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.

The degradation predicted by classical DC reliability methods, such as bias temperature instability (BTI) and hot carrier injection (HCI), might not translate sufficiently to the AC conditions, which are relevant on the circuit level. The direct analysis of circuit level reliability is therefore an essential task for hardware qualification in the near future. Ring oscillators (RO) offer a good model system, where both BTI and HCI contribute to the degradation. In this work, it is qualitatively shown that the additional off-state stress plays a crucial role at very high stress voltages, beyond upper usage boundaries. To yield an accurate RO lifetime prediction a frequency measurement setup with high resolution is used, which can resolve small changes in frequency during stress near operation conditions. An ACDC conversion model is developed predicting the resulting frequency change based on DC input data. From the extrapolation to 10 years of circuit lifetime the model predicts a very low frequency degradation below 0.2% under nominal operation conditions, where the off-state has a minor influence.

Ferroelectricity is a material property were a remanent polarization exists under zero electrical field that can be reversed by applying an electrical field [1]. As consequence, two nonvolatile states exist that can be switched by an electrical field. This feature makes ferroelectrics ideally suited for nonvolatile memories with low write energy. Therefore, already in the 1950s first attempts have been made to realize ferroelectric nonvolatile memories based on ferroelectric barium titanate (BTO) crystals having evaporated electrodes on both sides [2]. The success of this approach was hindered by disturb issues that could be solved in the early 1990s by adding a transistor device as a selector [3]. Such a memory is referred to as a ferroelectric random access memory (FeRAM). Since reading of the ferroelectric polarization from a capacitor requires switching of the ferroelectric [1], the information will be destroyed and a write back is necessary. This can be avoided if the ferroelectric is placed inside of the gate stack of a MOS transistor resulting in a ferroelectric field effect transistor (FeFET) [1]. Conventional ferroelectric materials like BTO or lead- zirconium titanate (PZT) cannot be placed directly on silicon since unwanted interface reactions will occur. The necessary interface layer together with the space charge region of the transistor device leads to a rather low capacitance in series with the ferroelectric dielectric and consequently results in a strong depolarization field that has destroyed the nonvolatility of the FeFET device for many years and hinters scaling as well [4]. Today FeRAM devices are established on the market [3,5], but are limited to niche application since scaling is hindered by many integration problems associated to materials like PZT.

With the increasing demand for faster communication systems, soon data rates in the terabit regime (100 Gbit/s and beyond) are required, which yields new challenges for the design of analog-to-digital converters (ADCs) since high bandwidths imply high sampling rates. For sampling rates larger than 300MHz, which we now achieve with 5G, the ADC power consumption per conversion step scales quadratically with the sampling rate. Thus, ADCs become a major energy consumption bottleneck. To circumvent this problem, we consider digital receivers based on 1-bit quantization and oversampling. We motivate this concept by a brief comparison of the energy efficiency of a recently proposed system employing 1-bit quantization and oversampling to the conventional approach using high resolution quantization and Nyquist rate sampling. Our numerical results show that the energy efficiency can be improved significantly by employing 1-bit quantization and oversampling at the receiver at the cost of increased bandwidth. The main part of this work is concerned with the synchronization of fully digital receivers using 1-bit quantization and oversampling. As a first step, we derive performance bounds for phase, timing, and frequency estimation in order to gain a deeper insight into the impact of 1-bit quantization and oversampling. We identify uniform phase and sample dithering as crucial to combat the non-linear behavior introduced by 1-bit quantization. This dithering can be implemented by sampling at an irrational intermediate frequency and with an oversampling factor with respect to the symbol rate that is irrational, respectively. Since oversampling results in noise correlation, a closed form expression of the likelihood function is not available. To enable an analytical treatment we thus study a system model with white noise by adapting the receive filter bandwidth to the sampling rate. Considering the aforementioned dithering, we obtain very tight closed form lower bounds on the Cramér-Rao lower bound (CRLB) in the large sample regime. We show that with uniform phase and sample dithering, all large sample properties of the CRLB of the unquantized receiver are preserved under 1-bit quantization, except for a signal-to-noise ratio (SNR) dependent performance loss that can be decreased by oversampling. For the more realistic colored noise case, we discuss a numerically computable upper bound of the CRLB and show that the properties of the CRLB for white noise still hold for colored noise except that the performance loss due to 1-bit quantization is reduced. Assuming a neglectable frequency offset, we use the least squares objective function to derive a typical digital matched filter receiver with a data-and timing-aided phase estimator and a timing estimator that is based on square time recovery. We show that both estimators are consistent under very general assumptions, e.g., arbitrary colored noise and stationary ergodic transmit symbols. Performance evaluations are done via simulations and are compared against the numerically computable upper bound of the CRLB. For low SNR the estimators perform well but for high SNR they converge to an error floor. The performance loss of the phase estimator due to decision-directed operation or estimated timing information is marginal. In summary, we have derived practical solutions for the design of fully digital receivers using 1-bit quantization and oversampling and presented a mathematical analysis of the proposed receiver structure. This is an important step towards enabling energy efficient future wireless communication systems with data rates of 100 Gbit/s and beyond.

Ground-based weather radars provide information on the temporal evolution and the spatial distribution of precipitation on a macroscopic scale over a large area. However, the echoes measured by weather radars are always a superposition of forward and backward scattering effects which complicates their interpretation. The use of polarisation diversity enhances the number of independent observables measured simultaneously. This allows an effective separation of forward and backward scattering effects. Furthermore, it extends the capability of weather radars to retrieve also microphysical information about the precipitation. The dissertation at hand introduces new aspects in the field of polarimetric, ground-based, monostatic weather radars at S-, C-, and X-band. Relations are provided to change the polarisation basis of reflectivities. A fully polarimetric weather radar measurement at circular polarisation basis is analysed. Methods to check operationally the polarimetric calibration of weather radars operating at circular polarisation basis are introduced. Moreover, attenuation correction methods for weather radar measurements at linear horizontal / vertical polarisation basis are compared to each other, and the robustly working methods are identified. / Bodengebundene Wetterradare bieten Informationen über die zeitliche Entwicklung und die räumliche Verteilung von Niederschlag in einer makroskopischen Skala über eine große Fläche. Die Interpretation der Wetterradarechos wird erschwert, da sie sich aus einer Überlagerung von Vorwärts- und Rückwärtsstreueffekten ergeben. Die Anzahl der unabhängigen Wetterradarmessgrößen kann durch den Einsatz von Polarisationsdiversität erhöht werden. Dies ermöglicht eine effektive Trennung von Vorwärts- und Rückwärtsstreueffekten. Desweiteren erlaubt es die Bestimmung von mikrophysikalischen Niederschlagsparametern. Die vorliegende Dissertation betrachtet neue Aspekte für polarimetrische, bodengebundene, monostatische Wetterradare im S-, C- und X-Band. Gleichungen zur Polarisationsbasistransformation von Reflektivitätsmessungen werden eingeführt. Eine vollpolarimetrische Wetterradarmessung in zirkularer Polarisationsbasis wird analysiert. Neue Methoden, die eine Überprüfung der polarimetrischen Kalibrierung von Wetterradarmessungen in zirkularer Polarisationsbasis erlauben, werden betrachtet. Weiterhin werden Methoden zur Dämpfungskorrektur von Wetterradarmessungen in linearer horizontaler / vertikaler Polarisationsbasis miteinander verglichen und Empfehlungen von zuverlässigen Methoden gegeben.

Die Arbeit ordnet sich in das Gebiet der unscharfen Klassifikation ein und stellt im Detail eine Weiterführung der Forschung zur Fuzzy-Pattern-Klassifikation dar. Es handelt sich dabei um eine leistungsfähige systemtheoretische Methodik zur klassifikatorischen Modellierung komplexer, hochdimensionaler, technischer oder nichttechnischer Systeme auf der Basis von metrischen Messgrößen und/oder nichtmetrischen Experten-Bewertungen. Die Beschreibung der Unschärfe von Daten, Zuständen und Strukturen wird hierbei durch einen einheitlichen Typ einer Zugehörigkeitsfunktion des Potentialtyps realisiert. Ziel der Betrachtungen ist die weiterführende Nutzung des bestehenden Klassenmodells zur unscharfen Beschreibung nichtkonvexer Objektmengenmorphologien. Ausgehend vom automatischen datengetriebenen Aufbau der konvexen Klassenbeschreibung, deren vorteilhaften Eigenschaften sowie Defiziten wird im Rahmen der Arbeit eine Methodik vorgestellt, die eine Modellierung beliebiger Objektmengenmorphologien erlaubt, ohne das bestehende Klassifikationskonzept zu verlassen. Kerngedanken des Vorgehens sind: 1.) Die Aggregation von Fuzzy-Pattern-Klassen auf der Basis so genannter komplementärer Objekte. 2.) Die sequentielle Verknüpfung von Fuzzy-Pattern-Klassen und komplementären Klassen im Sinne einer unscharfen Mengendifferenz. 3.) Die Strukturierung des Verknüpfungsprozesses durch die Clusteranalyse von Komplementärobjektmengen und damit der Verwendung von Konfigurationen aus komplementären Fuzzy-Pattern-Klassen. Das dabei gewonnene nichtkonvexe Fuzzy-Klassifikationsmodell impliziert eine Vernetzung von Fuzzy-Klassifikatoren in Form von Klassifikatorbäumen. Im Ergebnis entstehen Klassifikatorstrukturen mit hoher Transparenz, die - neben der üblichen zustandsorientierten klassifikatorischen Beschreibung in den Einzelklassifikatoren - zusätzliche Informationen über den Ablauf der Klassifikationsentscheidungen erfassen. Der rechnergestützte Entwurf und die Eigenschaften der entstehenden Klassifikatorstruktur werden an akademischen Teststrukturen und realen Daten demonstriert. Die im Rahmen der Arbeit dargestellte Methodik wird in Zusammenhang mit dem Fuzzy-Pattern-Klassifikationskonzept realisiert, ist jedoch aufgrund ihrer Allgemeingültigkeit auf eine beliebige datenbasierte konvexe Klassenbeschreibung übertragbar. / This work contributes to the field of fuzzy classification. It dedicates itself to the subject of "Fuzzy-Pattern-Classification", a versatile method applied for classificatory modeling of complex, high dimensional systems based on metric and nonmetric data, i.e. sensor readings or expert statements. Uncertainties of data, their associated morphology and therewith classificatory states are incorporated in terms of fuzziness using a uniform and convex type of membership function. Based on the properties of the already existing convex Fuzzy-Pattern-Class models and their automatic, data-driven setup a method for modeling nonconvex relations without leaving the present classification concept is introduced. Key points of the elaborated approach are: 1.) The aggregation of Fuzzy-Pattern-Classes with the help of so called complementary objects. 2.) The sequential combination of Fuzzy-Pattern-Classes and complementary Fuzzy-Pattern-Classes in terms of a fuzzy set difference. 3.) A clustering based structuring of complementary Fuzzy-Pattern-Classes and therewith a structuring of the combination process. A result of this structuring process is the representation of the resulting nonconvex fuzzy classification model in terms of a classifier tree. Such a nonconvex Fuzzy-Classifier features high transparency, which allows a structured understanding of the classificatory decision in working mode. Both the automatic data-based design as well as properties of such tree-like fuzzy classifiers will be illustrated with the help of academic and real word data. Even though the proposed method is introduced for a specific type of membership function, the underlying idea may be applied to any convex membership function.

In power electronics, the switched converter plays a fundamental role in the efficient conversion and dynamical control of electrical energy. Due to the switching operation of these systems, overlaid disturbances come into existence in addition to the desired behavior of the variables, causing deviations in the current and voltages. From a control perspective, these disturbances are of no interest since they cannot be compensated. They can even alter the measurements given to the control system, affecting its behavior. Furthermore, during the control design, averaged models are often used, by which the switching operation is somehow disregarded. They consider instead the average behavior of the system variables. Thus, it is essential that the measuring setup provides a measurement of the average value to the control system. To accomplish this goal, there are in practice different approaches. For example, the disturbances originated by the switching operation can be either suppressed using an analog or digital filter, or the sampling of the variables can be carried out in a suitable manner, synchronous to the carrier of the modulation method. Unfortunately, the use of filters adds an extra phase shift or delay to the control loop, reducing its dynamical performance. Moreover, the synchronous sampling method provides a good approximation of the average value only if certain conditions are met, otherwise a distortion due to aliasing takes place. A method is developed in this work to predict, in every switching cycle, the average value of the system variables in a switched power converter. In this context, the work presents an alternative method to carry out the measurement of the average value, avoiding the principal drawbacks of the standard measuring methods. To achieve this, a suitable model of the converter is used, incorporating the modulation method and the type of analog-to-digital converter, either a conventional sample-and-hold or a sigma-delta converter. The measurement given by the analog-to-digital converter is used to predict the time behavior of the system variables during the present switching period and then to evaluate its average value, before the period is completed. The method allows to obtain simultaneously the average value of currents and voltages, to get rid of the delay introduced by filtering, and to avoid the drawback of sampling in the measurement, i.e. aliasing. In this work, an overview of the standard measuring methods for switched power converters is first presented. The problematics that arise from the sampling process are also discussed. Next, the theoretical grounds of the method are developed and the tools needed to implement it are derived. To illustrate its applicability, the method is used first in DC-DC converters, where the case of the buck converter is analyzed in detail. Similarly, the method is applied to a three-phase two-level voltage source converter. In both cases, simulation results and experimental verification are presented for different operational modes. The usage of the method in open and closed loop is discussed, and its effect in the system behavior is shown. The performance of the prediction method is contrasted with other standard measuring methods.