Neuron is the basic computing unit in brain-inspired neural networks. Although a multitude of excellent artificial neurons realized with conventional transistors have been proposed, they might not be energy and area efficient in large-scale networks. The recent discovery of ferroelectricity in hafnium oxide (HfO₂) and the related switching phenomena at the nanoscale might provide a solution. This study employs the newly reported accumulative polarization reversal in nanoscale HfO₂-based ferroelectric field-effect transistors (FeFETs) to implement two key neuronal dynamics: the integration of action potentials and the subsequent firing according to the biologically plausible all-or-nothing law. We show that by carefully shaping electrical excitations based on the particular nucleation-limited switching kinetics of the ferroelectric layer further neuronal behaviors can be emulated, such as firing activity tuning, arbitrary refractory period and the leaky effect. Finally, we discuss the advantages of an FeFET-based neuron, highlighting its transferability to advanced scaling technologies and the beneficial impact it may have in reducing the complexity of neuromorphic circuits.

In dieser Arbeit werden organische Feldeffekttransistoren (OFETs) aus den verschiedenen Materialien Manganphthalocyanin (MnPc), [6,6]Phenyl-C61-butansäuremethylester (PCBM), 6,13-Bis(triisopropylsilyethinyl)pentacen (TIPS-Pentacen) und N,N’- Bis(n-octyl)-1,6-Dicyanoperylen-3,4:9,10-Bis(Dicarboximid) (PDI8-CN2) hergestellt. Dabei finden unterschiedliche Abscheidemethoden wie die Molekularstrahlabscheidung, die Ultraschallsprühbeschichtung und die Drehbeschichtung Anwendung. Die Morphologie sowie die Funktionsweise der Transistoren werden in Abhängigkeit von den Herstellungsparametern und bezüglich ihrer Stabilität gegenüber Lufteinfluss und elektrischer Belastung charakterisiert. Durch Aufdampfen von MnPc konnten so zum ersten Mal ambipolare MnPc-OFETs hergestellt und charakterisiert werden. Die bestimmten Löcher- und Elektronenbeweglichkeiten bestätigen die Eignung von MnPc für die Anwendung in Spintronik-Bauelementen. Desweiteren wird anhand gesprühter PCBM- und TIPS-Pentacen-OFETs gezeigt, dass die Ultraschallsprühbeschichtung eine geeignete Technik ist, um organische Halbleiter aus Lösung für die Verwendung in OFETs abzuscheiden. Die Abscheidung organischer Filme lässt sich mit einer Vielzahl an Parametern beeinflussen und die Funktionsweise von OFETs optimieren. In Verbindung mit den Untersuchungen aufgeschleuderter PDI8-CN2-OFETs konnte ein erheblicher Einfluss der Oberflächenenergie des verwendeten SiO2-Gateisolators auf die Korngröße im organischen Film festgestellt werden.

Durch Multiskalensimulationen wird der Ladungstransport in nanodrahtbasierten Schottky-Barrieren-Feldeffekt-Transistoren im Materialsystem Ni2Si/Si untersucht. Die Bedingungen an die Genauigkeit der verwendeten Eingangsparameter werden bestimmt und Vorhersagen über optimale Material- und Geräteparameter werden getroffen. Es wird die Frage beantwortet, ob die Bestimmung von physikalischen Parametern aus einzelnen gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinie möglich ist. Der Feldeffekt wird durch Berechnungen auf Basis der Finiten-Elemente-Methode und die resultierenden Stromflüsse durch ein quantenmechanisches Transportmodell ermittelt. In der Untersuchung der geometrischen Eingangsparameter wird gezeigt, dass bis auf den Radius des Nanodrahtes die in einem Experiment zu erwartenden Messfehler keinen drastischen Einfluss auf die Strom-Spannungs-Kennlinie haben. Signifikant ist hingegen der Einfluss der Temperatur, der effektiven Ladungsträgermassen und der Höhe der Schottky-Barriere. Da diese drei Eingangsparameter des betrachteten Systems mit relativ großen Ungenauigkeiten behaftet sind, ist die Bestimmung von physikalischen Parametern aus einzelnen gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien auf die erhoffte Weise nicht möglich. Die Arbeit zeigt auch, dass bereits moderate Veränderungen der Arbeitstemperatur einen bedeutenden Einfluss auf die Strom-Spannungs-Kennlinie haben. Für die Konstruktion von Transistoren mit hoher Stromdichte kann anhand der ermittelten Daten die Verkleinerung der aktiven Region durch Oxidation vorgeschlagen werden.:Kurzfassung/Abstract I Verwendete Symbole IV Verwendete Parameter VI Verwendete Abkürzungen VII 1 Motivation 8 2 Grundlagen 9 2.1 Modellbildung und Simulation 9 2.2 Schottky-Diode 10 2.3 Feldeffekt-Transistor 12 2.4 Feldeffekt-Transistor auf der Basis von Silizium-Nanodrähten 13 3 Methoden 17 3.1 Simulationsmodell 17 3.2 Finite-Elemente-Methode 20 3.3 Landauer-Büttiker-Formalismus 21 3.4 Hamiltonoperator 22 3.5 Transmissionsfunktion 23 3.6 Büttiker Sonde 24 4 Ergebnisse und Diskussion 26 4.1 Implementierung des Simulationsprogrammes 26 4.2 Berechnung der Basis-Strom-Spannungs-Kennlinie 31 4.3 Wahl der Simulationsparameter 35 4.4 Abhängigkeit von geometrischen Parametern 41 4.5 Abhängigkeit von physikalischen Parametern 49 5 Zusammenfassung, Schlussfolgerungen und Ausblick 55 Abbildungsverzeichnis 59 Literatur 62 / Charge transport in nanowire-based Schottky-barrier field-effect transistors in the material system Ni2Si/Si is examined by multi-scale simulations. The requirements for the accuracy of the input parameters are determined and predictions about optimum material and device parameters are made. The question is answered, whether the determination of physical parameters from individual measured current-voltage curves is possible? The field effect is described by calculations based on the finite element method and the resulting currents are calculated with a quantum mechanical transport model. In the study of the geometric input parameters it is shown that experimental uncertainties do not drastically affect the current-voltage characteristic, except from the nanowire radius. However, significant is the influence of the temperature, the effective charge carrier mass and the height of the Schottky-barrier. Since these three input parameters are known only with low experimental accuracy for the considered system, the determination of physical parameters from individual measured current-voltage curves is not possible in the expected way. The results also show that moderate changes of the working temperature have a significant influence on the current-voltage characteristic. For the construction of transistors with high current density the reduction of the active region by oxidation is proposed.:Kurzfassung/Abstract I Verwendete Symbole IV Verwendete Parameter VI Verwendete Abkürzungen VII 1 Motivation 8 2 Grundlagen 9 2.1 Modellbildung und Simulation 9 2.2 Schottky-Diode 10 2.3 Feldeffekt-Transistor 12 2.4 Feldeffekt-Transistor auf der Basis von Silizium-Nanodrähten 13 3 Methoden 17 3.1 Simulationsmodell 17 3.2 Finite-Elemente-Methode 20 3.3 Landauer-Büttiker-Formalismus 21 3.4 Hamiltonoperator 22 3.5 Transmissionsfunktion 23 3.6 Büttiker Sonde 24 4 Ergebnisse und Diskussion 26 4.1 Implementierung des Simulationsprogrammes 26 4.2 Berechnung der Basis-Strom-Spannungs-Kennlinie 31 4.3 Wahl der Simulationsparameter 35 4.4 Abhängigkeit von geometrischen Parametern 41 4.5 Abhängigkeit von physikalischen Parametern 49 5 Zusammenfassung, Schlussfolgerungen und Ausblick 55 Abbildungsverzeichnis 59 Literatur 62

In dieser Arbeit werden organische Feldeffekttransistoren (OFETs) aus den verschiedenen Materialien Manganphthalocyanin (MnPc), [6,6]Phenyl-C61-butansäuremethylester (PCBM), 6,13-Bis(triisopropylsilyethinyl)pentacen (TIPS-Pentacen) und N,N’- Bis(n-octyl)-1,6-Dicyanoperylen-3,4:9,10-Bis(Dicarboximid) (PDI8-CN2) hergestellt. Dabei finden unterschiedliche Abscheidemethoden wie die Molekularstrahlabscheidung, die Ultraschallsprühbeschichtung und die Drehbeschichtung Anwendung. Die Morphologie sowie die Funktionsweise der Transistoren werden in Abhängigkeit von den Herstellungsparametern und bezüglich ihrer Stabilität gegenüber Lufteinfluss und elektrischer Belastung charakterisiert. Durch Aufdampfen von MnPc konnten so zum ersten Mal ambipolare MnPc-OFETs hergestellt und charakterisiert werden. Die bestimmten Löcher- und Elektronenbeweglichkeiten bestätigen die Eignung von MnPc für die Anwendung in Spintronik-Bauelementen. Desweiteren wird anhand gesprühter PCBM- und TIPS-Pentacen-OFETs gezeigt, dass die Ultraschallsprühbeschichtung eine geeignete Technik ist, um organische Halbleiter aus Lösung für die Verwendung in OFETs abzuscheiden. Die Abscheidung organischer Filme lässt sich mit einer Vielzahl an Parametern beeinflussen und die Funktionsweise von OFETs optimieren. In Verbindung mit den Untersuchungen aufgeschleuderter PDI8-CN2-OFETs konnte ein erheblicher Einfluss der Oberflächenenergie des verwendeten SiO2-Gateisolators auf die Korngröße im organischen Film festgestellt werden.

The high-frequency and low-voltage operation of organic thin-film transistors (OTFTs) is a key requirement for the commercial success of flexible electronics. Significant progress has been achieved in this regard by several research groups highlighting the potential of OTFTs to operate at several tens or even above 100 MHz. However, technology maturity, including scalability, integrability, and device reliability, is another crucial point for the semiconductor industry to bring OTFT-based flexible electronics into mass production. These requirements are often not met by high-frequency OTFTs reported in the literature as unconventional processes, such as shadow-mask patterning or alignment with unrealistic tolerances for production, are used. Here, ultra-short channel vertical organic field-effect transistors (VOFETs) with a unity current gain cut-off frequency (fT) up to 43.2 MHz (or 4.4 MHz V−1) operating below 10 V are shown. Using state-of-the-art manufacturing techniques such as photolithography with reliable fabrication procedures, the integration of such devices down to the size of only 12 × 6 μm2 is shown, which is important for the adaption of this technology in high-density circuits (e.g., display driving). The intrinsic channel transconductance is analyzed and demonstrates that the frequencies up to 430 MHz can be reached if the parasitic electrode overlap is minimized.