TY - THES A1 - Matbaechi Ettehad, Honeyeh T1 - Dielectrophoretic manipulation of yeast cells using CMOS integrated microfluidic T1 - Dielektrophoretische Manipulation von Hefezellen mit CMOS-integrierter Mikrofluidik N2 - The rapid detection of infectious diseases is still an unsolved problem since their identification must be carried out either by cultivation or DNA analysis in a laboratory. The development of point-of-care (PoC) is a current development trend that requires further technological impulses to produce reliable and cost-effective systems. By miniaturizing and integrating microfluidic and electronic components, the advantages of electronic methods can be transferred to the field of PoC testing. The combination of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology with microfluidic platforms allowed the development of fully functional sample-to-result LoC setups, which served the portability of the device even out of the laboratory or hospitals. CMOS-based LoC device can control and manage the data from sensors, microfluidics, and actuators. Dielectrophoresis (DEP) is a non-destructive and non-invasive method promising to be used in PoC medical applications. Utilizing MEMS technology and fabrication of microelectrodes allow DEP to be applied in biomedical applications such as cell manipulation and separation with high speed, sensitivity and without any labeling. Cell detection and separation occupy an important place in diagnostics of viral and infectious diseases such as Influenza and COVID-19. Therefore, rapid, sensitive, and automated LoC devices are needed to detect such diseases. Starting from this point of view, manipulating the cells as a way to detect them using DEP was decided as the main objective of the thesis. This work aimed at developing a miniaturized CMOS integrated silicon microfluidic device, in line with a standard CMOS procedure, for characterization and manipulation of live and dead yeast cells using the DEP technique. Understanding the relationship between the microelectrode’s geometry and the magnitude of DEP force, the microfluidic devices can be designed to produce the most effective DEP implication on biological samples. In this work, interdigitated electrode arrays (IDEs) were used to manipulate the cells. This microelectrode was primarily used to detect microorganisms in a solution, based on the measurement of the variation of the dielectric constant by the concentration of the microorganisms. Therefore, finite element simulations were performed to optimize this microelectrode and adapt it to our application. Thus, the IDEs were optimized as a function of finger width and spacing between adjacent fingers. One of the most serious matters related to DEP-based microfluidic devices is that the DEP spectra of the targeted cell should precisely be known. Therefore, the DEP spectrum analysis of various cell suspensions with different medium conductivities was studied comprehensively by finite element simulation and experimentally. This study presented an optimized trapping platform for both detection and separation applications in terms of electrode dimension and electrical parameters. N2 - Die schnelle Erkennung von Infektionskrankheiten ist nach wie vor ein ungelöstes Problem, da deren Identifizierung entweder durch Kultivierung oder DNA-Analyse im Labor erfolgen muss. Die Entwicklung von Point-of-Care (PoC)-Verfahren ist ein aktueller Entwicklungstrend, der weitere technologische Impulse erfordert, um zuverlässige und kostengünstige Systemlösungen herzustellen. Durch die Miniaturisierung und Integration mikrofluidischer und elektronischer Komponenten können die Vorteile elektronischer Methoden auf den Bereich der PoC übertragen werden. Die Kombination der komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) Technologie mit Mikrofluidisch ermöglicht voll funktionsfähigen Sample-to-Result LoC, was die Nutzbarkeit des Geräts auch außerhalb des Labors oder Krankenhauses unterstützt. Die Elektrophorese (DEP) ist eine zerstörungsfreie und nicht-invasive Methode, die für medizinische Diagnosetests am PoC vorteilhaft ist. Die Verwendung der MEMS-Technologie und die Herstellung von Mikroelektroden ermöglichen den Einsatz der DEP in biomedizinischen Anwendungen, wie z. B. die Manipulation und Trennung mit hoher Geschwindigkeit und Empfindlichkeit und ohne Markierung. Zelldetektion und -separation nehmen einen wichtigen Platz in der Diagnostik von viralen und infektiösen Krankheiten wie Influenza und COVID-19 ein. Daher werden schnelle, empfindliche und automatisierte LoC zum Nachweis solcher Krankheiten dringend benötigt. Diese Arbeit zielt darauf ab, ein miniaturisiertes CMOS-integriertes, silizium- mikrofluidik zu entwickeln, das mit einem Standard-CMOS-Prozess kompatibel ist, um die Charakterisierung und Manipulation von Hefezellen mit Hilfe der DEP-Technik zu ermöglichen. Durch das Verständnis der Beziehung zwischen der Geometrie der Mikroelektrode und der Größe der DEP-Kraft können die mikrofluidische Geräte so optimiert werden, dass ihre DEP Wirkung auf biologische Proben maximiert wird. In dieser Arbeit wurden interdigitale Elektrodenarrays (IDEs) zur Manipulation der Zellen verwendet. Diese Mikroelektrode wurde in erster Linie zum Nachweis von Mikroorganismen in einer Lösung verwendet, basierend auf der Messung der Variation der Dielektrizitätskonstante durch die Konzentration der Mikroorganismen. Um die Mikroelektrode zu optimieren und um sie an unsere Anwendung anzupassen, wurden finite Elemente Simulationen durchgeführt. So wurden die IDEs als Funktion der Fingerbreite und des Abstandes zwischen benachbarten Fingern optimiert. Einer der kritischsten Punkte im Zusammenhang mit DEP mikrofluidischen Geräten ist, dass die DEP-Spektren der Zielzellen genau bekannt sein sollten. Dafür wurde eine DEP-Spektrum-Analyse für verschiedene Zellsuspensionen unterschiedlicher Medium-Leitfährigkeit experimentell und mit Finite-Elemente Simulationen untersucht. In dieser Studie wurde eine optimierte Trapping-Plattform sowohl für Detektions- als auch für Separationsanwendungen in Bezug auf die Elektrodengröße und die elektrischen Parameter vorgestellt. KW - Dielectrophoresis (DEP) KW - Yeast cell KW - Cell manipulation KW - Interdigitated electrodes (IDEs) KW - CMOS-integrated microfluidic Lab-on-a-chip KW - Dielektrophorese (DEP) KW - Hefezelle KW - Zellmanipulation KW - Interdigitalelektroden (IDEs) KW - CMOS-integriertes mikrofluidisches Lab-on-a-chip KW - CMOS KW - Lab on a Chip KW - Dielektrophorese KW - Saccharomyces cerevisiae KW - Mikrofluidik KW - Biomedizinische Technik Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-55315 ER - TY - THES A1 - Kalishettyhalli Mahadevaiah, Mamathamba T1 - Process development and electrical characterization of CMOS-integrated memristive devices for emerging non-volatile memory applications T1 - Prozessentwicklung und elektrische Charakterisierung von CMOS-integrierten memristiven Bauelementen für neuartige nichtflüchtige Speicheranwendungen N2 - Energy efficiency is vital for future low-power electronic applications. This ultra-low power consumption requirement enables the research beyond the conventional charge-based memories. Further, reliability, high scalability, fast switching, CMOS compatibility, high endurance, etc., are some of the characteristics envisaged by the new generation of emerging non-volatile memories (NVMs). A memristor or OxRAM is one among the many emerging NVMs, which can exhibit the aforementioned characteristics, and it has the potential to replace the power-hungry conventional NVMs. The memristive devices have the advantage of monolithic integration with the CMOS logic, which enables the widening of their application areas. Despite their various advantages, the reliability, forming voltages, and variability of the devices pose a hurdle to their wide commercial usage. Hence, it is crucial to identify these factors and mitigate them. This thesis addresses these issues through fabrication process improvements, electrical characterization techniques, and device-engineering methods. The improvements in the fabrication processes reduced the pristine state currents of the memristive devices. It impacted the reliability and resistive switching performance of the memristive devices directly. To further improve the performance, the memristive devices are integrated into the 130 nm BiCMOS baseline technology of IHP. Additionally, dedicated test structures are developed to monitor and control the fabrication process steps through in-line electrical characterization. Further, the forming current and voltage values, along with their dispersions in the 4 kbit memristive arrays, were reduced by utilizing the electrical characterization techniques. Accordingly, the forming operations were performed at high operating temperatures using incremental step pulse and verify algorithm (ISPVA). In contrast to the well-known method of increasing the current compliance (1R) or the gate voltage of the transistor (1T-1R) to increase the conduction filament size, a thin layer of Al2O3 is added. This device engineering technique reduced the variability in both LRS and HRS currents of the memristive devices. Additionally, the conduction filament properties in both states are modeled by using the quantum point contact (QPC) model. Finally, harnessing the intrinsic variability of the memristive devices for neuromorphic computing applications is demonstrated. The reliability of the devices is assessed through endurance and retention characteristics. N2 - Energieeffizienz ist für künftige elektronische Anwendungen mit geringem Stromverbrauch von entscheidender Bedeutung. Dieser extrem niedrige Stromverbrauch ermöglicht die Forschung über die herkömmlichen ladungsbasierten Speicher hinaus. Darüber hinaus sind Zuverlässigkeit, hohe Skalierbarkeit, schnelles Schalten, CMOS-Kompatibilität, hohe Lebensdauer usw. einige der Eigenschaften, die von der neuen Generation der aufkommenden nichtflüchtigen Speicher (NVMs) angestrebt werden. Ein Memristor oder OxRAM ist einer der vielen aufkommenden NVMs, die die oben genannten Eigenschaften aufweisen können, und er hat das Potenzial, die stromfressenden konventionellen NVMs zu ersetzen. Die memristiven Bauelemente haben den Vorteil, dass sie monolithisch in die CMOS-Logik integriert werden können, was eine Ausweitung ihrer Anwendungsbereiche ermöglicht. Trotz ihrer zahlreichen Vorteile stellen die Zuverlässigkeit, die Formationsspannungen und die Variabilität der Bauelemente eine Hürde für ihre breite kommerzielle Nutzung dar. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, diese Faktoren zu identifizieren und sie zu entschärfen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit diesen Problemen durch Verbesserungen des Herstellungsprozesses, elektrische Charakterisierungstechniken und Methoden der Bauelementekonstruktion. Die Verbesserungen in den Herstellungsprozessen haben die Ströme im Urzustand der memristiven Bauelemente reduziert. Dies wirkte sich direkt auf die Zuverlässigkeit und die Widerstandsschaltleistung der memristiven Bauelemente aus. Um die Leistung weiter zu verbessern, werden die memristiven Bauelemente in die 130 nm BiCMOS-Basistechnologie des IHP integriert. Darüber hinaus werden spezielle Teststrukturen entwickelt, um die Herstellungsprozesse durch elektrische Inline-Charakterisierung zu überwachen und zu steuern. Darüber hinaus wurden die Werte für den Formierungsstrom und die Formierungsspannung sowie deren Streuungen in den memristiven Arrays mit 4 kbit durch den Einsatz der elektrischen Charakterisierungstechniken reduziert. Dementsprechend wurden die Umformvorgänge bei hohen Betriebstemperaturen unter Verwendung des ISPVA-Algorithmus (Incremental Step Pulse and Verify) durchgeführt. Im Gegensatz zu der bekannten Methode, die Stromnachgiebigkeit (1R) oder die Gatespannung des Transistors (1T-1R) zu erhöhen, um die Größe des Leitungsfilaments zu vergrößern, wird eine dünne Schicht Al2O3 hinzugefügt. Durch diese Technik wurde die Variabilität der LRS- und HRS-Ströme der memristiven Bauelemente verringert. Darüber hinaus werden die Eigenschaften des Leitungsfilaments in beiden Zuständen mit Hilfe des Quantenpunktkontaktmodells (QPC) modelliert. Schließlich wird demonstriert, wie die intrinsische Variabilität der memristiven Bauelemente für neuromorphe Computeranwendungen genutzt werden kann. Die Zuverlässigkeit der Bauelemente wird anhand der Ausdauer und der Retentionseigenschaften bewertet. KW - Memristive devices KW - RRAM KW - ISPVA KW - Forming KW - Variability KW - Formierspannung KW - Variabilität KW - Dispersion KW - Leitungsdraht KW - Neuromorphe Anwendungen KW - CMOS KW - Nichtflüchtiger Speicher KW - Memristor KW - Modellierung KW - Dispersion Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-65571 ER - TY - THES A1 - Soltani Zarrin, Pouya T1 - Permittivity biosensor for the recognition of saliva samples of COPD patients using neuromorphic-based machine learning T1 - Permittivitäts-Biosensor für die Charakterisierung von Speichelproben von COPD-Patienten mit neuromorphischem maschinellem Lernen N2 - Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) is an inflammatory lung disease, causing breathing difficulties in patients due to obstructed airflow in lungs. COPD is one of the main leading causes of death worldwide with an annual mortality rate of three million people. Despite the absence of an effective treatment for COPD, an early-stage diagnosis plays a crucial role for the effective management of the disease. However, majority of patients with objective COPD go undiagnosed until late stages of their disease due to the lack of a reliable technology for the recognition and monitoring of COPD in Point-of-Care (PoC). Alternative diagnostic approaches such as the accurate examination of respiratory tract fluids like saliva can address this issue using a portable biosensor in a home-care environment. Nonetheless, the accurate diagnosis of COPD based on this approach is only possible by concurrent consideration of patients demographic--medical parameters. Therefore, Machine Learning (ML) tools are necessary for the comprehensive recognition of COPD in a PoC setting. On the other hand, drawbacks of cloud-based ML techniques for medical applications such as data safety, immerse energy consumption, and enormous computation requirements need to be addressed for this application. Therefore, the objective of this thesis was to develop a ML-equipped system for the management of COPD in a PoC setup. A portable permittivity biosensor was developed in this work and its in-vitro performance was evaluated throughout clinical experiments. ML techniques were applied on biosensor results, demonstrating the significant role of these algorithms for the recognition of COPD. Moreover, developed ML models were deployed on a neuromorphic platform for addressing the shortcomings of cloud-based approaches. N2 - Die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) ist eine entzündliche Lungenerkrankung, die bei Patienten Atembeschwerden aufgrund eines behinderten Luftstroms in der Lunge verursacht. COPD ist eine der häufigsten Todesursachen weltweit mit einer jährlichen Sterblichkeitsrate von drei Millionen Menschen. Obwohl es keine wirksame Behandlung für COPD gibt, spielt die Diagnose im Frühstadium eine entscheidende Rolle für die effektive Behandlung der Krankheit. Die Mehrheit der Patienten mit objektiver COPD bleibt jedoch bis in späte Stadien ihrer Erkrankung unerkannt, da es keine zuverlässige Technologie zur Erkennung und Überwachung von COPD am Point-of-Care (PoC) gibt. Alternative diagnostische Ansätze wie die genaue Untersuchung von Atemwegsflüssigkeiten wie Speichel können dieses Problem mit Hilfe eines tragbaren Biosensors in einer Home-Care-Umgebung beheben. Die genaue Diagnose von COPD auf Basis dieses Ansatzes ist jedoch nur bei gleichzeitiger Berücksichtigung der demographisch-medizinischen Parameter des Patienten möglich. Daher sind Werkzeuge des maschinellen Lernens (ML) für die umfassende Erkennung von COPD in einer PoC-Umgebung notwendig. Auf der anderen Seite müssen die Nachteile von Cloud-basierten ML-Techniken für medizinische Anwendungen, wie z.B. die Datensicherheit, der immersive Energieverbrauch und der enorme Rechenaufwand, für diese Anwendung adressiert werden. Daher war das Ziel dieser Arbeit, ein ML-ausgerüstetes System für das Management von COPD in einem PoC-Setup zu entwickeln. In dieser Arbeit wurde ein tragbarer Permittivitäts-Biosensor entwickelt und seine in-vitro Leistung wurde in klinischen Experimenten evaluiert. ML-Techniken wurden auf die Ergebnisse des Biosensors angewandt, was die bedeutende Rolle dieser Algorithmen für die Erkennung von COPD demonstrierte. Darüber hinaus wurden die entwickelten ML-Modelle auf einer neuromorphen Plattform eingesetzt, um die Unzulänglichkeiten von Cloud-basierten Ansätzen zu beheben. KW - BiCMOS permittivity biosensors KW - COPD management KW - Saliva characterization KW - Bioneuromorphics KW - Machine learning in medicine KW - BiCMOS Permittivitäts-Biosensoren KW - COPD-Management KW - Speichelcharakterisierung KW - Bioneuromorphie KW - Maschinelles Lernen in der Medizin KW - Obstruktive Ventilationsstörung KW - Speichel KW - BICMOS KW - Biosensor KW - Maschinelles Lernen Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-55016 ER - TY - THES A1 - Mahmoodinezhad, Ali T1 - Atomic layer deposition and characterization of metal oxide thin films T1 - Atomlagenabscheidung und Charakterisierung von Metalloxid-Dünnfilmen N2 - This thesis describes low temperature growth of wide band gap metal oxide thin films deposited by thermal (T-) and plasma-enhanced (PE-) atomic layer deposition (ALD) techniques in which high quality materials are grown with atomic level precision. Metal oxides are extensively investigated due to their exceptional physical and chemical properties, including relatively wide band gap, high dielectric constant and high thermal stability. This variety of properties results in a wide range of different applications. Thin films of indium oxide (InOx), gallium oxide (GaOx), zinc oxide (ZnOx), and quaternary InOx/GaOx/ZnOx (IGZO), in addition to the well-known aluminum oxide (AlOx), and the catalyst cerium oxide (CeOx), have proven to be superior candidates for many applications; from microelectronics and optoelectronics to gas sensor devices. The demanding requirements of low-temperature deposition processes for thermal sensitive substrates, which include high layer homogeneity and conformality over large areas, makes ALD a pioneer deposition technique. Although many oxides have been grown by TALD and PEALD, the deposition of wide band gap oxides at low temperatures are rarely reported and/or being investigated. In this work, the deposition method of the individual binary oxide films and combining the respective binary processes into the developed super-cycle growth of quaternary compound have been investigated at relatively low-temperatures by TALD and PEALD. Besides, the growth characteristics and chemical properties of the deposited films were evaluated by in-situ and ex-situ characterization techniques such as spectroscopic ellipsometry (SE) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), where the influence of ALD process parameters on the growth mechanism and films composition are discussed in detail for any potential applications. N2 - Diese Dissertation beschreibt das Tieftemperaturwachstum von Metalloxid-Dünnfilmen mit breiter Bandlücke, die durch thermische (T-) und plasmaunterstützte (PE-) Atomlagenabscheidungstechniken (ALD) abgeschieden werden, bei denen hochwertige Materialien mit atomarer Präzision aufgewachsen werden. Metalloxide werden aufgrund ihrer außergewöhnlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften, einschließlich einer relativ großen Bandlücke, einer hohen Dielektrizitätskonstante und einer hohen thermischen Stabilität, ausführlich untersucht. Aus dieser Vielfalt an Eigenschaften ergibt sich ein breites Spektrum an unterschiedlichen Anwendungen. Dünnfilme aus Indiumoxid (InOx), Galliumoxid (GaOx), Zinkoxid (ZnOx) und quaternärem InOx/GaOx/ZnOx (IGZO), zusätzlich zu dem wohlbekannten Aluminiumoxid (AlOx) und dem Katalysator Ceroxid (CeOx), haben sich für viele Anwendungen als ausgezeichnete Kandidaten erwiesen; von der Mikroelektronik und Optoelektronik bis hin zu Gassensorgeräten. Die anspruchsvollen Anforderungen von Niedertemperatur-Abscheidungsprozessen für thermisch empfindliche Substrate, zu denen eine hohe Schichthomogenität und -konformität über große Flächen gehören, machen ALD zu einer bahnbrechenden Abscheidungstechnik. Obwohl viele Oxide durch TALD und PEALD gezüchtet wurden, wird die Abscheidung von Oxiden mit breiter Bandlücke bei niedrigen Temperaturen selten berichtet oder untersucht. In dieser Arbeit wurden das Abscheidungsverfahren der einzelnen binären Oxidfilme und die Kombination der jeweiligen binären Prozesse zu dem entwickelten Superzyklus-Wachstum der quaternären Verbindung bei relativ niedrigen Temperaturen durch TALD und PEALD untersucht. Außerdem wurden die Wachstumseigenschaften und chemischen Eigenschaften der abgeschiedenen Filme durch In-situ- und Ex-situ-Charakterisierungstechniken wie spektroskopische Ellipsometrie (SE) und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) bewertet. Dabei wurde der Einfluss von ALD-Prozessparametern auf den Wachstumsmechanismus und der Filmzusammensetzung im Detail für mögliche Anwendungen diskutiert. KW - Thermal atomic layer deposition KW - Plasma-enhanced atomic layer deposition KW - Indium gallium zinc oxide KW - Aluminum oxide KW - Cerium oxide KW - Thermische Atomlagenabscheidung KW - Plasmaunterstützte Atomlagenabscheidung KW - IGZO KW - AlOx KW - CeOx KW - Tieftemperatur KW - Atomlagenabscheidung KW - Beschichtung KW - Metallschicht KW - Dünne Schicht KW - Aluminiumoxide KW - Ceroxide KW - Indiumoxide Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-61343 ER - TY - THES A1 - Akhtar, Fatima T1 - Graphene synthesis under Si-CMOS compatible conditions T1 - Graphen-Synthese unter Si-CMOS-kompatiblen Bedingungen N2 - Due to the unique electronic band structure, graphene has opened the great potential to extend the functionality of a large variety of graphene-based devices in health and environment, energy storage, or various microelectronic applications, to mention a few. At this point, the implementation of graphene into Silicon (Si) semiconductor technology is strongly dependent on several key challenges. Among them, high-quality and wafer-scale graphene synthesis on CMOS compatible substrates is of the highest importance. Though large-area graphene can be achieved on substrates like copper, platinum, silicon carbide, or single-crystal Ni, however, high growth temperatures, unavailability of large scale, or contamination issues are the main drawbacks of their usage. In this PhD work, 8-inch scale graphene synthesis is attempted on alternative substrates such as epitaxial Germanium on Si and polycrystalline Nickel on Si. To achieve the growth of the highest quality of graphene, this work focuses on the investigations of various nucleation and growth mechanisms, substrate–graphene interfaces, effects of different substrate orientations, and detailed microscopic and macroscopic characterization of the grown films. Finally, it should also be stressed that the experiments in this work were carried out in a standard BiCMOS pilot-line, making this study unique, as its results might directly pave the way to further graphene integration and graphene-based device prototyping in mainstream Si technologies. N2 - Durch seine einzigartige Bandstruktur hat Graphen ein großes Feld zur Erweiterung der Funktionalität graphenbasierter Bauelemente im Gesundheitswesens und der Umwelttechnologie, zur Speicherung von Energie, für neue Verbundstoffe und für mikroelektronischen Anwendungen, um nur Einige zu nennen, eröffnet. Gerade der Einsatz von Graphen in der siliziumbasierten Halbleitertechnologie hängt stark von einigen wesentlichen Voraussetzungen ab. Darunter ist die hohe Qualität der Abscheidung von Graphen auf CMOS-kompatiblen Substraten von größter Wichtigkeit und bisher noch nicht gelöst. Obwohl hochqualitatives Graphen auf Substraten wie Kupfer, Platin, Siliziumcarbid oder einkristallinem Nickel hergestellt werden kann, sind hohe Wachstumstemperaturen, großflächige Beschichtung oder Kontaminationen Hinderungsgründe für deren Einsatz. In der Promotionsarbeit wird die Graphenabscheidung auf alternative 200mm Substrate, wie einkristallinem Germanium auf Silizium und polykristallines Nickel auf Silizium untersucht. Um die beste Wachstumsqualität von Graphen zu erreichen, ist der Fokus dieser Arbeit auf verschiedene Nukleations- und Wachstumsmechanismen, auf Graphen-Substrat wechselwirkungen, Effekte verschiedener Substratorientierung sowie detaillierter mikroskopischer und makroskopischer Charakterisierung der gewachsenen Schicht gerichtet. Abschließend sollte erwähnt werden, dass diese Experimente in einer Standardpilotlinie (BiCMOS) durchgeführt wurden, um mit den Ergebnissen dieser Arbeit den Weg zur Graphenintegration und zu graphenbasierten prototypischen Bauelementen in die industrielle Silizium-technologie zu ebnen. KW - Graphene KW - Chemical vapor deposition KW - Growth KW - Oxidation KW - Germanium KW - Nickel KW - Graphen KW - CVD KW - Wachstum KW - Oxidation KW - Graphen KW - Keimbildung KW - Wachstum KW - CVD-Verfahren KW - Nickel KW - Germanium Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-59270 ER - TY - THES A1 - Kayser, Stefan T1 - The lateral photovoltage scanning method to probe spatial inhomogeneities in semiconductors: a joined numerical and experimental investigation T1 - Die laterale photovoltaisch rasternde Methode zum Detektieren räumlicher Inhomonenitäten in Halbleitern: eine numerische und experimentelle Untersuchung N2 - The Lateral-Photovoltage-Scanning-Method (LPS) operates well for Si, Ge and Si_{1–x}–Ge_x for an analysis in defect regions below one part per million, where Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS) or X-Ray Fluorescence (XRF) signals fall below its detection limit. Although LPS is well established since 1999, it is still poorly investigated. We used a computational simulation finite volume (FVM) approach, solving the van-Roosbroeck equations in three dimensions using a MUltifrontal Massively Parallel sparse direct Solver MUMPS. The signal transport is simulated by solving the Maxwell equations in two dimension for different sample geometries. It could be shown that a typical LPS-measurement is distorted due to the samples geometry (except cuboid). This distortion can be simulated, understood and recalculated, as discussed for trapezoidal or cylindrical samples. Also using the signal generation simulation of this measurement technique it can be shown, that the measurement signal is convoluted depending on the inherent minority charge carrier life time reducing the local resolution. An investigation of the local resolution were made using a Gaussian function as the convolution function of this method. A comparison of simulations to real measurements was discussed on silicon samples with boron implantation pattern. In 1955 Tauc already stated that the bulk photovoltaic effect, causative for the LPS measurement set-up, could be used detecting any quantity, which affects the band structure of a semiconductor.As strain is coupled to the conduction and valence band profiles by the deformation potential theory by van-de-Walle, we investigated the possibility to detect strain variations using LPS simulations. For an n-type Si sample with an on-top stressor stripe (silicon-nitride) the strain distribution in Si got calculated by finite elemente simulation (FEM) using solid mechanics module. By directly converting the strain profile to a single conduction and valence band, FVM LPS simulations were performed. It could be shown, that the LPS voltage can be connected to hole traps caused by the conduction and valence band profile. Therefore we can finally conclude, that the LPS measurement set-up is suitable measuring conduction and valence band variations caused by strain. N2 - Die Lateral-Photovoltage-Scanning-Methode (LPS) ist zur Analyse der Dotierstoffvariationen von Si, Ge und Si_{1–x}–Ge_x in Bereichen unter 1ppm geeignet, in denen die Signale der Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS) oder der Röntgenfluoreszenz (XRF) unter ihre Nachweisgrenze fallen. Obwohl die LPS-Methode seit 1999 etabliert ist, ist sie noch immer wenig erforscht. Um diese Methode besser zu verstehen, wurde mithilfe eines Finite-Volumen-Ansatz (FVM) simuliert und die van-Roosbroeck-Gleichungen in drei Dimensionen mit einem MUltifrontal Massively Parallel Sparse Solver MUMPS gelöst. Um den Signaltransport zu simulieren, werden die Maxwell-Gleichungen in zwei Dimensionen für verschiedene Probengeometrien gelöst. Durch diese Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine typische LPS-Messung aufgrund der Probengeometrie (mit Ausnahme von quaderförmigen Proben) verzerrt ist. Diese Verzerrung kann simuliert, verstanden und berechnet werden, sowie für trapezförmige oder zylindrische Proben diskutiert. Mithilfe der Simulation zur Signalerzeugung dieser Messtechnik wird gezeigt, dass das Messsignal in Abhängigkeit von der inhärenten Minoritätsladungsträger-Lebensdauer gefaltet ist, was die lokale Auflösung reduziert. Eine Untersuchung der lokalen Auflösung wurde unter Verwendung einer Gaußfunktion als Faltungsfunktion durchgeführt. Ein Vergleich von Simulationen mit realen Messungen wurde an Siliciumproben mit Bor-Implantationsmuster diskutiert. Bereits 1955 stellte Tauc fest, dass der photovoltaische Effekt, der für das LPS-Signal ursächlich ist, zum Nachweis jeder Größe, die die Bandstruktur eines Halbleiters beeinflusst, genutzt werden kann. Da die Dehnung durch Deformationspotentiale nach von van-de-Walle an die Leitungs- und Valenzbandprofile gekoppelt ist, wurde die Möglichkeit untersucht, Dehnungsvariationen mit Hilfe von LPS-Simulationen zu detektieren. Für eine n-Typ-Si- Probe mit aufgesetzten Verspannungsstreifen (Siliciumnitrid) wurde die Dehnungsverteilung in Si mittels Finite-Elemente-Simulation (FEM) unter Verwendung eines Festkörpermechanik- Moduls in COMSOL berechnet. Durch direkte Umwandlung des Dehnungsprofils in ein einziges Leitungs- und Valenzband wurden FVM-LPS-Simulationen durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die LPS-Spannung mit Lochfallen verbunden werden kann, die durch das Leitungs- und Valenzbandprofil verursacht werden. Daraus lässt sich schließen, dass der LPS-Messaufbau geeignet wäre, Leitungs- und Valenzbandvariationen durch Dehnung hervorgerufen zu messen. KW - Silicon KW - Finite-volume simulation KW - Lateral photovoltage scanning KW - van Roosbroeck system KW - Deformation potential theory KW - Silicium KW - Finite Volumen Simulation KW - Lateral Photovoltage Scanning KW - Deformationspotential Theorie KW - Deformationstheorie KW - Finite-Volumen-Methode KW - Computersimulation KW - Laserscanner KW - Silicium Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-54359 ER - 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 - Reichmann, Felix T1 - Germanium, Zinn und (Zink-) Galliumoxid für fortschrittliche Mikro- und Optoelektronik : Einblicke in die elektronische Struktur der Oberfläche mit Photoemissionstechniken T1 - Germanium, tin and (zinc) gallium oxide for advanced micro- and optoelectronics : insights into the surface electronic structure with photoemission techniques N2 - Historically, Ge is one of the oldest materials in the semiconductor industry and its (001) surface has been the subject of extensive investigations by photoelectron spectroscopy. I am going to challenge the predominant attribution of a semi-conducting nature of the Ge(001) surface in this thesis. My investigations reveal the presence of a Ge(001) surface state above the Fermi-level, occupied at room temperature. Employing time- and temperature-dependent angle-resolved photoelectron spectroscopy, I will demonstrate that the presence of this surface state is evidence for the conducting nature of the surface at room temperature. Sparked by the remarkable properties of the GeSn-alloy and a trend towards Ge-Sn-related multiquantum well fabrication, I investigate the surface electronic structure of Ge(001) after adsorption and incorporation of Sn. With an in-depth analysis of surface core-level shifts, I will extend the growth model of the Sn wetting layer formation by also detailing structural changes in the subsurface region. At the same time, the modifications of the electronic structure will be detailed, observing the removal of the Ge(001) surface states, the creation of a new, Sn-related surface state and the initial stages of the Schottky barrier formation. β-Ga₂O₃ a transparent semi-conducting oxide that has sparked a lot of interest over the last decade, because it offers an ultra-wide band gap and high break down voltage. However, due to its monoclinic crystal structure, device fabrication is rather challenging and researchers are already looking into alternative materials. One of these candidates is ϵ-Ga₂O₃ and this work presents a combined study by photoelectron spectroscopy and ab initio calculations of its electronic structure. (Hard) X-rays reveal the impact of photoelectron recoil and the absence of a band bending to the surface, while the dispersion of experimentally determined valence states compares favorably with the calculations based on hybrid density-functional theory. Another alternative to β-Ga₂O₃ be ZnGa₂O₄ and I will present an investigation on the electronic structure of its (100) surface. Due to the novelty of ZnGa₂O₄ single-crystals, I am first going to explore the preparation of a clean and well-ordered surface by standard in-situ sputtering and annealing. I will show that already low annealing temperatures induce Zn-deficiency, leading to non-stoichiometric surfaces, further exacerbated by sputtering. By changing the sputtering parameters and the annealing conditions, the preparation of a surface with sufficient quality for subsequent investigations will be demonstrated. The results by photoemission techniques compare favorably with the expectations from theory and allowing the first fundamental insights into the surface electronic structure. N2 - Ge ist eines der ältesten Materialien in der Geschichte der Halbleiter-Industrie und die Ge(001) Oberfläche wurde bereits umfassend durch Photoelektronenspektroskopie untersucht. Die dominierende Zuschreibung einer halbleitenden Eigenschaft der Oberfläche werde ich in dieser Dissertation anfechten. Meine Untersuchungen zeigen einen Ge(001) Oberflächenzustand oberhalb des Fermi-Niveaus, der bei Raumtemperatur besetzt ist. Durch zeit- und temperaturabhängige, winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie werde ich zeigen, dass die Beobachtung dieses Zustands der Beweis für die leitende Eigenschaft der Oberfläche, bei Raumtemperatur, ist. Inspiriert von den außergewöhnlichen Eigenschaften der GeSn-Legierung und einem Trend hin zu Ge-Sn-basierten Multi-Quantentopfstrukturen, werde ich die Modifizierung der Ge(001) Oberflächenbandstruktur nach Adsorption von Sn untersuchen. Mit einer detaillierten Analyse von Energie-Niveau-Verschiebungen, der inneren Elektronen der Oberflächenatome, werde ich das Modell des Sn-Wachstums auf der Ge (001) Oberfläche, um die darunter liegenden Schichten erweitern. Gleichzeitig werden Änderungen in der elektronischen Struktur gemessen. So kann die Entfernung von Ge(001) Oberflächenzuständen, die Entstehung eines neuen, Sn-basierten Oberflächenszustands und die ersten Stufen der Formation der Schottky-Barriere beobachtet werden. β-Ga₂O₃ ist ein transparentes halbeleitendes Oxid, welches im vergangenen Jahrzehnt dank seiner extrem breiten Bandlücke und hohen Durchbruchspannung großes Interesse geweckt hat. Jedoch ist die Herstellung von Bauteilen aufgrund der monoklinischen Kristallstruktur eine Herausforderung und Wissenschaftler suchen bereits nach alternativen Materialien. Ein möglicher Kandidat ist ϵ-Ga₂O₃ und in dieser Arbeit wird dessen elektronische Bandstruktur mit einer Kombination aus Photoelektronenspektroskopie und ab initio Berechnungen untersucht. (Harte) Röntgenstrahlung erlaubt die Beobachtung von Rückstoßeffekten der Photoelektronen und die Abwesenheit von Bandverbiegungen, während die Dispersionen der experimentell gemessenen Valenzbandzustände Berechnungen mit hybrid-density-functional-Theorie bestätigen. Eine andere Alternative zu β-Ga₂O₃ könnte ZnGa₂O₄ sein und ich werde eine Untersuchung der elektronischen Struktur, der (100)-Oberfläche präsentieren. Aufgrund die Neuartigkeit von ZnGa₂O₄-Einkristallen werde ich zuerst die Vorbereitung einer sauberen und kristallinen Oberfläche mittels in-situ Sputtern und Heizen untersuchen. Ich werde zeigen, dass es selbst bei niedrigen Heiztemperaturen zu Zn-Mangel in der Oberfläche kommt, welcher sich durch Sputtern verschlimmert. Durch das ändern der Sputterparameter und der Bedingungen beim Heizen, werde ich eine Oberfläche mit hinreichender Qualität für eine weitergehende Charakterisierung der elektronischen Struktur demonstrieren. Die Ergebnisse aus der Photoelektronenspektroskopie passen zu theoretischen Berechnungen der Bandstruktur und liefern somit die ersten Einsichten in die elektronische Struktur der Oberfläche. KW - Angle-resolved photoemission spectroscopy KW - X-ray photoelectron spectroscopy KW - Germanium-tin KW - Zinc gallium oxide KW - Surface science KW - ARPES KW - Gallium-Zink-Oxid KW - XPS KW - Halbleiteroberfläche KW - Bandstruktur KW - Elektronenstruktur KW - Germaniumverbindungen KW - Galliumverbindungen KW - ARPES KW - Röntgen-Photoelektronenspektroskopie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-62080 ER -