Дисертації з теми "Electron-beam technologies"

The continuing requirement for computational processing power, multi-functional devices and component miniaturization have emphasised the need for thermal management systems able to maintain the temperature at safe operating condition. The thermal management industry is constantly seeking for new cutting edge, efficient, cost effective heat transfer enhancement technologies. The aim of this study is to utilize the electron beam treatment for the improvement of the heat transfer area in liquid cooled plates and experimentally evaluate the performance. Considering the complexity of the technology, this thesis focuses on the design and production of electron beam enhanced test samples, construction of the test facility, testing procedure and evaluation of thermal and hydraulic characteristics. In particular, the current research presented in this thesis contains a number of challenging and cutting edge technological developments that include: (1) an overview of the semiconductor industry, cooling requirements, the market of thermal management systems, (2) an integral literature review of pin-fin enhancement technology, (3) design and fabrication of the electron beam enhanced test samples, (4) upgrade and construction of the experimental test rig and the development of the test procedure, (5) reduction of the experimental data and analysis to evaluate thermal and hydraulic performance. The experimental results show that the capability of the electron beam treatment to improve the thermal efficiency of current untreated liquid cooled plates is approximately three times. The highest heat transfer rate was observed for the sample S3; this is attributed to the irregularities of the enhanced structure, which improves the heat transfer area, mixing, and disturbs the thermal and velocity boundary layers. Enhancement of heat transfer for all three samples was characterised by an increase of pressure drop. The electron beam enhancement technique is a rapid process with zero material waste and cost effective. It allows thermal management systems to be produced smaller and faster, reduce material usage, without compromising safety, labour cost or the environment.

The thesis deals with problems of control and diagnostics of electron beam technological devices which use electron beam for localised intensive heating of a material. A brief description of the electron beam welder MEBW-60/2 is included; the author has participated on its development and implementation. Main topics are the analysis of deflection system properties and the measurement of current distribution of the beam (so-called beam profiles). Geometrical aberrations, hysteresis, stability and dynamics of a single-stage magnetic x-y deflection system are described. Suitable measurement procedures and correction methods are introduced. Methods of transverse and longitudinal beam profile acquisition is presented using successive sampling of the local current density of the beam by a modified Faraday cup. The data processing and evaluation of characteristic beam parameters are shown. The presented methods were verified by fourteen experiments using the electron beam welder. The methods have proven to be useful in practical evaluation of the device properties.

The aim of this thesis was to modify microstructure and coating-substrate interface of CoNiCrAlY coatings deposited by HVOF and cold spray on Inconel 718 substrates. Electron beam remelting and annealing in a protective atmosphere were used to modify the coatings. Microstructure, chemical and phase composition were analyzed. The effect of beam current, transversal velocity and beam defocus on remelted depth was evaluated. As-sprayed microstructure and chemical composition of coatings were analyzed and compared with remelted samples. The effect of annealing of the as-sprayed and remelted samples was evaluated. Remelted layers exhibited dendritic structure. Chemical composition changed only after remelting of interface and part of a substrate. When only the coating was remelted, chemical composition remained the same. Phases coarsened after the annealing. Chemical composition changed after annealing due to the diffusion.

Tato práce je zaměřena na modifikaci charakteru rozhraní substrát-nástřik NiCrAlY povlaků nanesených pomocí technologie vodou stabilizované plazmy na substráty z oceli S235JRC+C. Přetavení žárové vrstvy elektronovým paprskem bylo zvoleno jako technologie pro modifikaci a dvě různé modifikace byly zkoumány. V práci byl proveden pokus o stanovení vlivu modifikací na adhezní vlastnosti nástřiku. Dále jsou v práci prezentovány analýzy mikrostruktury, fázového a chemického složení a mikrotvrdosti ve stavu před a po modifikaci. Během studie bylo zjištěno, že dochází ke změnám fázového složení jak během depozice, tak během modifikace elektronovým paprskem. Modifikace elektronovým paprskem způsobila roztavení oxidů původní mikrostruktury nástřiku, které následně rekrystalizovaly na povrchu modifikované vrstvy. Dalším získaným poznatkem bylo, že dochází ke snížení mikrotvrdosti po modifikaci, což bylo způsobeno odstraněním oxidů z mikrostruktury a promícháním materiálu substrátu a původního nástřiku. Adheze nástřiků v as sprayed stavu byla kvantifikována. V případě nástřiků modifikovaných elektronovým paprskem přesná kvantifikace nebyla možná, z důvodu předčasného porušení na rozhraní nástřik-adhezivní pojivo během adhezních testů.

A series of numerical calculations of electron beam generation in the threeelectrode electron-optical system has been performed with the help of the electromagnetic modeling FIT method both with the PBA technology. Effects of the initial blocking and ray laminarity failure have been modeled. Optimum electrode potentials have been obtained for generation of the low-energy intensive axial-symmetric electron beam with beam-crossover behind the last anode of electron gun. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/20807

The quasicrystals are characterized by unusual rotational symmetries that are not observed in the crystalline materials, which is the cause of their interesting material properties. Because of that a particular attention was paid to quasicrystalline structures in the literature research. The research also contains a description of electron beam technology, spark plasma sintering method and introduction to the problematics of wear. As the default materials for the experimental part were selected Titanium Grade 2 powder and Cristome A5 powder which was partially composed of quasicrystalline phase. The first series of samples was sintered only from powder Cristome A5. The second series was sintered from the mixture of 80 % Titanium Grade 2 powder and 20 % Cristome A5 powder. For the compaction of samples spark plasma sintering technology was selected. Samples were then systematically modified by electron beam and subjected to pin on disc tests. Samples modified at 750 °C had the best wear resistance. Samples modified at 1150 °C contained increased amount of quasicrystalline phase.

This diploma thesis is focused on description of the properties of a layer of Inconel 718 applied on austenitic steel AISI 304 by the Cold Spray and subsequently remelted by electron beam. The first part presents the Cold Spray with its properties, advantages and disadvantages, and also describes the principle of electron beam remelting and other possible uses of electron beam, for example welding, drilling, heat treatment etc. The second part describes the material and the methods used for the preparation and evaluation of the samples. There are evaluated the porosity, microstructure and microhardness of the layers applied by the Cold Spray and these properties are further compared with the properties of the same layers remelted by electron beam. In conclusion, the results of the porosity of the layers applied by the Cold Spray are discussed with the literature and the results of electron beam remelting are only partially described here, because it was not possible to find literature about this topic. There are also suggestions for further research of the properties of this layers, which is necessary to know before implementing this method of producing layers for commercial production.

This work presents a basic research on the influence of electron beam technology modification on chemical, structural and phases changes of Elektron 21 magnesium alloy. The samples were systematically modified under various parameters of the electron beam and coatings on their respective surfaces were deposited via controlled plasma electrolytic oxidation (PEO) subsequently. The influence of the EB modification on the PEO coating formation was observed. Several samples with remelted fine-grained surface layer were obtained. Having a thickness of 10^1 to 10^3 µm, the average grain sizes in this layer were quantitatively evaluated. The performed EDS analysis revealed in identical chemical composition of the remelted surface layer and the original alloy material, despite the detected sample weight loss upon the EB treatment. XRD analysis revealed an increased content of Mg3(Nd,Gd) intermetallic phase in the remelted area. The PEO coatings were more compact and less porous as compared with their counterpart coatings on the original, unmodified alloy material.The results of the presented work showed, among others, a suitable microstructure and chemical composition of some of the modified samples that could potentially exhibit enhanced corrosion resistance as opposed to the unmodified material. The corrosion testing will be part of a follow-up study. More compact PEO coatings formed on some of the modified surface layers likely represent, too, a more durable variant as compared to the original material.

Les procédés de fabrication additive sont aujourd'hui de plus en plus utilisés dans l'industrie. Parmi les différentes technologies existantes, les procédés additifs métalliques, et notamment les procédés en couches, sont les plus prometteurs pour la conception de produits mécaniques. Des travaux ont été menés sur la thématique de la conception de produits réalisés par ces moyens, il traitent principalement du choix du procédé le plus adapté, de l'optimisation de formes ou présentent des cas de reconception. Il n'existe cependant pas de démarche globale de conception de produits qui permettent de prendre en compte les spécificités des procédés additifs en couches, notamment leurs contraintes de fabrication.Lors de ce travail de thèse, les changements que ces procédés introduisent dans le domaine des possibles en conception de produits ont été montrés et illustrés par des pièces réalisées par EBM. De nouvelles opportunités s'offrent au concepteur, comme l'accès à l'ensemble du volume de fabrication, la facilité de réalisation de pièces complexes, la possibilité de réaliser des treillis tridimensionnels et la capacité de produire des mécanismes sans assemblage. Les contraintes de fabrication de ces procédés sont spécifiques. Les phénomènes thermiques lors de la fabrication ont une incidence sur la fabricabilité et la qualité des pièces. La phase de retrait de poudre impose quant à elle des contraintes d'accessibilités. Pour prendre en compte cette évolution, il est nécessaire de concevoir spécifiquement les pièces pour la fabrication additive.Le procédé EBM est au centre du travail réalisé. Il s'agit d'un moyen de fabrication additive en couches, par fusion, à l'aide faisceau d'électrons. Les phénomènes thermiques, qui peuvent causer déformations et mauvaise intégrité de la matière, l'opération de dépoudrage et la problématique de la qualité des pièces fabriquées par EBM ont fait l'objet de caractérisations expérimentales. La durée de fabrication et le coût de revient technique des pièces réalisées par EBM ont également été étudiés, afin d'établir la relation entre durée, coût et géométrie des pièces.Pour de prendre en compte les contraintes explicitées auparavant, et pour bénéficier des importantes libertés que ce procédé offre aux concepteurs, une démarche de conception a été proposée. Cette démarche consiste à générer une ou plusieurs géométries initiales, soit directement par le concepteur, soit par l'utilisation d'outils d'optimisation topologique, à partir de données extraites du cahier des charges. Une fois le balançage de la pièce choisi (en prenant en compte les contraintes de fabrication, le tolérancement de la pièce et la productivité de la fabrication), la pièce est modélisée en incluant un jeu de paramètres pour effectuer une optimisation paramétrique. Cette optimisation permet de dimensionner la pièce, tout en prenant en compte les contraintes de fabrication. A l'issue de cette phase d'optimisation, la géométrie finale est obtenue en prenant en compte les exigences des opérations de parachèvement éventuelles et en définissant les supports, s'ils sont nécessaires. Cette démarche a été illustrée par la reconception de deux pièces mécaniques qui répondent aux exigences de leur cahier des charges fonctionnel, sont fabricables à l'aide du procédé EBM et offrent des gains de masse importants.Enfin, un chapitre particulier est consacré aux perspectives mises en évidence (et ayant parfois fait l'objet de travaux préliminaires) à l'occasion de ce travail de thèse
Nowadays, the use of Additive Manufacturing processes keeps growing in the industry. Among the numerous kinds of AM processes, metallic additive manufacturing processes, and metallic Additive Layer Manufacturing in particular, are the most interesting from a mechanical designer point of view. Several research studies have been conducted on the topic of Design For Additive Manufacturing, mostly discussing the choice of AM processes or presenting the redesign of parts. There is no specific design methodology for ALM processes that takes their specificities into account.During this PhD thesis, the changes that ALM processes bring to the design space were investigated. The designer has the opportunity to easily manufacture thin parts, complex parts, lattice structures or mechanisms that don't need any assembly. These processes also have specific manufacturing constraints compared to conventional processes. The heat dissipation is the most important factor since it can cause distortions and porosities. Powder removal, surface and geometrical quality also need to be considered during design. A specific design for additive manufacturing methodology is necessary to take these changes into account.This work focuses on the Electron Beam Manufacturing process. Experiments were conducted and analyzed to assess the manufacturability regarding the thermal phenomena (during melting), the powder removal and the quality of the parts produced by EBM. The impact of the part geometry on manufacturing duration and manufacturing cost was also established.In order to use allow designers to use these pieces of information, we suggested a designing methodology. From the requirements of the parts, one or several parts are generated by the designer or by using topological optimization tools. The orientation of the part inside the manufacturing space is set before designing a refined parametric geometry. This parametric geometry is optimized in order to meet the user requirements as well as the EBM requirements. The last step is the modification of the geometry to comply with the finishing operations (machining allowances for example) and the placement of supports, if needed. This methodology was illustrated with the redesign of two example parts and showed important mass savings from the parts (while meeting user and process requirements).The prospects discovered and highlighted during this work, some of which were preliminary investigated, are presented in a specific chapter

Tato práce se zabývá pokročilou technologií výroby personalizovaných kloubních implantátů metodou EBM za použití titanové slitiny Ti6Al4V-ELI a navrhuje nový unikátní design kolenního implantátu společně s metodologií jeho inserce, přičemž tato řešení jsou součástí patentové přihlášky č. PV 2020-459. Toto neinvazivní řešení náhrady kolenního kloubu je šetrnější k pacientovi, maximálně chrání jeho zdravé tkáně a kosti, navíc se dá předpokládat vyšší životnost implantátu ve srovnání s tradičními dostupnými řešeními. Byla uskutečněna výroba vzorků z materiálu Ti6Al4V-ELI metodou EBM, proveden rozbor jejich materiálových, mechanických, technologických a únavových vlastností. Dále byly popsány pokročilé metody zobrazování, úpravy a tvorby kloubních ploch a použity k vyvinutí nového designu personalizovaného kloubního implantátu společně s inovační technologií jeho inserce a nástroji potřebnými k její úspěšné realizaci. Toto nové řešení bylo úspěšně ověřeno mnoha testy i výrobou Ti6Al4V-ELI a CoCrMo prototypů implantátů metodou EBM. Proveditelnost a použití v praxi bylo konzultováno a schváleno odborníky v této oblasti.

Titanium and aluminium alloys are among the most used construct materials due to their physical and mechanical properties except steels. The joining of these alloys can improve properties of whole construction but it is still difficult task. Especially welding of titanium and aluminium alloys is difficult cause formation of undesirable intermetalic phases in the weld. This thesis focuses on influences of electron beam welding parameters especially focusing and deflection of beam and preheating of base material to quality of heterogeneous join of titanium alloy Ti6Al4V and aluminium alloy EN AW-6061 – T651. There is described preparation of welded joins and brazed joins in the thesis, which are evaluated by light microscopy, scanning electron microscopy and EDS analysis of chemical composition. There was evaluated presence and chemical composition of formated intermetalic phases in the welded joins and quality and defects in the brazed joins.

The aim of the diploma thesis is to evaluate the mechanical properties and fracture behavior of the weld join Ti6Al4V titanium alloy prepared by using an electron beam technology. The theoretical part deals with the welding of titanium alloys with the help of electron beam, the weldability evaluation of titanium alloys, the influence of electron beam welding on the microstructure and the methods of testing of weld joints. Using the experiments, the mechanical properties of the base material and the weld were evaluated and a structural analysis of the weld was performed.

Properties of samples and their coatings may be affected by the electron beam. This paper deals with the analysis of the microstructure, phase and chemical composition and the determination of mechanical characteristics of inconel steel substrate and CoNiCrAlY coatings deposited via different types of thermal spraying (HVOF, cold spray), in combination with modifications by the electron beam technology. During the study it was found that the deposition did not change the chemical composition. Further it was found that the interaction of the electron beam with the material did not change the chemical composition, but there is a change in the structure and a reduction of porosity and surface roughness, resulting in a change of mechanical properties such as decreasing hardness or increase of the modulus of elasticity.

The dissertation thesis is focused on research and development in the field of microfabrication by the technology of electron beam lithography. In the first part of this work, the extensive study is conducted in the field of technology of electron beam lithography in terms of physical principles, writing strategies and resist materials. This is followed with description of physical principles of etching for the transfer of relief structures into substrates. The thesis describes innovative techniques in modelling, simulation, data preparation and optimization of manufacturing technology. It brings new possibilities to record deep binary or multilevel microstructures using electron beam lithography, plasma and reactive ion etching technology. Experience and knowledge in the large area of microlithography, plasma and anisotropic wet-etching of silicon have been capitalized to the design process of manufacturing of nano-patterned membranes. It was followed with practical verification and optimization of the microfabrication process.

Les technologies de fabrication additive(FA) basées sur la technique de fusion laser sur lit de poudres, telles que les procédés de fusion sélective laser (Selective Laser Melting ‘SLM’) et de fusion par faisceau d'électrons (Electron Beam Melting ‘EBM’), ne cessent de se développer afin de produire des pièces fonctionnelles principalement dans les domaines aérospatial et médical. Le procédé de fabrication additive offre de nombreux avantages, tels que la liberté de conception, la réduction des étapes de fabrication, la réduction de la matière utilisée, et la réduction de l'empreinte carbone lors de la fabrication d'un composant. Néanmoins, les pièces obtenues nécessitent une opération d’usinage de finition afin de satisfaire les tolérances dimensionnelles et l’état de surface
Additive Manufacturing (AM) techniques based on powder bed fusion like Selective Laser Melting(SLM) and Electron Beam Melting processes(EBM) are being developed to make fully functional parts mainly in aerospace and medical sectors. There are several advantages of using AM processes like design freedom, reduced process steps, minimal material usage and reduced carbon footprint while producing a component. Nevertheless, the parts are built with near net shape and then finish machined to meet the demands of surface quality and dimensional tolerance

L’intégration monolithique hétérogène de composants III-N sur silicium (Si) offre de nombreuses possibilités en termes d’applications. Cependant, gérer l’hétéroépitaxie de matériaux à paramètres de maille et coefficients de dilatation très différents, tout en évitant les contaminations, et concilier des températures optimales de procédé parfois très éloignées requière inévitablement certains compromis. Dans ce contexte, nous avons cherché à intégrer des transistors à haute mobilité électronique (HEMT) à base de nitrure de Gallium (GaN) sur substrat Si par épitaxie sous jets moléculaires (EJM) en vue de réaliser des circuits monolithiques GaN sur CMOS Si
The monolithic integration of heterogeneous devices and materials such as III-N compounds with silicon (Si) CMOS technology paves the way for new circuits applications and capabilities for both technologies. However, the heteroepitaxy of such materials on Si can be challenging due to very different lattice parameters and thermal expansion coefficients. In addition, contamination issues and thermal budget constraints on CMOS technology may prevent the use of standard process parameters and require various manufacturing trade-offs. In this context, we have investigated the integration of GaN-based high electron mobility transistors (HEMTs) on Si substrates in view of the monolithic integration of GaN on CMOS circuits

The aim of diploma thesis was preparation of hardened layer on three chosen types of materials with different alloying components content without surface melt by using electron beam technology. The influence of chosen process parameters was observed on the prepared hardened layers properties and shapes. In the first part of bibliographic search there are described electron beam properties, possibilities of his influencing and control. There is given example of complete set of electron beam are mentioned in the second part of theoretical research.

In this thesis, the structural and mechanical changes, which took place in flake graphite cast iron after electron beam surface melting and chrome-nickel surface alloying, were studied. Furthermore, the effect of set parameters on properties and depth of the melted and alloyed region is also analyzed. In the experimental part, the analyzed microstructures, micro-hardness and the distribution of elements after melting and alloying, were presented. Structural differences of material regions caused by melting were described based on microstructures. In the end of diploma thesis, the conclusions of using EB technology for surface melting and alloying were discussed.

Die enorme Steigerung der Leistungsfähigkeit integrierter Schaltkreise wird seit über 50 Jahren im Wesentlichen durch eine Verkleinerung der Bauelementdimensionen erzielt. Aufgrund des Erreichens physikalischer Grenzen kann dieser Trend, unabhängig von der Lösung technologischer Probleme, langfristig nicht fortgesetzt werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung neuartiger Transistoren und Schaltungen, welche im Vergleich zu konventionellen Bauelementen funktionserweitert sind, wodurch ein zur Skalierung alternativer Ansatz vorgestellt wird. Ausgehend von gewachsenen und nominell undotierten Silizium-Nanodrähten wird die Herstellung von Schottky-Barrieren-Feldeffekttransistoren (SBFETs) mit Hilfe etablierter und selbst entwickelter Methoden beschrieben und die Ladungsträgerinjektion unter dem Einfluss elektrischer Felder an den dabei erzeugten abrupten Metall–Halbleiter-Grenzflächen analysiert. Zur Optimierung der Injektionsvorgänge dienen strukturelle Modifikationen, welche zu erhöhten ambipolaren Strömen und einer vernachlässigbaren Hysterese der SBFETs führen. Mit dem rekonfigurierbaren Feldeffekttransistor (RFET) konnte ein Bauelement erzeugt werden, bei dem sich Elektronen- und Löcherinjektion unabhängig und bis zu neun Größenordnungen modulieren lassen. Getrennte Topgate-Elektroden über den Schottkybarrieren ermöglichen dabei die reversible Konfiguration von unipolarer Elektronenleitung (n-Typ) zu Löcherleitung (p-Typ) durch eine Programmierspannung, wodurch die Funktionen konventioneller FETs in einem universellen Bauelement vereint werden. Messungen und 3D-FEM-Simulationen geben einen detaillierten Einblick in den elektrischen Transport und dienen der anschaulichen Beschreibung der Funktionsweise. Systematische Untersuchungen zu Änderungen im Transistoraufbau, den Abmessungen und der Materialzusammensetzung verdeutlichen, dass zusätzliche Strukturverkleinerungen sowie die Verwendung von Halbleitern mit niedrigem Bandabstand die elektrische Charakteristik dieser Transistoren weiter verbessern. Im Hinblick auf die Realisierung neuartiger Schaltungen wird ein Konzept beschrieben, die funktionserweiterten Transistoren in einer energieeffizienten Komplementärtechnologie (CMOS) nutzbar zu machen. Die dafür notwendigen gleichen Elektronen- und Löcherstromdichten konnten durch einen modifizierten Ladungsträgertunnelprozess infolge mechanischer Verspannungen an den Schottkyübergängen erzielt und weltweit erstmalig an einem Transistor gezeigt werden. Der aus einem <110>-Nanodraht mit 12 nm Si-Kerndurchmesser erzeugte elektrisch symmetrische RFET weist dabei eine bisher einzigartige Kennliniensymmetrie auf.Die technische Umsetzung des Schaltungskonzepts erfolgt durch die Integration zweier RFETs innerhalb eines Nanodrahts zum dotierstofffreien CMOS-Inverter, der flexibel programmiert werden kann. Die rekonfigurierbare NAND/NOR- Schaltung verdeutlicht, dass durch die RFET-Technologie die Bauelementanzahl reduziert und die Funktionalität des Systems im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungen erhöht werden kann. Ferner werden weitere Schaltungsbeispiele sowie die technologischen Herausforderungen einer industriellen Umsetzung des Konzeptes diskutiert. Mit der funktionserweiterten, dotierstofffreien RFET-Technologie wird ein neuartiger Ansatz beschrieben, den technischen Fortschritt der Elektronik nach dem erwarteten Ende der klassischen Skalierung zu ermöglichen
The enormous increase in performance of integrated circuits has been driven for more than 50 years, mainly by reducing the device dimensions. This trend cannot continue in the long term due to physical limits being reached. The scope of this thesis is the development and fabrication of novel kinds of transistors and circuits that provide higher functionality compared to the classical devices, thus introducing an alternative approach to scaling. The fabrication of Schottky barrier field effect transistors (SBFETs) based on nominally undoped grown silicon nanowires using established and developed techniques is described. Further the charge carrier injection in the fabricated metal to semiconductor interfaces is analyzed under the influence of electrical fields. Structural modifications are used to optimize the charge injection resulting in increased ambipolar currents and negligible hysteresis of the SBFETs. Moreover, a device has been developed called the reconfigurable field-effect transistor (RFET), in which the electron and hole injection can be independently controlled by up to nine orders of magnitude. This device can be reversibly configured from unipolar electron conducting (ntype) to hole conducting (p-type) by the application of a program voltage to the two individual top gate electrodes at the Schottky junctions. So the RFET merges the functionality of classical FETs into one universal device. Measurements and 3D finite element method simulations are used to analyze the electrical transport and to describe the operation principle. Systematic investigations of changes in the device structure, dimensions and material composition show enhanced characteristics in scaled and low bandgap semiconductor RFET devices. For the realization of novel circuits, a concept is described to use the enhanced functionality of the transistors in order to realize energy efficient complementary circuits (CMOS). The required equal electron and hole current densities are achieved by the modification of charge carrier tunneling due to mechanical stress and are shown for the first time ever on a transistor. An electrically symmetric RFET based on a compressive strained nanowire in <110> crystal direction and 12 nm silicon core diameter exhibits unique electrical symmetry. The circuit concept is demonstrated by the integration of two RFETs on a single nanowire, thus realizing a dopant free CMOS inverter which can be programmed flexibly. The reconfigurable NAND/NOR shows that the RFET technology can lead to a reduction of the transistor count and can increase the system functionality. Additionally, further circuit examples and the challenges of an industrial implementation of the concept are discussed.The enhanced functionality and dopant free RFET technology describes a novel approach to maintain the technological progress in electronics after the expected end of classical device scaling

Die enorme Steigerung der Leistungsfähigkeit integrierter Schaltkreise wird seit über 50 Jahren im Wesentlichen durch eine Verkleinerung der Bauelementdimensionen erzielt. Aufgrund des Erreichens physikalischer Grenzen kann dieser Trend, unabhängig von der Lösung technologischer Probleme, langfristig nicht fortgesetzt werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung neuartiger Transistoren und Schaltungen, welche im Vergleich zu konventionellen Bauelementen funktionserweitert sind, wodurch ein zur Skalierung alternativer Ansatz vorgestellt wird. Ausgehend von gewachsenen und nominell undotierten Silizium-Nanodrähten wird die Herstellung von Schottky-Barrieren-Feldeffekttransistoren (SBFETs) mit Hilfe etablierter und selbst entwickelter Methoden beschrieben und die Ladungsträgerinjektion unter dem Einfluss elektrischer Felder an den dabei erzeugten abrupten Metall–Halbleiter-Grenzflächen analysiert. Zur Optimierung der Injektionsvorgänge dienen strukturelle Modifikationen, welche zu erhöhten ambipolaren Strömen und einer vernachlässigbaren Hysterese der SBFETs führen. Mit dem rekonfigurierbaren Feldeffekttransistor (RFET) konnte ein Bauelement erzeugt werden, bei dem sich Elektronen- und Löcherinjektion unabhängig und bis zu neun Größenordnungen modulieren lassen. Getrennte Topgate-Elektroden über den Schottkybarrieren ermöglichen dabei die reversible Konfiguration von unipolarer Elektronenleitung (n-Typ) zu Löcherleitung (p-Typ) durch eine Programmierspannung, wodurch die Funktionen konventioneller FETs in einem universellen Bauelement vereint werden. Messungen und 3D-FEM-Simulationen geben einen detaillierten Einblick in den elektrischen Transport und dienen der anschaulichen Beschreibung der Funktionsweise. Systematische Untersuchungen zu Änderungen im Transistoraufbau, den Abmessungen und der Materialzusammensetzung verdeutlichen, dass zusätzliche Strukturverkleinerungen sowie die Verwendung von Halbleitern mit niedrigem Bandabstand die elektrische Charakteristik dieser Transistoren weiter verbessern. Im Hinblick auf die Realisierung neuartiger Schaltungen wird ein Konzept beschrieben, die funktionserweiterten Transistoren in einer energieeffizienten Komplementärtechnologie (CMOS) nutzbar zu machen. Die dafür notwendigen gleichen Elektronen- und Löcherstromdichten konnten durch einen modifizierten Ladungsträgertunnelprozess infolge mechanischer Verspannungen an den Schottkyübergängen erzielt und weltweit erstmalig an einem Transistor gezeigt werden. Der aus einem <110>-Nanodraht mit 12 nm Si-Kerndurchmesser erzeugte elektrisch symmetrische RFET weist dabei eine bisher einzigartige Kennliniensymmetrie auf.Die technische Umsetzung des Schaltungskonzepts erfolgt durch die Integration zweier RFETs innerhalb eines Nanodrahts zum dotierstofffreien CMOS-Inverter, der flexibel programmiert werden kann. Die rekonfigurierbare NAND/NOR- Schaltung verdeutlicht, dass durch die RFET-Technologie die Bauelementanzahl reduziert und die Funktionalität des Systems im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungen erhöht werden kann. Ferner werden weitere Schaltungsbeispiele sowie die technologischen Herausforderungen einer industriellen Umsetzung des Konzeptes diskutiert. Mit der funktionserweiterten, dotierstofffreien RFET-Technologie wird ein neuartiger Ansatz beschrieben, den technischen Fortschritt der Elektronik nach dem erwarteten Ende der klassischen Skalierung zu ermöglichen.:Kurzzusammenfassung Abstract 1 Einleitung 2 Nanodrähte als aktivesGebiet fürFeldeffekttransistoren 2.1 Elektrisches Potential und Ladungsträgertransport in Transistoren 2.1.1 Potentialverlauf 2.1.2 Ladungsträgerfluss und Steuerung 2.2 Der Metall-Halbleiter-Kontakt 2.2.1 Ladungsträgertransport über den Schottky-Kontakt 2.2.2 Thermionische Emission 2.2.3 Ladungsträgertunneln 2.2.4 Methoden zur Beschreibung der Gesamtinjektion 2.3 Der Schottkybarrieren-Feldeffekttransistor 2.4 Stand der Technik 2.4.1 Elektronische Bauelemente auf Basis von Nanoröhren und Nanodrähten 2.4.2 Rekonfigurierbare Transistoren und Schaltungen 2.5 Zusammenfassung 3 TechnologienzurHerstellung vonNanodraht-Transistoren 3.1 Herstellung von SB-Nanodraht-Transistoren mit Rückseitengatelektrode 3.1.1 Nanodraht-Strukturbildung durch VLS-Wachstum 3.1.2 Drahttransfer 3.1.3 Herstellung von Kontaktelektroden 3.1.4 Herstellung von Schottky-Kontakten innerhalb eines Nanodrahtes 3.2 Strukturerzeugung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.1 Schichtstrukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.2 Strukturierung mittels ungerichteter Elektronenstrahllithographie 3.2.3 Justierte Strukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.4 Justierte Strukturierung mittels feinangepasster Elektronenstrahllithographie 3.2.5 Justierte Strukturierung mittels kombinierter optischer und Elektronenstrahllithographie 3.3 Zusammenfassung 4 Realisierung und Optimierung siliziumbasierter Schottkybarrieren- Nanodraht-Transistoren 4.1 Nanodraht-Transistor mit einlegierten Silizidkontakten 4.1.1 Transistoren auf Basis von Nanodrähten in <112>-Richtung 4.1.2 Transistoren mit veränderten Abmessungen 4.2 Analyse und Optimierung der Gatepotentialverteilung im Drahtquerschnitt in Kontaktnähe 4.3 Si/SiO2 - Core/Shell Nanodrähte als Basis für elektrisch optimierte Transistoren 4.3.1 Si-Oxidation im Volumenmaterial 4.3.2 Si-Oxidation am Draht 4.3.3 Silizidierung innerhalb der Oxidhülle 4.3.4 Core/Shell-Nanodraht-Transistoren mit Rückseitengate 4.4 Analyse der Gatepotentialwirkung in Abhängigkeit des Abstands zur Barriere 4.5 Zusammenfassung 5 RFET - Der Rekonfigurierbare Feldeffekttransistor 5.1 Realisierung des RFET 5.2 Elektrische Charakteristik 5.2.1 Elektrische Beschaltung und Funktionsprinzip 5.2.2 Elektrische Messungen 5.2.3 Auswertung 5.3 Transporteigenschaften des rekonfigurierbaren Transistors 5.3.1 Tunnel- und thermionische Ströme im RFET 5.3.2 Analyse der Transportvorgänge mit Hilfe der numerischen Simulation 5.3.3 Schaltzustände des RFET 5.3.4 On-zu-Off Verhältnisse des RFET 5.3.5 Einfluss der Bandlücke auf das On- zu Off-Verhältnis 5.3.6 Abhängigkeiten von geometrischen, materialspezifischen und physikalischen Parametern 5.3.7 Skalierung des RFET 5.3.8 Längenskalierung des aktiven Gebietes 5.4 Vergleich verschiedener Konzepte zur Rekonfigurierbarkeit 5.5 Zusammenfassung 6 Schaltungen aus rekonfigurierbaren Bauelementen 6.1 Komplementäre Schaltkreise 6.1.1 Inverter 6.1.2 Universelle Gatter 6.1.3 Anforderungen an komplementäre Bauelemente 6.1.4 Individuelle Symmetrieanpassung statischer Transistoren 6.2 Rekonfigurierbare Transistoren als Bauelemente für komplementäre Elektronik 6.2.1 Analyse des RFET als komplementäres Bauelement 6.2.2 Bauelementbedingungen für eine rekonfigurierbare komplementäre Elektronik 6.3 Erzeugung eines RFETs für rekonfigurierbare komplementäre Schaltkreise 6.3.1 Möglichkeiten der Symmetrieanpassung 6.3.2 Erzeugung eines RFET mit elektrischer Symmetrie 6.3.3 Erzeugung und Aufbau des symmetrischen RFET 6.3.4 Elektrische Eigenschaften des symmetrischen RFET 6.4 Realisierung von komplementären rekonfigurierbaren Schaltungen 6.4.1 Integration identischer RFETs 6.4.2 RFET-basierter komplementärer Inverter 6.4.3 Rekonfigurierbarer CMOS-Inverter 6.4.4 PMOS/NMOS-Inverter 6.4.5 Zusammenfassung zur RFET-Inverterschaltung 6.4.6 Rekonfigurierbarer NAND/NOR-Schaltkreis 6.5 Zusammenfassung und Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick 7.1 Zusammenfassung 7.2 Ausblick Anhang Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Literaturverzeichnis Publikations- und Vortragsliste Danksagung Eidesstattliche Erklärung
The enormous increase in performance of integrated circuits has been driven for more than 50 years, mainly by reducing the device dimensions. This trend cannot continue in the long term due to physical limits being reached. The scope of this thesis is the development and fabrication of novel kinds of transistors and circuits that provide higher functionality compared to the classical devices, thus introducing an alternative approach to scaling. The fabrication of Schottky barrier field effect transistors (SBFETs) based on nominally undoped grown silicon nanowires using established and developed techniques is described. Further the charge carrier injection in the fabricated metal to semiconductor interfaces is analyzed under the influence of electrical fields. Structural modifications are used to optimize the charge injection resulting in increased ambipolar currents and negligible hysteresis of the SBFETs. Moreover, a device has been developed called the reconfigurable field-effect transistor (RFET), in which the electron and hole injection can be independently controlled by up to nine orders of magnitude. This device can be reversibly configured from unipolar electron conducting (ntype) to hole conducting (p-type) by the application of a program voltage to the two individual top gate electrodes at the Schottky junctions. So the RFET merges the functionality of classical FETs into one universal device. Measurements and 3D finite element method simulations are used to analyze the electrical transport and to describe the operation principle. Systematic investigations of changes in the device structure, dimensions and material composition show enhanced characteristics in scaled and low bandgap semiconductor RFET devices. For the realization of novel circuits, a concept is described to use the enhanced functionality of the transistors in order to realize energy efficient complementary circuits (CMOS). The required equal electron and hole current densities are achieved by the modification of charge carrier tunneling due to mechanical stress and are shown for the first time ever on a transistor. An electrically symmetric RFET based on a compressive strained nanowire in <110> crystal direction and 12 nm silicon core diameter exhibits unique electrical symmetry. The circuit concept is demonstrated by the integration of two RFETs on a single nanowire, thus realizing a dopant free CMOS inverter which can be programmed flexibly. The reconfigurable NAND/NOR shows that the RFET technology can lead to a reduction of the transistor count and can increase the system functionality. Additionally, further circuit examples and the challenges of an industrial implementation of the concept are discussed.The enhanced functionality and dopant free RFET technology describes a novel approach to maintain the technological progress in electronics after the expected end of classical device scaling.:Kurzzusammenfassung Abstract 1 Einleitung 2 Nanodrähte als aktivesGebiet fürFeldeffekttransistoren 2.1 Elektrisches Potential und Ladungsträgertransport in Transistoren 2.1.1 Potentialverlauf 2.1.2 Ladungsträgerfluss und Steuerung 2.2 Der Metall-Halbleiter-Kontakt 2.2.1 Ladungsträgertransport über den Schottky-Kontakt 2.2.2 Thermionische Emission 2.2.3 Ladungsträgertunneln 2.2.4 Methoden zur Beschreibung der Gesamtinjektion 2.3 Der Schottkybarrieren-Feldeffekttransistor 2.4 Stand der Technik 2.4.1 Elektronische Bauelemente auf Basis von Nanoröhren und Nanodrähten 2.4.2 Rekonfigurierbare Transistoren und Schaltungen 2.5 Zusammenfassung 3 TechnologienzurHerstellung vonNanodraht-Transistoren 3.1 Herstellung von SB-Nanodraht-Transistoren mit Rückseitengatelektrode 3.1.1 Nanodraht-Strukturbildung durch VLS-Wachstum 3.1.2 Drahttransfer 3.1.3 Herstellung von Kontaktelektroden 3.1.4 Herstellung von Schottky-Kontakten innerhalb eines Nanodrahtes 3.2 Strukturerzeugung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.1 Schichtstrukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.2 Strukturierung mittels ungerichteter Elektronenstrahllithographie 3.2.3 Justierte Strukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.4 Justierte Strukturierung mittels feinangepasster Elektronenstrahllithographie 3.2.5 Justierte Strukturierung mittels kombinierter optischer und Elektronenstrahllithographie 3.3 Zusammenfassung 4 Realisierung und Optimierung siliziumbasierter Schottkybarrieren- Nanodraht-Transistoren 4.1 Nanodraht-Transistor mit einlegierten Silizidkontakten 4.1.1 Transistoren auf Basis von Nanodrähten in <112>-Richtung 4.1.2 Transistoren mit veränderten Abmessungen 4.2 Analyse und Optimierung der Gatepotentialverteilung im Drahtquerschnitt in Kontaktnähe 4.3 Si/SiO2 - Core/Shell Nanodrähte als Basis für elektrisch optimierte Transistoren 4.3.1 Si-Oxidation im Volumenmaterial 4.3.2 Si-Oxidation am Draht 4.3.3 Silizidierung innerhalb der Oxidhülle 4.3.4 Core/Shell-Nanodraht-Transistoren mit Rückseitengate 4.4 Analyse der Gatepotentialwirkung in Abhängigkeit des Abstands zur Barriere 4.5 Zusammenfassung 5 RFET - Der Rekonfigurierbare Feldeffekttransistor 5.1 Realisierung des RFET 5.2 Elektrische Charakteristik 5.2.1 Elektrische Beschaltung und Funktionsprinzip 5.2.2 Elektrische Messungen 5.2.3 Auswertung 5.3 Transporteigenschaften des rekonfigurierbaren Transistors 5.3.1 Tunnel- und thermionische Ströme im RFET 5.3.2 Analyse der Transportvorgänge mit Hilfe der numerischen Simulation 5.3.3 Schaltzustände des RFET 5.3.4 On-zu-Off Verhältnisse des RFET 5.3.5 Einfluss der Bandlücke auf das On- zu Off-Verhältnis 5.3.6 Abhängigkeiten von geometrischen, materialspezifischen und physikalischen Parametern 5.3.7 Skalierung des RFET 5.3.8 Längenskalierung des aktiven Gebietes 5.4 Vergleich verschiedener Konzepte zur Rekonfigurierbarkeit 5.5 Zusammenfassung 6 Schaltungen aus rekonfigurierbaren Bauelementen 6.1 Komplementäre Schaltkreise 6.1.1 Inverter 6.1.2 Universelle Gatter 6.1.3 Anforderungen an komplementäre Bauelemente 6.1.4 Individuelle Symmetrieanpassung statischer Transistoren 6.2 Rekonfigurierbare Transistoren als Bauelemente für komplementäre Elektronik 6.2.1 Analyse des RFET als komplementäres Bauelement 6.2.2 Bauelementbedingungen für eine rekonfigurierbare komplementäre Elektronik 6.3 Erzeugung eines RFETs für rekonfigurierbare komplementäre Schaltkreise 6.3.1 Möglichkeiten der Symmetrieanpassung 6.3.2 Erzeugung eines RFET mit elektrischer Symmetrie 6.3.3 Erzeugung und Aufbau des symmetrischen RFET 6.3.4 Elektrische Eigenschaften des symmetrischen RFET 6.4 Realisierung von komplementären rekonfigurierbaren Schaltungen 6.4.1 Integration identischer RFETs 6.4.2 RFET-basierter komplementärer Inverter 6.4.3 Rekonfigurierbarer CMOS-Inverter 6.4.4 PMOS/NMOS-Inverter 6.4.5 Zusammenfassung zur RFET-Inverterschaltung 6.4.6 Rekonfigurierbarer NAND/NOR-Schaltkreis 6.5 Zusammenfassung und Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick 7.1 Zusammenfassung 7.2 Ausblick Anhang Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Literaturverzeichnis Publikations- und Vortragsliste Danksagung Eidesstattliche Erklärung