A new high-k dielectric material, i.e., zirconium-doped tantalum oxide (Zr-doped TaOx), in the form of a sputter-deposited thin film with a thickness range of 5-100 nm, has been studied. Important applications of this new dielectric material include the gate dielectric layer for the next generation metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET). Due to the aggressive device scaling in ultra-large-scale integrated circuitry (ULSI), the ultra-thin conventional gate oxide (SiO2) is unacceptable for many practical reasons. By replacing the SiO2 layer with a high dielectric constant material (high-k), many of the problems can be solved. In this study, a novel high-k dielectric thin film, i.e., TaOx doped with Zr, was deposited and studied. The film’s electrical, chemical, and structural properties were investigated experimentally. The Zr dopant concentration and the thermal treatment condition were studied with respect to gas composition, pressure, temperature, and annealing time. Interface layer formation and properties were studied with or without an inserted thin tantalum nitride (TaNx) layer. The gate electrode material influence on the dielectric properties was also investigated. Four types of gate materials, i.e., aluminum (Al), molybdenum (Mo), molybdenum nitride (MoN), and tungsten nitride (WN), were used in this study. The films were analyzed with ESCA, XRD, SIMS, and TEM. Films were made into MOS capacitors and characterized using I-V and C-V curves. Many promising results were obtained using this kind of high-k film. It is potentially applicable to future MOS devices.

A new high-k dielectric material, i.e., zirconium-doped tantalum oxide (Zr-doped TaOx), in the form of a sputter-deposited thin film with a thickness range of 5-100 nm, has been studied. Important applications of this new dielectric material include the gate dielectric layer for the next generation metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET). Due to the aggressive device scaling in ultra-large-scale integrated circuitry (ULSI), the ultra-thin conventional gate oxide (SiO2) is unacceptable for many practical reasons. By replacing the SiO2 layer with a high dielectric constant material (high-k), many of the problems can be solved. In this study, a novel high-k dielectric thin film, i.e., TaOx doped with Zr, was deposited and studied. The film’s electrical, chemical, and structural properties were investigated experimentally. The Zr dopant concentration and the thermal treatment condition were studied with respect to gas composition, pressure, temperature, and annealing time. Interface layer formation and properties were studied with or without an inserted thin tantalum nitride (TaNx) layer. The gate electrode material influence on the dielectric properties was also investigated. Four types of gate materials, i.e., aluminum (Al), molybdenum (Mo), molybdenum nitride (MoN), and tungsten nitride (WN), were used in this study. The films were analyzed with ESCA, XRD, SIMS, and TEM. Films were made into MOS capacitors and characterized using I-V and C-V curves. Many promising results were obtained using this kind of high-k film. It is potentially applicable to future MOS devices.

Les architectures des dispositifs Silicium-Sur-Isolant (SOI) représentent des alternatives attractives par rapport à celles en Si massif grâce à l'amélioration des performances des transistors et des circuits. Dans ce contexte, les plaquettes SOI doivent être d'excellente qualité.Dans cette thèse nous développons des nouveaux outils de caractérisation électrique et des modèles pour des substrats SOI avancés. La caractérisation classique pseudo-MOSFET (pseudo-MOSFET) pour le SOI a été revisitée et étendue pour des mesures à basses températures. Les variantes enrichies de pseudo-MOSFET, proposées et validées sur des nombreuses géométries, concernent des mesures split C-V et des mesures bruit basse fréquence. A partir des courbes split C-V, une méthode d'extraction de la mobilité effective a été validée. Un modèle expliquant les variations de la capacité avec la fréquence s'accorde bien avec les résultats expérimentaux. Le pseudo-MOSFET a été aussi étendu pour les films SOI fortement dopés et un modèle pour l'extraction des paramètres a été élaboré. En outre, nous avons prouvé la possibilité de caractériser des nanofils de SiGe empilés dans des architectures 3D, en utilisant le concept pseudo-MOSFET. Finalement, le SOI ultra-mince dans la configuration pseudo-MOSFET s'est avéré intéressant pour la détection des nanoparticules d'or.

In dieser Arbeit wurden die Strom-Spannungs- und Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien von Ag/n-GaAs(100) Schottky-Dioden untersucht, wobei die Kennlinien durch organische Zwischenschichten verschiedener Dicke modifiziert werden. Dazu wird der organische Halbleiter 3,4,9,10- Perylentetracarboxyldianhydrid (PTCDA) verwendet. Die PTCDA-Schichten werden mittels Organischer Molekularstrahldeposition (OMBD) hergestellt. Die Charakterisierung der Ag/PTCDA/GaAs-Dioden erfolgte sowohl in situ als auch ex situ.

Ce manuscrit est une contribution à l’étude de la fiabilité et de la robustesse des composants MOSFET sur carbure de silicium, matériau semi-conducteur grand gap qui possède des caractéristiques bien meilleures que le silicium. Ces nouveaux interrupteurs de puissances permettent d’obtenir entre autres propriétés remarquables, des fréquences de commutations et des tenues en tension plus élevées dans les systèmes de conversions de puissance. Ils sont particulièrement mis en avant depuis un peu plus d’une dizaine d’années pour les gains en performances, diminution des tailles et poids qu’ils apportent à certaines topologies de convertisseurs pour les réseaux haute tension à courant continu. Puis sont répertoriés les principaux mécanismes de défaillances de ces MOSFET SiC induits par la faiblesse de la grille. Toutes les mesures nécessaires au suivi des paramètres clés lors des prochains vieillissements sont présentées. Les résultats de nos tests sur l’instabilité de la tension de seuil sont aussi détaillés et un modèle empirique pour valider le comportement de relaxation observé est proposé. Celui-ci nous aidera par la suite à établir un protocole de mesure rigoureux de la tension de seuil. Les tests expérimentaux et résultats de vieillissement en statique et dynamique sur les composants 1,7 kV vont permettre de se rendre compte de l’importance de la dérive de la tension de seuil sur 1000 h. Dans le cas d’un vieillissement statique, il y a environ 7 % de dérive positive du VTH et un pourcentage équivalent pour les tests dynamiques. Des analyses supplémentaires (C-V et pompage de charge) sur l’oxyde de grille en cours de vieillissement sont proposées pour une meilleure compréhension des mécanismes mis en jeu dans la dégradation de l’oxyde. Enfin, les derniers tests présentés seront focalisés sur le comportement en court-circuit et courts-circuits répétitifs des mêmes composants. Avec une énergie critique évaluée autour de 1,5 J nos tests sur les MOSFET 1,7 kV montrent les limites de la robustesse de ces composants, avec une tenue en court-circuit bien inférieure à 10 µs et une incapacité à résister à plus de 150 courts-circuits successifs. L’influence de la tension entre drain et source y est notamment étudiée, et montre que l’énergie critique supportée par le composant diminue avec l’augmentation de cette tension. / This manuscript is a contribution to reliability and robustness study of MOSFET components on silicon carbide “SiC”, wide band gap semiconductor with better characteristics compared to silicon “Si” material. Those new power switches can provide better switching frequencies or voltage withstanding for example in power converter. SiC MOSFET are the results of approximately 10 years of research and development and can provide increased performances and weight to some converter topology for high voltage direct current networks. Others power switches available are still introduced and an introduction to reliability is explaining why such work on this new power switches is important. Transition from Si technologies to SiC ones require a lot of work regarding its robustness. Before showing reliability and robustness results is presented I give a lot of details regarding to the measurement and monitoring of key parameters used in the next chapters. The results of our tests on the threshold voltage instability are presented and how we validated an empirical model on this drift. This was used to propose an enhanced measurement protocol on the threshold voltage. Static and dynamic experimental results presented next will show if the voltage drift during ageing is significant or not. Further analysis is proposed to add more insight on the understanding of the oxide degradation mechanisms through C-V and charge pumping measurements. Finally, the ageing results presented on 1,7 kV SiC MOSFET are focused on the short-circuit and repetitive short-circuit behavior of the same components. Drain to source voltage influence on critical energy during this particular and stressful operation mode is studied. This time, the results are worrying.The last chapter is confidential.

Les potentialités du nitrure de gallium (GaN) et notamment de l'hétérostructure AlGaN/GaN, semiconducteur à large bande interdite, en font un matériau particulièrement intéressant en électronique de puissance, notamment pour des applications haute tension, haute température et haute fréquence. L'objectif de ce travail de thèse était de développer et d'optimiser l'étape d'isolation de la grille lors la réalisation de transistors MIS-HEMT de puissance sur hétérostructure AlGaN/GaN, le but étant de réduire les courants de fuite de grille sans perturber les propriétés du transistor. Après avoir évaluation, le choix s'est porté sur l'alumine Al2O3 déposé par ALD comme diélectrique de grille. L'étude s'est d'abord concentrée sur l'analyse de l'influence de traitements, chimiques ou plasma, sur la contamination de la surface d'AlGaN au travers d'analyses XPS et AFM. Puis, l'influence du diélectrique de grille a été évalué à travers la réalisation et la mesure électrique de dispositifs, diodes et transistors, en variant les méthodes de dépôt par ALD. Enfin, l'impact d'un recess par gravure ICP-RIE partielle ou complètes de la barrière d'AlGaN sous la grille a été étudiée. La réalisation d'un HEMT passe par l'étape critique du dépôt du diélectrique de grille sur le semiconducteur, et le contrôle de la qualité de l'interface " diélectrique/AlGaN " est donc une étape fondamentale car elle influe sur les propriétés électriques du composant. Ce contrôle comprend le traitement de surface du semiconducteur, mais aussi la nature et la technique de dépôt du diélectrique. Ainsi il apparaît à travers l'étude qu'un traitement de surface à l'ammoniaque à haute température est le plus efficaces pour retirer les contamination en oxydes natifs. Les mesures électriques, C(V) et Id(Vg), ont quant à elle montrés la supériorité de la PEALD par rapport à un dépôt thermique conventionnel. Ceci peut s'expliquer par le fait que le plasma oxygène qui entre jeu lors du dépôt de l'alumine par PEALD semble nettoyer la surface lors des premiers cycles, retirant notamment la contamination carbone. Cela permet d'avoir une meilleure interface entre l'alumine et le semi-conducteur, limitant les pièges à l'interface et dans l'oxyde. Cela a réduit de manière considérable les courants de fuite de grille, sans détériorer la qualité et la rapidité de la transition entre l'état on et off. De plus, les HEMTs réalisé étant de type normally-off, le recess de grille par gravure ICP-RIE a été implémenté afin de rendre moins négative la tension de pincement. Cela a été réalisé avec succès, notamment avec la réalisation d'un composant de type noramlly-off grâce à un recess total de la barrière d'AlGaN sous la grille. Des résultats à l'état de l'art ont été obtenus à travers une approche simple, et un processus de création de transistors robuste et hautement reproductible, avec une réduction importante des courants de fuite de grille et une pente sous le seuil record. Afin de compléter l'étude il conviendra par la suite de réaliser des études de fiabilité, notamment à travers des mesures dynamiques pour évaluer notamment les phénomènes de dégradation du Ron. / With its large band gap, Gallium Nitride (GaN) semiconductor is one of the most promising materials for new power devices generation thanks to its outstanding material properties for high voltage, temperature and frequency applications. The main objective of this thesis was the development and optimization of the insulating step taking place in the elaboration of MIS-HEMT transistors on an AlGaN/GaN heterstroctructure. In order to reduce gate leakage currents without degrading the device properties, alumina Al2O3 deposited by ALD was chosen as a gate dielectric. The study was first centered on the influence of surface treatments, chemical or plasma, regarding surface contamination. Their impact was analyzed through XPS and AFM. Secondly, electrical measures were performed on complete MIS-HEMT diodes and transistors to evaluate the influence of the alumina insulating layer depending on the ALD deposition method. Lastly, partial and full recess of the AlGaN barrier was studied via ICP-RIE etching. The gate dielectric deposition is one of the crucial steps intervening in the HEMT creation process. The quality and control at the Al2O2/AlGaN interface being paramount, it will directly influence the device's electric properties. This involves control ing the semiconductor surface, but also the nature and deposition technique of the dielectric. As such, an ammonia-based treatment at high temperature appears to be the most efficient in reducing native oxygen contamination. Regarding electric performances, C(V) and Id(Vg) measures showed the superiority of PEALD compared to traditional thermal ALD deposition. This can be explained by the fact that the oxygen plasma used as oxydant during the alumina deposition by PEALD seems to clean the surface during the first cycles, mostly by reducing carbon contamination. This allowed to achieve a better interface between the semiconductor and the insulting layer, thus limiting traps at the interface or in the oxyde. This allows to considerably reduce gate leakage currents, without degrading the quality and transition sharpness between the on and off state. Moreover, the realized HEMTs being normally-off, gate recess etching via ICP-RIE was implemented in order to make the threshold voltage less negative. This was successfully achieved, especially through the realization of a normally-off transistors thanks to a full recess of the AlGaN barrier under the gate. State of the art results were achieved through a simple approach, and a robust and highly reproducible transistor elaboration process, with great reduction of gate leakage currents and a record sub-threshold slope. In order to complete the study, it will be necessary in the future to proceed to viability studies, especially through dynamic electric evaluation, in order to evaluate for instance Ron degradation phenomenons.

In this thesis I present new insights into aspects of Peter Guthrie Tait's life and work, derived principally from largely-unexplored primary source material: Tait's scrapbook, the Tait–Maxwell school-book and Tait's pocket notebook. By way of associated historical insights, I also come to discuss the innovative and far-reaching mathematics of the elusive Frenchman, C.-V. Mourey. P. G. Tait (1831–1901) F.R.S.E., Professor of Mathematics at the Queen's College, Belfast (1854–1860) and of Natural Philosophy at the University of Edinburgh (1860–1901), was one of the leading physicists and mathematicians in Europe in the nineteenth century. His expertise encompassed the breadth of physical science and mathematics. However, since the nineteenth century he has been unfortunately overlooked—overshadowed, perhaps, by the brilliance of his personal friends, James Clerk Maxwell (1831–1879), Sir William Rowan Hamilton (1805–1865) and William Thomson (1824–1907), later Lord Kelvin. Here I present the results of extensive research into the Tait family history. I explore the spiritual aspect of Tait's life in connection with The Unseen Universe (1875) which Tait co-authored with Balfour Stewart (1828–1887). I also reveal Tait's surprising involvement in statistics and give an account of his introduction to complex numbers, as a schoolboy at the Edinburgh Academy. A highlight of the thesis is a re-evaluation of C.-V. Mourey's 1828 work, La Vraie Théorie des quantités négatives et des quantités prétendues imaginaires, which I consider from the perspective of algebraic reform. The thesis also contains: (i) a transcription of an unpublished paper by Hamilton on the fundamental theorem of algebra which was inspired by Mourey and (ii) new biographical information on Mourey.