La production d'énergie photovoltaïque est une option d'avenir pour répondre au développement économique de notre société tout en réduisant notre impact sur l'environnement. Mais pour devenir compétitive, cette filière doit améliorer le rendement des cellules solaires. Une technologie d'avenir consiste à combiner différents matériaux via une croissance par épitaxie et l'usage du collage direct. Cette thèse, financée par SOITEC, vise au développement du collage d'arseniure de gallium (GaAs) sur le phosphure d'indium (InP) pour la cellule SmartCell. L'objectif est d'optimiser son comportement électrique via un modèle numérique prenant en compte son état physico-chimique. Nous présentons d'abord un ensemble d'outils de caractérisations électriques pour réaliser une mesure I(V) précises de l'interface de collage. En fonction des cas, nous détaillons des contacts métalliques adaptés pour améliorer cette caractérisation. Une étude détaillée de l'hétérostructure GaAs/InP et des homostructures GaAs/GaAs et InP/InP amène ensuite à une compréhension de leur mécanisme de collage. Après recuit thermique, le procédé de collage hydrophile engendre des oxydes d'interfaces qui se résorbent dans le cas de l'InP et se fragmentent pour le GaAs. A paramètres constants, les empilements obtenus sont meilleurs que ceux de l'état de l'art au niveau électrique et mécanique. Nous poursuivons avec des propositions de procédés innovants pour maitriser l'oxyde d'interface et optimiser l'hétérostructure. Parmi ces options nous validons l'approche avec exposition ozone qui vise à générer sélectivement un oxyde avant mise en contact. L'empilement obtenu affiche une résistance proche de nos mesures de référence et a un fort potentiel. Enfin l'étude se conclue sur la présentation d'un modèle numérique inédit reliant procédé de collage, état d'interface et comportement électrique. A recuit donné, l'interface est hétérogène avec une zone reconstruite (conduction thermo-électronique) et une zone avec oxyde (conduction tunnel). Ces régions s'activent préférentiellement en fonction de la température de fonctionnement. Elles sont pondérés par un critère qui détermine le niveau de reconstruction du collage et qui sera utile pour de futurs développements de l'application. / The solar photovoltaic is a promising way to support our economical growth while it can reduce the environmental impact of our society. But, to be truly competitive, the sector has to develop more efficient solar cells. An interesting option aims at combining different materials either by epitaxy growth and direct bonding. The Ph.D. was funded by the SOITEC company with the goal to develop the bonding of the gallium arsenide (GaAs) on the indium phosphide (InP) for the SmartCell architecture. We had to optimize its electrical behavior with a numerical model taking into account the bonding interface state. We introduce the study with a wide range of I(V) tools to precisely characterize the bonding interface. Depending on the case, we detail suitable metal contacts to improve the test. A study in deep of the GaAs/InP heterostructure and the GaAs/GaAs and the InP/InP homostructures leads to a better understanding of the bonding mechanisms. After a thermal annealing, the hydrophilic bonding process generates oxyde compounds at the interface which are absorbed in the InP case and are fragmented in the GaAs case. For given parameters, our stacks are electrically and mechanically better than the state of the art. Then we propose innovative processes to control the interface oxyde and thus optimize the heterostructure. Among them, we validate a new approach with ozone exposure that selectively generates an oxyde prior to bonding. The interface resistance of the stack is therefore closed to our best results and has great potentials. To conclude, the study focuses on a novel numerical model connecting the bonding process, the interface state and the electrical behavior. For a given annealing, the interface is heterogenous with reconstructed areas (thermionic conduction) and oxyde areas (tunnel conduction). These regions are preferentially activated as a function of the operating temperature. They are weighted by a criteria determining the level of the bonding reconstruction which will be useful for the future developments of the application.

The vertical-cavity surface-emitting laser or VCSEL is a special type of diode laser, which has established itself in optoelectronic applications asa low-cost, high-quality miniaturized light source. The development of VCSELs can be largely promoted with support from computer simulations. In this study, we have used such simulations, on one hand to understand and improve the VCSEL performance, and on the other hand to prepare for analyzing new device concepts such as transistor-VCSELs. This thesis starts with a background introduction to the principle idea of VCSELs and then states the significance of this simulation work.Then it briefly introduces the previously used simulation workbench Sentaurus and explains the mathematical approach and the computation methods of the finally chosen simulator PICS3D. The case study of a fabricated and characterized epitaxially regrown VCSEL is the major component of this work. First the device configuration is demonstrated with detailed discussion on several design features. Second the physical models of electrical, optical and thermal phenomena along with their key parameters are presented and so are the advanced models for the active region. The main results of simulation, including steady-state characteristics and small-signal modulation, show good agreement with the experimental results and reveal some imperfections of the device design and processing, such as the overestimated stability of the regrown junction and the variation of cavity length caused by over-etch. This work is also treated as an evaluation of the simulator PICS3D, and two problems are identified: one is the troublesome way to construct a 3D device by coupling several 2D layer structures together, requiring the mesh for each layer structure to be compatible; the other would be the tricky boundary setting for the adopted method, Effective Index Method (EIM), for the transverse field calculation when only a weak index guiding effect exits in the cavity. Finally, we summarize this work and suggest some tasks for further simulations.

Trotz der im Vergleich zu Silizium überragenden elektronischen Eigenschaften von Verbindungshalbleitern, ist die Leistung der daraus gefertigten elektrischen Bauelemente aufgrund der vorhandenen, die elektronischen Materialeigenschaften beeinflussenden Defekte nach wie vor begrenzt. Die vorliegende Arbeit trägt dazu bei, das bestehende ökonomische Interesse an einem besseren Verständnis der die Bauelementeleistung limitierenden Defekte zu befriedigen, indem sie die Auswirkungen dieser Defekte auf die elektronischen und optischen Materialeigenschaften von Indiumphosphid (InP) und Siliziumkarbid (SiC) aufzeigt. Zur Klärung der Effekte finden in der Arbeit sich ergänzende elektrische und optische Charakterisierungsmethoden Anwendung, von denen die meisten kontaktlos und zerstörungsfrei arbeiten und sich daher prinzipiell auch für Routineanalysen eignen. Die erzielten Ergebnisse bestätigen und ergänzen Literaturdaten zum Defektinventar in InP und SiC nutzbringend. So wird insbesondere das Potential der elektrischen Charakterisierung mittels MDP und MD-PICTS, welche in der Arbeit erstmals für die Defektcharakterisierung von InP und SiC eingesetzt wurden, nachgewiesen. Die experimentellen Studien werden dabei bedarfsorientiert durch eine theoretische Betrachtung des entsprechenden Signalentstehungsmechanismuses ergänzt. / Although the electronic properties of compound semiconductors exceed those of Silicon, the performance of respective electronic devices still is limited. This is due to the presence of various growth-induced defects in compound semiconductors. In order to satisfy the economic demand of an improved insight into limiting defects this thesis contributes to a better understanding of material inherent defects in commonly used Indium Phosphide (InP) and Silicon Carbide (SiC) by revealing their effects on electronic and optical material properties. On that account various complementary electrical and optical characterization techniques have been applied to both materials. Most of these techniques are non-contacting and non-destructive. So, in principle they are qualified for routine application. Characterization results that are obtained with these techniques are shown to either confirm published results concerning defects in InP and SiC or beneficially complement them. Thus, in particular the potential of electrical characterization by MDP and MD-PICTS measurements is proofed. Both techniques have been applied for the first time for defect characterization of InP and SiC during these studies. The respective experiments are complemented by a theoretical consideration of the corresponding signal development mechanism in order to develop an explanation approach for occasionally occurring experimental imperfection also arising during silicon characterization from time to time.

由於無線通訊相關應用持續蓬博發展，使得為關鍵零組件的射頻前端元件及模組相關產業於2006年開始獲利；以及化合物半導體於此領域的元件及模組為矽產業較難取以代，雖其製造流程相似，但其經營環境與矽產業有所不同，故值得深入探討其產業發展是否與矽產業有其不同之處。 本研究乃是針對化合物半導體產業於無訊通訊領域進行描述與分析來達成下列目的：第一、詳細地描述此產業現況及台灣廠商經營模式以提供各界參考；第二、在此產業發展已較為成熟時，檢視和分析此產業是否如矽產業採專業分工，以及找出影響產業垂直整合程度的關鍵因素為何；第三、運用產業矩陣進行產業分析，以供後續研究參考如何運用產業矩陣。 本研究採用司徒達賢教授所提出的產業矩陣分析法進行產業分析與描述，如此將能對此產業能有更系統化、周延且細緻地了解，並透過策略形態分析法深入了解各公司的策略構想為何，來協助釐清此產業較為重要的產業特性為何。 研究結果顯示，化合物半導體於無線通訊產業的IC設計與IC製造是否朝向專業分工，與IDM廠及專業晶圓廠的製程水準有關；以及在手機持續往輕薄短小、高頻率、以及3M(多頻、多模、多媒體)的方向發展下，對各價值單元的影響皆不同。

Des puits quantiques à base d'hétérostructures In0.53 Ga0.47 As/In0.52 Al0.48 As, fabriqués par épitaxie par jets moléculaires sur substrats InP(111)A, sont étudiés par microscopie et spectroscopie à effet tunnel à basse température et sous ultra-vide. La première partie est consacrée à une étude de la surface épitaxiée (111)A de In0.53 Ga0.47 As de type n. Il est découvert que le niveau de Fermi de surface est positionné dans la bande de conduction, à proximité du niveau de Fermi de volume, et peut être partiellement contrôlé en variant la concentration d'impuretés de type n dans le volume. Ce résultat est confirmé en déterminant la relation de dispersion de la bande de conduction en surface. Un tel dépiégeage partiel du niveau de Fermi de surface indique que la densité d'états de surface accepteurs est faible. Il est proposé que ces états proviennent de défauts ponctuels natifs localisés à la surface. La deuxième partie, basée sur les résultats obtenus dans la première partie, est consacrée à une étude de puits quantiques In0.53 Ga0.47 As de surface, déposés sur des barrières In0.52 Al0.48 As selon la direction (111)A. Les mesures sont conduites sur la surface épitaxiée (111)A du puits quantique In0.53 Ga0.47 As, de manière à pouvoir sonder à l'échelle du nanomètre la distribution de densité locale d'états électroniques dans le plan du puits quantique. Il est confirmé que des sous-bandes électroniques sont formées dans le puits quantique, et que la concentration d'électrons dans le puits peut être contrôlée du fait du dépiégeage partiel du niveau de Fermi de surface. Il est découvert qu'un phénomène de percolation d'états localisés survient dans la queue de chaque sous-bande, ce qui indique la présence d'un potentiel désordonné dans le puits quantique. Les seuils de percolation sont déterminés en utilisant un modèle semi-classique. L'origine du potentiel désordonné est attribuée à une distribution aléatoire des défauts ponctuels natifs à la surface du puits quantique. Il est également découvert qu'un état lié apparaît au bas de chaque sous-bande à proximité d'un défaut ponctuel natif de type donneur. L'énergie de liaison et le rayon de Bohr des états liés peuvent être directement déterminés. De plus, il est démontré que l'énergie de liaison et le rayon de Bohr sont fonctions de l'épaisseur du puits quantique, en accord quantitatif avec des calculs variationnels d'impuretés dans le modèle de l'atome d'hydrogène.

Trotz der im Vergleich zu Silizium überragenden elektronischen Eigenschaften von Verbindungshalbleitern, ist die Leistung der daraus gefertigten elektrischen Bauelemente aufgrund der vorhandenen, die elektronischen Materialeigenschaften beeinflussenden Defekte nach wie vor begrenzt. Die vorliegende Arbeit trägt dazu bei, das bestehende ökonomische Interesse an einem besseren Verständnis der die Bauelementeleistung limitierenden Defekte zu befriedigen, indem sie die Auswirkungen dieser Defekte auf die elektronischen und optischen Materialeigenschaften von Indiumphosphid (InP) und Siliziumkarbid (SiC) aufzeigt. Zur Klärung der Effekte finden in der Arbeit sich ergänzende elektrische und optische Charakterisierungsmethoden Anwendung, von denen die meisten kontaktlos und zerstörungsfrei arbeiten und sich daher prinzipiell auch für Routineanalysen eignen. Die erzielten Ergebnisse bestätigen und ergänzen Literaturdaten zum Defektinventar in InP und SiC nutzbringend. So wird insbesondere das Potential der elektrischen Charakterisierung mittels MDP und MD-PICTS, welche in der Arbeit erstmals für die Defektcharakterisierung von InP und SiC eingesetzt wurden, nachgewiesen. Die experimentellen Studien werden dabei bedarfsorientiert durch eine theoretische Betrachtung des entsprechenden Signalentstehungsmechanismuses ergänzt.:1 Motivation 2 Theses 3 Compound semiconductors: structure and benefits 4 Growth of compound semiconductors 5 Structural defects in compound semiconductors 6 Defects and their impact on electronic material properties 7 Effect of annealing treatments on the properties of InP 8 Experimental details 9 Experimental results 10 Summary of the thesis 11 Conclusion and impact 12 Prospect of future work 13 Appendix - Theory of signal development 14 List of tables 15 List of figures 16 List of abbreviations and symbols 17 Eidesstattliche Erklärung - Declaration of academic honesty 18 Danksagung - Acknowledgment 19 Veröffetnlichungen - Publications 20 References / Although the electronic properties of compound semiconductors exceed those of Silicon, the performance of respective electronic devices still is limited. This is due to the presence of various growth-induced defects in compound semiconductors. In order to satisfy the economic demand of an improved insight into limiting defects this thesis contributes to a better understanding of material inherent defects in commonly used Indium Phosphide (InP) and Silicon Carbide (SiC) by revealing their effects on electronic and optical material properties. On that account various complementary electrical and optical characterization techniques have been applied to both materials. Most of these techniques are non-contacting and non-destructive. So, in principle they are qualified for routine application. Characterization results that are obtained with these techniques are shown to either confirm published results concerning defects in InP and SiC or beneficially complement them. Thus, in particular the potential of electrical characterization by MDP and MD-PICTS measurements is proofed. Both techniques have been applied for the first time for defect characterization of InP and SiC during these studies. The respective experiments are complemented by a theoretical consideration of the corresponding signal development mechanism in order to develop an explanation approach for occasionally occurring experimental imperfection also arising during silicon characterization from time to time.:1 Motivation 2 Theses 3 Compound semiconductors: structure and benefits 4 Growth of compound semiconductors 5 Structural defects in compound semiconductors 6 Defects and their impact on electronic material properties 7 Effect of annealing treatments on the properties of InP 8 Experimental details 9 Experimental results 10 Summary of the thesis 11 Conclusion and impact 12 Prospect of future work 13 Appendix - Theory of signal development 14 List of tables 15 List of figures 16 List of abbreviations and symbols 17 Eidesstattliche Erklärung - Declaration of academic honesty 18 Danksagung - Acknowledgment 19 Veröffetnlichungen - Publications 20 References

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Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden nanoskopische Strukturen von II-VI-Verbindungshalbleitern unterschiedlicher Ausdehnung (zweidimensionale Schichten oder nulldimensionale Quantenpunkte) im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) untersucht, die mittels Molekularstrahlepitaxie erzeugt worden sind. Als Substratmaterial diente generell (001)-orientierts GaAs. Schichten von (Zn,Cd)Se eingebettet in ZnSe wurden hinsichtlich der thermischen Stabilität der Grenzflächen bei variierter Schichtdicke analysiert. Die Realstruktur der Grenzflächen wurde mittels Beugungskontrastabbildung und hochaufgelöster Gitterabbildung (HRTEM) charakterisiert. Für eine Schichtdicke von 30 nm, die unterhalb des kritischen Wertes zur Entstehung von Fehlpassungsversetzungen von etwa 70 nm liegt, findet ausschließlich elastische Deformation des aufwachsenden Materials statt. Bei Überschreitung der kritischen Schichtdicke (100 und 300 nm) bilden sich in der Grenzfläche Versetzungen aus. Deren Dichte ist einerseits von der Schichtdicke abhängig, wird andererseits aber auch von den elastischen Eigenschaften des aufwachsenden Materials beeinflußt. Mit der Methode der energiedispersiven Röntgenspektroskopie wurden Cd-Konzentrationsprofile für die unterschiedlich dicken (Zn,Cd)Se-Schichten nach thermischer Behandlung gewonnen. Diese Konzentrationsprofile konnten unter Ansatz eines temperaturabhängigen Diffusionskoeffizienten simuliert werden. Es wurden von der Schichtdicke und damit von der Dichte der Fehlpassungsversetzungen unabhängige Cd-Diffusionskoeffizienten gefunden. Für 320 °C nimmt er einen Wert von ca. 5*10^-19 cm^2/s an, bei 400 °C beträgt er etwa 5*10^-17 cm^2/s. Die nulldimensionalen CdSe/ZnSe-Quantenpunktstrukturen bilden sich während eines Selbstorganisationsprozesses, dessen Ursache in der Gitterfehlpassung zwischen den beiden Komponenten von etwa 7 % zu sehen ist. Während der Selbstorganisation ordnet sich die oberste von drei CdSe-Monolagen in Quantenpunkte um. Die TEM-Untersuchungen an diesen Strukturen wurden sowohl im Querschnitt als auch in planarer Projektion durchgeführt. Neben den Quantenpunkten wurden bei Wachstum auf einer 25 nm dicken und damit ausschließlich elastisch verspannten ZnSe-Pufferschicht zusätzlich Versetzungen und Stapelfehler gefunden. Dagegen erwies sich das CdSe bei Abscheidung und Umordnung auf einer 1 µm dicken ZnSe-Pufferschicht als defektfrei. Die Höhe der Quantenpunkte betrug etwa 2 bis 3 nm, während deren laterale Ausdehnung zwischen 5 und 50 nm variierte. Hinsichtlich der Merkmale der Beugungskontrastmuster in planarer Projektion ließen sich zwei Klassen von Objekten unterscheiden. Die Quantenpunkte ohne erkennbare Strukturierung innerhalb der Beugungskontrastmuster waren etwa 5 bis 10 nm groß und mit einer Flächendichte von 1*10^10 cm^-2 verteilt. Die Quantenpunkte mit einer lateralen Ausdehnung von 10 bis 50 nm bei einer Flächendichte von 2*10^9 cm^-2 zeigten dagegen eine innere Strukturierung. Diese Beugungskontrastmuster wurden mit simulierten Mustern verglichen, für die unterschiedliche Formen von Quantenpunkten zugrunde lagen. Eine hinreichend gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment konnte für eine gekappte tetragonale Pyramide mit [100]-Basiskanten und {101}-Seitenflächen festgestellt werden. Zum Verständnis der Beugungskontrastmuster trugen zusätzliche Simulationsrechnungen mittels der Methode der finiten Elemente bei. Die elastische Verspannung im Bereich eines einzelnen Quantenpunktes wurde für unterschiedliche Netzebenenscharen und damit für bestimmte Beugungsbedingungen berechnet. Die experimentell erhaltenen Beugungskontrastmuster konnten auf diese Weise sehr gut verifiziert werden. / Low-dimensional structures (2-dimensional layers and 0-dimensional quantum dots) of II-VI compound semiconductors were investigated using transmission electron microscopy (TEM). The samples were grown by molecular beam epitaxy on (001)-oriented GaAs substrates. 2-dimensional layers of (Zn,Cd)Se/ZnSe were investigated with respect to the thermal stability of the interfaces. Special attention was paid to the diffusion process as a function of the density of dislocations caused by the lattice mismatch. These misfit dislocations were characterised using TEM diffraction contrast imaging as well high resolution TEM. No dislocations were observed for a thickness of 30 nm being below the critical one for initialising of plastical relaxation. Merely elastical relaxation, i.e., lattice distortion without formation of dislocations took place in the growing material. Whereas, dislocations were found for layer thicknesses above the critical one (100 and 300 nm). The dislocation density exhibited a dependence on the layer thickness as well as on the elastical properties of the material deposited. Profiles of the Cd composition were received for these (Zn,Cd)Se layers using energy dispersive x-ray spectroscopy after different heat treatment. The composition profiles were fitted by means of a temperature dependent diffusion coefficient. For a fixed temperature the diffusion coefficient was found being independent on the layer thickness, i.e., independent on the density of misfit dislocations. The coefficients amount to about 5*10^-19 cm^2/s for 320 °C and to about 5*10^-17 cm^2/s for 400 °C. The zero-dimensional CdSe/ZnSe quantum dots (QDs) form via a self-organisation process induced by the lattice mismatch of about 7 %. Only the topmost of three CdSe monolayers redistributes into QD structures. TEM investigations of these structures were carried out in plan view as well as in cross section. CdSe QDs formed on a 25 nm thick ZnSe buffer layer. Additionally, unwanted dislocations and stacking faults were revealed. Obviously, the buffer layer grew pseudomorphically and plastical relaxation was realised in the QD structure. Whereas, no defects were detected in QD structures grown on an 1 µm thick ZnSe buffer, where the plastical relaxation occurs at the ZnSe/GaAs interface. The height of the QDs amounted to about 2 to 3 nm. Their lateral expansion varied between 5 and 50 nm. Two classes of diffraction contrast features of the individual QD were divided with respect to their inner pattern. The smaller features with no details visible showed a size distribution of 5 to 10 nm and exhibit an area density of about 1*10^10 cm^-2. Whereas, an area density of about 2*10^9 cm^-2 was found for features having a size between 10 and 50 nm with a visible inner pattern. These diffraction contrast features were compared with simulated ones for different shapes of the QDs. The best agreement was noticed for a truncated tetragonal pyramid with [100] edges of the basal plane and with {101} facets. Additionally, the diffraction contrast features of single QDs were verified by finite element calculations. Specific diffraction conditions were considered utilising the components of the elastic strain of the respective lattice planes.