TY - THES A1 - Petryk, Dmytro T1 - Investigation of sensitivity of different logic and memory cells to Laser Fault Injections T1 - Untersuchung der Empfindlichkeit verschiedener Logik- und Speicherzellen gegenüber Laserfehlerinjektionen N2 - Plenty of semiconductor devices are developed to operate with private data. To guarantee data privacy cryptographic algorithms are used, where the secrecy is based on the used keys. Theoretically, the cryptographic algorithms using keys with recommended lengths are secure. The issue is that a potential attacker can steal the devices and attack in a lab. Physical attacks are usually aimed to perturb normal operation of a device and to extract cryptographic keys, e.g. by means of fault injection (FI). One class of FI attacks exploits the sensitivity of semiconductor devices to light and are performed using a laser as the light source. This work investigates the sensitivity of different logic and memory cells to optical Fault Injection attacks. Front-side attacks against cells manufactured in different IHP technologies were performed using two different red lasers controlled by Riscure software. To reach the repeatability of the experimental results and to increase the comparability of the results with attack results published in literature the setup parameters as well as setting parameters of the Riscure software were experimentally evaluated. Attacks were performed against inverter, NAND, NOR, flip-flop cells from standard libraries, radiation-hard flip-flops based on Junction Isolated Common Gate technique, radiation-tolerant Triple Modular Redundancy registers as well as non-volatile Resistive Random Access Memory (RRAM) cells. The results of attacks against volatile circuits were successful transient bit-set and bit-reset as well permanent stuck-at faults. The results of attacks against RRAM cells were successful in the sense that manipulation of all RRAM logic states was feasible. The faults injected during the performed experiments were repeatable and reproducible. The goal of this work was not only to achieve successful FI but also to determine cell area(s) sensitive to laser illumination. Knowledge about areas sensitive to laser illumination can be used by designers to implement corresponding countermeasure(s) at the initial stage of chip development and is the necessary step to design appropriate countermeasures. For example, metal fillers can be applied as optical obstacles reducing the success of front-side FI attacks, i.e. as a possible low-cost countermeasure. Based on the knowledge of the sensitive cell areas, the placement of the metal fillers can be automated in the future, i.e. the findings given in the work can serve as a basis for a methodology development for improving resistance against optical FI attacks at the initial stage of chip development. Such methodology can be adapted for each chip manufacturing technology. N2 - Viele Halbleitergeräte werden zur Verarbeitung sensibler Daten verwendet. Zur Gewährleistung des Datenschutzes werden kryptografische Algorithmen eingesetzt, deren Geheimhaltung auf den verwendeten Schlüsseln basiert. In der Theorie sind kryptografische Algorithmen, welche Schlüssel mit empfohlenen Längen verwenden, sicher. Das Problem ist, dass ein potenzieller Angreifer die Geräte entwenden und in einem Labor angreifen kann. Aktive physikalische Angriffe zielen in der Regel darauf ab, den normalen Betrieb eines Geräts zu stören und kryptografische Schlüssel zu extrahieren, z. B. durch Fehlerinjektion (FI). Eine Klasse von FI-Angriffen nutzt die Lichtempfindlichkeit von Halbleitergeräten aus und wird mit einem Laser durchgeführt. Die Arbeit untersucht der Empfindlichkeit verschiedener Logik- und Speicherzellen gegenüber optischen FI-Angriffen. Es wurden frontseitige Angriffe auf Zellen durchgeführt, die in verschiedenen IHP-Technologien hergestellt wurden. Hierbei kamen zwei verschiedene rote Lasern zum Einsatz, die mit Hilfe der Riscure-Software gesteuert wurden. Um die Wiederholbarkeit der experimentellen Ergebnisse sicherzustellen und die Vergleichbarkeit der Ergebnisse mit in der Literatur veröffentlichten Angriffsergebnissen zu erhöhen, wurden die Setup-Parameter sowie Einstellungsparameter der Riscure-Software experimentell bewertet. Es wurden Angriffe auf Inverter, NAND, NOR, Flip-Flops aus Standardzellenbibliotheken, strahlungsharte Flip-Flops auf Basis der Junction Isolated Common Gate Technik, strahlungstolerante Triple Modular Redundancy Register sowie nichtflüchtige Resistive Random Access Memory (RRAM) Zellen durchgeführt. Die Ergebnisse der Angriffe auf flüchtige Schaltkreise waren erfolgreiche transiente Bit-Setz- und Bit-Rücksetz- sowie permanente stuck-at-Fehler. Die Ergebnisse der Angriffe auf RRAM-Zellen waren insofern erfolgreich, als alle logischen Zustände des RRAM manipuliert werden konnten. Die während der durchgeführten Experimente eingebrachten Fehler waren wiederholbar und reproduzierbar. Das Ziel der Arbeit bestand nicht nur darin, erfolgreiche FI zu demonstrieren, sondern auch in der Identifizierung Zellbereiche, die empfindlich auf Laserbeleuchtung reagieren. Das Wissen um die Bereiche kann von Entwicklern genutzt werden, um geeignete Gegenmaßnahmen in der Anfangsphase der Chipentwicklung zu implementieren. Eine mögliche kostengünstige Gegenmaßnahme besteht beispielsweise in der Verwendung von Metallfüllern als optische Hindernisse, um den Erfolg von frontseintigen Angriffen zu verringern. Basierend auf dem Wissen über empfindliche Zellbereiche kann die Platzierung von Metallfüllern automatisiert werden. Das bedeutet, dass die in dieser Arbeit gemachten Feststellungen als Grundlage für die Entwicklung einer Methodik dienen, um die Resistenz gegen optische FI-Angriffe bereits in der Anfangsphase der Chipentwicklung nachzuweisen. Eine solche Methodik kann für jede Chip-Herstellungstechnologie angepasst werden. KW - Laser fault injection attacks KW - Resistive random access memory KW - Cell sensitive areas KW - Radiation-hard cells KW - Countermeasure KW - Laserfehlerinjektion-Angriffe KW - Resistiver Direktzugriffsspeicher KW - Empfindliche Zellbereiche KW - Strahlungsharte Zellen KW - Gegenmaßnahme KW - Halbleiter KW - Speicherzelle KW - Datenschutz KW - Kryptologie KW - Algorithmus Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-66647 ER - TY - THES A1 - Uhlig, Sebastian T1 - Silizium-basierte Mikropumpen mit dem lateralen nanoskopischen elektrostatischen Antrieb T1 - Silicon-based micropumps with the lateral nanoscopic electrostatic drive N2 - In dieser Arbeit werden neuartige Mikropumpen auf Siliziumbasis vom Typ oszillierende-Verdrängerpumpe mit einem in der Chipebene operierenden elektrostatischen Antrieb entwickelt, gefertigt und messtechnisch charakterisiert. Der Antriebsmechanismus ist aus einer am Fraunhofer IPMS entwickelten Klasse von Mikroaktoren, bekannt als nanoskopisch elektrostatischer Antrieb (NED) aufgebaut. Zum Einsatz kommen erstmals beidseitig eingespannte laterale NED-Balkenaktoren, primär entwickelt und optimiert für den quasi-statischen Betrieb. Eingebettet in einem Verbund aus drei Siliziumwafern und in Verbindung mit in der Ebene operierenden passiven Klappenventilen, konnte ein regelbarer Fluss in Luft als gasförmiges sowie in Novec7100 als flüssiges Fördermedium nachgewiesen werden. Die Entwicklung der Mikropumpen bildet einen Schwerpunkt dieser Arbeit und ist in zwei Abschnitte unterteilt. Eingangs werden Effekte, welche den Betrieb der NED-Balkenaktoren limitieren untersucht sowie Schlüsselparameter und deren Auswirkung identifziert. Basierend auf der Wahl der Fördermedien und den sich daraus ableitenden elektrotechnischen Randbedingungen wurde die Steuerspannung in Luft auf 400 V festgelegt und per Optimierungsverfahren ein Aktordesignpunkt bestimmt. Der zweite Entwicklungsschwerpunkt beinhaltet den Entwurf und die Modellbildung der Mikropumpen mit dem bestimmten Aktordesignpunkt. Hier wurde ein modularer Ansatz zum Aufbau der Pumpe eruiert. Mit sogenannten "Basis-Pumpeinheiten" werden verschiedene Konfigurationen realisiert, was zu unterschiedlichen Pumpeigenschaften führt. Diese beinhalten unter anderem serielle Anordnungen von NED-Aktoren und Basiseinheiten sowie die parallele Stapelung der Balkenaktoren. Damit unterscheidet sich der laterale Pumpenansatz in seiner Konfigurierbarkeit grundlegend zu klassischen Mikromembranpumpen. Die Etablierung einer Herstellungstechnologie mit stabilem Fertigungsprozess führte zur erfolgreichen monolithischen Herstellung von Pumpenchips im Scheibenverbund. Der Prozess ist CMOS-kompatibel und beinhaltet verschiedene Technologiemodule. In der fluidischen Bauteilcharakterisierung wurden je nach Anzahl der gestapelten NEDAktoren maximale Flussraten von 6.63 µL/min, 22.85 µL/min, 63.75 µL/min, 72.92 µL/min in Novec7100 gemessen, für jeweils 2, 4, 8, 16 parallele NED-Aktoren entsprechend. Die erreichten Gegendrücke sind dabei 2.79 kPa, 6.88 kPa, 20.55 kPa, 29.61 kPa. Typische Antriebsfrequenzen der Mikropumpen liegen im Kilohertz-Bereich, was sich auf den hohen Miniaturisierungsgrad und die damit verbundenen mechanischen Steiffigkeit der NED-Aktoren zurückführen lässt. Die Gegenüberstellung der experimentell bestimmten Kennlinien mit Simulationsdaten aus dem entwickelten Modell der Pumpe, bestätigen das auf dem NED-Effekt beruhende Pumpprinzip. N2 - In this work, novel silicon-based micropumps of the reciprocating-displacement pump type with an electrostatic drive operating in the chip plane are designed, fabricated, and characterized. The drive mechanism is constructed from a class of microactuators developed at Fraunhofer Institute for Photonic Microsystem, known as nanoscopic electrostatic drive (NED). For the first time, lateral NED beam actuators are used, which are primarily developed and optimized for quasi-static operation. Embedded in a composite of three silicon wafers and in conjunction with passive flap valves, which also operate in-plane, it was possible to demonstrate controllable flow in air as a gaseous and in Novec7100 as a liquid pumping medium. The development of the micropumps is divided into two main areas. First, effects limiting the operation of the NED beam actuators are investigated and key parameters and their impact are identified. Based on the choice of pumping media and the resulting electrical boundary conditions, the control voltage in air was set to 400 V and an actuator design point was determined using an optimization procedure. The second development focus involves the design and modeling of the micropumps with the specific actuator design point. Here, a modular approach to the pump design was investigated. So-called "basic pumping units" are used to realize various configurations, resulting in different pump characteristics. These include serial arrangements of NED actuators and base units as well as parallel stacking of beam actuators. Thus, the lateral pump approach differs fundamentally from classical micromembrane pumps in its configurability. The establishment of a fabrication technology with a stable manufacturing process led to the successful monolithic fabrication of pump chips in a waferbatch. The process is CMOScompatible and incorporates several technology modules. In the fluidic device characterization, maximum flow rates of 6.63 µL/min, 22.85 µL/min, 63.75 µL/min, 72.92 µL/min in Novec7100 were measured depending on the number of stacked NED actuators, for 2, 4, 8, 16 parallel NED actuators respectively. The obtained back pressures are 2.79 kPa, 6.88 kPa, 20.55 kPa, 29.61 kPa. Typical drive frequencies of the micropumps are in the kilohertz range, which can be attributed to the high degree of miniaturization and the associated mechanical stiffness of the NED actuators. The comparison of the experimentally determined characteristic curves with simulation data from the developed model of the pump, confirm the electromechanical pumping principle based on the NED-effect. KW - Micropump KW - Silicone KW - Silicium KW - Mikrosystemtechnik KW - Halbleiter KW - Physik KW - Mikrofluidik KW - Siliciumhalbleiter KW - Mikropumpe KW - Mikrofluidik KW - Mikrosystemtechnik KW - Semiconductor Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-59523 ER - TY - THES A1 - Hartmann, Claudia T1 - Surface and interface characterization of CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ and CsSnBr₃ perovskite based thin-film solar cell structures T1 - Oberflächen- und Grenzflächencharakterisierung von CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ und CsSnBr₃ Perowskit-Dünnschichtsolarzellstrukturen N2 - The chemical and electronic structure of hybrid organometallic (CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ) and inorganic (CsSnBr₃) perovskite materials on compact TiO₂ (c-TiO₂) is studied using x-ray and electron based spectroscopic techniques. The morphology and local elemental composition of CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ, used as absorbers in PV devices, defining the film quality and influencing the performance of respective solar cells is studied in detail by using photoemission electron microscopy (PEEM). An incomplete coverage, with holes reaching down to the c-TiO₂ was revealed; three different topological regions with different degrees of coverage and chemical composition were identified. Depending on the degree of coverage a variation in I oxidation and the formation of Pb⁰ in the vicinity of the c-TiO₂ is found. The valence band maxima (VBM) derived from experimental data for the perovskite and c-TiO₂, combined with information from literature on spiro-MeOTAD suggests an energy level alignment resulting in an excellent charge selectivity at the absorber/spiro-MeOTAD and absorber/c-TiO₂ interfaces respectively. Further, the derived energy level alignment indicates a large recombination barrier (~2 eV), preventing shunts due to direct contact between c-TiO₂ and spiro-MeOTAD in the pin-holes. In-situ ambient pressure hard x-ray photoelectron spectroscopy (AP-HAXPES) studies of 60 and 300 nm CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ have been performed under varies conditions (i.e. vacuum/water and dark/UV light) to gain insight into the degradation mechanism responsible for the short lifetime of the absorber. The 60 nm perovskite forms Pb⁰ in water vapor (non-defined illumination) in presence of x-rays. The 300 nm perovskite sample shows a complex behavior under illumination/dark. In water vapor/dark the perovskite dissolves into its organic (MAI) and inorganic (PbI₂) components. Under illumination PbI₂ further decomposes to Pb⁰ induced by UV light and x-rays. For alternative inorganic CsSnBr₃ perovskites, the impact of SnF₂ on the chemical and electronic structure is studied to identify its role for the improved performance of the solar cell. HAXPES and lab-XPS measurements performed on CsSnBr₃ with and without SnF₂ indicate two Sn, Cs, and Br species in all samples, where the second Sn species is attributed to oxidized Sn (Sn⁴⁺). When adding SnF₂ to the precursor solution, the coverage is improved and less Sn⁴⁺ and Cs and Br secondary species can be observed, revealing an oxidation inhibiting effect of SnF₂. Additionally, SnF₂ impacts the electronic structure, enhancing the density of states close to the VBM. N2 - Die chemische und elektronische Struktur von hybriden metallorganischen (CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ) und anorganischen (CsSnBr₃) Perowskit-Materialien, abgeschieden auf kompaktem TiO₂ (c-TiO₂), wurden mit Hilfe von Röntgen- und Elektronenspektroskopiemethoden untersucht. Die Morphologie und lokale Elementzusammensetzung von CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ, welche die Leistung der Solarzelle beeinflussen, wurden mit Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM) im Detail untersucht. Dabei wird eine unvollständige Bedeckung, mit Löchern, die bis zum c-TiO₂ hinunterreichen, enthüllt. Ferner konnten drei verschiedene Morphologien mit unterschiedlichen Graden von Bedeckungen und chemischer Zusammensetzung identifiziert werden. Je nach Grad der Bedeckung, weisen die Morphologien eine Variation in der I Oxidation und die Bildung von Pb⁰ in der Nähe des c-TiO₂ auf. Die Valenzbandmaxima (VBM), bestimmt aus den Messdaten für das Perowskit und c-TiO₂, kombiniert mit Literaturwerten von spiro-MeOTAD, offenbaren eine Bandanpassung, die in eine exzellente Ladungsselektivität an der Absorber/spiro-MeOTAD und Absorber/c-TiO₂ Grenzfläche resultiert. Des Weiteren deutet die Bandanpassung auf eine große Rekombinationsbarriere (~ 2 eV) hin, welche das Auftreten von Shunts, durch den direkten Kontakt zwischen c-TiO₂ und spiro-MeOTAD in den Löchern, verhindert. Es wurden in-situ Umgebungsdruckröntgenspektroskopiestudien (AP-HAXPES) mit harter Röntgenstrahlung an 60 und 300 nm CH₃NH₃PbI₍₃₋ₓ₎Clₓ Proben unter verschiedenen Bedingungen (z.B. Vakuum/Wasser und Dunkelheit/Licht) durchgeführt, um Einblick in die Degradierungsvorgänge, die für die kurze Lebensdauer des Absorbers verantwortlich sind, zu erhalten. Die 60 nm Perowskit Probe bildet in Wasserdampf (undefinierte Beleuchtung) und in Anwesenheit von Röntgenstrahlung Pb⁰. Die 300 nm Perowskit Probe zeigt ein komplexes Verhalten bei Beleuchtung/Dunkelheit. Im Wasserdampf/Dunkelheit löst sich das Perowskit in seine organische (MAI) und anorganische (PbI₂) Komponenten auf. Unter Beleuchtung zerfällt PbI₂ weiter zu Pb⁰ verursacht durch UV-Licht und Röntgenstrahlung. Um die Rolle von SnF₂ in der Leistungsverbesserung alternativer anorganische CsSnBr₃ Perowskitsolarzellen zu identifizieren, wurde der Einfluss von SnF₂ auf deren chemische und elektronische Struktur mittels HAXPES und Labor-XPS Methoden untersucht. Alle Proben weisen zwei Sn, Cs und Br Spezien auf, wobei die zweite Sn Spezies auf oxidiertes Sn (Sn⁴⁺) zurückzuführen ist. Durch die Hinzugabe von SnF₂ zur Ausgangslösung, wird eine verbesserte Bedeckung und weniger Sn⁴⁺, inklusive deren zugehörigen sekundären Cs und Br Spezies, beobachtet. Was auf eine oxidationshemmende Eigenschaft von SnF₂ hindeutet. Darüber hinaus beeinflusst SnF₂ die elektronische Struktur des Absorbers und erhöht die Zustandsdichte in der Nähe des VBM. KW - Perovskite KW - Photoelectron spectroscopy KW - Thin-film solar cell KW - Solid-state physics KW - Photovoltaics KW - Photovoltaik KW - Festkörperphysik KW - Dünnschichtsolarzelle KW - Photoelektronenspektroskopie KW - Perowskite KW - Fotovoltaik KW - Halbleiter KW - Dünnschichtsolarzelle KW - Perowskit KW - Photoelektronenspektroskopie Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-46358 ER - TY - THES A1 - Holla, Markus T1 - Defektcharakterisierung von Halbleitermaterialien für die Photovoltaik T1 - Defect characterization of semiconductor materials for photovoltaics N2 - Zur Deckung des stetig steigenden Energiebedarfs und unter Berücksichtigung des Umweltschutzes werden unter anderem Solarzellen genutzt. Defekte in Solarzellen können die Effizienz verringern. In dieser Arbeit wird das Defektverständnis von Silizium basierten Solarzellen erweitert. Neue experimentelle Erkenntnisse konnten zu folgenden Schwerpunkten gewonnen werden: • Siliziumnitrid- und Siliziumkarbidausscheidungen in multikristallinem Silizium • Rekombinationsaktivität in dünnen Siliziumschichten • Charakterisierung der Rekombinationsaktivität von Germanium als Modellmaterial für die Siliziumkristallisation • Rekombinationsaktivität und Verspannung an Korngrenzen Um Ergebnisse experimenteller Defektcharakterisierung auf allgemein gültige Parameter der Rekombination wie z.B. Ladungsträgerdiffusionslänge oder Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit zurückführen zu können, wurden zu folgenden Phänomenen Modelle entwickelt und Simulationen durchgeführt: • Getterzonen an Korngrenzen • Ermittlung von Diffusionslänge und Diffusionskoeffizient in Dünnschichtmaterial • 3D-Raumladungseffekte Die Nutzung der gewonnenen Erkenntnisse über die Rekombinationseigenschaften der Defekte liegt in einer möglicherweise zukünftigen kontrollierten Defektbeeinflussung und somit einer Effizienzverbesserung von Solarzellen. N2 - Solar cells are one possibility to meet the increasing energy requirement. Defects in solar cells can decrease the solar cell efficiency. The defect understanding of silicon based solar cell material is the aim of the present work. New experimental knowledge is achieved in the following topics: • silicon nitride and silicon carbide in multicrystalline silicon • recombination activity in thin silicon layers • characterization of germanium recombination activity as model material for silicon crystallization • recombination activity and stresses at grain boundaries Models and simulations are developed to conclude results from experimental defect characterization to generally valid recombination parameters for example charge carrier diffusion length or surface recombination velocity. The simulation chapters focus on the following issues: • getter zones at grain boundaries • estimation of diffusion length and diffusion coefficient in thin film material • 3D-space-charge-effects Possibly in future the new knowledge about recombination properties of defects could be used to influence the defects controlledly and increase the solar cell efficiency. KW - Defekt KW - Defect KW - Halbleiter KW - Semiconductor KW - Festkörperphysik KW - Halbleiter Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-36384 ER - TY - THES A1 - Grzela, Tomasz T1 - Comparative STM-based study of thermal evolution of Co and Ni germanide nanostructures on Ge(001) T1 - Vergleichende STM-basierte Studie der thermischen Evolution von Co- und Ni-Germanid-Nanostrukturen auf Ge(001) N2 - Since 1947, when Bardeen and Brattain initiated the era of microelectronics by constructing the first Germanium (Ge) transistor, semiconductors have become the main material platform for advanced integrated circuit (IC) technologies. Later on, given in particular the electrical stability of its native oxide, IC technology shifted from Ge to Silicon (Si) substrates and the dominance of Si-based complementary metal oxide semiconductor (CMOS) microelectronics is today unquestionable. However, as the semiconductor industry is approaching the limits of traditional Si CMOS scaling, the integration of new materials into Si micro- and nano-electronics is required to extend the performance and functionality of future CMOS-based IC technologies. Recently, Ge due to its superior optoelectronic properties and compatibility with conventional Si CMOS technology has re-emerged as an alternative semiconductor material on the mainstream Si technology platform. Many of the Ge integration challenges, such as e.g. doping, epitaxial quality etc., have been recently solved or minimized to an acceptable level. However, the fabrication of low resistance, thermally stable metal/Ge contacts is still one of the main barriers towards the full use of the potential offered by Ge. In particular, the formation of ohmic contacts is relevant for applications where high current densities are of importance (i.p. Ge p-MOSFET and Ge laser applications). Consequently, intensive investigations of metal/Ge contacts are imperative for future applications of Ge. Various metal/Ge contact systems were studied and demonstrated good thermal stability and promising electrical properties. However, given their widespread use in Si CMOS technologies in form of their respective silicides, Co- and Ni-germanides seem to be an obvious choice for electrical contacts in Ge-based devices. Both metal/Ge systems exhibit a complex bulk phase diagrams with a wide range of different physical properties. It is generally acknowledged that the stoichiometric CoGe2 and NiGe phases are best suited for ohmic metal contact formation, mainly due to their low resistivity. It is worth noting that the bulk phase diagram is limited in its use for nanoscience due to an increased surface/volume ratio as well as by the strong nanostructure/substrate interface influence. This PhD thesis sheds light on the formation process at the atomic level of Co and Ni germanide nanostructures on clean, reconstructed Ge(001) substrates. The main part of the presented research is based on in-situ scanning tunneling microscopy (STM) studies on the influence of subsequent, post-evaporation annealings at various temperatures in order to follow and investigate on the nano-scale the structural evolution of a few monolayers of Co and Ni metal (deposited at RT and in UHV conditions) on an atomically clean, reconstructed Ge(001) surface. Furthermore, additional techniques like LEED, (S)TEM-EDX and XPS were used to corroborate and complement the STM derived insights. It was demonstrated that - for both investigated systems - room temperature deposition of a few metal monolayers on clean Ge(001) results in a Volmer Weber growth mode. Starting with annealing treatments at relatively low temperature ranges, the formation of a continuous MetalxGey wetting layer from as-deposited 3D metal clusters on Ge(001) was detected. It should be noted that a very flat wetting layer was observed for the Co/Ge(001) system, which is different for the Ni/Ge(001) system where inhomogeneous terraced domains were formed. Finally, the 2D wetting layer gradually evolves with increasing temperature into well-ordered 3D MetalxGey nanostructures, surrounded by clean, reconstructed Ge(001). Analysis of these Co and Ni germanide nanostructures shows that the growth mechanism is different: in particular the Ni/Ge system is more reactive by means of Ni bulk diffusion and results in 3D Ni germanide nanostructures which show a strong tendency to be embedded into the Ge(001) substrate. In contrast, Co germanide nanostructures are situated initially on top of the Ge(001) substrate due to the fact that Ge diffusion dominates in the low temperature range. Only at higher annealing temperatures, Co diffusion into the bulk occurs and Co germanide nanostructures penetrate into the Ge substrate. For the Co- as well as Ni-Germanide system, the nanostructures undergo Ostwald ripening phenomena in the high temperature range. The present PhD thesis thus allows to understand on the nano-scale the main growth and reaction mechanisms of the Walser and Benè rule set up about 40 years ago to describe metal/semiconductor interface reaction on the macro-scale. N2 - Seit 1947 als Bardeen und Brattain die Ära der Mikroelektronik, durch die Konstruktion des ersten Germanium (Ge) Transistors, einleiteten, wurden Halbleiter zur Hauptgrundlage für fortschrittliche „integrated circuit“ (IC)-Technologien. Später wechselten IC-Technologien von Ge zu Silizium (Si)-Substraten, bedingt durch die elektrische Stabilität der natürlichen Oxide, wodurch die Dominanz von Si-basierten „complementary metal oxide semiconductor“ (CMOS) Mikroelektronik unangefochten wurde. Jedoch wird, durch die Annäherung an die Limitierung der traditionellen Si-CMOS-Skalierung, die Integration von neuen Materialien in die Si-Mikro- und Nanoelektronik notwendig, um die Leistung und Funktionalität von zukünftigen CMOS-basierten IC-Technologien weiter auszubauen. Jüngst hat sich Ge, durch seine optoelektronische Eigenschaften und Kompatibilität mit konventionellen Si-CMOS-Technologien, wieder als alternatives Halbleitermaterial auf einer Si-Technologieplattform hervorgetan. Viele der Ge-Integrationsherausforderungen, wie z.B. Dotierung, epitaktische Qualität etc., wurden mittlerweile gelöst oder auf ein akzeptables Niveau reduziert. Jedoch ist die Herstellung von niederohmigen, thermisch stabilen Metall/Ge-Kontakten immer noch eine der Hauptbarrieren zur vollständigen Nutzung des Potentials von Ge. Die Bildung von ohmschen Kontakten ist insbesondere für Anwendungen mit hohen Stromdichten (z.B. p-MOSFET und Laser) von großer Relevanz. Entsprechend sind intensive Untersuchungen von Metall/Ge-Kontakten zwingend notwendig für zukünftige Anwendungen von Ge. Es wurden diverse Metall/Ge-Systeme studiert, welche eine gute thermische Stabilität und vielversprechende elektrische Eigenschaften demonstrierten. Co- und Ni-Germanide, in Betracht ihrer weiten Verbreitung in CMOS-Technologien als entsprechende Silizide, scheinen offensichtlich eine gute Wahl für elektrische Kontakte in Ge-basierten Bauteilen zu sein. Beide Metall/Ge-Systeme weisen ein komplexes Volumenphasendiagramm, mit unterschiedlichsten physikalischen Eigenschaften, auf. Es ist allgemein anerkannt, dass die CoGe2- und NiGe-Phase sich am besten als ohmsche Metallkontakte durch ihren geringen Widerstand eignen. Es sollte erwähnt werden, dass das Volumenphasendiagramm in der Anwendbarkeit in den Nanowissenschaften, durch die erhöhte Oberflächen/Volumen-Ratio genauso wie durch den starken Nanostruktur/Substrat-Einfluss, limitiert ist. Diese Dissertation soll die Bildungsprozesse von Co- und Ni-Germanidnanostrukturen auf sauberen, rekonstruierten Ge(001) Substraten auf einem atomistischen Niveau näher beleuchten. Der Hauptteil der hier präsentierten Forschung basiert auf in-situ „scanning tunneling microscopy“ (STM)-Studien, bezüglich des Einflusses von aufeinanderfolgenden Temperschritten bei unterschiedlichen Temperaturen, um die nanoskalierte, strukturelle Evolution von wenigen Monolagen Co- und Ni-Metall nach der Abscheidung (bei RT und unter UHV-Bedingungen) auf einer atomar reinen, rekonstruierten Ge(001)-Oberfläche zu verfolgen und zu untersuchen. Des Weiteren wurden zusätzliche Techniken wie LEED, (S)TEM-EDX, und XPS verwendet, um die mit STM erzielten Ergebnisse zu bekräftigen und zu vervollständigen. Es wurde demonstriert, dass für die beiden untersuchten Systeme die Raumtemperatur-abscheidung von wenigen Monolagen Metall auf reinem Ge(001) in einem Volmer-Weber-Wachstumsmodus resultiert. Temperschritte bei relativ niedrigen Temperaturen führten anfangs zur Detektion von kontinuierlichen MetallxGey Benetzungsschichten ausgehend von den abgeschiedenen 3D Metallclustern auf Ge(001). Zu beachten ist, dass eine sehr flache Benetzungsschicht für das Co/Ge(001) beobachtet wurde, was sich zu dem Ni/Ge(001)-System unterscheidet, wo sich inhomogene Domänen mit Terrassen bildeten. Mit ansteigender Temperatur entwickelt sich die 2D Benetzungsschicht allmählich zu wohlgeordneten 3D MetallxGey Nanostrukturen umgeben von sauberen, rekonstruierten Ge(001)-Flächen. Eine genaue Analyse dieser Co- und Ni-Germanid-Nanostrukturen zeigt, dass ihre Wachstumsmechanismen unterschiedlich sind. So ist das Ni/Ge-System reaktiver, was sich durch eine erhöhte Ni-Volumendiffusion andeutet, wodurch sich eine starke Tendenz zu in Ge(001) eingebetteten 3D Ni-Germanid-Nanostrukturen ergibt. Im Gegensatz dazu befinden sich Co-Germanid-Nanostrukturen anfänglich auf dem Ge(001)-Substrat, da die Germaniumdiffusion bei niedrigen Temperaturen dominiert. Nur bei höheren Temperaturen tritt eine Co-Diffusion auf und die Co-Nanostrukturen dringen in das Ge-Substrat ein. Sowohl für das Co- sowie auch das Ni-Germanid-System vollziehen die Nanostrukturen einen Ostwald-Reifungsprozess bei hohen Temperaturen. Die vorliegende Dissertation erlaubt so Einblicke in das Verständnis von nanoskalierten Wachstums- und Reaktionsmechanismen der Walser und Benè Regeln, die schon vor 40 Jahren aufgesetzt wurden, um die Metall/Halbleiter-Grenzflächenreaktion auf einer makroskopischen Skala zu beschreiben. KW - Scanning Tunneling Microscope KW - STM KW - Germanium KW - Cobalt germanides KW - Nickel germanides KW - Rastertunnelmikroskop KW - Nickel Germanide KW - Kobalt Germanide KW - Intermetallische Verbindungen KW - Schichtwachstum KW - Nanostruktur KW - Germanide KW - Rastertunnelmikroskop KW - Halbleiter Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-36234 ER - TY - THES A1 - Skibitzki, Oliver T1 - Material Science for high performance SiGe HBTs : Solid-Phase Epitaxy and III-V/SiGe hybrid approaches T1 - Materialwissenschaft für Hochleistungs-SiGe HBTs : Festphasenepitaxie- und III-V/SiGe Hybridansätze N2 - The complexity of today´s microelectronic circuitry is not only driven by complementary metal oxide semiconductor (CMOS) scaling, but also by integration of high performance modules for various applications (e.g. wireless and broadband communication systems). These mixed signal circuitries are build up by combining digital CMOS technology with analog SiGe:C hetero-bipolar transistors (HBT) known as SiGe:C BiCMOS technology. State-of-the-art SiGe:C BiCMOS technologies achieve up to the 500 GHz. Nevertheless, Si as semiconductor material is approaching more and more its physical limits, whereby novel approaches have to be found to ensure the future development of SiGe:C HBT BiCMOS technology in order to push the maximum frequency further into the Terahertz regime. Based on this task, two novel material science strategies are investigated in this Ph.D. thesis in terms of material growth and defect studies: A.) Solid-phase epitaxy (SPE) for emitter and base resistivity: This technique has been investigated for local engineering of crystallinity in emitter and base layer of already established SiGe:C HBT technology in order to improve the speed performance. By introducing disilane as new gas source with respect to standard used silane, it is possible to reduce the CVD growth temperature for Si, enabling the differential growth of epitaxial-Si (epi-Si) on Si and amorphous Si (a-Si) on the SiO2 and Si3N4 masks. The so produced requirement for SPE treatments is evaluated for two possible areas of application: A1.) Emitter region and A2.) Base region. In both cases, SPE techniques are applied to change the standard polycrystalline-Si (poly-Si) emitter and base link area on the SiO2 and Si3N4 masks to a fully epi-Si area in order to lower emitter and base resistivity, respectively. B.) III-V/SiGe hybrid device: The ternary compound semiconductor In1-xGaxP [x=0–1] is introduced as potential new collector material as part of an III-V/SiGe hybrid HBT device. With InP having a three times higher saturation velocity, and GaP having a two times bigger bandgap than Si, this approach offers the possibility to adjust speed and power performance of HBTs in a flexible way as a function of the In1-xGaxP collector chemical composition x. The material growth and defect studies in this Ph.D. thesis produced insights, which lead to the following results for future device application: A1.) SPE for emitter region: After investigating the temperature, time and doping concentration dependence on lateral SPE length of in-situ annealed As-doped epi-Si/a-Si test structures, it was possible to crystallize up to 500 nm of a-Si on SiO2 and Si3N4 masks to epi-Si with low defect densities by a combination of 575 °C and 1000 °C postannealing. A2.) SPE for base region: After studying the dependence of time, temperature, thickness, SiO2-capping and Ge incorporation on lateral SPE length of in-situ annealed undoped epi-Si/a-Si test structures, it was possible to crystallize up to 450 nm of SiO2-capped undoped a-Si on SiO2 mask to low-defective epi-Si by 570 °C postannealing. Finally, this technique is applied in a SiGe:C base model structure in order to show the possibility to widen the monocrystalline region around the bipolar window, which results in a possibly improved base resistivity. B.) GaP/Si0.8Ge0.2/Si(001) heterostructure: For pseudomorphic GaP/Si0.8Ge0.2/Si(001) heterostructure growth, the critical thickness of GaP on Si and maximum thermal budget for GaP deposition is evaluated. A detailed structure and defect characterization study by XRD, AFM, and TEM is reported on single crystalline 170 nm GaP/20 nm Si0.8Ge0.2/Si(001) heterostructure. Results show that 20 nm Si0.8Ge0.2 on Si(001) can be overgrown by 170 nm GaP without affecting the pseudomorphism of the Si0.8Ge0.2/Si(001) systems. The GaP layer grows however partially relaxed, mainly due to defect nucleation at the GaP/Si0.8Ge0.2 interface during initial island coalescence. The achievement of 2D GaP growth conditions on Si0.8Ge0.2/Si(001) systems is thus a crucial step for achieving fully pseudomorphic heterostructures. Anti-phase domain-free GaP growth is observed for film thicknesses beyond 70 nm. In addition, no detrimental impurity diffusion could be found in the GaP/Si0.8Ge0.2/Si(001) heterostructure. Finally, it is to mention that further investigation and efforts are still needed to push these new approaches to full integration into SiGe:C HBT BiCMOS technology concepts: A.) For SPE application: Electrical studies are needed in frame of full processed devices to evaluate the value and required modifications for process integration. B.) For III-V/SiGe hybrid device: Future work has to focus on improved 2D GaP layer conditions (before introducing InP) in order to prepare truly pseudomorphic GaP/Si0.8Ge0.2/Si(001) heterostructures with low defect densities. For this purpose, selective GaP growth studies in local HBT Si0.8Ge0.2/Si(001) mesa structures are the next step. N2 - Die Komplexität heutiger mikroelektronischer Schaltungen wird nicht ausschließlich von der CMOS-Skalierung vorangetrieben, sondern wird ergänzt durch Integration von Hochleistungsmodule für verschiedene Anwendungen (z.B. für drahtlose und Breitband-Kommunikationssysteme), welche durch die Kombination von digitaler CMOS- mit analoger SiGe:C HBT-Technologie (auch bekannt als SiGe:C BiCMOS –Technologie) aufgebaut werden und heute bis zu 500 GHz erreichen. Da allerdings Si als Halbleitermaterial langsam an seine physikalischen Grenzen stößt, müssen neue Ansätze gefunden werden, um eine weitere Entwicklung der SiGe:C HBT BiCMOS-Technologie in Richtung Terahertz-Regime zu gewährleisten. Basierend auf dieser Aufgabe werden zwei neuartige Materialstrategien im Rahmen dieser Doktorarbeit in Form von Materialwachstums- und Defektstudien untersucht: A.) Festphasenepitaxie (SPE): SPE gestattet das lokale Verändern der Kristallinität in Emitter- und Basisschichten von bereits etablierten SiGe:C HBT-Technologien zur Geschwindigkeitsverbesserung. Die Einführung von Disilan anstatt Silan als Prozessgas ermöglicht die Senkung der CVD-Wachstumstemperatur für Si, wodurch ein differentielles Wachstum von epi-Si auf Si und a-Si auf SiO2- und Si3N4-Masken erfolgt. Diese Voraussetzung zur SPE-Anwendung wird an zwei möglichen Anwendungsbereichen evaluiert: A1.) Emitterbereich und A2.) Basisbereich. In beiden Fällen wird die SPE angewendet, um die standardmäßig poly-Si-Bereiche auf den SiO2- und Si3N4-Masken in epi-Si umzuwandeln, und so den Emitter- bzw. Basiswiderstand zu senken. B.) III-V/SiGe Hybridbauteil: Der ternäre Verbindungshalbleiter In1-xGaxP [x=0–1] wird als potentielles neues Kollektormaterial im Rahmen eines III-V/SiGe Hybridansatzes eingeführt. Mit InP, welches eine dreimal höhere Sättigungsgeschwindigkeit, und GaP, welches ein zweimal größere Bandlücke als Si hat, bietet dieser Ansatz die Möglichkeit, Geschwindigkeit und Leistung des HBTs flexibel als Funktion der chemischen Zusammensetzung x des In1-xGaxP anzupassen. Die Materialwachstums- und Defektstudien in dieser Doktorarbeit erbrachten folgende Ergebnisse: A1.) SPE für den Emitterbereich: Nach der Untersuchung der Temperatur-, Zeit- und Dotierungskonzentrationsabhängigkeit auf die laterale SPE-Länge von in-situ getemperten, As-dotierten epi-Si/a-Si-Teststrukturen war es möglich, 500 nm a-Si auf den SiO2- und Si3N4-Masken zu epi-Si mit geringen Defektdichten zu kristallisieren, indem man eine Temperkombination aus 575 °C und 1000 °C verwendete. A2.) SPE für den Basisbereich: Nach dem Studium der Zeit-, Temperatur-, Dicken-, SiO2-Bedeckungs- und Ge-Einlagerungsabhängigkeit auf die L-SPE-Länge von in-situ getemperten, nicht dotierten epi-Si/a-Si-Teststrukturen war es möglich, bis zu 450 nm des SiO2-bedeckten, undotierten a-Si auf der SiO2-Maske zu epi-Si mit geringen Defektdichten zu kristallisieren, indem man eine Temperung bei 570 °C verwendete. Abschließend wurde mittels einer SiGe:C Basis-Modellstruktur gezeigt, dass SPE die Möglichkeit bietet, den einkristallinen Bereich um das Bipolar-Fenster zu erweitern, was zu einer Basis-Widerstandesverbesserung führen kann. B.) GaP/Si0.8Ge0.2/Si(001) Hetero-Struktur: Fürs pseudomorphe GaP/Si0.8Ge0.2/Si(001) Hetero-Strukturwachstum wurde die kritische GaP-Schichtdicke auf Si und das maximale thermale Budget für die GaP-Beschichtung ermittelt. Eine einkristalline 170 nm GaP/20 nm Si0.8Ge0.2/Si(001) Hetero-Struktur wird in Bezug auf Struktur und Defekte durch XRD, AFM und TEM charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass 20 nm Si0.8Ge0.2/Si(001) mit 170 nm GaP überwachsen werden kann, ohne den Pseudomorphismus des Si0.8Ge0.2/Si(001)-Systems zu beeinflussen. Jedoch kommt es durch Zusammenwachsen der anfänglichen GaP-Inseln zu Defektnukleation an der GaP/Si0.8Ge0.2-Grenzschicht, wodurch GaP teilweise relaxiert aufwächst. Daher bildet das erfolgreiche 2D GaP-Wachstum auf Si0.8Ge0.2/Si(001)-Systemen den entscheidenden Schritt, um eine völlig pseudomorphe Hetero-Struktur zu bilden. Des Weiteren konnte die Abwesenheit von Anti-Phasen-Domänen ab einer GaP-Schichtdicke von 70 nm und keine schädliche Diffusion innerhalb der GaP/Si0.8Ge0.2/Si(001) Hetero-Struktur beobachtet werden. Abschließend ist zu erwähnen, dass weitere Untersuchungen und Anstrengungen unternommen werden müssen, um diese neuen Ansätze in die SiGe:C HBT BiCMOS-Technologie einzubinden: A.) Für SPE-Anwendungen: Elektrische Studien an einem voll prozessierten Bauteil werden benötigt, um den Wert für die Prozessintegration zu bewerten. B.) III-V/SiGe Hybridbauteil: Zukünftige Arbeiten müssen sich (bevor man InP hinzufügt) auf die Verbesserung der 2D GaP-Schichtnukleation fokussieren, um eine wirklich pseudomorphe GaP/Si0.8Ge0.2/Si(001) Hetero-Struktur mit geringen Defektdichten herzustellen. Hierzu sind selektive GaP-Wachstumsstudien in lokalen Si0.8Ge0.2/Si(001) Mesa-Strukturen der nächste Schritt. KW - Halbleiter KW - Epitaxie KW - Heterostruktur KW - Hetero-bipolar-Transistor KW - Festphasenepitaxie KW - III-V/SiGe Hybridbauteil KW - Materialwissenschaft KW - Halbleiterphysik KW - Heterojunction bipolar transistor KW - Solid-Phase Epitaxy KW - III-V/SiGe hybrid device KW - Material science KW - Semiconductor physics Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-29333 ER - TY - THES A1 - Racec, Elena Roxana T1 - Electrons and optical phonons in mesoscopic semiconductor heterostructures N2 - We analyze here some electron properties and lattice dynamics in semiconductor heterostructures, pointing out the dramatic changes relative to the bulk properties due to the existence of the interfaces in these systems. The first part of the study is devoted to the electron scattering phenomena in noninteracting open systems and to the transport properties described in the Landauer-Büttiker formalism. We develop a resonant theory of transport and apply it first to the conductance through a quantum dot embedded in a quantum wire and second to the capacitance of a two dimensional electron gas formed in a MIS-type semiconductor heterostructure. In the second part of the study we illustrate the four major new features of the optical phonon spectra in a strained semiconductor heterostructure in contrast to an unstrained one. The results are particularized for double heterostructures InP/GaAs/InP grown on the faces (001) and (111) of the substrate. N2 - In dieser Arbeit werden Elektroneneigenschaften und Gitterdynamik in Halbleiterheterostrukturen analysiert und die drastischen Änderungen im Verhältnis zu den Volumeneigenschaften hervorhoben, die durch die Heteroübergänge in diesen Systemen verursacht werden. Im ersten Teil der Studie werden im Landauer-Büttiker Formalismus die Elektron Streuphänomene und die Transporteigenschaften in wechselwirkungsfreien Systemen untersucht Wir entwickeln eine Theorie des resonanten Transportes und wenden sie zunächst an, um die Leitfähigkeit eines Quantenpunktes, der in einem Quantendraht eingebetet ist, zu beschreiben. Die zweite Anwendung ist die Analyse der Kapazität eines zweidimensionalen Elektrongases, das in einer MIS-artigen Halbleiterheterostruktur gebildet wird. Im zweiten Teil der Studie werden die vier neuen Eigenschaften der optischen Phononenspektren in einer verspannten Heterostruktur im Vergleich zu einem unverspannten System gezeigt. Die Ergebnisse werden für Heterostrukturen InP/GaAs/InP partikularisiert. KW - Halbleiter KW - Mesoskopisches System KW - Heterostruktur KW - Elektron KW - Optisches Phonon KW - Semiconductor nanostructures KW - Transport KW - Open systems KW - Resonance theory KW - Electron-optical phonon interaction Y1 - 2002 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-000000220 ER -