I) Introduction p-Conjugated polymers inherently combine electronic properties of inorganic semiconductor crystals and material characteristics of organic plastics due to their special molecular design. This unique combination has led to developing new unconventional optoelectronic technologies and, further, resulted in the evolution of semiconducting polymers (SCPs) as fundamental components for novel electronic devices, such as organic field-effect transistors (OFETs), organic light-emitting diodes (OLEDs) and organic solar cells (OSCs).[1–5] Moreover, the material flexibility, capability for thin-film formation, and solution processibility additionally allow utilizing modern printing technologies for the large-scale fabrication of flexible, light-weight organic electronics. This especially enables to significantly increase the production speed and, moreover, to drastically reduce the costs per unit.[6, 7] In particular, transistors are the most important elements in modern functional electronic devices because of acting as electronic switches in logic circuits or in displays to control pixels. However, due to molecular arrangement and interactions, the electronic performance of SCPs cannot compete with the one of monocrystalline silicon which is used in state-of-the-art high-performance microtechnology.[5, 8] Nonetheless, intensive and continuing efforts of scientists focused on improving the performance of OFETs, with the special focus on the charge carrier mobility, by optimizing the polymer structure, processing conditions and OFET device architecture. By this, it was possible to identify crucial relationships between polymer structure, optoelectronic properties, microstructure, and OFET performance.[8] Nowadays, the interdisciplinary scientific success is represented by high-performance SCPs with charge carrier mobilities exceeding the value of amorphous silicon.[3, 9] However, further research is essential to enable developing the next generation of electronic devices for application in healthcare, safety technology, transportation, and communication. II) Objective and Results Within the scope of this doctoral thesis, current high-performance p-conjugated SCPs should be studied comprehensively to improve the present understanding about the interdependency between molecular structure, material properties and charge transport. Therefore, the extensive research approaches focused on different key aspects of high charge carrier mobility polymers for organic transistors. The performed investigations comprised the impact of, first, novel design concepts, second, precise structural modifications and, third, synthetic and processing conditions and led to the major findings listed below. 1. The design concept of tuning the p-conjugation length allows to gradually modulate physical material properties and demonstrates that a strong localization of frontier molecular orbitals in combination with a high degree of thin-film ordering can provide a favorable platform for charge transport in p-conjugated semiconducting polymers.[1] 2. The replacement of thiophene units with thiazoles in naphthalene diimide-based p- conjugated polymers allows to increase interchain interactions and to lower frontier molecular orbitals. This compensates the potentially detrimental enhancement of backbone torsion and drives the charge transport to unipolar electron transport, whereas mobility values are partially comparable with those of the respective thiophene containing analogs. 3. p-Conjugated diketopyrrolo[3,4-c]pyrrole-based copolymers can be synthesized within fifteen minutes what, in combination with avoiding aqueous washings and optimizing processing conditions, allowed an increase in morphological and energetic order and, thus, improved the charge transport properties significantly. III) Conclusion The key findings of this doctoral thesis provide new significant insights into important aspects of designing, synthesizing and processing high charge carrier mobility polymers. By this, they can guide future research to further improve the performance of organic electronic devices - decisive for driving the development and fabrication of smart, functional and wearable next-generation electronics. References [1] T. Erdmann, S. Fabiano, B. Milián-Medina, D. Hanifi, Z. Chen, M. Berggren, J. Gierschner, A. Salleo, A. Kiriy, B. Voit, A. Facchetti, Advanced Materials 2016, 28 (41), 9169–9174, DOI:10.1002/adma.201602923. [2] Y. Karpov, T. Erdmann, I. Raguzin, M. Al-Hussein, M. Binner, U. Lappan, M. Stamm, K. L. Gerasimov, T. Beryozkina, V. Bakulev, D. V. Anokhin, D. A. Ivanov, F. Günther, S. Gemming, G. Seifert, B. Voit, R. Di Pietro, A. Kiriy, Advanced Materials 2016, 28 (28), 6003–6010, DOI:10.1002/adma.201506295. [3] A. Facchetti, Chemistry of Materials 2011, 23 (3), 733–758, DOI:10.1021/cm102419z. [4] A. J. Heeger, Chemical Society Reviews 2010, 39, 2354–2371, DOI:10.1039/B914956M. [5] H. Klauk, Chemical Society Reviews 2010, 39, 2643–2666, DOI:10.1039/B909902F. [6] S. G. Bucella, A. Luzio, E. Gann, L. Thomsen, C. R. McNeill, G. Pace, A. Perinot, Z. Chen, A. Facchetti, M. Caironi, Nature Communications 2015, 6, 8394, DOI:10.1038/ncomms9394. [7] H. Sirringhaus, T. Kawase, R. H. Friend, T. Shimoda, M. Inbasekaran, W. Wu, E. P. Woo, Science 2000, 290 (5499), 2123–2126, DOI:10.1126/science.290.5499.2123. [8] D. Venkateshvaran, M. Nikolka, A. Sadhanala, V. Lemaur, M. Zelazny, M. Kepa, M. Hurhangee, A. J. Kronemeijer, V. Pecunia, I. Nasrallah, I. Romanov, K. Broch, I. McCulloch, D. Emin, Y. Olivier, J. Cornil, D. Beljonne, H. Sirringhaus, Nature 2014, 515 (7527), 384–388, DOI:10.1038/nature13854. [9] S. Holliday, J. E. Donaghey, I. McCulloch, Chemistry of Materials 2014, 26 (1), 647–663, DOI: 10.1021/cm402421p.

Silicon Nanowire (SiNW) based reconfigurable fieldeffect transistors (RFETs) provide an additional gate terminal called the program gate which gives the freedom of programming p-type or n-type functionality for the same device at runtime. This enables the circuit designers to pack more functionality per computational unit. This saves processing costs as only one device type is required, and no doping and associated lithography steps are needed for this technology. In this paper, we present a complete design flow including both logic and physical synthesis for circuits based on SiNW RFETs. We propose layouts of logic gates, Liberty and LEF (Library Exchange Format) files to enable further research in the domain of these novel, functionally enhanced transistors. We show that in the first of its kind comparison, for these fully symmetrical reconfigurable transistors, the area after placement and routing for SiNW based circuits is 17% more than that of CMOS for MCNC benchmarks. Further, we discuss areas of improvement for obtaining better area results from the SiNW based RFETs from a fabrication and technology point of view. The future use of self-aligned techniques to structure two independent gates within a smaller pitch holds the promise of substantial area reduction.

In this paper, we consider devices, circuits, and systems comprised of transistors with integrated ferroelectrics. Said structures are actively being considered by various semiconductor manufacturers as they can address a large and unique design space. Transistors with integrated ferroelectrics could (i) enable a better switch (i.e., offer steeper subthreshold swings), (ii) are CMOS compatible, (iii) have multiple operating modes (i.e., I-V characteristics can also enable compact, 1-transistor, non-volatile storage elements, as well as analog synaptic behavior), and (iv) have been experimentally demonstrated (i.e., with respect to all of the aforementioned operating modes). These device-level characteristics offer unique opportunities at the circuit, architectural, and system-level, and are considered here from device, circuit/architecture, and foundry-level perspectives.

I) Introduction p-Conjugated polymers inherently combine electronic properties of inorganic semiconductor crystals and material characteristics of organic plastics due to their special molecular design. This unique combination has led to developing new unconventional optoelectronic technologies and, further, resulted in the evolution of semiconducting polymers (SCPs) as fundamental components for novel electronic devices, such as organic field-effect transistors (OFETs), organic light-emitting diodes (OLEDs) and organic solar cells (OSCs).[1–5] Moreover, the material flexibility, capability for thin-film formation, and solution processibility additionally allow utilizing modern printing technologies for the large-scale fabrication of flexible, light-weight organic electronics. This especially enables to significantly increase the production speed and, moreover, to drastically reduce the costs per unit.[6, 7] In particular, transistors are the most important elements in modern functional electronic devices because of acting as electronic switches in logic circuits or in displays to control pixels. However, due to molecular arrangement and interactions, the electronic performance of SCPs cannot compete with the one of monocrystalline silicon which is used in state-of-the-art high-performance microtechnology.[5, 8] Nonetheless, intensive and continuing efforts of scientists focused on improving the performance of OFETs, with the special focus on the charge carrier mobility, by optimizing the polymer structure, processing conditions and OFET device architecture. By this, it was possible to identify crucial relationships between polymer structure, optoelectronic properties, microstructure, and OFET performance.[8] Nowadays, the interdisciplinary scientific success is represented by high-performance SCPs with charge carrier mobilities exceeding the value of amorphous silicon.[3, 9] However, further research is essential to enable developing the next generation of electronic devices for application in healthcare, safety technology, transportation, and communication. II) Objective and Results Within the scope of this doctoral thesis, current high-performance p-conjugated SCPs should be studied comprehensively to improve the present understanding about the interdependency between molecular structure, material properties and charge transport. Therefore, the extensive research approaches focused on different key aspects of high charge carrier mobility polymers for organic transistors. The performed investigations comprised the impact of, first, novel design concepts, second, precise structural modifications and, third, synthetic and processing conditions and led to the major findings listed below. 1. The design concept of tuning the p-conjugation length allows to gradually modulate physical material properties and demonstrates that a strong localization of frontier molecular orbitals in combination with a high degree of thin-film ordering can provide a favorable platform for charge transport in p-conjugated semiconducting polymers.[1] 2. The replacement of thiophene units with thiazoles in naphthalene diimide-based p- conjugated polymers allows to increase interchain interactions and to lower frontier molecular orbitals. This compensates the potentially detrimental enhancement of backbone torsion and drives the charge transport to unipolar electron transport, whereas mobility values are partially comparable with those of the respective thiophene containing analogs. 3. p-Conjugated diketopyrrolo[3,4-c]pyrrole-based copolymers can be synthesized within fifteen minutes what, in combination with avoiding aqueous washings and optimizing processing conditions, allowed an increase in morphological and energetic order and, thus, improved the charge transport properties significantly. III) Conclusion The key findings of this doctoral thesis provide new significant insights into important aspects of designing, synthesizing and processing high charge carrier mobility polymers. By this, they can guide future research to further improve the performance of organic electronic devices - decisive for driving the development and fabrication of smart, functional and wearable next-generation electronics. References [1] T. Erdmann, S. Fabiano, B. Milián-Medina, D. Hanifi, Z. Chen, M. Berggren, J. Gierschner, A. Salleo, A. Kiriy, B. Voit, A. Facchetti, Advanced Materials 2016, 28 (41), 9169–9174, DOI:10.1002/adma.201602923. [2] Y. Karpov, T. Erdmann, I. Raguzin, M. Al-Hussein, M. Binner, U. Lappan, M. Stamm, K. L. Gerasimov, T. Beryozkina, V. Bakulev, D. V. Anokhin, D. A. Ivanov, F. Günther, S. Gemming, G. Seifert, B. Voit, R. Di Pietro, A. Kiriy, Advanced Materials 2016, 28 (28), 6003–6010, DOI:10.1002/adma.201506295. [3] A. Facchetti, Chemistry of Materials 2011, 23 (3), 733–758, DOI:10.1021/cm102419z. [4] A. J. Heeger, Chemical Society Reviews 2010, 39, 2354–2371, DOI:10.1039/B914956M. [5] H. Klauk, Chemical Society Reviews 2010, 39, 2643–2666, DOI:10.1039/B909902F. [6] S. G. Bucella, A. Luzio, E. Gann, L. Thomsen, C. R. McNeill, G. Pace, A. Perinot, Z. Chen, A. Facchetti, M. Caironi, Nature Communications 2015, 6, 8394, DOI:10.1038/ncomms9394. [7] H. Sirringhaus, T. Kawase, R. H. Friend, T. Shimoda, M. Inbasekaran, W. Wu, E. P. Woo, Science 2000, 290 (5499), 2123–2126, DOI:10.1126/science.290.5499.2123. [8] D. Venkateshvaran, M. Nikolka, A. Sadhanala, V. Lemaur, M. Zelazny, M. Kepa, M. Hurhangee, A. J. Kronemeijer, V. Pecunia, I. Nasrallah, I. Romanov, K. Broch, I. McCulloch, D. Emin, Y. Olivier, J. Cornil, D. Beljonne, H. Sirringhaus, Nature 2014, 515 (7527), 384–388, DOI:10.1038/nature13854. [9] S. Holliday, J. E. Donaghey, I. McCulloch, Chemistry of Materials 2014, 26 (1), 647–663, DOI: 10.1021/cm402421p.

Semiconducting two-dimensional (2D) materials have gained considerable attention in recent years owing to their potential in future electronics. On the one hand, the conventional 2D semiconductors, such as transition metal dichalcogenides (TMDCs (MoS2, WS2, etc.) are being exhaustively studied, on the other hand, search for novel 2D materials is at a rapid pace. In this thesis, we explore 2D materials beyond graphene and TMDCs in terms of their intrinsic electronic properties and underlying charge transport mechanisms. We introduce 2D semiconducting materials of indium selenide (InSe) and gallium selenide (GaSe), and a novel π-d conjugated Fe3(THT)2(NH4)3 metal-organic framework (MOF) as potential candidates for their use as active elements in (opto)electronic applications. Owing to the air-sensitivity of InSe and GaSe, their integration into active devices has been severely constrained. Here, we report a hexagonal boron nitride (hBN) based encapsulation, where 2D layers of InSe and GaSe are sandwiched between two layers of hBN; top hBN passivating the 2D layer from the environment and bottom hBN acting as a spacer and suppressing charge transfer to the 2D layer from the SiO2 substrate. To fabricate the devices from fully encapsulated InSe and GaSe layers, we employ the technique of lithography-free via-contacts, which are metal contacts embedded within hBN flakes. Based on our results, we find that full hBN encapsulation preserves InSe in its pristine form and suppresses its degradation with time. Consequently, the electronic properties of encapsulated InSe devices are significantly improved, leading to a mobility of 30–120 cm2 V−1 s−1 as compared to a mere ∼1 cm2 V−1 s−1 obtained for unencapsulated devices. In addition, encapsulated InSe devices are stable for a prolonged period of time, overcoming their limitation to be air-sensitive. On employing full hBN encapsulation to GaSe, a high photoresponsivity of 84.2 A W−1 at 405 nm is obtained. The full hBN encapsulation technique passivates the air-sensitive layers from various degrading factors and preserves their unaltered properties. In the future, this technique can be applied to other 2D materials that have been restricted so far in their fundamental study and applications due to their environmental sensitivity. MOFs are another emerging class of semiconducting 2D materials investigated in this thesis. They are hybrid materials that consist of metal ions connected with organic ligands via coordination bonds. In recent years, advances in synthetic approaches have led to the development of electrically conductive MOFs as a new generation of electronic materials. However, to date, poor mobilities and hopping-type charge transport dominant in these materials have prevented them from being considered for electronic applications. In this work, we investigate a newly developed π-d conjugated Fe3(THT)2(NH4)3 (THT: 2,3,6,7,10,11-hexathioltriphenylene) MOF. The MOF films are characterized with a direct bandgap lying in the infrared (IR) region. By employing Hall-effect measurements, we demonstrate band-like transport and a record-high mobility of 230 cm2 V−1 s−1 in Fe3(THT)2(NH4)3 MOF films. The temperature-dependent conductivity confirms a thermally activated charge carrier population in the samples induced by the small bandgap of the analyzed MOFs. Following these results, we demonstrate the feasibility of using this high-mobility semiconducting MOF as an active material in thin-film optoelectronic devices. The MOF photodetectors fabricated in this work are capable of detecting wavelengths from UV to NIR (400–1575 nm). The narrow IR bandgap of the active layer constrains the performance of the photodetector at room temperature by band-to-band thermal excitation of the charge carriers. At 77 K, the device performance is significantly improved; two orders of magnitude higher voltage responsivity, lower noise equivalent power, and higher specific detectivity of 7 × 10^8 cm Hz1/2 W−1 are achieved at 785 nm excitation, which is a direct consequence of suppressing the thermal generation of charge carriers across the bandgap. These figures of merit are retained over the analyzed spectral region (400–1575 nm) and are comparable to those obtained with the first demonstrations of graphene and black phosphorus based photodetectors, thus, revealing a promising application of MOFs in optoelectronics. / Zweidimensionale (2D) Halbleiter haben dank ihres Potenzials für elektronische Anwendungen in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erregt. Dabei werden einerseits konventionelle 2D-Materialien, wie die Übergangsmetall-Chalkogenide (TMDCs) (MoS2, WS2, usw.) intensiv erforscht. Andererseits schreitet auch die Suche nach neuen 2D-Materialien rasch voran. Diese Dissertation stellt Forschungsergebnisse zu elektrischen Eigenschaften und den zugrundeliegenden Ladungstransportmechanismen von 2D-Materialien jenseits von Graphen und TMDCs vor. Untersucht wurden die 2D-Halbleiter Indiumselenid (InSe) und Galliumselenid (GaSe), sowie eine neuartige π-d konjugierte Metallorganische Gerüstverbindung (Metal-Organic Framework, MOF) Fe3(THT)2(NH4)3. Diese Materialien sind vielversprechende Kandidaten für elektronische und optoelektronische Anwendungen. InSe und GaSe sind besonders luftempfindliche Materialien. Aus diesem Grund ist ihre Verwendung für aktive Bauteile trotz ihrer hervorragenden elektrischen Eigenschaften bis heute sehr begrenzt. In dieser Arbeit wird ein effektives Verkapselungsverfahren vorstellt, bei dem InSe- oder GaSe-2D-Schichten zwischen zwei Schichten aus hexagonalem Bornitrid (hBN) eingebettet werden. Die untere Schicht hBN isoliert das Material vom Substrat Siliziumdioxid (SiO2), während die obere Schicht das 2D-Material luftdicht isoliert. Um Bauteile aus komplett eingekapseltem InSe oder GaSe herzustellen, wurden lithographiefreie, sogenannte via-Kontakte hergestellt. Dies sind Metallkontakte, die bereits vor der Verkapselung in die hBN-Schichten integriert werden. Die hBN-Verkapselung erhält InSe in seiner ursprünglichen Form. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass sich die elektronischen Eigenschaften von InSe durch Verkapselung signifikant verbessern, was zu elektrischen Mobilitäten von 30–120 cm2 V−1 s−1 gegenüber nur rund ∼1 cm2 V−1 s−1 in unverkapselten Bauteilen führt. Darüber hinaus bleiben die Eigenschaften der verkapselten InSe-Bauteile über einen langen Zeitraum erhalten und degradieren nicht mehr bei Kontakt mit Luft. Die Verkapselung von GaSe ermöglicht den Einsatz in Fotodetektoren, bei einer Wellenlänge von 405 nm wird eine Fotoempfindlichkeit von 84.2 A W−1 gemessen; auch hier bewahrt die Verkapselung die empfindlichen Schichten vor schädlichen Einflüssen und konserviert so ihre unveränderten Eigenschaften. In der Zukunft kann diese Technik auch für andere 2D-Materialien eingesetzt werden, insbesondere für solche, deren Erforschung und Anwendung durch die große Empfindlichkeit bis heute eingeschränkt ist. Darüber hinaus untersucht diese Dissertation mit Metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs) eine zweite Klasse halbleitender 2D-Materialien. MOFs sind hybride Materialien aus Metallionen, die mit organischen Molekülen als Verbindungselementen eine meist kristalline Struktur bilden. In den letzten Jahren haben Fortschritte in der synthetischen Herstellung zur Entwicklung von elektronisch leitfähigen MOFs geführt. Die niedrige Mobilität und der sogenannte hopping-Ladungstransport der gängigsten MOFs haben jedoch verhindert, dass diese für Anwendungen betrachtet wurden. In dieser Arbeit wird eine kürzlich neu entwickelte, π-d-konjugierte Fe3(THT)2(NH4)3 (THT: 2,3,6,7,10,11-hexathioltriphenylene) MOF vorgestellt. Der MOF Film hat eine direkte Bandlücke im Infrarot(IR)-Bereich liegend. Mithilfe von Hall-Effekt-Messungen wurde gezeigt, dass der Transport in den Fe3(THT)2(NH4)3 MOF Filmen mit dem Drude-Modell konsistent ist. Darüber hinaus wird eine bis jetzt nicht übertroffene Mobilität von 230 cm2 V−1 s−1 gemessen. Die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit bestätigt, dass die kleine Bandlücke zu thermisch aktivierten Ladungstragerdichten in den Proben führt. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wird die Machbarkeit von hochmobilen halbleitenden Fe3(THT)2(NH4)3 MOFs als aktives Material in dünnen optoelektronischen Bauteilen gezeigt. Die hier vorgestellten MOF Fotodetektoren reagieren auf Wellenlängen im UV bis Nahinfrarotspektrum (400–1575 nm). Die schmale Bandlücke schränkt die Leistung des Fotodetektors bei Raumtemperatur durch thermische Band-zu-Band-Anregung der Ladungsträger ein. Bei einer Temperatur von 77 K verbessert sich die Leistung des Detektors signifikant: Bei 785 nm wird eine um zwei Größenordnungen erhöhte Spannungsempfindlichkeit, eine niedrigere äquivalente Rauschleistung sowie eine höhere spezifische Empfindlichkeit von 7 × 10^8 cm Hz1/2 W−1 erhalten. Dies ist eine direkte Konsequenz der Unterdrückung thermischer Anregung von Ladungsträgern über die Bandlücke. Diese Leistungszahlen sind über das analysierte Spektrum (400–1575 nm) gültig und vergleichbar mit den ersten Fotodetektoren auf Grundlage von Graphen und Schwarzem Phosphor. Die Ergebnisse zeigen deutlich das Potenzial von MOFs für optoelektronische Anwendungen.

In dieser Arbeit werden Speichertransistoren mit Oxid-Nitrid-Oxid-Speicherschicht und lokaler Ladungsspeicherung untersucht, die zur nichtflüchtigen Speicherung von Informationen genutzt werden. Charakteristisch für diese Transistoren ist, dass an beiden Enden des Transistorkanals innerhalb der Isolationsschicht Informationen in Form von Ladungspaketen unabhängig und getrennt voneinander gespeichert werden. Für das Auslesen, Programmieren und Löschen der Speichertransistoren werden die physikalischen Hintergründe diskutiert und grundlegende Algorithmen zur Implementierung dieser Operationen auf einer typischen Speicherfeldarchitektur aufgezeigt. Für Standard-MOS-Transistoren wird ein Kurzkanal-Schwellspannungsmodell abgeleitet und analytisch gelöst. Anhand dieser Modellgleichung werden die bekannten Kurzkanaleffekte betrachtet. Weiterhin wird ein Modell zur Berechnung des Drainstroms von Kurzkanaltransistoren im Subthreshold-Arbeitsbereich abgeleitet und gezeigt, dass sich die Drain-Source-Leckströme bei Kurzkanaltransistoren vergrößern. Die Erweiterung des Schwellspannungsmodells für Standard-MOS-Transistoren auf den Fall der lokalen Ladungsspeicherung innerhalb der Isolationsschicht erlaubt die Ableitung eines Schwellspannungsmodells für Oxid-Nitrid-Oxid-Transistoren mit lokaler Ladungsspeicherung. Dieses Modell gestattet die qualitative und quantitative Diskussion der Erhöhung der Schwellspannung durch die lokale Injektion von Ladungsträgern beim Programmiervorgang. Weiterhin ist es mit diesem Modell möglich, die Trennung der an beiden Kanalenden des Transistors gespeicherten Informationen beim Auslesevorgang qualitativ zu erklären und diese Bittrennung in Abhängigkeit von der Drainspannung zu berechnen. Für Langkanalspeichertransistoren wird eine analytische Näherungslösung des Schwellspannungsmodells angegeben, während das Kurzkanalverhalten durch die numerische Lösung der Modellgleichung bestimmt werden kann. Für Langkanalspeichertransistoren wird ein Subthreshold-Modell zur Berechnung des Drainstroms abgeleitet. Dieses Modell zeigt, dass sich die Leckströme von programmierten Speichertransistoren im Vergleich zu Standard-MOS-Transistoren gleicher Schwellspannung vergrößern. Die Ursache dieses Effekts, die Verringerung der Subthreshold-Steigung von Transistoren im programmierten Zustand, wird analysiert. Für einige praktische Beispiele wird die Anwendung der hergeleiteten Modellgleichungen beim Entwurf von Flash-Speichern demonstriert. / In this work, memory transistors with an oxide-nitride-oxide trapping-layer and local charge storage, which are used for non-volatile information storage, are examined. Characteristic for these transistors is an independent and separated storage of information by charge packages, located at both sides of the transistor channel, in the insulation layer. The physical backgrounds for reading, programming and erasing the memory transistors are discussed, and basic algorithms are shown for implementing these operations on a typical memory array architecture. For standard MOS-transistors a short channel threshold model is derived and solved analytically. By using these model equations, the known short channel effects are considered. Further, a model for calculating the drain current of short channel transistors in the subthreshold operation region is derived. This model is used to show the increase of drain-source leakage currents in short channel transistors. By extending the standard MOS-transistor threshold voltage model for local charge storage in the insulation layers, the derivation of a threshold voltage model for oxide-nitride-oxide transistors with local charge storage is enabled. This model permits the quantitative and qualitative discussion of the increase in threshold voltage caused by local injection of charges during programming. Furthermore, with this model, the separation of the information, which are stored at both sides of the transistor channel, in the read-out operation is explained qualitatively, and the bit separation is calculated dependent on the drain voltage. For long channel memory transistors an analytical approximation of the threshold voltage model is given, whereas the short channel behaviour can be determined by solving the model equation numerically. For long channel memory transistors, a subthreshold model for calculating the drain current is derived. This model shows the increase in leakage current of programmed memory transistors in comparision to standard MOS-transistors. The root cause of this effect, the reduced subthreshold swing of transistors in the programmed state, is analysed. The application of the derived model equations for the development of flash memories is demonstrated with some practical examples.

Despite their increasing usefulness in a wide variety of applications, organic electrochemical transistors still lack a comprehensive and unifying physical framework able to describe the current-voltage characteristics and the polymer/electrolyte interactions simultaneously. Building upon thermodynamic axioms, we present a quantitative analysis of the operation of organic electrochemical transistors. We reveal that the entropy of mixing is the main driving force behind the redox mechanism that rules the transfer properties of such devices in electrolytic environments. In the light of these findings, we show that traditional models used for organic electrochemical transistors, based on the theory of field-effect transistors, fall short as they treat the active material as a simple capacitor while ignoring the material properties and energetic interactions. Finally, by analyzing a large spectrum of solvents and device regimes, we quantify the entropic and enthalpic contributions and put forward an approach for targeted material design and device applications.

This thesis investigates the fabrication and integration of nanoscale field-effect transistors based on individual semiconducting carbon nanotubes. Such devices hold great potential for integrated circuits with large integration densities that can be manufactured on glass or flexible plastic substrates. A process to fabricate arrays of individually addressable carbon-nanotube transistors has been developed, and the electrical characteristics of a large number of transistors has been measured and analyzed. A low-temperature-processed gate dielectric with a thickness of about 6 nm has been developed that allows the transistors and circuits to operate with voltages of about 1.5 V. The transistors show excellent electrical properties, including a large transconductance (up to 10 µS), a large On/Off ratio (>10^4), a steep subthreshold swing (65 mV/decade), and negligible leakage currents (~10^-13 A). For the realization of unipolar logic circuits, monolithically integrated load resistors based on high-resistance metallic carbon nanotubes or vacuum-evaporated carbon films have been developed and analyzed by four-probe and transmission line measurements. A variety of combinational logic circuits, such as inverters, NAND gates and NOR gates, as well as a sequential logic circuit based on carbon-nanotube transistors and monolithically integrated resistors have been fabricated on glass substrates and their static and dynamic characteristics have been measured. Optimized inverters operate with frequencies as high as 2 MHz and switching delay time constants as short as 12 ns. / Thema dieser Arbeit ist die Herstellung und Integration von Feldeffekt-Transistoren auf der Grundlage einzelner halbleitender Kohlenstoffnanoröhren. Solche Bauelemente sind zum Beispiel für die Realisierung integrierter Schaltungen mit hoher Integrationsdichte auf Glassubstraten oder auf flexiblen Kunststofffolien von Interesse. Zunächst wurde ein Herstellungsverfahren für die Anfertigung einer großen Anzahl solcher Transistoren auf Glas- oder Kunststoffsubstraten entwickelt, und deren elektrische Eigenschaften wurden gemessen und ausgewertet. Das Gate-Dielektrikum dieser Transistoren hat eine Schichtdicke von etwa 6 nm, so das die Versorgungsspannungen bei etwa 1.5 V liegen. Die Transistoren haben sehr gute elektrische Parameter, z.B. einen großen Durchgangsleitwert (bis zu 10 µS), ein großes Modulationsverhältnis (>10^4), einen steilen Unterschwellanstieg (65 mV/Dekade) und vernachlässigbar kleine Leckströme (~10^-13 A). Für die Realisierung unipolarer Logikschaltungen wurden monolithisch integrierte Lastwiderstände auf der Grundlage metallischer Kohlenstoffnanoröhren mit großem Widerstand oder mittels Vakuumabscheidung erzeugter Kohlenstoffschichten entwickelt und u. a. mittels Vierpunkt- und Transferlängen-Messungen analysiert. Eine Reihe kombinatorischer Schaltungen, z.B. Inverter, NAND-Gatter und NOR-Gatter, sowie eine sequentielle Logikschaltung wurden auf Glassubstraten hergestellt, und deren statische und dynamische Parameter wurden gemessen. Optimierte Inverter arbeiten bei Frequenzen von bis zu 2 MHz und haben Signalverzögerungen von lediglich 12 ns.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Wechselwirkung von Indium (In) und Magnesium (Mg) als Topelektroden auf zwei Perylen-Derivativen, 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Dianhydrid (PTCDA) und Dimethyl-3,4,9,10- Perylentetracarbonsäure Diimid (DiMe-PTCDI) untersucht. Die Metal/organische Schichten wurden auf S-passivierten GaAs(100):2x1-Substraten hergestellt und unter Ultrahochvakuum (UHV)-Bedingungens aufgedampft. Als Hauptcharakterisierungsmethode wird die Raman-Spektroskopie eingesetzt, die eine nicht-destruktive Methode ist,und auch in situ Untersuchungen des Wachstumsprozesses ermöglicht. Die experimentell Ergebnisse haben gezeigt, dass alle aufgedampft Metallen auf die organische Schichten von PTCDA und DiMe-PTCDI eine Verstärkung des aktive Raman Signals von interne Schwingungsmoden fördern, begleitet durch die Aktivierung von normalerweise Infrarotaktivemoden. Diesem Phänomen als Oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) genannt ist. Das Mg Wachstum auf beiden Molekularstrukturen wurde durch die viel niedrigere Diffusion des Metalls in die organischen Molekülen im Vergleich zum Indium, es war durch die Bewahrung des von externe molekulare Schwingungsmoden nach das Metallswachstum, und in ersten Mal in einem Ramanexperiment beobachtet. Die PTCDA/Mg Strukturen formen sich durch zwei Stufen des Metallwachstum, die erste gehört zu einer neuen molekularen Struktur für eine Mg Schicht dünner als 2.8 nm, wo das PTCDA Molekühl des Sauerstoff-Atoms von die dianhydride Gruppe verliert. Die zweite gehört zu das SERS Spektrum von die vorherige Struktur. Im Fall von Mg/DiMe-PTCDI Heterostrukturen, den Molekühl wird gut bewahrt, wo die Raman Verschiebung an der diimide Gruppe wird nicht modifiziert. Auch von dieser Struktur eine interessante Eigenschaft wurde durch die Kopplung zwischen diskret Moleküleigenschwingungen am 221 cm^-1, 1291 cm^-1 und 1606 cm^-1 des organischen Materials und den elektronischen Kontinuum-Zuständen des Mg-Metallkontakts. Ihre entsprechenden Energieliniengestalten werden gut durch die Breit-Wigner-Fano-Funktion beschrieben. Die Untersuchungen auf dem vorherigen Heterostrukturen half, die Kanalbildung von Pentacen-basierten organische Feldeffekt-Transistoren (OFETs) experimentell zu analysieren, und in ersten Mal in einem Ramanexperiment durchgeführt. Der organische Kanal war gebildet durch die organische Molekularstrahldeposition (OMBD) unter UHV-Bedingungens der Pentacen Moleküle, und es war mit eine Evaporationsrate von ca. 0.65 Å/min aufgedampft. Nach jede Aufdampfung von ca. 0.1 nm des organische Moleküle, den Strom und den Ramansignal in den Kanal wurden in situ gemessen. Die minimale nominelle Dicke des organischen Materials erforderlich für den effizienten Ladungstransport durch den OFET Kanal wurde um ungefähr 1.5 nm nomineller Einschluss oder 1.1 Monolagen (ML) zu sein. Eigenschaften der ersten Monolagen werden gut im Vergleich mit dickeren Schichten definiert, wo die 1.1 ML eine gestrecktes Natur wegen seines direkten Kontakts mit dem Gate-Isolator präsentieren. Es wurde gefunden, dass der leitende organische Kanal bzw. -organische erhöhende Schicht (OBL)- eine Druckdeformierung hat. Dieses Phänomen durch die rote Verschiebung der Ramanbanden beobachtet war. Das Ausgangskennlinienfeld des OFETs wurden nach die letzte aufgedampft organische Schicht gemessen. Es wurde gefunden, dass der Drain-Strom einem Relaxationsprozesse mit zwei Zeitkonstanten hat, wo eine in der Ordnung von 10¹ min ist und die zweite unter 10² min. Ein ähnliches Experiment mit der Beleuchtung des Kanals mit einer 676.4 nm Laserquelle, es erhöht der Drain- Strom und lässt ummodifiziert die Zeitkonstanten. In der Ergänzung, die OFET-Strukturen waren ex situ durch Landungstransientspektroskopie (QTS) unstersucht. Die QTS Spektren zeigten positive und negative Banden zum Gesamtsignal der relaxierte Ladung in Bezug auf die einzigartige Biaspulsepolarität. Wir haben dieses Phänomen als ,,anomales Verhalten des QTS-Signals“ genannt, und in ersten Mal in einem QTS-Experiment beobachtet. Bei Wiederholung der QTS-Messung innerhalb ca. 100 min, die QTS-Spektre eine langsame Relaxationsprozesse von Störstellen am 5 μs in bereich ca. 63 min < 10^2 min hat. Die Einfangsquerschnitten sind Zeitabhängig, es bedeutet, dass die Störstellendichte nicht Konstant im Lauf der Betriebs des OFET bleibt. Dafür des Drain-Strom verändert sich und die Beweglichkeit unabhängige des elektrisches Feld ist. Experimentell Untersuchungen auf dem OFETs mit der Kombination der Ramanspektroskopie und elektrischen Felder zeigten eine Erhöhung des Ramanseinfangsquerschnitt in endliche Bereich als die chemische SERS-Verstärkung von In bzw. Mg auf die Perylen-Derivativen PTCDA und DiMe-PTCDI. Nach den Ausschaltung des elektrisches Felds den Ramansignal des Pentacen-basierten OFET eine Relaxationsprozesse mit Zeitkonstant von ca. 94 min hat. Deshalb ist die Summe von Störstellensdichte wegen dieser am organische/anorganische Grenze plus dieser dass die elektrisches Felds am die organische Halbleiter induziert.

Inkjet printing has emerged from a digital graphic arts printing technology to become a versatile tool for the patterned deposition of functional materials. This thesis contributes to the research in the area of functional inkjet printing by focusing on two different topics: (i) inkjet printing of colloidal suspensions to study the principles of deposit formation and to develop deposits with photonic properties based on self-assembly, and (ii) the development of a reliable manufacturing process for all-inkjet-printed thin-film transistors, highlighting the importance of selection of materials and inks, print pattern generation, and the interplay between ink, substrate and printing conditions. (i) Colloidal suspensions containing nanospheres were applied as ink formulation in order to study the fundamental processes of layer formation and to develop structures with periodically arranged nanospheres allowing the modulation of electromagnetic waves. Evaporation-driven self-assembly was found to be the main driver for the formation of the final deposit morphology. Fine-tuning of inkjet process parameters allows the deposition of highly ordered structures of nanospheres to be arranged as monolayer, multilayer or even three-dimensional assemblies with a microscopic spherical shape. (ii) This thesis demonstrates the development of a manufacturing process for thin-film transistors based on inkjet printing. The knowledge obtained from the study with the colloidal nanospheres is used to generate homogeneous and continuous thin films that are stacked well-aligned to each other to form transistors. Industrial printheads were applied in the manufacturing process, allowing for the up-scaling of the manufacturing by printing of several thousands of devices, and thus the possibility to study the process yield as a function of printing parameters. The discrete droplet-by-droplet nature of the inkjet printing process imposes challenges on the control of printed patterns. Inkjet printing of electronic devices requires a detailed understanding about the process and all of the parameters that influence morphological or functional characteristics of the deposits, such as the selection of appropriate inks and materials, the orientation of the print pattern layout to the deposition process and the reliability of the inkjet process.