Die Diplomarbeit mit dem Thema: 'Konzeption und Herstellung von Systemdemonstratoren für miniaturisierte Im-Ohr-Lautsprecher mit drahtlosen Kommunikationsschnittstellen' konzentriert sich auf die Auslegung einer Schaltung eines neuartigen Lautsprechers, welche auf dem Prinzip der NED-Aktoren ('Nanoskaliger elektrostatischer Antrieb') arbeiten. Des Weiteren werden Gehäuse für die Im-Ohr-Anwendung als auch die Freifeldanwendung entwickelt.:Symbolverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 2 Stand der Technik 2.1 Im-Ohr-Lautsprecher 2.2 Drahtlose Kommunikation 2.3 Kommerzielle Piezotreiber 3 Anforderungen an den Systemdemonstrator 4 Chipaufnahme 4.1 Anforderung 4.2 Konzeption und Umsetzung 5 Drahtlose Kommunikation 5.1 Anforderung 5.2 Konzept 5.3 Umsetzung 6 Verstärker 6.1 Anforderung 6.2 Konzeption und Umsetzung 6.2.1 Validierung des DRV2700 6.2.2 Thermisches Management der Verstärkerschaltung 6.3 Modellierung des Gehäuses für die Elektronik 7 Im-Ohr-Demonstrator 7.1 Anforderung 7.2 Konzeption und Umsetzung 8 Horn-Demonstrator 8.1 Anforderung 8.2 Konzeption und Umsetzung 9 Ergebnisse 9.1 Chipaufnahme 9.2 Verstärker 9.3 Gehäuse für Elektronik 9.4 Im-Ohr-Lautsprecher 9.5 Akustisches Horn 10 Realisierung mittels Entwicklungsplatine 11 Diskussion und Ausblick 12 Zusammenfassung Literatur Selbstständigkeitserklärung Anhang

As modern microelectronics advances, enormous challenges have to be overcome in order to further increase device performance, enabling highspeed and ultra-low-power applications. With progressive scaling of Silicon MOSFETs, charge carrier mobility has dropped significantly and became a critical device parameter over the last decade. Present technology nodes make use of strain engineering to partially recover this mobility loss. Even though carrier mobility is a crucial parameter for present technology nodes, it cannot be determined accurately by methods typically available in industrial environments. A major objective of this work is to study the magnetoresistance mobility μMR of strained VLSI devices based on a 28 nm ground rule. This technique allows for a more direct access to charge carrier mobility, compared to conventional current/ voltage and capacitance/ voltage mobility derivation methods like the effective mobility μeff, in which series resistance, inversion charge density and effective channel length are necessary to extract the mobility values of the short channel devices. Aside from providing an anchor for accurate μeff measurements in linear operation conditions, μMR opens the possibility to investigate the saturation region of the device, which cannot be accessed by μeff. Electron and hole mobility of nFET and pFET devices with various gate lengths are studied from linear to saturation region. In addition, the interplay between mobility enhancement due to strain improvement, and mobility degradation due to short channel effects with decreasing channel length is analyzed. As a concept device for future nanoelectronic building blocks, silicon nanowire Schottky field-effect transistors are investigated in the second part of this work. These devices exhibit an ambipolar behaviour, which gives the opportunity to measure both electron and hole transport on a single device. The temperature dependence of the source/drain current for specific gate and drain voltages is analyzed within the framework of voltage dependent effective barrier heights.:1. Einleitung 2. Theoretische Grundlagen 3. Charakterisierungsmethoden 4. Messaufbau 5. Ergebnisse der Untersuchungen an MOSFETs 6. Ergebnisse der Untersuchungen an SiNW Transistoren 7. Zusammenfassung Anhang Danksagungen

Thin-film silicon tandem solar cells based on a hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) top-cell and a hydrogenated microcrystalline silicon (μc-Si:H) bottom-cell are a promising photovoltaic technology as they use a combination of absorber materials that is ideally suited for the solar spectrum. Additionally, the involved materials are abundant and non-toxic which is important for the manufacturing and application on a large scale. One of the most important factors for the application of photovoltaic technologies is the cost per watt. There are several ways to reduce this figure: increasing the efficiency of the solar cells, reducing the material consumption and increasing the throughput of the manufacturing equipment. The use of very-high frequencies has been proven to be beneficial for the material quality at high deposition rates thus enabling a high throughput and high solar cell efficiencies. In the present work a scalable very-high frequency plasma-enhanced chemical vapor deposition (VHF-PECVD) technique for state-of-the-art solar cells is developed. Linear plasma sources are applied which facilitate the use of very-high frequencies on large areas without compromising on the homogeneity of the deposition process. The linear plasma sources require a dynamic deposition process with the substrate passing by the electrodes in order to achieve a homogeneous deposition on large areas. State-of-the-art static radio-frequency (RF) PECVD processes are used as a reference in order to assess the potential of a dynamic VHF-PECVD technique for the growth of high-quality a-Si:H and μc-Si:H absorber layers at high rates. In chapter 4 the influence of the deposition process of the μc-Si:H i-layer on the solar cell performance is studied for static deposition processes. It is shown that the correlation between the i-layer growth rate, its crystallinity and the solar cell performance is similar for VHF- and RF-PECVD processes despite the different electrode configurations, excitation frequencies and process regimes. It is found that solar cells incorporating i-layers grown statically using VHF-PECVD processes obtain a state-of-the-art efficiency close to 8 % for growth rates up to 1.4 nm/s compared to 0.53 nm/s for RF-PECVD processes. The influence of dynamic deposition processes on the performance of μc-Si:H solar cells is studied. It is found that μc-Si:H solar cells incorporating dynamically grown i-layers obtain an efficiency of 7.3 % at a deposition rate of 0.95 nm/s. There is a small negative influence of the dynamic deposition process on the solar cell efficiency compared to static deposition processes which is related to the changing growth conditions the substrate encounters during a dynamic i-layer deposition process. The changes in gas composition during a dynamic i-layer deposition process using the linear plasma sources are studied systematically using a static RF-PECVD regime and applying a time-dependent gas composition. The results show that the changes in the gas composition affect the solar cell performance if they exceed a critical level. In chapter 5 dynamic VHF-PECVD processes for a-Si:H are developed in order to investigate the influence of the i-layer growth rate, process parameters and deposition technique on the solar performance and light-induced degradation. The results in this work indicate that a-Si:H solar cells incorporating i-layers grown dynamically by VHF-PECVD using linear plasma sources perform as good and better as solar cells with i-layers grown statically by RF-PECVD at the same deposition rate. State-of-the-art stabilized a-Si:H solar cell efficiencies of 7.6 % are obtained at a growth rate of 0.35 nm/s using dynamic VHF-PECVD processes. It is found that the stabilized efficiency of the a-Si:H solar cells strongly decreases with the i-layer deposition rate. A simplified model is presented that is used to obtain an estimate for the deposition rate dependent efficiency of an a-Si:H/μc-Si:H tandem solar cell based on the photovoltaic parameters of the single-junction solar cells. The aim is to investigate the individual influences of the a-Si:H and μc-Si:H absorber layer deposition rates on the performance of the tandem solar cell. The results show that a high deposition rate of the μc-Si:H absorber layer has a much higher potential for reducing the total deposition time of the absorber layers compared to high deposition rates for the a-Si:H absorber layer. Additionally, it is found that high deposition rates for a-Si:H have a strong negative impact on the tandem solar cell performance while the tandem solar cell efficiency remains almost constant for higher μc-Si:H deposition rates. It is concluded that the deposition rate of the μc-Si:H absorber layer is key to reduce the total deposition time without compromising on the tandem solar cell performance. The developed VHF-PECVD technique using linear plasma sources is capable of meeting this criterion while promoting a path to scale the processes to large substrate areas.

Eine Studie zur kovalenten Immobilisierung einiger Porphyrinderivate und einer p-Maleimidophenyl-Spezies (p-MP) auf der Si(111)-Oberfläche wird vorgestellt. Hierbei lag der Schwerpunkt auf der Untersuchung des Einflusses von Reaktionsparametern auf die Abscheidung und die Qualität organischer Schichten. Die dünnen Schichten werden mittels nasschemischer Methoden abgeschieden. Die hergestellten Strukturen werden mit einer Vielzahl oberflächensensitiver Messtechniken wie der IR-Ellipsometrie, der XPS-, der SEIRA- und der IR-Reflexionsspektroskopie analysiert. Alle Abscheidungen in dieser Arbeit werden in situ durchgeführt, zusätzlich zu den ex situ Reaktionen, um das Verständnis der Filmwachstums- und Depositionsgeschwindigkeiten zu erhalten. Bei der Untersuchung der Porphyrin-Dünnschichten lag der Fokus auf den synthetische Bedingungen der Materialabscheidung. Die Lösungsreaktionen zeigen, dass die Reaktion mit dem voraktivierten Porphyrinderivat zu einer besseren Ausbeute führt als mit dem in situ aktivierten Porphyrin. Wenn diese Reaktion jedoch unter Verwendung des Schicht-für-Schicht-Abscheidungsprinzips auf die Oberfläche übertragen wird, findet die Reaktion mit den oberflächengebundenen Aminosilanmolekülen mit einer viel langsameren Geschwindigkeit statt als die gleiche Reaktion in Lösung. Es wird ein alternativer Syntheseansatz vorgeschlagen, bei dem das Produkt in Lösung hergestellt und dann auf dem oxidierten Si-Substrat abgeschieden wird. Eine weitere in situ-Studie zum p-MP-Elektropfropfen auf der H-terminierten Si(111)-Oberfläche liefert Details zur Dünnschichtbildung im monolagigen und im sub-monolagigen Bereich. Die spontane Pfropfung von p-MP wird ebenfalls in situ überwacht. Es wurde festgestellt, dass die Bildung einer Monoschicht während der stromlosen Abscheidung länger dauert als bei einer elektrochemischen Abscheidung. Als Alternative zum Radikalmechanismus wird ein kationischer Mechanismus vorgeschlagen. / A study on the covalent immobilization of a couple of porphyrin derivatives and a p-maleimidophenyl species (p-MP) on Si(111) surface is presented to investigate how do reaction parameters influence the deposition and the quality of organic layers. The thin films are deposited with “wet chemistry” methods. The prepared structures are analyzed with a variety of surface sensitive techniques, namely, IR ellipsometry, XPS, SEIRA, and IR reflection spectroscopy. All depositions in this work are conducted in situ, in addition to the ex situ reactions, to gain an understanding of the film growth and deposition rates. The study on porphyrin thin films focused on the synthetic conditions of material deposition. Solution reactions indicate that the reaction with the pre-activated porphyrin derivative leads to a better yield than with the in situ-activated porphyrin. However, when this reaction is transferred to the surface by using the layer-by-layer deposition approach, the reaction with the surface-bound aminosilanes molecules takes place at a much slower rate than the same reaction in solution. An alternative synthetic approach, where the product is prepared in solution and then deposited on the oxidized Si substrate, is proposed. A parallel in situ study on p-MP electrografting on the H-terminated Si(111) surface provides details on the thin film formation in a monolayer and a sub-monolayer regime. The spontaneous grafting of p-MP is also monitored in situ. It was found that the formation of a monolayer during the electroless deposition takes longer than an electrochemical deposition. A cationic mechanism is proposed as an alternative to a radical mechanism.

Die Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) ist eine element-spezifische Charakterisierungs-methode, welche es erlaubt die elektronische und chemische Struktur der SEI zu untersuchen. In dieser Arbeit stelle ich ein neues Verfahren vor, das die Transmissions-XAS von Flüssigkeiten und Dünnschicht-Batterieelektroden unter in-situ Bedingungen mit weicher Röntgenstrahlung ermöglicht. Thematisch ist die Arbeit in zwei Teile gegliedert. Das neuartige Verfahren wird zunächst umfangreich vorgestellt und dann zur Untersuchung der Solid Electrolyte Interphase (SEI) auf Silizium angewendet. Das Verfahren basiert auf einer elektrochemischen Halbzelle, die mit einem Stapel aus zwei Siliziumnitrid-Membranfenster ausgestattet ist, um den Elektrolyten einzuschließen. Eines der Membranfenster ist gleichzeitig der Träger für die Dünnschicht-Siliziumanode, die Ladezyklen mit einer Kathode aus metallischem Lithium durchläuft. Nachdem sich die SEI gebildet hat, wird mittels eines Röntgenstrahls von hoher Intensität vorsätzlich eine Blase erzeugt, um überschüssigen Elektrolyten abzudrängen und einen dünnen Elektrolytfilm über der SEI zu stabilisieren. Durch den Elektrolytfilm bleibt die SEI in-situ. Das erzeugte System aus Blase, Elektrolytfilm, SEI und Siliziumanode wird dann mittels Transmissions-XAS untersucht. Im zweiten Teil meiner Arbeit werden dann Silizium Dünnschicht-Anoden mit dem vorgestellten Verfahren am Elektronenspeicherring BESSY II in Berlin untersucht. Bei der elektrochemischen Charakterisierung zeigen die Dünnschicht-anoden alle für die De-/Lithiierung von Silizium üblichen Merkmale. Als Hauptbestandteile der SEI wurden Lithiumacetat, Li Ethylendicarbonat oder -monocarbonat, Li Acetylacetonat, LiOH und LiF ermittelt. Darüber hinaus deuten Anzeichen von Aldehyden auf flüssige Einschlüsse in einer möglich-erweise porösen SEI Struktur hin. / X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) is an element-specific technique, which allows to probe the electronic and chemical structure of the SEI. In this work, I introduce a novel approach for transmission XAS on liquids and thin-film battery electrode materials under in-situ conditions in the soft X-ray regime. Thematically, this work is divided into two parts: 1) the introduction of this novel method and 2) its application to investigate the Solid Electrolyte Interphase (SEI) on silicon thin film anodes. The presented technique is based on an electrochemical half-cell equipped with a sandwich of two silicon nitride membrane windows to encapsulate the electrolyte. One of the membranes acts as substrate for the silicon thin-film anode, which is cycled with a metallic lithium counter-electrode. After the SEI has formed, a gas bubble is intentionally introduced through radiolysis by a high intensity X-ray to push out excessive electrolyte and stabilize a thin electrolyte layer on top of the SEI, keeping it in-situ. The obtained stack comprised of bubble, electrolyte thin-layer, SEI and anode, is then probed with transmission XAS. The second part of this work utilizes the presented method to investigate the SEI on amorphous silicon anodes at the BESSY II synchrotron facility in Berlin. The anodes’ electrochemical characterization shows all significant features of silicon’s de-/lithiation. The SEI’s main components are determined as Li acetate, Li ethylene di-carbonate or Li ethylene mono-carbonate, Li acetylacetonate, LiOH, and LiF. Additionally, the evidence for aldehyde species indicates possible liquid inclusions within a presumably porous SEI morphology.

Heteroübergänge, die aus (in)organischen/(in)organischen Materialien bestehen, spielen eine entscheidende Rolle für die Leistung optoelektronischer Bauteile. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt hauptsächlich auf der elektronischen Struktur dieser Heteroübergänge, insbesondere der Ausrichtung der Energieniveaus (ELA) an verschiedenen Heteroübergangsschnittstellen, die mit Photoelektronenspektroskopie gemessen wird. Zusätzlich wird die Geräteleistungen mit den PES-Ergebnissen verglichen, um weitere Verbesserung zu ermöglichen. MoOx/n-Si und PEDOT:PSS/n-Si Heteroverbindungen sind aktive Schichten von Solarzellen und mit PES kann direkt, die Groessen der Bandverbiegung auf der n-Si-Seite gemessen werden. Obwohl die Bandverbiegung für einen MoOx/n-Si-Heteroübergang (0,80 eV) größer ist als die von PEDOT:PSS/n-Si (0,71 eV), weisen die entsprechenden Solarzellen (MoOx/n-Si) aufgrund der mangelhaften Passivierung von n-Si und der geringeren Dünnschichtleitfähigkeit von MoOx einen schlechteren Wirkungsgrad (auf. Die Untersuchung der elektronischen Struktur Duenner Schichten aus Perowskit (CH3NH3PbI3) oder Vanadiumdioxid zeigt, dass die Austrittsarbeit durch die Oberflächenkomponenten dramatisch beeinflusst werden kann, wodurch die ELA mit dem prototypischen organischen Lochtransportmaterial N,N′-di(1-naphthyl)-N,N′-diphenylbenzidin (NPB) variiert wird. Bei den CH3NH3PbI3-Dünnschichten, die mit verschiedenen Methoden hergestellt werden, korreliert das Verhältnis der beiden Kohlenstoffarten auf der Oberfläche mit der Variation der Austrittsarbeit. Wie bei der VO2-Oberfläche kann die Austrittsarbeit durch Ändern des Verhältnisses von Sauerstoff und Vanadium auf der Oberfläche von 4,4 eV auf 6,7 eV abgestimmt werden. Belege für eine starke Ferminiveau-Pinning und die damit verbundene Energieniveaubiegung in NPB finden sich für stöchiometrisches VO2 (WF=6,7 eV), wodurch ein ohmscher Kontakt für Löcher entsteht, der als Lochinjektionskontakt in Bauteilen verwendet werden kann. / Heterojunctions, comprised by (in)organic/(in)organic materials, play a crucial role in determining the performance of optoelectronic devices. The focus of this work is mainly on the electronic structure of heterojunctions present in the optoelectronic devices, in particular the energy level alignment (ELA) at different heterojunction interfaces, by employing photoelectron spectroscopy (PES). Furthermore, interface energetics are correlated with the device performances in order to guide the future improvement. MoOx/n-Si and PEDOT:PSS/n-Si heterojunctions are active layers in solar cells and PES measurements give direct band bending magnitudes generated at the n-Si. Even though the band bending magnitude of the MoOx/n-Si heterojunction (0.80 eV) is larger than that of the PEDOT:PSS/n-Si (0.71 eV), the corresponding solar cells (MoOx/n-Si) show inferior power conversion efficiency (PCE), due to the deficient passivation of n-Si and lower thin film conductivity of MoOx. The investigations of electronic structure of perovskite (CH3NH3PbI3) and vanadium dioxide (VO2) thin films show that the work function can be dramatically affected by the surface components, which subsequently varies the ELA with the deposited prototypical organic hole transport material N,N′-di(1-naphthyl)-N,N′-diphenylbenzidine (NPB). As for the CH3NH3PbI3 thin films fabricated by different methods, the ratio of the two C 1s species (CH3NH3+ and CH3+) on the surface correlates with variation of the work function. As for the VO2 thin film, the work function can be tuned from 4.4 eV to 6.7 eV by changing the ratio of oxygen and vanadium on the surface. Evidence for strong Fermi-level pinning and the associated energy-level bending in NPB is found for the clean and stoichiometric VO2 (WF=6.7 eV), rendering an Ohmic contact for holes, which can be utilized as a hole injection contact into the devices.

This thesis provides also a detailed stepwise guideline on the data analysis for scanning X-ray diffraction experiments at a modern synchrotron radiation source. / Halbleiterbasierte Spin-Qubits in elektrostatischen Quantenpunkten haben vor Kurzem ein technologisches Niveau erreicht, welches lange Kohärenzzeiten und hohe Fidelitäten ermöglicht. Diese Eigenschaften sind wichtig, um eine große Anzahl von Qubits zu realisieren, welche durch adiabatische Ladungstransporte miteiander verbunden werden sollen. Allerdings können lokale Fluktuationen der Gitterverspannung im aktiven Material die Spinzustände stören, da sie das elektrostatische Potential beeinflussen. Diese Arbeit untersucht die Gitterverspannung in funktionalen Loch-Spin-Qubits und in Bauelementen für kohärenten Elektronentransport, welche auf epitaktischen Ge/Si0.20Ge0.80 und Si/Si0.66Ge0.34 Heterostrukturen mit metallischen Elektroden basieren. Die experimentelle Herausforderung besteht darin, zugleich eine hohe Sensitivität für die Gitterdeformation und eine räumliche Auflösung auf der Nanometerskala zu erreichen. Dies wird durch rasternde Röntgenbeugungsmikroskopie an der Strahllinie ID01/ESRF ermöglicht, welche eine Abbildung des Verspannungstensors mit einer lateralen Auflösung von ≤ 50 nm in bis zu 10 nm-dünnen epitaktischen Quantentöpfen ermöglicht. Die Untersuchung von vier verschiedenen Quantenbauteilen zeigt Modulationen der Gitterverspannung von 10−4 − 10−3 auf, welche durch die Elektroden und die plastische Entspannung der Heterostruktur verursacht sind. Diese Modulationen werden in räumliche Fluktuationen der Bandkantenniveaus von einer Größenordnung von mehreren meV übersetzt, die damit ähnlich zu den Abständen der orbitalen Energieniveaus der Quantenpunkte sind. Folglich stellt diese Arbeit wichtige Informationen für die Realisierung eines skalierbaren Quantenprozessors durch eine Berücksichtigung der lokalen Materialeigenschaften bereit / Semiconductor spin qubits featuring gate-defined electrostatic quantum dots have recently reached a maturity level enabling long spin coherence times and high fidelity. These characteristics are of paramount importance in the realization of large arrays of qubits interconnected by adiabatic charge shuttling. However, spin coherence can be strongly affected by local fluctuations of the lattice strain in the active material, since they impact the electrostatic potential. This work explores strain fluctuations in functional hole spin qubits and coherent electron shuttling devices based on epitaxial Ge/Si0.20Ge0.80 and Si/Si0.66Ge0.34 heterostructures with metallic electrodes. The main experimental challenge is to simultaneously achieve high sensitivity to the lattice deformation together with nanoscale spatial resolution. These requirements are met by Scanning X-ray Diffraction Microscopy at the synchotron beamline ID01/ESRF, which allows spatial mapping with ≤ 50 nm lateral resolution of the strain tensor in quantum well layers as thin as 10 nm. The analysis of four different devices highlights local modulations of the strain tensor components in the range of 10−4 − 10−3 induced by the gate electrodes and the plastic relaxation of the heterostructure. By means of band perturbation calculations, these strain fluctuations are translated into spatial modulations of the band edge energy levels. These perturbations are found to be of a few meV and thus on a similar magnitude as the orbital energy of the quantum dots. As such, this work provides important information for the realization of a scalable quantum processor with coherent interconnects by considering local material properties.

In this paper, we present the design guidelines for a tunable optical isolator in an SOI-based ring resonator with two small time-modulated regions. By considering a physical model, the proper geometrical and modulation parameters are designed, based on a standard CMOS foundry process. The effect of the variation of the key parameters on the performance of the isolator is explained by two counter-acting mechanisms, namely the separation between the resonance frequencies of counter-rotating modes and energy transfer to the side harmonic. We show that there is a trade-off between these parameters to obtain maximum isolation. Consequently, by applying the quadrature phase difference one can obtain the maximum separation between the resonance frequencies and hence the minimum insertion loss, while the maximum isolation is obtained at the modulation phase difference of −0.78π , which leads to a higher insertion loss. Robustness of the design is investigated through a sensitivity analysis for the fabrication variations in the distance and width of the modulated regions. We demonstrate that there is a trade-off between isolation and insertion loss, and by varying the modulation parameters, we can achieve isolation of 18 (5) dB with 7 (1.8) dB insertion loss.

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

Indirekte Halbleiter, wie beispielsweise Silizium, zählen bei technischen Anwendungen zu den wichtigsten halbleitenden Materialien. Die indirekte Bandstruktur führt jedoch dazu, dass diese Materialien schlechte Lichtemitter sind. Die theoretische Beschreibung der optischen Eigenschaften dieser Materialien wurde in früheren Betrachtungen über phänomenologische Ansätze verfolgt. In dieser Arbeit wird eine mikroskopische Theorie, basierend auf den Heisenberg-Bewegungsgleichungen, entwickelt, um die Prozesse im Bereich der indirekten Energielücke zu beschreiben. Nach Herleitung der relevanten Gleichungen wird im ersten Anwendungskapitel die Absorption und optische Verstärkung im thermischen Gleichgewicht diskutiert. Bei der Diskussion wird insbesondere auf den Unterschied zu direkten Halbleitern eingegangen. Es zeigt sich, dass sich die optische Verstärkung in indirekten Halbleitern fundamental von denen in direkten unterscheidet. Im Gegensatz zum direkten Halbleiter kann die maximale optische Verstärkung eines indirekten Übergangs die maximale Absorption um Größenordnungen übertreffen. Im zweiten Anwendungsteil werden Nichtgleichgewichtsphänomene diskutiert. Durch starke optische Anregung kann eine hohe Elektronenkonzentration am Gamma-Punkt erzeugt werden. Da das globale Bandstrukturminimum aber am Rand der Brillouinzone liegt, verweilen die Elektronen nicht lange dort, sondern streuen in das Leitungsbandminimum. Dieser Prozess der sogenannten Intervalley-Streuung wird im Hinblick auf Gedächtniseffekte diskutiert. Nach dem Streuprozess der Elektronen besitzt das System eine Überschussenergie, die sich in einem Aufheizen der Ladungsträger zeigt. Das zweite Nichtgleichgewichtsphänomen ist das Abkühlen des Lochsystems, welches aufgrund der Trennung der Elektronen und Löcher in indirekten Halbleiter auch im Experiment getrennt untersucht werden kann. Mithilfe eines Experiment-Theorie-Vergleichs wird ein schneller Elektron-Loch-Streuprozess nachgewiesen, der dazu führt, dass in indirekten Halbleitern das Thermalisieren und Equilibrieren der Elektronen und Löcher auf der gleichen Zeitskala stattfindet.