Beispiel eines c-Si-Wafers 25 2.8 Einfluss ausgewählter Parameter auf die Temperaturentwicklung 27 2.8.1 Einfluss der Energiedichte 27 2.8.2 Einfluss der Blitzpulsdauer 29 2.8.3 Einfluss dünner Schichten 33 2.8.4 Einfluss des Substrats 35 2.8.5 Einfluss strukturierter Substrate und strukturierter Schichten 38 2.8.6 Einfluss der Substrattemperatur 39 2.8.7 Einfluss der Prozessatmosphäre 40 2.8.8 Einfluss von zyklisch wiederholten Blitzen 41 3 Experimentelle Methoden 43 3.1 Schichtmesstechniken 43 3.1.1 Spektroskopische Ellipsometrie 43 3.1.2 Röntgenphotoelektronenspektroskopie 46 3.1.3 Röntgenreflektometrie 47 3.1.4 Rasterelektronenmikroskopie 49 3.1.5 Weitere Verfahren 50 3.2 Verwendete Substrate und Methoden zur Probenherstellung 53 3.2.1 Substrate und Probenpräparation für ALD-Untersuchungen 53 3.2.2 Probenpräparation für Rekristallisations-Untersuchungen 53 3.3 Weitere experimentelle Verfahren 54 3.3.1 Thermische Nachbehandlung mittels RTA 54 3.3.2 Dekorationsätzen von Silizium mittels Secco-Ätzlösung 54 4 Blitzlampenbasierte Atomlagenabscheidung dünner Schichten 55 4.1 Grundlagen 55 4.1.1 Konventionelle Atomlagenabscheidung 55 4.1.1.1 Grundprinzip der Atomlagenabscheidung 55 4.1.1.2 Wachstumsverhalten und Temperaturfenster 57 4.1.1.3 Vorteile und Anwendungsgebiete 59 4.1.1.4 Herausforderungen und Grenzen der thermischen ALD 59 4.1.2 Energieunterstützte Atomlagenabscheidung 61 4.1.3 Grundlagen der FLA-basierten Atomlagenabscheidung 62 4.1.3.1 Grundprinzip der FLA-basierten ALD 63 4.1.3.2 Neue Möglichkeiten durch FLA-basierte ALD-Prozesse 65 4.1.3.3 Literaturüberblick – Einsatz des FLA für die direkte Abscheidung dünner Schichten 66 4.1.3.4 Literaturüberblick – Anwendung des FLA für das in situ Zwischentempern dünner Schichten während der Abscheidung mittels ALD 70 4.2 Versuchsanlage FHR Cluster DS 100x4 71 4.2.1 Aufbau der Versuchsanlage 72 4.2.2 Blitzlampenmodul und FLA-Parameter 73 4.2.3 Prozesskammer für FLA-induzierte Abscheideprozesse 74 4.3 Untersuchungen zur direkten Abscheidung dünner Schichten durch Einsatz des Blitzlampentemperns 77 4.3.1 FLA-induzierte Atomlagenabscheidung von aluminiumbasierten dünnen Schichten mit dem Präkursor Trimethylaluminium 77 4.3.1.1 Motivation 77 4.3.1.2 Experimentelle Durchführung 77 4.3.1.3 Ergebnisse und Diskussion 78 4.3.2 FLA-induzierte Abscheidung von dünnen Rutheniumschichten mit dem Präkursor CHORUS 89 4.3.2.1 Motivation 89 4.3.2.2 Experimentelle Durchführung 89 4.3.2.3 Ergebnisse und Diskussion 90 4.3.3 Zusammenfassung und Ausblick 97 4.4 Untersuchungen zum Einsatz des Blitzlampentemperns als in situ Zwischentemperung während der Al2O3-ALD bei niedrigen Abscheidetemperaturen zum Erreichen größerer Dichten 99 4.4.1 Motivation 99 4.4.2 Experimentelle Durchführung 101 4.4.2.1 Versuchsanlage, Schichtabscheidung, FLA-Teilschritt und Prozesssequenz 101 4.4.2.2 Schichtcharakterisierungen 103 4.4.3 Ergebnisse und Diskussion 103 4.4.3.1 Auswirkungen infolge der Anwendung des in situ FLA 103 4.4.3.2 Vergleich von in situ FLA und RTA 112 4.4.3.3 Anwendung des in situ FLA auf Foliensubstraten 114 4.4.4 Zusammenfassung und Ausblick 115 5 Blitzlampeninduzierte Rekristallisation von amorphem Silizium 117 5.1 Grundlagen der FLA-Rekristallisation von amorphem Silizium 117 5.1.1 Eigenschaften von amorphem, kristallinem und flüssigem Silizium 118 5.1.2 Rekristallisationsregime 120 5.1.3 Ansätze für ein kontrolliertes Kornwachstum bei der Rekristallisation von a-Si 122 5.2 Experimentelle Durchführung 125 5.2.1 Probenpräparation 125 5.2.2 Blitzlampentemperung 127 5.2.3 Probencharakterisierung 128 5.3 Ergebnisse und Diskussion 128 5.3.1 Wirkung vergrabener Metallschichten und abdeckender SiO2-Schichten bei der FLA-induzierten Rekristallisation von a-Si-Schichten 128 5.3.1.1 FLA-induzierte Rekristallisation mit 20 ms langen Lichtblitzen 128 5.3.1.2 FLA-induzierte Rekristallisation mit 2,7 ms langen Lichtblitzen 131 5.3.1.3 Simulation 132 5.3.2 FLA-induzierte Rekristallisation von a-Si mit der lokal kontrollierten Bildung von Siliziumgebieten mit großen Si-Körnern 134 5.3.2.1 Experimentelle Durchführung 134 5.3.2.2 Ergebnisse bei der Anwendung separierter a-Si-Inseln 134 5.3.2.3 Ergebnisse bei der Anwendung eingebetteter Ti-Mikrospiegel 135 5.4 Zusammenfassung und Ausblick 149 6 Zusammenfassung 151 Literaturverzeichnis 155 Abbildungsverzeichnis 173 Tabellenverzeichnis 183 Anhang 185 Veröffentlichungsverzeichnis 193 Lebenslauf 195 Danksagung 197 / The production of future integrated circuits as well as consumer electronics requires the usage of processes with reduced thermal load in order to prevent thermal damage of electronic components and thermally sensitive materials. The ms flash lamp annealing (FLA) is a short term annealing method, where only a surface near region of the substrate is strongly heated up for a duration of a few milliseconds, while the bulk material experiences no or only little heating. Due to this characteristics, FLA enables the activation of thermal processes at a comparable low thermal budget. In this work, the application of FLA for the FLA-induced deposition of thin films, the improvement of film properties by periodically annealing of films right during the deposition process as well as for the recrystallization of amorphous silicon (a-Si) with the purpose of locally controlled formation of large silicon grains has been investigated. The direct deposition of thin films by FLA has been studied using both aluminum-based films and ruthenium thin films. The processes were realized by periodically performing the FLA while the substrates were exposed to the respective precursor. In both cases the film growth was induced by the energy input provided by the FLA. Furthermore, the processes exhibited typical features of atomic layer deposition (ALD) such as layer-by-layer growth and growth rates smaller than one Angström per cycle. Moreover, the deposition of the aluminum-based films is characterized by a self-limiting film growth, clearly indicating that film growth proceeds in the ALD mode. The obtained relations between process parameters and both film growth behaviour and film properties are discussed with respect to the impact of the FLA-induced temperature development on the film growth. For example, substrate dependent growth rates are attributed to different optical properties of the different substrate materials causing different temperatures during the FLA. Moreover, the deposition of ruthenium films was realized as a single source process by using only one precursor. In addition it is demonstrated that a growth delay phase, caused by substrate inhibited film growth, can be significantly reduced by the application of such a FLA-induced deposition process. The improvement of film properties by FLA was investigated by means of low-temperature aluminum oxide ALD (Al2O3) and the aim was to achieve an increase in Al2O3 film density. For that purpose, the FLA was directly integrated into an ALD process and performed perio-dically during the purging steps of the ALD process sequence. Advantage of this approach compared to conventional annealing methods is, that films can not only be annealed subsequently to the deposition, but already right during the stage of film growth as well. As a result of this in situ annealing, a 10 % increase in density of Al2O3 films, that were grown at 75 °C substrate temperature, was achieved. However, this increase is not related to a ordinary densification of the film material. Instead the results imply that the periodical application of FLA promotes the film growth, and hence, results in direct growth of films with improved film density. This enhanced film growth was also observed by means of a 25 % increase in the mass gain per cycle and it is most pronounced when performing FLA after each single ALD cycle or after every second ALD cycle. Furthermore, the application of in situ FLA led to an improved film composition, an increase in refractive index, enhanced dielectric constants as well as reduced leakage currents. The usage of hydrogen gas during the FLA sub-steps results in a further increase of mass gain per cycle and a further improvement of film properties. The film density realized with this in situ annealing approach was not achieved by conventional post deposition annealing with temperatures up to 600 °C. With respect to the FLA-induced recrystallization of a-Si, the application of patterned metal layers below the a-Si was studied. Those metal spots act like embedded micro mirrors and lead to an enhanced heating of the a-Si above the mirrors. As a result, a lateral temperature gradient is introduced into the a-Si layer. During the FLA-triggered crystallization combined with melting of the a-Si, the growth of silicon grains starts at positions that are characterized by the lowest temperature of the gradient and then proceeds via the epitaxial regrowth from molten silicon. Due to this feature, the formation of Si regions with large Si crystals takes place in a controlled manner. When comparing various mirror patterns with respect to their suitability for this approach, mirror patterns with circular mirrors as well as line-shaped mirrors are the most promising variants. The resulting silicon islands have pillow-like shapes, are located exclusively in regions between neighboring mirrors, exhibit dimensions of a few tens of micrometers and consist of grains with sizes up to 28 µm. The formation of single-grain silicon pillow-like structures was observed for particular mirror patterns having circular mirrors. On the other hand, the application of mirror patterns with line-shaped mirrors resulted in the formation of elongated and almost rectangular silicon grains. This has been explained in terms of lateral solidification starting from one edge. Furthermore, this approach is featured by the selective filtering of a single grain, and hence, exhibits grain filter characteristics. This enables the well controlled formation of large single Si grains at predetermined positions. The largest grains realized with this approach have a size of about 26 x 6 µm².:Kurzfassung i Abstract iii Inhaltsverzeichnis v Abkürzungs- und Kurzzeichenverzeichnis ix Abkürzungsverzeichnis ix Kurzzeichenverzeichnis xiii 1 Einleitung 1 1.1 Trends bei der Herstellung mikroelektronischer Schaltkreise 1 1.2 Ziele der Arbeit 4 1.3 Aufbau der Arbeit 5 2 Grundlagen des ms-Blitzlampentemperns 7 2.1 Grundprinzip des ms-Blitzlampentemperns 7 2.2. Einordnung und Vergleich mit anderen Temperverfahren 9 2.3 Anwendungsgebiete des ms-Blitzlampentemperns 10 2.4 Erzeugung und Kenngrößen eines Lichtblitzes 12 2.5 Physikalische Teilprozesse 14 2.5.1 Wechselwirkungen der elektromagnetischen Strahlung mit Gasmolekülen 15 2.5.2 Reflexion und Absorption 16 2.5.3 Wärmeentwicklung und Wärmeleitung 20 2.5.4 Wärmestrahlung, Konvektion und Wärmeübergang in den Substratträger 21 2.6 Modellierung und Simulation der Temperaturverteilung 23 2.7 Temperaturentwicklung am Beispiel eines c-Si-Wafers 25 2.8 Einfluss ausgewählter Parameter auf die Temperaturentwicklung 27 2.8.1 Einfluss der Energiedichte 27 2.8.2 Einfluss der Blitzpulsdauer 29 2.8.3 Einfluss dünner Schichten 33 2.8.4 Einfluss des Substrats 35 2.8.5 Einfluss strukturierter Substrate und strukturierter Schichten 38 2.8.6 Einfluss der Substrattemperatur 39 2.8.7 Einfluss der Prozessatmosphäre 40 2.8.8 Einfluss von zyklisch wiederholten Blitzen 41 3 Experimentelle Methoden 43 3.1 Schichtmesstechniken 43 3.1.1 Spektroskopische Ellipsometrie 43 3.1.2 Röntgenphotoelektronenspektroskopie 46 3.1.3 Röntgenreflektometrie 47 3.1.4 Rasterelektronenmikroskopie 49 3.1.5 Weitere Verfahren 50 3.2 Verwendete Substrate und Methoden zur Probenherstellung 53 3.2.1 Substrate und Probenpräparation für ALD-Untersuchungen 53 3.2.2 Probenpräparation für Rekristallisations-Untersuchungen 53 3.3 Weitere experimentelle Verfahren 54 3.3.1 Thermische Nachbehandlung mittels RTA 54 3.3.2 Dekorationsätzen von Silizium mittels Secco-Ätzlösung 54 4 Blitzlampenbasierte Atomlagenabscheidung dünner Schichten 55 4.1 Grundlagen 55 4.1.1 Konventionelle Atomlagenabscheidung 55 4.1.1.1 Grundprinzip der Atomlagenabscheidung 55 4.1.1.2 Wachstumsverhalten und Temperaturfenster 57 4.1.1.3 Vorteile und Anwendungsgebiete 59 4.1.1.4 Herausforderungen und Grenzen der thermischen ALD 59 4.1.2 Energieunterstützte Atomlagenabscheidung 61 4.1.3 Grundlagen der FLA-basierten Atomlagenabscheidung 62 4.1.3.1 Grundprinzip der FLA-basierten ALD 63 4.1.3.2 Neue Möglichkeiten durch FLA-basierte ALD-Prozesse 65 4.1.3.3 Literaturüberblick – Einsatz des FLA für die direkte Abscheidung dünner Schichten 66 4.1.3.4 Literaturüberblick – Anwendung des FLA für das in situ Zwischentempern dünner Schichten während der Abscheidung mittels ALD 70 4.2 Versuchsanlage FHR Cluster DS 100x4 71 4.2.1 Aufbau der Versuchsanlage 72 4.2.2 Blitzlampenmodul und FLA-Parameter 73 4.2.3 Prozesskammer für FLA-induzierte Abscheideprozesse 74 4.3 Untersuchungen zur direkten Abscheidung dünner Schichten durch Einsatz des Blitzlampentemperns 77 4.3.1 FLA-induzierte Atomlagenabscheidung von aluminiumbasierten dünnen Schichten mit dem Präkursor Trimethylaluminium 77 4.3.1.1 Motivation 77 4.3.1.2 Experimentelle Durchführung 77 4.3.1.3 Ergebnisse und Diskussion 78 4.3.2 FLA-induzierte Abscheidung von dünnen Rutheniumschichten mit dem Präkursor CHORUS 89 4.3.2.1 Motivation 89 4.3.2.2 Experimentelle Durchführung 89 4.3.2.3 Ergebnisse und Diskussion 90 4.3.3 Zusammenfassung und Ausblick 97 4.4 Untersuchungen zum Einsatz des Blitzlampentemperns als in situ Zwischentemperung während der Al2O3-ALD bei niedrigen Abscheidetemperaturen zum Erreichen größerer Dichten 99 4.4.1 Motivation 99 4.4.2 Experimentelle Durchführung 101 4.4.2.1 Versuchsanlage, Schichtabscheidung, FLA-Teilschritt und Prozesssequenz 101 4.4.2.2 Schichtcharakterisierungen 103 4.4.3 Ergebnisse und Diskussion 103 4.4.3.1 Auswirkungen infolge der Anwendung des in situ FLA 103 4.4.3.2 Vergleich von in situ FLA und RTA 112 4.4.3.3 Anwendung des in situ FLA auf Foliensubstraten 114 4.4.4 Zusammenfassung und Ausblick 115 5 Blitzlampeninduzierte Rekristallisation von amorphem Silizium 117 5.1 Grundlagen der FLA-Rekristallisation von amorphem Silizium 117 5.1.1 Eigenschaften von amorphem, kristallinem und flüssigem Silizium 118 5.1.2 Rekristallisationsregime 120 5.1.3 Ansätze für ein kontrolliertes Kornwachstum bei der Rekristallisation von a-Si 122 5.2 Experimentelle Durchführung 125 5.2.1 Probenpräparation 125 5.2.2 Blitzlampentemperung 127 5.2.3 Probencharakterisierung 128 5.3 Ergebnisse und Diskussion 128 5.3.1 Wirkung vergrabener Metallschichten und abdeckender SiO2-Schichten bei der FLA-induzierten Rekristallisation von a-Si-Schichten 128 5.3.1.1 FLA-induzierte Rekristallisation mit 20 ms langen Lichtblitzen 128 5.3.1.2 FLA-induzierte Rekristallisation mit 2,7 ms langen Lichtblitzen 131 5.3.1.3 Simulation 132 5.3.2 FLA-induzierte Rekristallisation von a-Si mit der lokal kontrollierten Bildung von Siliziumgebieten mit großen Si-Körnern 134 5.3.2.1 Experimentelle Durchführung 134 5.3.2.2 Ergebnisse bei der Anwendung separierter a-Si-Inseln 134 5.3.2.3 Ergebnisse bei der Anwendung eingebetteter Ti-Mikrospiegel 135 5.4 Zusammenfassung und Ausblick 149 6 Zusammenfassung 151 Literaturverzeichnis 155 Abbildungsverzeichnis 173 Tabellenverzeichnis 183 Anhang 185 Veröffentlichungsverzeichnis 193 Lebenslauf 195 Danksagung 197

Es wird eine Methodik zur Testprogrammverifikation und deren automatisierte Ausführung für ein namhaftes, industriell eingesetztes Testsystem vorgestellt. Der Ansatz basiert auf der Spezifikation von Bauteilvarianten. Die Bauteilantworten einer Variante werden während der Ausführung emuliert und ersetzen Messwerte physischer Bauteile durch das Testsystem. Die Generierung und Emulation der Bauteilvarianten erfolgen automatisiert. Es wird ausschließlich die Softwareumgebung des Testsystems benötigt. Weder physische Bauteile noch Online-Testzeit auf dem Testsystem sind notwendig.

As the wireless communication technologies evolve and the demand of wireless services increases, spectrum scarcity becomes a bottleneck that limits the introduction of new technologies and services. Spectrum sharing between primary and secondary users has been brought up to improve spectrum efficiency. In underlay spectrum sharing, the secondary user transmits simultaneously with the primary user, under the constraint that the interference induced at the primary receiver is below a certain threshold, or a certain primary rate requirement has to be satisfied. Specifically, in this thesis, the coexistence of a multiple-input single-output (MISO) primary link and a MISO/multiple-input multiple-output (MIMO) secondary link is studied. The primary transmitter employs maximum ratio transmission (MRT), and single-user decoding is deployed at the primary receiver. Three scenarios are investigated, in terms of the interference from the primary transmitter to the secondary receiver, namely, weak interference, strong interference and very strong interference, or equivalently three ranges of primary rate requirement. Rate splitting and successive decoding are deployed at the secondary transmitter and receiver, respectively, when it is feasible, and otherwise single-user decoding is deployed at the secondary receiver. For each scenario, optimal beamforming/precoding and power allocation at the secondary transmitter is derived, to maximize the achievable secondary rate while satisfying the primary rate requirement and the secondary power constraint. Numerical results show that rate splitting at the secondary transmitter and successive decoding at the secondary receiver does significantly increase the achievable secondary rate if feasible, compared with single-user decoding at the secondary receiver. In overlay spectrum sharing, different from underlay spectrum sharing, the secondary transmitter can utilize the knowledge of the primary message, which is acquired non-causally (i.e., known in advance before transmission) or causally (i.e., acquired in the first phase of a two-phase transmission), to help transmit the primary message besides its own message. Specifically, the coexistence of a MISO primary link and a MISO/MIMO secondary link is studied. When the secondary transmitter has non-causal knowledge of the primary message, dirty-paper coding (DPC) can be deployed at the secondary transmitter to precancel the interference (when decoding the secondary message at the secondary receiver), due to the transmission of the primary message from both transmitters. Alternatively, due to the high implementation complexity of DPC, linear precoding can be deployed at the secondary transmitter. In both cases, the primary transmitter employs MRT, and single-user decoding is deployed at the primary receiver; optimal beamforming/precoding and power allocation at the secondary transmitter is obtained, to maximize the achievable secondary rate while satisfying the primary rate requirement and the secondary power constraint. Numerical results show that with non-causal knowledge of the primary message and the deployment of DPC at the secondary transmitter, overlay spectrum sharing can achieve a significantly higher secondary rate than underlay spectrum sharing, while rate loss occurs with the deployment of linear precoding instead of DPC at the secondary transmitter. When the secondary transmitter does not have non-causal knowledge of the primary message, and still wants to help with the primary transmission in return for the access to the spectrum, it can relay the primary message in an amplify-and-forward (AF) or a decode-and-forward (DF) way in a two-phase transmission, while transmitting its own message. The primary link adapts its transmission strategy and cooperates with the secondary link to fulfill its rate requirement. To maximize the achievable secondary rate while satisfying the primary rate requirement and the primary and secondary power constraints, in the case of AF cooperative spectrum sharing, optimal relaying matrix and beamforming vector at the secondary transmitter is obtained; in the case of DF cooperative spectrum sharing, a set of parameters are optimized, including time duration of the two phases, primary transmission strategies in the two phases and secondary transmission strategy in the second phase. Numerical results show that with the cooperation from the secondary link, the primary link can avoid outage effectively, especially when the number of antennas at the secondary transceiver is large, while the secondary link can achieve a significant rate. Power is another precious resource besides spectrum. Instead of spectrum efficiency, energy-efficient spectrum sharing focuses on the energy efficiency (EE) optimization of the secondary transmission. The EE of the secondary transmission is defined as the ratio of the achievable secondary rate and the secondary power consumption, which includes both the transmit power and the circuit power at the secondary transmitter. For simplicity, the circuit power is modeled as a constant. Specifically, the EE of a MIMO secondary link in underlay spectrum sharing is studied. Three transmission strategies are introduced based on the primary rate requirement and the channel conditions. Rate splitting and successive decoding are deployed at the secondary transmitter and receiver, respectively, when it is feasible, and otherwise single-user decoding is deployed at the secondary receiver. For each case, optimal transmit covariance matrices at the secondary transmitter are obtained, to maximize the EE of the secondary transmission while satisfying the primary rate requirement and the secondary power constraint. Based on this, an energy-efficient resource allocation algorithm is proposed. Numerical results show that MIMO underlay spectrum sharing with EE optimization can achieve a significantly higher EE compared with MIMO underlay spectrum sharing with rate optimization, at certain SNRs and with certain circuit power, at the cost of the achievable secondary rate, while saving the transmit power. With rate splitting at the secondary transmitter and successive decoding at the secondary receiver if feasible, a significantly higher EE can be achieved compared with the case when only single-user decoding is deployed at the secondary receiver. Moreover, the EE of a MIMO secondary link in overlay spectrum sharing is studied, where the secondary transmitter has non-causal knowledge of the primary message and employs DPC to obtain an interference-free secondary link. Energy-efficient precoding and power allocation is obtained to maximize the EE of the secondary transmission while satisfying the primary rate requirement and the secondary power constraint. Numerical results show that MIMO overlay spectrum sharing with EE optimization can achieve a significantly higher EE compared with MIMO overlay spectrum sharing with rate optimization, at certain SNRs and with certain circuit power, at the cost of the achievable secondary rate, while saving the transmit power. MIMO overlay spectrum sharing with EE optimization can achieve a higher EE compared with MIMO underlay spectrum sharing with EE optimization. / Aufgrund der rasanten Entwicklung im Bereich der drahtlosen Kommunikation und der ständig steigenden Nachfrage nach mobilen Anwendungen ist die Knappheit von Frequenzbändern ein entscheidender Engpass, der die Einführung neuer Funktechnologien behindert. Die gemeinsame Benutzung von Frequenzen (Spektrum-Sharing) durch primäre und sekundäre Nutzer ist eine Möglichkeit, die Effizienz bei der Verwendung des Spektrums zu verbessern. Bei der Methode des Underlay-Spektrum-Sharing sendet der sekundäre Nutzer zeitgleich mit dem primären Nutzer unter der Einschränkung, dass für den primären Nutzer die erzeugte Interferenz unterhalb eines Schwellwertes liegt oder gewisse Anforderungen an die Datenrate erfüllt werden. In diesem Zusammenhang wird in der Arbeit insbesondere die Koexistenz von Mehrantennensystemen untersucht. Dabei wird für die primäre Funkverbindung der Fall mit mehreren Sendeantennen und einer Empfangsantenne (MISO) angenommen. Für die sekundäre Funkverbindung werden mehrere Sendeantennen und sowohl eine als auch mehrere Empfangsantennen (MISO/MIMO) betrachtet. Der primäre Sender verwendet Maximum-Ratio-Transmission (MRT) und der primäre Empfänger Einzelnutzerdecodierung. Für den sekundären Nutzer werden außerdem am Sender eine Datenratenaufteilung (rate splitting) und am Empfänger entweder eine sukzessive Decodierung – sofern sinnvoll – oder andernfalls eine Einzelnutzerdecodierung verwendet. Im Unterschied zur Methode des Underlay-Spektrum-Sharing kann der sekundäre Nutzer beim Verfahren des Overlay-Spektrum-Sharing die Kenntnis über die Nachrichten des primären Nutzers einsetzen, um die Übertragung sowohl der eigenen als auch der primären Nachrichten zu unterstützen. Das Wissen über die Nachrichten erhält er entweder nicht-kausal, d.h. vor der Übertragung, oder kausal, d.h. während der ersten Phase einer zweistufigen Übertragung. In der Arbeit wird speziell die Koexistenz von primären MISO-Funkverbindungen und sekundären MISO/MIMO-Funkverbindungen untersucht. Bei nicht-kausaler Kenntnis über die primären Nachrichten kann der sekundäre Sender beispielsweise das Verfahren der Dirty-Paper-Codierung (DPC) verwenden, welches es ermöglicht, die Interferenz durch die primären Nachrichten bei der Decodierung der sekundären Nachrichten am sekundären Empfänger aufzuheben. Da die Implementierung der DPC mit einer hohen Komplexität verbunden ist, kommt als Alternative auch eine lineare Vorcodierung zum Einsatz. In beiden Fällen verwendet der primäre Transmitter MRT und der primäre Empfänger Einzelnutzerdecodierung. Besitzt der sekundäre Nutzer keine nicht-kausale Kenntnis über die primären Nachrichten, so kann er als Gegenleistung für die Mitbenutzung des Spektrums dennoch die Übertragung der primären Nachrichten unterstützen. Hierfür leitet er die primären Nachrichten mit Hilfe der Amplify-And-Forward-Methode oder der Decode-And-Forward-Methode in einer zweitstufigen Übertragung weiter, währenddessen er seine eigenen Nachrichten sendet. Der primäre Nutzer passt seine Sendestrategie entsprechend an und kooperiert mit dem sekundären Nutzer, um die Anforderungen an die Datenrate zu erfüllen. Nicht nur das Spektrum sondern auch die Sendeleistung ist eine wichtige Ressource. Daher wird zusätzlich zur Effizienz bei der Verwendung des Spektrums auch die Energieeffizienz (EE) einer sekundären MIMO-Funkverbindung für das Underlay-Spektrum-Sharing-Verfahren analysiert. Wie zuvor wird für den sekundären Nutzer am Sender eine Datenratenaufteilung (rate splitting) und am Empfänger entweder eine sukzessive Decodierung oder eine Einzelnutzerdecodierung betrachtet. Weiterhin wird die EE einer sekundären MIMO-Funkverbindung für das Overlay-Spektrum-Sharing-Verfahren untersucht. Dabei nutzt der sekundäre Nutzer die nicht-kausale Kenntnis über die primären Nachrichten aus, um mittels DPC eine interferenzfreie sekundäre Funkverbindung zu erhalten.

Die Öffnung von Toren mit Funkfernbedienungen ist bequem und daher weit verbreitet. Gäbe es eine Sicherheitslücke, die sich bei vielen Toren ausnutzen ließe, dann würde dies ein Risiko für eine Vielzahl von Personen und Gütern darstellen. Funkfernbediente Tore gibt es schon seit vielen Jahren. Es liegt daher die Vermutung nahe, dass zumindest ältere Systeme einem Angriff mit moderner Technik nicht standhalten. Dass sich Meldungen über geknackte Funkfernbedienungen in Grenzen halten, darf hierbei kein Indiz für deren Sicherheit sein. Gerade die jüngere Vergangenheit hat gezeigt, dass Kriminelle auch hohe technische Hürden meistern. Wurde noch vor wenigen Jahren das Ausrüsten von Geldautomaten mit Skimming-Kameras oder das Manipulieren von EC-Terminals mit Spionagehardware für akademisch gehalten, sind diese Angriffsszenarien heute leider zur alltäglichen Realität geworden. In dieser Arbeit wird die Sicherheit bestehender Funkfernbediensysteme analysiert. Aus dem Ergebnis dieser Analyse werden Anforderungen an ein besseres System abgeleitet. Schließlich wird ein Konzept und die prototypische Umsetzung einer Funkfernbedienung mit erhöhtem Sicherheitsprofil vorgestellt. Durch die Kombination preiswert verfügbarer elektronischer Komponenten und erprobter Verschlüsselungsalgorithmen wird ein abgesichertes System vorgestellt, dass bei gleichem Nutzungskomfort wie bestehende Systeme deutlich erhöhte Sicherheit gegen unbefugten Zugang bietet. Die Arbeit führt zunächst in die Grundlagen der verwendeten Funk- und Kryptografieverfahren ein. Im anschließenden Kapitel werden exemplarisch verschiedenartige Systeme hinsichtlich ihrer Sicherheit analysiert. Aus den analysierten Stärken und Schwächen werden die Anforderungen an ein neues System abgeleitet. Es wird ein konkretes Konzept für ein neues System vorgestellt. Das darauf folgende Kapitel beschreibt die praktische Umsetzung des zuvor erarbeiteten Konzepts in Form eines Prototyps. Die Arbeit schließt mit einem Fazit zur Sicherheit bestehender Systeme und des neu konzeptionierten Systems. Es werden weitere Verwendungsmöglichkeiten vorgestellt und schließlich die Praxistauglichkeit und Serienüberführbarkeit dargelegt.

In this work, the capacitive response of organic electronic devices is analysed. Particular attention is given to small-molecule organic solar cells, with the purpose of deriving an equivalent circuit for the small-signal response of these devices. The different components characterising the solar cells electrical response are individuated and discussed and a specific physical meaning is associated with each element of the equivalent circuit. In the experimental section, the capacitive elements of the equivalent circuit are characterised by analysing organic diodes and solar cells. It is found that the capacitance of an organic solar cell is a combination of four components: the dielectric response of the materials, the depletion regions formed at the interfaces, the accumulation of free and trapped charge carriers. The depletion regions formed in organic doped semiconductors are characterised by analysing organic p/n homojunction diodes composed of Zinc-Phtalocyanine (ZnPc). The results demonstrate that the mechanisms involved in the formation of depletion zones in organic semiconductors can be described by the classical Mott-Schottky theory. This allows to estimate the free charge carrier density of doped layers with capacitance measurements. In addition, the current-voltage characteristics of organic p/n homojunctions are found not to obey the classical Shockley theory. It is demonstrated that charge carrier tunnelling is the cause of this discrepancy and an analytic model is used to describe the current-voltage characteristics. The accumulation of free charge carriers is found to induce capacitance effects typical of relaxation semiconductors. In presence of unbalanced charge carriers injection, negative capacitance values are observed. It is shown that in different organic semiconductor devices, the injection of minority charge carriers induces a depletion in the majority concentration, resulting in a negative value of the accumulation capacitance. Finally, the capacitance associated to trap states in ZnPc:C60 organic solar cells is analysed. The spatial position and occupation mechanisms of the traps are estimated. The trapping mechanism in small-molecule organic solar cells is clarified and the energetic distribution of these trap states is estimated being a Gaussian function with 55 meV width, a density of 3.5 × 1016 cm−3 and centred 0.458 eV below the electron transport level. Trap states are also found to act as recombination centres, limiting the efficiency of organic solar cells.

The aim of the present work was to design and fabricate all purpose, positioning-tolerant and efficient interconnects between single-mode fibers and integrated waveguides out of polymers. The developed structures are part of the optical packaging of integrated optical chips. Integrated optics have gathered tremendous interest throughout recent years from research as well as from the industry, and most likely the demand will further grow in the future. Today’s trend is to establish optical data communication not only in far-distance transmission but also in end-user or so called fiber-to-home configurations, or, in the near future, also on board or even chip level. In addition, integrated optical sensors are gaining more and more importance. In the future, lab-on-a-chip systems may be able to simplify and accelerate analysis methods within health care or allow for a continuous monitoring of almost any environmental variable. All these applications call for robust optical packaging solutions. Many integrated optical chips are using a silicon-on-insulator design. Technologies which were originally intended for the manufacturing of integrated circuits can be utilized for the fabrication of such silicon-on-insulator chips. Point-of-care testing, which is a considerable part of bio-sensing, in some cases only allows the use of disposable transducer elements. The fabrication of these transducers, also including almost all other system parts, may be possible using polymers. Alternative fabrication methods like nanoimprint lithography can be applied for the patterning of polymers. With these, the extension of already known working principles or even entirely new device architectures become feasible for mass production. The direct patterning of polymers by means of nanoimprint was used to fabricate interconnects for integrated waveguides. In contrast to conventional lithography approaches, where a patterned resist layer is used as a masking layer for subsequent process steps, direct patterning allows the immediate use of the structures as functional elements. Firstly, nanoimprint allows diffraction-unlimited patterning with nanometer resolutions as well as the replication of complex three-dimensional patterns. These unique properties were used within this work to pattern shallow gratings atop an integrated waveguide within only one single manufacturing step. The gratings are used as coupling elements and can be utilized either to couple light from external elements to the chip or vice versa. Considerations regarding the optical effects on single-mode polymer waveguides as well as grating couplers were obtained from simulation. They are specific to the chosen design and the used polymer and cannot be found elsewhere so far. Compared to similar designs and fabrication strategies proposed in literature, the ones followed here allow for a higher efficiency. The dimensions and process windows obtained from simulation did serve as a basis for the subsequent fabrication of the grating couplers. All steps which are necessary to turn the calculated design into reality, ranging from master fabrication, to working mold cast and imprint, are shown in detail. The use of a working mold strategy is of crucial importance for the fabrication process and is discussed in detail. The use of a working mold preserves a costly master and further allows for a cost-efficient production. Parameters which are relevant for the production as well as for the final polymer patterns were analyzed and discussed. On the basis of the obtained data, a process optimization was performed. The optical characterization was also part of the presented work. A comparison with the results obtained from simulation is included and additional effects were revealed. Most of them may be subject to further improvement in future designs. In summary, the present work contributes to the field of optical packaging. It shows a viable route for the design and fabrication of interconnects of single-mode polymer waveguides. The presented design can be used as a building block which can be placed at almost any positions within an integrated optical chip. The fabrication method includes a minimum number of process steps and is still able to increase performance compared to similar approaches. Moreover, all process steps allow for scaling and are potential candidates for mass production.