Traps are ubiquitously present in semiconductors. Their presence results in ineffective charge transport and thus limited the device performance. For organic semiconductors, traps can present intrinsically via structural disorder or extrinsically during synthesis or device fabrication. A thorough understanding of traps is important to optimize the device performance and material design. This thesis employs two trap measurement techniques, photothermal deflection spectroscopy (PDS) and thermal admittance spectroscopy (TAS), to investigate the trap density in the materials. The subgap optical absorptions of several high performance bulk-heterojunction (BHJ) systems for organic solar cells have been studied by PDS. The charge transfer (CT) states are, in particular, looked into detail. CT states are intermediate bound electron-hole pairs at the donor/acceptor (D/A) interface of an organic solar cell. The dynamics and energetics of CT states are crucial to free charge generation and recombination processes. With the help of PDS and external quantum efficiency (EQE) measurements, the CT states the delocalized CT states (hot) from the localized CT states (cold) are observed and differentiated directly. It is discovered that the localized CT states are more pronounced when the acceptor concentration reaches its percolation limit. As the acceptor concentration reaches its optimized composition, the intensity of these CT states is significantly reduced due to the reduced recombination. Using the CT energies measured from PDS, the open-circuit voltage losses from the BHJs are determined. Besides PDS, thermal admittance spectroscopy (TAS) is employed as an alternative method to measure the trap densities. TAS measures the frequency dependent capacitance response of a semiconductor under a small ac signal excitation. This technique is useful to measure the trap depth and trap density of a semiconductor. The defect profiles in two classes of materials are investigated, they are perovskite compounds and an organic hole transporter with an intentional dopant. The trap density are determined by TAS is compared with that obtained by PDS.

Les transistors organiques sont la base de nombreuses applications de l'électronique organique mais leur rendement électrique ainsi que leur stabilité dans le temps sont encore des verrous technologiques devant être levés. De plus, le phénomène de transport de charges dans ces dispositifs reste une notion encore à l'étude même si différents modèles sont utilisés afin d'expliquer l'effet de champ des transistors organiques. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette étude portant sur la caractérisation par spectroscopie d'admittance de jonctions Métal/oxyde/semi conducteur organique/métal. Elle a pour but d'analyser le comportement électrostatique du semi conducteur organique. Les mesures de spectroscopie d'admittance ont été réalisées sur une large bande de fréquence (0.1Hz à 1Mhz) dans laquelle les pertes diélectriques mesurées peuvent être associées à des phénomènes d'orientation (oscillation) de dipôles présents dans la structure. Les réponses en fréquences montrent trois types de comportements dynamiques. A basses fréquences, nous avons observé une diffusion ionique, liée au déplacement d'ions H+ à travers la structure. A hautes fréquences, la réponse est due aux imperfections de l'oxyde. Enfin, aux fréquences intermédiaires, la réponse du semi-conducteur organique est identifiée et attribuée à des dipôles permanents. A partir de ces différentes réponses, un modèle analytique est établi et permet de décrire l'ensemble des réponses dynamiques. Le comportement du semi-conducteur est décrit par la somme d'une fonction de type Debye et de type Cole-Cole. L'analyse des paramètres de ce modèle a permis de mettre en évidence l'influence des dipôles permanents sur la permittivité du film de semi-conducteur organique. Enfin, ce modèle a été validé sur différents échantillons à base de pentacène et a été ensuite appliqué au Poly-3-hexylthiophène. / Organic transistors are vital in many applications of organic electronics but the electrical performance and time stability are technological limitation in order to make this technology reliable. Moreover, in these devices, the charge transport phenomenon has not to be clearly understood even if different models are commonly used to explain the field effect in organic transistors. In this context, this thesis talks about the admittance spectroscopy characterization of metal / oxide / organic semiconductor / metal junctions and analysis the organic semiconductor electrostatic behavior.The admittance spectroscopy measurements were performed on a wide frequency range (0.1Hz to 1MHz) in which the measured dielectric loss may be associated with the orientation phenomenon (as oscillation) of dipoles present in the structure.The frequency responses show three dynamic behaviors. At low frequencies (<10Hz), we observed an ionic diffusion, which is related to the ions movement of H+ through the structure. At high frequencies, (>10kHz) the response is due to defects into the oxide. Finally, at intermediate frequencies, the organic semiconductor response is identified and assigned to the permanent dipoles into the bulk. From these responses, an analytical model is developed and used to describe the dynamic responses. The semi-conductor behavior is described by the sum of a Debye and Cole-Cole function type. The analysis of the model parameters has highlighted the influence of permanent dipoles on the organic semiconductor permittivity. Finally, this model has been agreed on different samples based on pentacene and was applied to the Poly-3-hexylthiophene.

Silicon carbide is a very promising semiconductor material for high-power, highrequency, and high-temperature applications. SiC distinguishes from traditional narrow bandgap semiconductors, such as silicon, in that common doping impurities in SiC have activation energies larger than the thermal energy kT even at room temperature. This causes incomplete ionization of such impurities, which leads to strong temperature and frequency dependence of the semiconductor junction differential admittance and, if carrier freeze-out effects are not taken into account, errors in doping profiles calculated from capacitance-voltage data. Approaches commonly used to study the influence of incomplete impurity ionization on the junction admittance are based on the truncated space charge approximation and/or the small-signal approximation. The former leads to impurity ionization time constant and occupation number errors, while the latter fails if the measurement ac signal amplitude is larger than kT/q. In this work, a new reverse bias Schottky junction admittance model valid for the general case of an arbitrary temperature, measurement signal frequency and amplitude, and doping occupation number and time constant distributions is developed. Results of junction admittance calculations using the developed model are compared with the results of traditional models. Based on the general model, a new method of admittance spectroscopy data analysis is created and used to determine impurity parameters more accurately than allowed by traditional approaches. Incomplete impurity ionization is investigated for the case of nitrogen donors and aluminum and boron acceptors in 4H- and 6H-SiC. It is shown that the degree of carrier freeze-out is significant in heavily N-doped 6H-SiC and in Al- and B-doped SiC. Frequency dispersion of the junction admittance is shown to be significant at room temperature in N- and B-doped SiC. Junction capacitance calculations as a function of applied dc bias show that calculated doping profiles deviate from the actual impurity concentration profiles if the impurity ionization time constant is comparable with the ac signal period. This is the case for N- and B-doped SiC with certain values of the impurity activation energy and capture cross-section. Validity of the new model and its predictions are successfully tested on experimental admittance data for N- and B-doped SiC Schottky diodes.

No description available.

No description available.

Die Anforderungen an schnelle Dioden sind sehr hoch für große Spannungen und große Ströme. Die Beeinflussung des Bauelementverhaltens durch das Design des Dotierprofils mit einem tiefen mehrstufigen Feldstopp aus Selen bildet einen zentralen Punkt der Dissertation. Mit physikalischen Messverfahren werden die in der Literatur nur unzureichend untersuchten Eigenschaften von Selen in Silizium erfasst und als Basis für Bauelementsimulationen verwendet. Für die Untersuchung der Störstelleneigenschaften kommt die klassische aufwändige DLTS zum Einsatz. Des Weiteren werden für diese Untersuchungen die Vorteile der einfacheren frequenzabhängigen Admittanzspektroskopie ausführlich dargelegt. Anhand der Bauelementsimulationen erfolgt ein Vergleich mit Messungen und führt zur Vorstellung und Erläuterung einer verbesserten soften und robusten Diodenstruktur mit tiefen Donatoren aus Selen. / The focus of the following work is the correlation between the field-stop design and the behaviour of high-voltage power diodes. The objective is to present a further improvement of the diode performance using a special field-stop, which optimizes the diode in relation to a soft switching behaviour and an increased robustness. The function of such a field-stop is investigated. Benefits are shown of materials for field-stops with deep impurities in the semiconductor material and of multiple stepped deep field-stop structures. Therefore a central role have silicon diodes with selenium in the field-stop layer. Measurements and simulations with the power device simulator Sentaurus TCAD are done and explain the named correlations. The deep level transient spectroscopy is used as method to analyse the required impurity parameters. Beside this method the evaluation is done by the introduced frequency resolved admittance spectroscopy.

Die Anforderungen an schnelle Dioden sind sehr hoch für große Spannungen und große Ströme. Die Beeinflussung des Bauelementverhaltens durch das Design des Dotierprofils mit einem tiefen mehrstufigen Feldstopp aus Selen bildet einen zentralen Punkt der Dissertation. Mit physikalischen Messverfahren werden die in der Literatur nur unzureichend untersuchten Eigenschaften von Selen in Silizium erfasst und als Basis für Bauelementsimulationen verwendet. Für die Untersuchung der Störstelleneigenschaften kommt die klassische aufwändige DLTS zum Einsatz. Des Weiteren werden für diese Untersuchungen die Vorteile der einfacheren frequenzabhängigen Admittanzspektroskopie ausführlich dargelegt. Anhand der Bauelementsimulationen erfolgt ein Vergleich mit Messungen und führt zur Vorstellung und Erläuterung einer verbesserten soften und robusten Diodenstruktur mit tiefen Donatoren aus Selen. / The focus of the following work is the correlation between the field-stop design and the behaviour of high-voltage power diodes. The objective is to present a further improvement of the diode performance using a special field-stop, which optimizes the diode in relation to a soft switching behaviour and an increased robustness. The function of such a field-stop is investigated. Benefits are shown of materials for field-stops with deep impurities in the semiconductor material and of multiple stepped deep field-stop structures. Therefore a central role have silicon diodes with selenium in the field-stop layer. Measurements and simulations with the power device simulator Sentaurus TCAD are done and explain the named correlations. The deep level transient spectroscopy is used as method to analyse the required impurity parameters. Beside this method the evaluation is done by the introduced frequency resolved admittance spectroscopy.

L’oxyde de zinc ZnO, est un semiconducteur II-VI très prometteur pour les applications en opto-électronique dans le domaine UV, notamment pour la réalisation de dispositifs électroluminescents (LED). Les potentialités majeures du ZnO pour ces applications résident notamment dans sa forte liaison excitonique (60 meV), sa large bande interdite directe (3.4 eV), la disponibilité de substrats massifs de grand diamètre ainsi que la possibilité de réaliser des croissances épitaxiales de très bonne qualité en couches minces ou nano structurées (nanofils). Néanmoins, le développement de ces applications est entravé par la difficulté de doper le matériau de type p. L'impureté permettant d'obtenir une conductivité électrique associée à des porteurs de charges positifs (trous), et donc la réalisation de jonctions pn à base de ZnO, n'a pas encore été réellement identifiée. C'est pourquoi une des étapes préliminaires et nécessaires à l'obtention d'un dopage de type p fiable et efficace, réside dans la compréhension du dopage résiduel de type n, ainsi que des phénomènes de compensation et de passivation qui sont mis en jeu au sein du matériau. La maîtrise de la nature des contacts (ohmique ou Schottky) sur différentes surfaces d'échantillons de ZnO nous a permis dans ce but de mettre en œuvre à la fois des mesures de transport (résistivité et effet Hall) et des mesures capacitives (capacité-tension C(V), Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) et Spectroscopie d'admittance).Dans un premier temps, nous avons donc cherché à comprendre de manière approfondie les propriétés électriques du ZnO massif. Nous avons ainsi étudié le rôle des défauts profonds et peu profonds sur la conductivité des échantillons, aux travers de différents échantillons massifs obtenus par synthèse hydrothermale ou par croissance chimique en phase vapeur. Nous avons également étudié l'impact de la température de recuits post-croissance, sur les propriétés de transport des échantillons. A la lumière des résultats obtenus sur le dopage résiduel de type n des échantillons de ZnO massifs, nous avons ensuite procédé à différents essais de dopage de type p du ZnO par implantation ionique d'azote et par diffusion en ampoule scellée d’arsenic. L'impureté azote a été choisie dans le cadre d'une substitution simple de l'oxygène qui devrait permettre de créer des niveaux accepteurs dans la bande interdite du ZnO. Nous avons également étudié l'impureté arsenic, qui selon un modèle théorique peut former un complexe qui permet d'obtenir un niveau accepteur plus proche de la bande de valence que le niveau. Outres les études réalisées sur les échantillons de ZnO massif et les essais de dopage de type p, nous avons également étudié les propriétés électriques d'échantillons de ZnO monocristallins sous forme de couches minces obtenues par croissance en phase vapeur d’organométalliques, dopées intentionnellement ou non. Les corrélations entres les mesures SIMS et C(V) nous ont permis notamment de mettre en évidence une diffusion et un rôle très importante de l'aluminium sur les propriétés électriques des couches minces de ZnO épitaxiées sur substrat saphir.Dans le cadre de cette thèse nous avons réussi à clarifier les mécanismes du dopage de type n, intentionnel ou non intentionnel, dans le ZnO monocristallin. Nous avons également identifié les impuretés et les paramètres de croissance importants permettant d'obtenir un dopage résiduel de type n le plus faible possible dans les couches épitaxiées. Cette maitrise du dopage résiduel de type n est une étape préliminaire indispensable aux études de dopage de type p car elle permet de minimiser la compensation des accepteurs introduits intentionnellement. Cette approche du dopage sur des couches minces de ZnO dont le dopage résiduel de type n est très faible apparait comme une voie très prometteuse pour surmonter les problèmes d'obtention du dopage de type p. / Zinc oxide (ZnO) is a II-VI semiconductor which appears as a very promising material for UV opto-electronic applications, in particular for the production of light emitting devices (LED). For these applications, ZnO presents strong advantages as a high exciton binding energy (60 meV ), a wide direct band gap (3.4 eV), the availability of large diameter bulk substrates for homoepitaxial growth of high quality thin films or nanostructures. However, the development of these applications is hampered by the difficulty to dope ZnO p-type. The impurity leading to an electrical conductivity associated with positive charge carriers (holes), and therefore the production of ZnO pn junctions have not yet been really identified.In this thesis we have studied the physical mechanisms that govern the electrical properties of ZnO single crystal and epilayers. The control of contacts (ohmic or Schottky) on different ZnO surfaces allowed us to carry out both transport measurements (resistivity and Hall effect) and capacitance measurements (C(V), Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) and admittance spectroscopy).At first, we have studied the role of deep and shallow defects on the n-type conductivity of bulk ZnO samples obtained by Hydrothermal synthesis (HT) or by Chemical Vapor Transport (CVT). We also investigated the impact of post-growth annealing at high temperature under oxygen atmospheres on the transport properties of samples. Thanks to the previous results on the residual n-type doping, we have reported on several attempts to obtain p-type ZnO. We have discussed the potential of different candidates for the achievement of p-type doping and present our tentative experiments to try and demonstrate the reality, the ability and the stability of p-type doping by nitrogen implantation and arsenic diffusion. The nitrogen impurity has been chosen for oxygen substitution, which should allow the creation of acceptor levels in the ZnO band gap. We also studied arsenic as a potential p-type dopant, according to a model whereby arsenic substitutes for oxygen and, if associated with two zinc vacancies, forms a complex with a shallower ionization energy than in the case of direct oxygen substitution.In addition to the studies on bulk ZnO samples and attempts on p-type doping, we have also studied the electrical properties of thin film ZnO samples obtained by Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, either intentionally or unintentionally doped. Correlations between SIMS and C(V) measurements allowed us to highlight especially the importance of aluminum as a residual impurity in epitaxial layers grown on sapphire substrates.In this thesis we have clarified intentional or unintentional n-type doping mechanisms in ZnO single crystal samples. We have also identified impurities and growth parameters responsible for the residual n-type doping. This understanding is a crucial and preliminary step for understanding the doping mechanisms at stake in this material and is also necessary to achieve stable p-type conductivity, which is still the main challenge for the realization of optoelectronic devices based on ZnO.