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 - 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 - 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 -