Göbel, Holger

In den letzten Jahrzehnten vollzog sich in der Mikro- und Nanoelektronik eine enorme Verringerung der Strukturgrößen bis hin zu aktuell wenigen Nanometern. Damit einhergehend spielt die Ableitung der Wärme von kritischen Strukturen eine immer wichtigere Rolle. Es werden daher thermisch gut leitfähige, aber elektrisch isolierende Dünnschichten als Dielektrika benötigt. Gleichzeitig stoßen bestehende Messmethoden zur thermischen Charakterisierung bei kleinen Schichtdicken an ihre Grenzen. Ziel dieser Arbeit ist daher die Verbesserung vorhandener Methoden und die Entwicklung einer neuen Methode zur thermischen Charakterisierung. Im Verlauf der Arbeit können dadurch Dünnschichten aus Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄), Bornitrid (BN) und Aluminiumnitrid (AlN) sowie einige Bulk-Samples aus Oxiden, Kunststoffen und Materialien aus der Natur thermisch charakterisiert werden. Ein Großteil der Arbeit fokussiert sich dabei auf die Scanning Thermal Microscopy (SThM), welche im Rastersondenmikroskop (AFM für engl. Atomic Force Microscope) angewandt wird. Durch eine detaillierte Analyse von Artefakten und die Herleitung geeigneter Messparameter kann SThM in vielen Submodi zuverlässig eingesetzt werden. Ausführliche Simulationen mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) tragen zum Verständnis der Methode bei. Mit der Widerstandsmethode in Kombination mit FEM-Simulationen wird zudem eine neuartige Vorgehensweise präsentiert, welche relativ schnelle thermische Messungen an Dünnschichten mit geringem Budget ermöglicht. Vergleichsmessungen werden mittels der etablierten 3-Omega-Methode präsentiert, wodurch die Ergebnisse der anderen Methoden verifiziert werden können. Zusammenfassend leistet diese Arbeit einen Beitrag zur thermischen Charakterisierung von dünnen Schichten und Bulk-Materialien, indem vorhandene Methoden sukzessive verbessert werden, eine neue Methode entwickelt wird und vielversprechende Dünnschichten thermisch charakterisiert werden.

Das Einsatzgebiet von Mikrofonen ist sehr vielseitig. Je nach Anwendungsfall werden dafür verschiedenste Baugrößen mit unterschiedlichsten Techniken zur Schallwandlung verwendet. Ein Wandlertyp ist das Kondensatormikrofon. Dabei kann es elektronisch entweder in Niederfrequenz- oder Hochfrequenz-Schaltung betrieben werden, wobei die Hochfrequenz-Schaltung Vorteile bietet. Allerdings ist eine solche Implementierung komplexer. Beide Schaltungsvarianten sind zwar kommerziell verfügbar, allerdings ist das Portfolio an Hochfrequenz-Kondensatormikrofonen klein. Des Weiteren sind die Hochfrequenz-Schaltungen bislang gänzlich analog realisiert. Der heutige Trend zeigt jedoch eine zunehmende Digitalisierung analoger Schaltungen. In dieser Arbeit werden Beiträge für ein digitalisiertes Hochfrequenz-Kondensatormikrofon vorgestellt. Die zugrunde liegende Schallwandlung selbst ist jedoch aufgrund des Wandlungsprinzips (ein zeitvarianter Kondensator) weiterhin analog realisiert. Die für den Betrieb zusätzlich benötigten Komponenten sind digitalisiert. Zunächst wird ein digitales Trägersignal erzeugt und analog gewandelt. Das Trägersignal wird in eine analoge Messbrückenschaltung eingespeist. Die in der Messbrücke verschaltete zeitvariante Kapazität moduliert das Trägersignal in der Amplitude. Das generierte amplitudenmodulierte Signal wird digital gewandelt und einem digitalen kohärenten Demodulator zugeführt. Nach zusätzlicher digitaler Signalverarbeitung liegt ein digitales Audiosignal vor. Aufgrund der digitalen Demodulation ergibt sich stets ein analoges Bandpasssignal, welches frei von elektrischen tieffrequenten Rauscheinflüssen ist. Des Weiteren kann die Sensitivität des Mikrofons durch Anpassung der Amplitude des Trägersignals direkt digital gesteuert werden, was schließlich einen rein digitalen Ansatz zur automatischen Dynamikerweiterung des Systems ermöglicht. Das Gesamtsystem dieses neuartigen Hochfrequenz-Kondensatormikrofons mit digitaler Signalverarbeitung erreicht einen höheren Signal-Rausch-Abstand, als es der aktuelle Stand der Technik hergibt. Zudem zeigt die automatische Dynamikerweiterung, dass der Dynamikumfang des Systems erhöht werden kann.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung, der Optimierung sowie mit der numerischen Simulation von Polymer-OLEDs, bei denen Natriumstearat als alternativer Elektroneninjektor fungiert. Gegenüber der standardmäßig eingesetzten, anorganischen und toxischen Substanz Lithiumfluorid besitzt Natriumstearat den Vorteil, sowohl organisch als auch ungiftig zu sein, denn im Zeitalter der Massenproduktion elektronischer Geräte gewinnt die Umweltverträglichkeit der verwendeten Materialien zunehmend an Bedeutung. Die Optimierung der hergestellten OLEDs erfolgt u.a. mit Hilfe von Bauteilsimulationen. Weil sich kommerzielle Simulatoren für diesen Zweck aufgrund der besonderen Injektionseigenschaften von Natriumstearat als ungeeignet erwiesen, wird im Rahmen dieser Arbeit ein Simulationsprogramm entwickelt und verwendet, welches speziell auf die Eigenschaften der untersuchten Leuchtdioden zugeschnitten ist.

This thesis aims to shed light on physical mechanisms which lead to hysteresis in the current- voltage (I–V) and capacitance-voltage (C–V) characteristics of organic thin-film transistors. For this purpose, transient and bias dependent instabilities in the I–V and C–V characteristics of pentacene based organic thin-film transistors (OTFTs) are investigated. Through measurements and device simulations, it has been shown that trapping of majority charge carriers, i.e. holes, in the organic semiconductor pentacene leads to the hysteresis observed in these characteristics. Furthermore, behavioral PSpice models have been developed, which reproduce the measured device characteristics of OTFTs.

This dissertation addresses a new method of scanning probe microscopy which is called intermittent-contact scanning capacitance microscopy (IC-SCM). IC-SCM is primarily used for qualitative determination of doping proles on semiconductor samples. This is done by moving an oscillating scanning probe over a two-dimensional area. Simultaneous capacity measurement and signal processing provides an image that shows the contrast between the differently doped regions of a sample. --- In this study, the method is presented by way of using silicon semiconductors as an example. It can, however, also be used to analyse a variety of other materials or material combinations. It distinguishes itself from the previously used scanning capacitance microscopy (SCM) in that there is no continuous contact between the probe and the sample. By reducing the lateral forces between scanning probe and sample surface, the spectrum of the materials that are to be analysed can be extended from very soft to ultra hard materials without damaging the sample surface or the scanning probe. In order to gain an accurate understanding, IC-SCM is first modelled and then simulated. Since the resolution of the dopant is crucial in the determination of doping profiles , this is the most important parameter in the simulations. The measurements carried out largely confirm the simulation results. A subsequent detailed measurement study shows the strengths and weaknesses of the process. The established standard SCM serves as a method of comparison. --- In addition to two-dimensional imaging, IC-SCM was expanded by a capacitance spectroscopy (IC-SCS). This allows the complete representation of the capacitance voltage behaviour at predetermined points of a sample. In addition, this process can optimise the contrast between differently doped areas and determine the doping type. Finally, the capacitance sensor has been replaced with a current sensor. By measuring the current, a change in capacitance can be identified. In contrast to the capacitance sensor, the current sensor allows the measurement of absolute values, which ultimately permits a quantidied statement on the capacity.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Herstellung, die Charakterisierung und die Modellierung von organischen Feldeffekttransistoren mit wellenlängenselektiven Eigenschaften. Bei dem neuartigen Experimentalansatz wurde der Ladungsträgertransfer von den Dopanten, den Farbstoffen Cumarin 6, Nil Rot und Oxazin 1, zum Polymer Poly(3-hexylthiophen) gezielt eingesetzt. Die Fotoempfindlichkeit dieser Produkte ist mit anderen organischen Fototransistoren vergleichbar bzw. teilweise sogar höher als bei Fototransistoren mit undotierten Halbleitern. Eine Modellierung wurde in Anlehnung an die Shockley-Gleichungen entwickelt, die den Stromfluss in Abhängigkeit der Lichtwellenlängen und der Lichtintensität quantifizieren.

Ferroelektrische Dünnschichten bieten durch ihre vielfältigen elektrischen Eigenschaften ein großes Potential für die Anwendung in zukünftigen nicht-flüchtigen Speichern (FeRAM: Ferroelectric Random Access Memory). Die ferroelektrische Speicherzelle FeRAM hat in etwa den selben Flächenbedarf wie eine DRAM (Dynamic Random Access Memory) –Zelle. Gleichzeitig jedoch kann die eingeschriebene Information bis zu zehn Jahre ohne Refresh gespeichert werden. FeRAM zeichnen sich im Vergleich zu Floating-Gate-Speichern durch eine geringere Versorgungsspannung, kürzere Lese- und Schreibzeiten und eine sogar im Vergleich zu MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) niedrigere Verlustleistung aus. Um die Möglichkeiten, die ferroelektrische Dünnschichten bieten, optimal nutzen zu können, ist es unerlässlich, ein genaues dynamisches Modell ferroelektrischer Kondensatoren für den Schaltungssimulator zu besitzen. In dieser Arbeit wird das dynamische Verhalten ferroelektrischer Kondensatoren charakterisiert und modelliert, und seine mathematische Beschreibung im Schaltungssimulator umgesetzt.