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 - Kaletta, Udo Christian T1 - Entwicklung CMOS kompatibler Oberflächenwellenfilter (SAW) basierend auf Aluminiumnitrid für die Biosensorik und drahtlose Datenkommunikation T1 - Development of CMOS compatible surface acoustic wave (SAW) filters based on aluminium nitride for biosensors and wireless data communication N2 - Einleitung: Akustische Oberflächenwellenfilter (SAW Filter) finden in zahlreichen drahtlosen und drahtgebundenen Kommunikationstechnologien sowie in der Sensorik ihren Einsatz. Dabei führt der Trend hin zu immer preiswerteren und kompakteren Lösungen mit noch mehr Funktionalität und noch geringeren Stromverbräuchen. Die Anwendungen erstrecken sich dabei von ultraenergiesparenden Kommunikationssystemen (z. B. für Sensorknoten) bis hin zu preiswerteren Multisensorarrays in der Sensorik (z. B. Biosensoren) sowie auf einem Chip integrierten Mikrofluidik Systemen (z. B. Mikroliterpumpen). Eine Lösung stellt die Integration der SAW Filter auf einem Chip zusammen mit integrierten Schaltkreisen (IC) in der sogenannten komplementären-Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) Technologie dar. Da es sich hierbei um ein neues Forschungsgebiet handelt und nur wenige Forschergruppen auf diesem Gebiet arbeiten sind umfangreiche wissenschaftliche Untersuchungen notwendig, um eine vollständige Integration der SAW Filter zu ermöglichen. Das einzige reinraumkompatible piezoelektrische Material mit einem ausreichend hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor (K2) sowie einer hohen akustischen Ausbreitungsgeschwindigkeit (vAlN = 5760 m/s [Bu 2006]) für hohe Arbeitsfrequenzen (bis ~6 GHz) ist dabei Aluminiumnitrid (AlN). Dafür muss es hoch c-achsenorientiert (<2°) aufgewachsen werden. Ein großes Problem bei der Integration ist das elektromagnetische Übersprechen (Crosstalk), welches besonders auf den für die CMOS Technologie notwendigen niederohmigen Siliziumsubstraten auftritt. Ziel: Diese Doktorarbeit untersucht die Möglichkeit der Integration von AlN basierten SAW Filtern mit Hilfe von diskreten Bauelementen, aufgebaut mit CMOS kompatiblen Schichtsystemen, in Hinblick auf eine spätere CMOS kompatible Vollintegration. Ergebnisse: Es konnte gezeigt werden, dass AlN basierte Filter mit Hilfe von CMOS kompatiblen Materialien und Prozessschritten hergestellt werden können. Außerdem konnte gezeigt werde, dass AlN sehr gut (full width at half maximum, FWHM: 1,27° - 1,9°) c-achsenorientiert aufgewachsen werden kann. Umfangreiche Simulationen, die mit Hilfe der finiten Element Methode (FEM) durchgeführt wurden, zeigten akustische Wellen (Rayleighwelle R0 und an der Oberfläche geführte Volumenwelle R1) mit Geschwindigkeiten von circa 4200 m/s (R0) bzw. 5200 m/s (R1) im technisch relevanten Frequenzbereich (~2,4GHz). Es wurde festgestellt, dass die akustische Reflektivität von Wolfram basierten Fingerelektroden circa ein bis zwei Größenordnungen höher liegt als bei Aluminium basierten Elektroden. Hergestellte SAW Filter zeigten maximale Resonanzfrequenzen von 3,3 GHz bei einer Wellenlänge von 1,68 µm, diese können noch auf bis zu 6,6 GHz bei einer minimalen Wellenlänge von 0,8 µm gesteigert werden. In dieser Arbeit konnte erstmals ein elektromagnetisches Übersprechen (Crosstalk) von unter -65 dB auf standardmäßig niederohmigen Siliziumsubstraten gezeigt werden. Erste optimierte SAW Filteranwendungen zeigten typische Frequenzantworten mit guter Performance. N2 - Introduction: Surface acoustic wave filters (SAW filter) are widely distributed in wireless and wired communication technologies as well as in sensor technology. The trend leads to still cheaper and more compact solutions with more functionality and even lower power consumption. The applications extend from ultra-energy-efficient communication systems (e. g. for sensor nodes) to less expensive multi-sensor arrays in sensors (e. g. biosensors) as well as microfluidic systems integrated on a chip (such as microliters pumps). One solution is the integration of SAW filters on a single chip with integrated circuit (IC) in the so-called complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology. Since this is about a new area of research and only a few research groups are working on this area it is necessary to perform extensive scientific studies in order to allow a complete integration of SAW filters. The only cleanroom compatible piezoelectric material with a sufficient electromechanical coupling coefficient (K2) as well as high acoustic velocity (vAlN = 6000 m/s [Bu 2006]) for high working frequencies (up to ~6 GHz) is aluminum nitride (AlN). For this reason it must be grown highly c-axes oriented (<2%). A major problem in the integration is the electromagnetic crosstalk which occurs particularly on low resistive silicon substrates (~10 Ωm) which are necessary for the CMOS technology. Aim: This thesis examines the possibility to integrate AlN-based SAW filters using discrete components, built with CMOS compatible layer systems, for a subsequently full CMOS compatible integration. Results: It was shown that AlN-based filters can be produced using only CMOS compatible materials and process steps. It was shown that AlN could be grown highly c-axes oriented (1.27° - 1.9°). Extensive simulations using the finite element method (FEM) have been carried out on acoustic waves (Rayleigh wave R0 and guided bulk wave R1) at speeds of about 4200 m / s (R0) and 5200 m / s (R1) in the technical relevant region (~ 2.4 GHz). It was found that the acoustic reflectivity of tungsten-based electrode fingers is around one to two orders of magnitude higher than that of aluminium-based electrodes. Produced SAW filters exhibited a maximum resonant frequency of 3.3 GHz at a wavelength of 1.68 µm; it can be increased up to 6.6 GHz with a minimum wavelength of 0.8 µm. In this work, an electromagnetic crosstalk (crosstalk) of less than -65 dB was presented the first time, is shown on standard low-silicon substrates. First optimized SAW filter applications showed typical frequency responses with good performance. KW - Surface acoustic wave KW - Crosstalk KW - Oberflächenwellenfilter KW - Aluminiumnitrid KW - SAW Filter KW - CMOS KW - Oberflächenwellenfilter Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-31993 ER - TY - THES A1 - Tarnawska, Lidia T1 - Novel oxide buffer approach for GaN integration on Si(111) platform through Sc₂O₃/Y₂O₃ bi-layer T1 - Innovativer Oxidansatz auf Basis von Sc₂O₃/Y₂O₃ Heterostrukturen zur Galliumnitrid-Integration auf der Si(111) Plattform N2 - Motivation: Preparation of GaN virtual substrates on large-scale Si wafers is intensively pursued as a cost-effective approach for high power/high frequency electronics (HEMT's etc.) and optoelectronic applications (LED, LASER). However, the growth of high quality GaN layers on Si is hampered by several difficulties mainly related to a large lattice mismatch (-17%) and a huge difference in the thermal expansion coefficient (56%). As a consequence, GaN epitaxial layers grown on Si substrates show a high number of defects (threading dislocations etc.), which severely deteriorate the overall quality of the GaN films. Additionally, due to the different thermal expansion coefficients of the substrate and the film, µm-thick GaN layers crack during post-growth cooling. To solve these integration problems, different semiconducting (e.g. AlN, GaAs, ZnO, HfN) and insulating (e.g. Al₂O₃, MgO, LiGaO₂) buffer layers, separating the Si substrate from the GaN film, are applied. Goal: In this thesis, a novel buffer approach for the integration of GaN on Si is proposed and investigated. The new approach employs Sc₂O₃/ Y₂O₃ bilayer templates as a step-graded buffer to reduce the lattice mismatch between GaN and the Si(111) substrate. According to the bulk crystal lattices, since the Y₂O₃ has an in-plane lattice misfit of -2% to Si, Sc₂O₃ -7% to Y₂O₃, the lattice misfit between GaN and the substrate can be theoretically reduced by about 50% from -17% (GaN/Si) to -8% (GaN/Sc₂O₃). Experimental: The GaN/Sc₂O₃/ Y₂O₃/Si(111) heterostructures are prepared in a multichamber molecular beam epitaxy system on 4 inch Si(111) wafers. In order to obtain complete information on the structural quality of the oxide buffer as well as the GaN layer, synchrotron- and laboratory-based x-ray diffraction, transmission electron microscopy and photoluminescence measurements are performed. The topography of the films is characterized by scanning electron microscopy and chemical inter-diffusion is investigated by energy-dispersive x-ray spectroscopy. The nucleation processes of the GaN onSc₂O₃ buff er are followed in-situ by reflection high energy electron diffraction and the interface chemistry is analyzed by means of x-ray photoelectron spectroscopy. Results: It is found, that the Sc₂O₃/ Y₂O₃ buffer approach provides a template of high structural quality for GaN overgrowth. The bi-layer buffer plays a lattice match mediator role between GaN and Si and acts as a barrier against impurity diffusion. GaN grown on Sc₂O₃/ Y₂O₃/Si(111) templates is single crystalline with a wurtzite structure and (0001) oriented. Due to the -8% lattice mismatch between GaN and Sc₂O₃, GaN growth proceeds by the nucleation of 3D islands. The size of the islands, coalescence time and the relaxation process depend on the GaN growth conditions and have a strong influence on the topography of closed layers, crystalline quality (defect density) as well as optical properties. The best GaN material parameters are obtained for the layers grown in Ga-rich regime when the Ga/N ratio is slightly higher than unity. The main three defects found in the µm-thick GaN layers are a) threading dislocation, with density in the order of 10^10 cm-2, b) stacking faults, resulting in cubic inclusions in the hexagonal matrix and c) inversion domain boundaries causing Ga-polar regions in the mainly N-polar film. A theoretical GaN/Sc₂O₃ interface model is discussed to explain these experimental findings. Despite the relatively large number of structural defects, photoluminescence shows sharp and strong donor-bound exciton transition and very low intensity yellow emission, which indicate that GaN layers grown on Sc₂O₃/ Y₂O₃/Si(111) are promising for future optoelectronic applications. Outlook: Future growth strategies will focus on interface engineering approach to further reduce the lattice mismatch between GaN(0001) and Sc₂O₃ (111) surfaces, enable growth of unipolar GaN films and trigger the occurrence of an early 2D-like growth mode to avoid cubic GaN inclusions and guarantee low threading dislocation densities. N2 - Motivation: Die Herstellung von virtuellen GaN-Substraten auf großflächigen Siliziumscheiben wird intensiv als kostengünstige Lösung in der Hochleistung-/Hochfrequenz-Elektronik (HEMT´s, usw.) und für optoelektronische Anwendungen (LED, LASER) verfolgt. Jedoch wird das Wachstum von qualitativ hochwertigen GaN-Schichten auf Si-Substraten durch mehrere Schwierigkeiten, hauptsächlich verbunden mit einer großen Gitterfehlanpassung (-17%) und einem großen Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten (56%), behindert. Infolgedessen zeigen die auf Silizium epitaxisch aufgewachsenen GaN-Schichten eine hohe Anzahl an Defekten (Schraubenversetzungen, usw.), welche die Gesamtqualität der GaN-Filme stark verschlechtern. Zusätzlich entstehen auf Grund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats und des Films bei µm-dicken GaN Schichten Brüche während des Kühlens nach dem Wachstum. Um diese Integrationsprobleme zu lösen, werden unterschiedliche halbleitende (z.B. AlN, GaAs, ZnO, HfN) und isolierende (z.B. Al₂O₃, MgO, LiGaO₂) Pufferschichten, welche das Siliziumsubstrat von der GaN-Schicht trennen, verwendet. Ziel: In dieser Doktorarbeit wird ein neuartiger Pufferansatz für die Integrierung von GaN auf Silicium vorgeschlagen und untersucht. Der neue Ansatz beruht auf den Sc₂O₃/ Y₂O₃- Zweischicht-System, dass als gestufter Pufferansatz die Gitterfehlanpassung zwischen GaN und Si(111) verringert. Gemäss den Kristallvolumengittern, wonach Y₂O₃ eine Gitterfehlanpassung in der Ebene von -2% zu Silizium und Sc₂O₃ eine von -7% zu Y₂O₃ besitzt, kann theoretisch die Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat und GaN um 50% von -17% (GaN/Si) auf -8% (GaN/Sc₂O₃) reduziert werden. Experimenteller Teil: Die GaN/Sc₂O₃/ Y₂O₃/Si(111)-Heterostrukturen wurden in einer Mehrkammer-Molekularstrahlepitaxieanlage auf 4 Inch Si(111) Scheiben erstellt. Um vollständige Informationen über die strukturelle Qualität des Oxidpuffers sowie der GaN-Schicht zu erhalten, wurden Synchrotron- und Labor-basierte Röntgenbeugung, Transmissionselektronenmikroskopie und Photolumineszenzuntersuchungen durchgeführt. Die Topografie der Filme ist mittels Rasterelektronenmikroskopie charakterisiert und die chemische Interdiffusion ist durch Energiedispersive Röntgenspektroskopie untersucht worden. Die Keimbildungsprozesse von GaN auf dem Sc₂O₃-Puffer sind in-situ durch Beugung hochenergetischer Elektronen in Reflektiongeometrie und die Grenzflächenchemie ist mittels Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie analysiert worden. Ergebnisse: Es wurde festgestellt, dass der Sc₂O₃/ Y₂O₃-Pufferansatz eine Vorlage mit hoher struktureller Qualität für das Aufwachsen von GaN bietet. Der zweischichtige Puffer spielt für Gitteranpassung zwischen GaN und Silicium eine Vermittlungsrolle und wirkt als Barriere gegen Diffusion von Verunreinigungen. GaN, gewachsen auf der Sc₂O₃/ Y₂O₃/Si(111)-Vorlage, ist einkristallin und besitzt eine (0001) orientierte Wurtzit-Struktur. Aufgrund der -8% Gitterfehlanpassung zwischen GaN und Sc₂O₃ verläuft das Wachstum von GaN über die Keimbildung von dreidimensionalen Inseln. Die Größe der Inseln, die Koaleszenzzeit und der Relaxationsprozess sind abhängig von den GaN Wachstumsbedingungen und haben starken Einfluss auf die Topographie der geschlossenen Schichten, auf die Kristallqualität (Defektdichte) ebenso wie auf die optischen Eigenschaften.Die besten Materialparameter für GaN sind für im Ga-reichen Regime erzielt worden, wenn das Ga/N-Verhältnis geringfügig höher als eins ist. Die drei Hauptdefektarten, welche in den µm-dicken GaN-Schichten gefunden wurden, sind a) Schraubenversetzungen mit einer Dichte in der Grössenordnung von 10^10 cm-2, b) Stapelfehler, wodurch kubische Einschlüsse in der hexagonalen Matrix resultieren, und c) Inversionsdomänengrenzen, welche Ga-polare Regionen im hauptsächlich N-polaren Film verursachen. Ein theoretisches GaN/Sc₂O₃-Grenzflächenmodell wird diskutiert, um diese experimentellen Ergebnisse zu erklären. Trotz der relativ großen Anzahl von strukturellen Defekten, zeigt die Photolumineszenz einen scharfen und starken Donor-gebundenen Excitonübergang und eine sehr geringe Intensität an gelber Emission, was aufzeigt, dass GaN-Schichten, aufgewachsen auf Sc₂O₃/ Y₂O₃/Si(111), vielversprechend für zukünftige optoelektronische Anwendungen sind. Ausblick: Zukünftige Wachstumsstrategien werden sich auf den Grenzflächenanpassungsansatz fokussieren, um die Gitterfehlanpassung zwischen GaN(0001) und Sc₂O₃ (111) weiter zu verringern, was das Einsetzen eines frühen zweidimensionalen Wachstumsmodus auslöst, wodurch kubische GaN-Einschlüsse vermieden und geringe Schraubenversetzungsdichten garantiert werden können. Ferner muss die Massgeschneiderte Grenzfläche das Wachstum von unipolaren GaN bewirken, so dass Inversionsdomänengrenzen vollkommen unterdrückt werden. KW - Lumineszenzdiode KW - Galliumnitrid KW - MOCVD-Verfahren KW - GaN auf Si KW - Oxidpuffer KW - Heteroepitaxie KW - GaN on Si KW - Heteroepitaxy KW - Oxide buffer Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-27904 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 - 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 - Kozlowski, Grzegorz T1 - On the compliant behaviour of free-standing Si nanostructures on Si(001) for Ge nanoheteroepitaxy T1 - Über die Spannungsverteilung in Ge/Si Nanostrukturen auf Si(001) für Ge Nanoheteroepitaxie N2 - Due to its superior optoelectronic properties, Germanium (Ge) is attracting increasing interest to build up future photonic modules within Si chip baseline technology. Despite clear advantages of Ge integration in Si technology (identical diamond crystal structure with Si, complementary metal oxide semiconductor (CMOS) compatibility due to no contamination risks etc.), it faces also some true challenges limiting the optoelectronic performance. Among them, thermal and lattice mismatch result in too high defect levels (which act as non-radiative recombination centres). Parasitic diffusion and formation of SiGe alloys at elevated temperatures is also a common problem. In this respect, selective chemical vapor deposition Ge heteroepitaxy approaches for high quality Ge nanostructure growth with reasonable thermal budget must be developed for local Ge photonic module integration. A promising vision is offered by the compliant substrate effects within nanometer scale Ge/Si heteroepitaxial structures. Here, in contrast to the classical Ge deposition on bulk Si substrates, the thermal and lattice mismatch strain energy accumulated in the Ge epilayer is partially shifted to the free-standing Si nanostructure. This strain partitioning phenomenon is at the very heart of the nanoheteroepitaxy theory (NHE) and, if strain energy levels are correctly balanced, offers the vision to grow defect-free nanostructures of lattice mismatched semiconductors on Si. In case of the Ge/Si heterosystem with a lattice mismatch of 4.2%, the strain partitioning phenomenon is expected to be triggered when free-standing Si nanopillars with the width of 50 nm and below are used. In order to experimentally verify NHE with its compliant substrate effects, a set of free-standing Ge/Si nanostructures with diameter ranging from 150 to 50 nm were fabricated and investigated. The experimental verification of compliant substrate effects is challenging and requires sophisticated characterization techniques. The main limitation corresponds to a simultaneous detection of a) the strain partitioning phenomenon between Ge and Si and b) the absence of defects on the nano-scale. In this respect, synchrotron-based grazing incidence x-ray diffraction was applied to study the epitaxial relationship, defect and strain characteristics with high resolution and sensitivity in a non-destructive way. Raman spectroscopy supported by finite element method calculations were used to investigate the strain distribution within a single Ge/Si nanostructure. Special focus was devoted to transmission electron microscopy to determine the quality of the Ge epilayer. It was found, that although high quality Ge nanoclusters can be achieved by thermal annealing on Si pillars bigger than 50 nm in width, no proof of strain partitioning phenomenon was observed. In clear contradiction to the present NHE theory, no strain partitioning phenomenon was found even for ~50 nm wide Si pillars for which the compliant substrate effects are expected. The absence of the strain partitioning between Ge and Si is caused by the stress field exerted by the SiO2 growth mask on the Si nanopillar. In contrast to such nanostructures monolithically prepared from a Si(001) wafer, first results in this thesis clearly prove the strain partitioning phenomenon within Ge/Si nanostructures on Silicon–on–insulator substrate. Here, the compliant substrate effects were clearly observed for pillar widths even bigger than 50 nm. This experimental work demonstrates, that NHE with its compliant substrate effects, offers an interesting approach for high quality Ge nanostructures on Si, avoiding even the misfit dislocation network with its non-tolerable electrical activity in Ge nanodevices. However, the theory does not yet include important aspects of thin film growth on the nano-scale and must be further developed. It is the aim of this PhD thesis to provide this experimental basis for the Ge/Si heterosystem. Finally, it is noted that here developed growth approach is fully Si CMOS compatible and is not only relevant for Ge integration but also for other lattice mismatched alternative semiconductors (GaAs etc.) to enable higher performance / new functions in future Si microelectronics technologies. N2 - Germanium erfährt zunehmendes Interesse für die Entwicklung zukünftiger photonischer Module im Rahmen von Standard-Si-Technologien aufgrund seiner besonderen optoelektronischen Eigenschaften. Trotz klarer Vorteile für die Ge-Integration in eine Si-Technologie, wie beispielsweise die gleiche Gitterstruktur beider Materialien und Kompatibilität zum CMOS-Prozess ohne ein Kontaminationsrisiko, gibt es auch einige Herausforderungen, die die optoelektronische Leistungsfähigkeit beschränken. Dazu gehört die nicht perfekte Übereinstimmung der thermischen Ausdehnungs- und Gitterparameter, welche zu hohen Defektdichten führen, die als Rekombinationszentren wirken können. Interdiffusion und die Bildung einer SiGe-Legierung bei erhöhten Temperaturen ist ein weiteres generelles Problem. Unter diesem Aspekt sind Ansätze der selektiven chemischen Gasphasenabscheidung erforderlich, die das heteroepitaktische Wachstum von Ge hoher Qualität mit moderatem thermischem Budget für die photonische Modulintegration ermöglichen. Ein vielversprechender Ansatz ist die Ausnutzung des Effekts des sich anpassenden Substrats von Ge/Si-Heterostrukturen in Nanometerdimensionen. Im Unterschied zur klassischen Ge-Abscheidung auf großflächigen Si-Substraten wird hierbei die in der Ge-Schicht aufgebaute Verspannungsenergie aufgrund der thermischen Ausdehnungs- und Gitterfehlanpassung teilweise an die freistehende Si-Nanostruktur weitergeleitet. Das Phänomen der Spannungsaufteilung ist der zentrale Punkt der Theorie der Nanoheteroepitaxie. Wenn die Niveaus der Spannungsenergie korrekt ausbalanciert werden, könnte die Vision eines defektfreien Wachstums von gitterfehlangepassten Halbleitermaterialien auf Si in Nanostrukturen Wirklichkeit werden. Im Falle des Ge/Si-Systems mit einer Gitterfehlanpassung von 4.2% wird das Einsetzen einer Spannungsaufteilung für freistehende Si-Säulen mit einem Durchmesser von 50 nm und darunter erwartet. Zur experimentellen Verifikation der Theorie der Nanoheteroepitaxie mit dem Effekt des sich anpassenden Substrats wurde ein Satz von freistehenden Ge/Si-Nanostrukturen mit Durchmessern von 150 bis 50 nm hergestellt und charakterisiert. Die experimentelle Bestätigung des Effekts des sich anpassenden Substrats ist schwierig und bedarf anspruchsvoller Charakterisierungstechniken. Die entscheidende Limitierung betrifft die simultane Detektion der a) Spannungsaufteilung zwischen Ge und Si und der b) Abwesenheit von Defekten auf der Nanometerskala. Deshalb wurden Röntgenbeugungsexperimente unter streifendem Einfall am Synchrotron durchgeführt, um die epitaktische Heterostruktur im Hinblick auf Defekt- und Spannungseigenschaften mit hoher Auflösung und Sensitivität zerstörungsfrei zu untersuchen. Raman-Spektroskopie unterstützt durch Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode wurde verwendet, um die Spannungsverteilung innerhalb einzelner Ge/Si-Nanostrukturen zu charakterisieren. Zusätzlich wurde großer Wert auf die Transmissionselektronenmikroskopie gelegt, um die Qualität der Ge-Schichten zu bestimmen. Es wurde gezeigt, dass Ge Nanocluster hoher Qualität auf Si-Säulen mit einer Strukturgröße über 50 nm nach einer thermischen Temperung erzielt werden können. Es konnte bewiesen werden, dass keine Spannungsaufteilung, jedoch eine klassische, plastische Relaxation erfolgt. Im Gegensatz zur Theorie der Nanoheteroepitaxie, die eine Spannungsaufteilung für Si-Säulen kleiner als 50 nm vorhersagt, wiesen auch Ge/Si Heterostrukturen in diesen Strukturgrößen in unseren Messungen keine Spannungsaufteilung auf. Das Fehlen des Einsetzens einer Spannungsaufteilung zwischen Ge und Si konnte hauptsächlich auf die durch die SiO2-Wachstumsmaske hervorgerufenen Spannungen zurück-geführt werden. Im Gegensatz zu Nanostrukturen, die auf einem Si(001) Wafer aufgewachsen wurden, bestätigen erste Resultate dieser Arbeit das Einsetzen einer Spannungsaufteilung in Ge/Si Nanostrukturen auf Silicon-on-insulator Substraten. Der Effekt des sich anpassenden Substrats wurde sogar eindeutig für Strukturgrößen über 50 nm beobachtet. Insgesamt zeigt die Arbeit, dass die Theorie der Nanoheteroepitaxie mit sich anpassendem Substrat ein interessanter Ansatz ist, um gitterfehlangepasste Halbleitermaterialien in hoher Qualität in eine Standard-Si-Mikroelektronik-technologie zu integrieren und hohe Leistung und/oder neue Funktionalitäten zu ermöglichen. Natürlich beinhaltet dies nicht nur Ge, sondern auch III-V Halbleiter wie z.B. GaAs. Die Theorie berücksichtigt aber noch nicht einige wichtige Aspekte des Wachstums dünner Schichten im Nanometerbereich. Ursache ist das Fehlen wesentlicher experimenteller Daten, wie sie erst durch moderne Synchrotronquellen zugänglich geworden sind. Es ist dies das wesentliche Ziel dieser Arbeit, diese experimentelle Grundlage für das Ge/Si System zu legen. KW - Heteroepitaxie KW - Germanium KW - Silizium KW - Heteroepitaxie KW - Röntgenbeugung KW - Raman Spektroskopie KW - Germanium KW - Silicon KW - Heteroepitaxy KW - X-ray diffraction KW - Raman spectroscopy Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-24512 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 - Sowinska, Malgorzata T1 - In-operando hard X-ray photoelectron spectroscopy study on the resistive switching physics of HfO2-based RRAM T1 - In-operando Untersuchung der Physik des resistiven Schaltens von HfO2-basierten RRAMs mittels hochenergetischer Röntgen-Photoelektronenspektroskopie N2 - Current memory technologies, such as DRAM, SRAM, and NAND Flash, which are approaching very difficult issues related to the continuous scaling to and beyond the 16 nm generation, has led research over the past two decades to the discovery of several new memory technologies. In recent years, new emerging nonvolatile memories (NVMs), such as phase-change random access memory (PCRAM), ferroelectric random access memory (FRAM), magnetic random access memory (MRAM), and resistive random access memory (RRAM), have been intensively studied. Among these candidates, RRAM is a very promising and worldwide studied candidate for alternative NVM and a high potential successor for Flash in terms of energy consumption (write current in the μA range compared to mA) and simplicity of process integration. A fully CMOS compatible TiN/Ti/HfO2/TiN RRAM module was successfully integrated with a select transistor (1T1R memory) in IHP’s technology. Nonetheless, reliability and insufficient understanding of the resistive switching mechanism are the two main issues limiting this memory technology development for e.g. wireless sensor network (WSN) applications. The still unclear atomic-scale mechanism of HfO2-based resistive switches and the identification of the material changes within the insulator must be addressed to suggest a knowledge-based improvement of device performance. In this frame, the Ti/HfO2 interface is thoroughly investigated in this Thesis by complementary materials science techniques. First, the investigation of the as-deposited Ti/HfO2/TiN cells revealed that: (1) the Ti layer scavenges oxygen atoms stronger from amorphous (a-HfO2) than from monoclinic (m-HfO2) HfO2 films; (2) not only oxygen vacancies but also other impurities in the atomic vapor deposited (AVD) a-HfO2 film, such like nitrogen and carbon (probably resulting from the used AVD precursor chemistry) are present in the HfO2 insulator. Next, the electrical characterization of Ti/AVD a-HfO2/TiN cells (with voltage applied to the Ti top electrode while TiN bottom electrode was grounded) revealed a clockwise bipolar resistive switching behavior after an electroforming process at positive voltage polarity. Besides, the chemical and electronic changes observed by hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES), indicate the creation of n-type dopants in the a-HfO2 film during the electroforming process, probably related to the formation of positively charged oxygen vacancies in a-HfO2 by the electrochemically induced Ti/a-HfO2 interface oxidation. In order to directly compare electrical with electronic and chemical changes of one and the same RRAM cell, an in-operando HAXPES technique was developed. These unique studies have revealed the following characteristics of the Ti/AVD a-HfO2/TiN cells: (1) the as-deposited cells are able to switch at low electrical power; (2) However, this resistive switching is not stable and an electroforming process with a slightly increased power is required to stabilize the switching event; (3) Electrical changes correlated with HAXPES results and literature indicate that (i) the forming/set electrical power defines the oxygen vacancies concentration in the a-HfO2 and thus the stability of the resistive switching properties and (ii) the stable resistive switching can be described by a push-pull model of oxygen vacancies migration under the influence of an electrical field; (4) Besides, carbon segregation at the Ti/a-HfO2 interface – while increasing the electrical power or cycling the device – shows that the defects physics is not limited only to oxygen vacancies; other defects may thus contribute under electrical stress to the resistive switching phenomenon and need to be included in theoretical models to correctly describe the switching characteristics. Finally, according to the presented HAXPES results, the Ti/AVD a-HfO2/TiN RRAM cells are classified to the valence change mechanism. The resistive switching mechanism is attributed to the creation and rupture of oxygen vacancies-based conducting filaments and the Ti/HfO2 interface oxidation is of central importance for the defect balance of the RRAM cell. Most importantly, a reduction of carbon content in the AVD-deposited HfO2 improved the reliability of these memory cells. N2 - Aktuelle Speichertechnologien, wie z. B. DRAM, SRAM und NAND-Flash, die aufgrund der Skalierung jenseits der 16 nm Generation an Grenzen stossen, haben in den letzten zwei Jahrzehnten zur Forschung und Entwicklung neuer Speichertechnologien geführt. In den letzten Jahren wurden nicht-flüchtige Speicher (sogenannte „nonvolatile memories“, NVM), wie Phasenänderungs- (PCRAM), ferroelektrische (FRAM), magnetische (MRAM) und resistiv-schaltende Direktzugriffsspeicher (RRAM), intensiv studiert. Unter diesen Kandidaten ist RRAM ein sehr vielversprechendes und weltweit studiertes Konzept für alternative NVM und eine bessere potenzielle Option als der NAND-Flash hinsichtliche der Energiedissipation (Schreib- und Lesestrom im uA Bereich im Vergleich zu mA) und der Prozessintegration. Am IHP wurde erfolgreich ein CMOS-kompatibles TiN/Ti/HfO2/TiN RRAM Modul mit einem Auswahltransistor (1T1R-Speicher) integriert. Dennoch sind die Zuverlässigkeit und das noch nicht vollständige Verständnis des Widerstandsschaltmechanismus Hauptgründe für die limitierte RRAM Speichertechnologie-entwicklungen für zum Beispiel drahtlose Sensorknoten (sogenannte „wireless sensor nodes“ (WSN)). Die noch unklaren atomaren Mechanismen der HfO2-basierten Widerstandsspeicher und die physikalisch/chemischen Änderungen im Isolator müssen identifiziert werden, um eine wesentliche Verbesserung der Leistungsparameter zu erzielen. In dieser Arbeit wurde deshalb die Ti/HfO2 Grenzfläche durch komplementäre, materialwissenschaftliche Techniken untersucht. Zunächst zeigte die Untersuchung an abgeschiedenen Ti/HfO2/TiN Zellen, dass: (1) die Ti-Schicht Sauerstoffatome aus amorphem HfO2 (a-HfO2) stärker bindet als aus monoklinen HfO2 Filmen. (2) nicht nur Sauerstoff-Fehlstellen, sondern auch Verunreinigungen wie Stickstoff und Kohlenstoff, die aus der chemischen Atomdampfabscheidung (atomic vapor deposition, AVD) resultieren, wurden mittels EDX in den HfO2- Filmen detektiert. Als nächstes ergab die elektrische Charakterisierung von Ti/AVD a-HfO2/TiN Zellen (Spannung wurden an die obere Ti Elektrode appliziert, während die untere TiN Elektrode geerdet wurde) bipolares Widerstandsschalten nach einer Elektroformierung mit positiver Polarität. Außerdem deuten die in den Spektren mittels harter Röntgenphotoelektronenspektroskopie (HAXPES) beobachteten chemischen und elektronischen Änderungen, im Vergleich mit der Literatur, die Bildung einer n-Typ Dotierung im HfO2 Film nach der Elektroformierung an, höchst wahrscheinlich aufgrund der Bildung von positiv geladenen Sauerstoff-Fehlstellen an der electrochemisch oxidierten Ti/a-HfO2 Grenzfläche. Um direkt die elektrischen mit den elektronischen und chemischen Veränderungen von ein und derselben RRAM Zelle zu vergleichen, wurde eine in-operando HAXPES Technik entwickelt. Diese einzigartigen Studien haben die folgenden Charakteristika der Ti/AVD a-HfO2/TiN Zellen ergeben: (1) die so abgeschiedenen Zellen können bei relativ niedrigen elektrischen Strömen geschaltet werden. (2) Jedoch ist dieses Widerstandsschalten nicht stabil und eine Elektroformierung mit einer erhöhten Leistung ist erforderlich. (3) Die Korrelation der elektrischen Daten mit den HAXPES Spektren zeigt, dass (i) die elektrische Leistung die Sauerstoff-Fehlstellen Konzentration im a-HfO2 Film definiert und damit die Stabilität des Widerstandsschaltens bestimmt, dass (ii) das stabile Widerstandsschalten durch ein Push-Pull-Modell beschrieben werden kann, in dem Sauerstoff-Fehlstellen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes migrieren. (4) Die Kohlenstoffsegregation an der Ti/a-HfO2 Grenzfläche mit erhöhter elektrischer Leistung bei der Elektroformierung oder durch mehrfaches Schalten zeigt, dass die Defektphysik nicht nur auf Sauerstoff-Fehlstellen limitiert ist, sondern auch weitere Defekte zum resistiven Schalten beitragen können und somit die Schaltcharakteristika beeinflussen können. Schließlich können die Ti/AVD a-HfO2/TiN Zellen im Rahmmen eines Valenzwechselmechanismus klassifiziert werden. Das Widerstandsschalten kann hierbei als Bildung und Unterbrechen von Sauerstoff-Fehlstellen-Filamenten verstanden werden und die Ti/HfO2 Grenzfläche spielt eine zentrale Rolle für die Defektphysik der HfO2 Filme. Ferner wurde gefunden, dass die Verringerung der Kohlenstoffkonzentration in den HfO2 Filmen die Zuverlässigkeit der Speicherzellen wesentlich verbessern kann. KW - RRAM KW - RRAM KW - HfO2 KW - Sauerstoff-Fehlstellen KW - Widerstandsschaltmechanismus KW - Defekte KW - HfO2 KW - Oxygen vacancies KW - Resistive switching mechanism KW - Defects KW - Röntgenspektroskopie KW - Defekt KW - FRAM Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-30076 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 - Zöllner, Marvin Hartwig T1 - Microelectronics meets catalysis: An interdisciplinary approach on the structure-property relationship of single crystalline Ce1-xPrxO2-δ films on Si(111) T1 - Mikroelektronik begegnet Katalyse: Ein interdisziplinärer Ansatz zur Struktur-Eigenschaftsbeziehung von einkristallinen Ce1-xPrxO2-δ Filmen auf Si(111) N2 - Motivation: Ceria attracted a lot of attention for microelectronics (e.g. high-k gate oxide, buffer layer for heteroepitaxy) and catalysis (e.g. selectiveoxidative and dehydrogenating reactions), due to its inherent structural (similar crystal structures and small lattice mismatch with respect to silicon) and electronic (Ce4+/Ce3+ valence state variation and formation of oxygen vacancies) properties. Thus, single crystalline epitaxial ceria thin films are well investigated. Although, the neighbouring rare earth oxide, praseodymia, exhibits similar properties, this system is much less studied due to its complex phase diagram. Since both oxides exhibit a flexible structural (polymorphism) and electronic (valence state variation) behavior, it is of ongoing interest to study ceria-praseodymia mixed oxide thin films, in order to tune and improve certain characteristics for the respective applications in the field of microelectronics and catalysis. Goal: Therefore, the goal of this doctoral thesis is to grow and characterize in an interdisziplinary approach single crystalline and epitaxial, binary and ternary Ce1-xPrxO2-δ thin films in order to allocate high quality samples for further fundamental studies, devoted to the structural and electronic properties in the field of microelectronics and catalysis. Experimental: Such single crystalline and epitaxial Ce1-xPrxO2-δ thin films were grown on a Si(111) substrate by molecular beam epitaxy. An in-situ control of the crystal growth quality was achieved by reflection high-energery electron diffraction. A detailed structure characterization study was carried out by laboratory and synchrotron based X-ray scattering. Additionally, transmission electron microscopy gives a highly resolved structural insight. The structural characterization was supported by theoretical ab-initio calculations. To determine the stoichiometries and valence states of the ternary mixed oxide compounds, X-ray photoelectron spectroscopy was performed. The microscopic defect structure was investigated by Raman spectroscopy. Finally, a first insight into the catalytic behavior is gained by temperature programmed desorption experiments. Results: The structural investigation implicates an epitaxial, twin-free, exclusively type-B oriented CeO2(111) growth on Si(111) by using an ultra-thin hex-Pr2O3(0001) buffer layer. This became possible due to the crystallographic continuation of the oxygen sub-lattice and electronic conservation of the semiconducting behavior at the ceria/praseodymia interface. A stabilization of Pr4+ cations is predicted by ab-initio calculations to support this interface transition. On such a hex-Pr2O3(0001)/Si(111) support the growth of epitaxial ternary Ce1-xPrxO2-δ mixed oxides became also possible. A stoichiometry dependent study also implicates an interplay of the structural and electronic properties. In dependency on the Pr content, it turned out that truly mixed alloys with Pr3+ incorporation into the CeO2 fluorite crystal matrix and Ce3+ incorporation into the hex-Pr2O3 matrix were achieved. Between both extremes, it is shown that the Pr content leads to a higher tendency to form Ce3+ cations within a bixbyite lattice, but fluorite inclusions could not be excluded. In a first temperature dependent study on the reduction behavior, it was demonstrated by the linearly increasing behavior of the integral O2 desorption signal and the total lattice spacing difference of heated Ce1-xPrxO2-δ mixed oxides that the oxygen storage capacity can be tailored by Pr doping due to the Pr4+/Pr3+ redox system. Furthermore, it was found that the hydrocarbon oxidation process is mainly triggered by the Ce4+/Ce3+ redox system, since the desorption temperature of CO2 decreased with increasing Ce content. Outlook: In terms of future investigations, such epitaxial single crystalline Ce1-xPrxO2-δ/Si(111) heterostructures are of interest in both research fields, catalysis and microelectronics. They can be used as model catalytic systems in order to gain a deeper understanding of the structure and electronic correlation with the reaction mechanisms by a stepwise increasing of the systems complexity under defined reaction conditions. Furthermore, new applications of such a system might be evaluated in the field of microelectronics. Oxygen vancancy engineering is currently discussed in such rare earth oxides to explain and establish room temperature ferromagnetism phenomena in the area of spintronics. N2 - Motivation: Ceroxid wurde Beachtung in der Mikroelektronik (z.B. als hoch-k Oxid, Pufferschicht in der Heteroepitaxie) und in der Katalyse (z.B. zur selektiven Oxidation und für Dehydrierungsreaktionen) geschenkt, aufgrund seiner strukturellen (ähnliche Kristallstruktur und kleine Gitterfehlanpassung in Bezug auf Silizium) und elektronischen (Variation des Ce4+/Ce3+-Valenzzustandes und Ausbildung von Sauerstoffvakanzen) Eigenschaften. Deshalb wurden einkristalline, epitaktische Ceroxiddünnfilme ausgiebig untersucht. Obwohl das benachbarte Seltenerdoxid, Praseodymoxid, ergänzende Eigenschaften aufweist, wurde es weniger studiert, aufgrund seines komplexen Phasendiagramms. Da beide Oxide ein flexibles strukturelles (Polymorphismus) und elektronisches (Variation des Valenzzunstandes) Verhalten aufweisen, ist es von Interesse, Cer-Praseodym-Mischoxide zu untersuchen, um gezielt Eigenschaften für die jeweilige Anwendung einzustellen und zu verbessern. Ziel: Zwecks dessen ist es das Ziel dieser Doktorarbeit in einem interdisziplinären Ansatz solche einkristallinen und epitaktischen, binären und ternären Ce1-xPrxO2-δ Dünnfilme zu wachsen und zu charakterisieren, um so qualitative Proben für weitere Grundlagenstudien, bezüglich der strukturellen und elektronischen Eigenschaften, zur Verfügung zu stellen, die für künftige Anwendungen in Mikroelektronik und Katalyse von Interesse sind. Experiment: Solche einkristallinen und epitaktischen Ce1-xPrxO2-δ Dünnfilme wurden auf einem Si(111) Substrat mittels Molekularstrahlepitaxie gewachsen. Eine in-situ Kontrolle über die Kristallwachstumsqualität wurde mittels Beugung hochenergetischer Elektronen bei Reflexion erreicht. Eine detaillierte Strukturaufklärung wurde mittels labor- und synchrotronbasierter Röntgenstreuung durchgeführt. Zusätzlich diente Transmissions-elektronenmikroskopie dazu eine hochauflösende Einsicht in die Struktur zu bekommen. Die strukturelle Charakterisierung wurde mit theoretischen ab-initio Berechnungen untermauert. Um die Stöchiometrie und den Valenzzustand in den ternären Mischoxiden zu bestimmen, wurde Röntgenphotoelektronenspektroskopie benutzt. Die mikroskopische Defektstruktur wurde mittels Ramanspektroskopie untersucht. Schlußendlich gab die Temperatur-programmierte Desorption einen ersten Einblick in das katalytische Verhalten. Ergebnisse: Die strukturellen Untersuchungen implizieren ein epitaktisches, zwillingsfreies, ausschließlich typ-B orientiertes CeO2(111) Wachstum auf Si(111) mittels einer ultradünnen hex-Pr2O3(0001) Pufferschicht. Dies wurde durch die kristallographische Weiterführung des Sauerstoffuntergitters und den Erhalt des halbleitenden Verhaltens an der Ceroxid-Praseodymoxid-Grenzfläche möglich. Eine Stabilisierung von Pr4+ Kationen wurde mittels ab-initio Berechnungn vorausgesagt, um den Grenzflächenübergang zu begünstigen. Auf solchen hex-Pr2O3(0001)/Si(111) Trägern wurde auch das Wachstum von ternären Ce1-xPrxO2-δ Mischoxiden ermöglicht. Eine stöchiometrieabhängige Studie implizierte ebenfalls ein Zusammenspiel von strukturellen und elektronischen Eigenschaften. In Abhängigkeit von dem Pr Gehalt stellte sich heraus, dass in der Tat Mischungen mit Pr3+ Eingliederung in die CeO2 Fluoritmatrix und mit Ce3+ Eingliederung in die hex-Pr2O3 Matrix resultierten. Zwischen diesen beiden Grenzfällen wurde gezeigt, dass eine höhere Pr-Konzentration zu einer höheren Tendenz führte, Ce3+ Kationen in einem Bixbyit Gitter zu bilden. Jedoch konnten Fluoriteinschlüsse nicht ausgeschlossen werden. In einer ersten temperaturabhängigen Studie bezüglich des Reduktionsverhaltens wurde mittels des linear steigenden, integralen O2 Desorptionssignals und des kristallographischen Netzebenenunterschiedes der geheizten Ce1-xPrxO2-δ Mischoxide demonstriert, dass die Sauerstoffspeicherungsfähigkeit aufgrund des Pr4+/Pr3+ Redoxsystems über die Pr-Dotierung maßgeschneidert werden kann. Des Weiteren wurde festgestellt, dass der Kohlenwasserstoffoxidationprozess hauptsächlich über das Ce4+/Ce3+ Redoxsystem gesteuert wird, da die Desorptionstemperatur von CO2 sich mit steigendem Ce Gehalt verringert. Ausblick: Epitaktische und einkristalline Ce1-xPrxO2-δ/Si(111) Heterostrukturen sind in den Forschungsbereichen der Katalyse und Mikroelektronik von Interesse für zukünftige Untersuchungen. Sie können als modelkatalytisches System verwendet werden, um einen tieferen Einblick in die Korrelation von kristallographischer und elektronischer Struktur mit den Reaktionsmechanismen zu erhalten, indem die Komplexität des Systems schrittweise unter definierten Reaktionsbedingungen erhöht wird. Des Weiteren können Anwendungen im Bereich der Mikroelektronik evaluiert werden. „Oxygen vacancy engineering“ in Seltenerdoxiden wird bereits intensiv untersucht, um „room temperature ferromagnetism“ Phänomene zu erklären und gegebenfalls in der Spintronik nutzbar zu machen. KW - Seltenerdoxide KW - Heteroepitaxie KW - Dünnschichttechnik KW - Seltenerd-Oxide KW - Si(111) KW - Heteroepitaktische Dünnfilme KW - Ceroxid KW - Praseodymiumoxid KW - Rare-earth oxides KW - Si(111) KW - Heteroepitaxial thin films KW - Ceria KW - Praseodymia Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-30687 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 -