Ce manuscrit expose des travaux effectués entre 1994 et 2004 sur la fiabilité des composants à base de structures MOS et la fiabilité des oxydes ultra-minces de SiO2 (<10nm) utilisés comme isolant de grille dans ces composants. Nous avons établi un lien entre courants de fuite dans l'oxyde (SILC) et injection de porteurs chauds, principalement les trous chauds, dans les oxydes de 3.8 et 4.7nm. La dépendance en champ et en température du SILC soutient un modèle d'effet tunnel assisté par des défauts neutres barycentriques dans l'oxyde, même si une composante partielle de type Schottky est identifiable. Pour les claquages de type Soft-breakdown relevés, nous avons proposé un modèle simple, fondé sur un rétrécissement local de l'épaisseur d'oxyde. Le phénomène LVSILC, typique de la structure MOS en déplétion, est mis en évidence suite à des stress à tension constante pour des oxydes entre 2.5 et 1.2 nm. Nous proposons de l'interpréter comme un effet tunnel assisté par des niveaux proches des bandes de conduction ou de valence de la densité d'états d'interface. Les mécanismes de génération sont principalement déterminés par l'énergie des porteurs injectés (y compris dans le cas d'injections de porteurs chauds), et génèrent une loi d'accélération en VG pour le vieillissement en mode tunnel direct. On établit une loi générale, donnant la probabilité de création de défauts en fonction des paramètres qui déterminent l'énergie des porteurs injectés. <br />Nos études sur les porteurs chauds nous ont aussi amené à étudier la fiabilité de transistor MOSFET lors de contraintes dynamiques (AC), caractéristiques des séquences de polarisation en mode normal de fonctionnement. Le résultat pratique de ce travail est la mise en oeuvre d'une méthodologie s'inspirant de l'hypothèse quasi-statique pour la prévision des durées de vie AC. Cette méthodologie, éprouvée et comparée aux résultats de mesure dans un certains nombre de cas où sa validité est reconnue, est appliquée au cas plus complexe du transistor de passage NMOS. L'accord reste satisfaisant, mais nous avons également mis en évidence les limitations de cette technique lors de séquences faisant intervenir des relaxations, des périodes de dépiégegage ou des dégradations bi-directionnelles.<br />Concernant le lien entre les étapes du procédé et la fiabilité, nous avons étudié l'influence d'une étape d'implantation ionique à haute énergie, qui induit un dégât dans le volume du semi-conducteur détecté électriquement par C(V), mais aussi des courants de fuite similaires au SILC (IILC Implantation Induced Leakage Current). Nous avons mis au point une méthodologie optimisée de détection du Wafer Charging, utilisant des injections très courtes de porteurs chauds (au pic de courant électronique) dans le transistor PMOS. Cette méthode s'est révélée plus sensible et plus révélatrice que les injections pratiquées en régime Fowler-Nordheim ou la simple étude paramétrique pour détecter les défauts latents issus du charging dans les oxydes minces. Enfin, nous avons identifié par DLTS les défauts issus d'une contamination au Fer dans le Silicium (paire Fe-B et Fer interstitiel Fei) et avons observé la re-transformation spontanée du Fei en paire Fe-B en quelques heures.

The continuous downscaling has enforced the device size and oxide thickness to few nanometers. After serving for several decades as an excellent gate oxide layer in complementary metal oxide semiconductor (CMOS) devices, the thickness of SiO2 layer has reached to its theoretical limits. Ultra-thin films of SiO2 can result in severe leakage currents due to direct tunneling as well as maintaining the homogeneity of the layers becomes an additional challenge. The use of a high- (HK) layer can solve these twin concerns of the semiconductor industry, which can also enhance the capacitance due to superior dielectric permittivity and reduce the leakage current by being thicker than the silicon dioxide. This thesis is concerned about the development of solution route fabricated high-k (TiO2, ZrO2 and HfO2) gate dielectrics and the investigation of high-/silicon interfaces by highly sensitive DLTS technique in MOS structures. The solution processing reduce the industrial fabrication cost and the DLTS method has the advantage to accurately measure the interface related defects parameters; such as interface trap density (Dit), capture cross-section (), activation energy (ET) and also distinguish between bulk and interface traps. In this thesis, HK films have been deposited by solution route, the material and electrical properties of the film and the HK/Si interface have been extensively evaluated. IN CHAPTER 1, we have summarized the history and evolution of transistor and it provides the background for the work presented in this thesis. IN CHAPTER 2, we have described the experimental method /technique used for the fabrication and characterization. The advantages and working principals of spin-coating and DLTS techniques are summarized. IN CHAPTER 3, we have presented the preparation and optimization of TiO2 based HK layer. Structural, surface morphology, optical electrical and dielectric properties are discussed in details. A high- 34 value is achieved for the 36 nm TiO2 films. IN CHAPTER 4, we presented the technologically relevant Si/TiO2 interface study by DLTS technique. The DLTS analysis reveals a small capture cross-section of the interface with acceptable interface state density. IN CHAPTER 5, we have focused on the fabrication of amorphous ZrO2 films on p-Si substrate. The advantage of amorphous dielectric layer is summarized as first dielectric reported SiO2 is used in its amorphous phase. The moderate-15 with low leakage current density is achieved. IN CHAPTER 6, the HfO2 films are prepared using hafnium isopropoxide and a high value of dielectric constant 23 is optimized with low leakage current density. The current conduction mechanisms are discussed in details. IN CHAPTER 7, we have probed the oxygen vacancy related sub-band-gap states in HfO2 by DLTS technique. IN CHAPTER 8, we have presented the summary of the dissertation and the prospect research directions are suggested. In summary, we have studied the group IVB transition metal elemental oxides (TMEO); TiO2, ZrO2 and HfO2 thin films in the MOS structure, as a possible replacement of SiO2 gate dielectric. For the TMEO films deposition a low-cost and simple method spin-coating was utilized. The film thicknesses are in the range of 35 – 39 nm, which was measured by ellipsometry and confirmed with the cross-sectional SEM. A rough surface of gate dielectric layer can trap the charge carrier and may cause the Fermi level pinning, which can cause the threshold voltage instabilities. Hence, surface roughness of oxide layer play an important role in CMOS device operation. We have achieved quite good flat surfaces (RMS surface roughness’s are 0.2 – 2.43 nm) for the films deposited in this work. The TiO2 based MOS gate stack shows an optimized high dielectric constant ( 34) with low leakage current density (3.710-7 A.cm-2 at 1 V). A moderate dielectric constant ( 15) with low leakage current density (4.710-9 A.cm-2 at 1 V) has been observed for the amorphous ZrO2 thin films. While, HfO2 based MOS gate stack shows reasonably high dielectric constant ( 23) with low leakage current density (1.410-8 A.cm-2 at 1 V). We have investigated the dominating current conduction mechanism and found that the current is mainly governed by space charge limited conduction (SCLC) mechanism for the high bias voltages, while low and intermediate bias voltages show the (Poole – Frenkel) PF and (Fowler – Nordheim) FN tunneling, respectively. For the HfO2 MOS device band alignment is drawn from the UPS and J-V measurements. The band gap and electron affinity of HfO2 films are estimated 5.9 eV and 3 eV, respectively, which gives a reasonable conduction band offset (1.05 eV) with respect to Si. A TMEO film suffers from a large number of intrinsic defects, which are mostly oxygen vacancies. These defects can create deep levels below the conduction band of high- dielectric material, which can act like a hole and electron traps. In addition to that, interface between Si and high- is an additional concern. These defect states in the band gap of high- or at the Si/ high- interface might lead to the threshold voltage shifts, lower carrier mobility in transistor channel, Fermi level pinning and various other reliability issues. Hence, we also studied bulk and interfacial defects present in the high- films on Si and their interface with Si by a very sensitive DLTS technique. The capture cross-sections are measured by insufficient filling DLTS (IF – DLTS). The defects present at the interface are Si dandling bond and defect in the bulk are mostly oxygen vacancies related defects present in various charge states. The interface states (Dit) are in the range of 2×1011 to 9×1011 eV-1cm-2, which are higher than the Al/SiO2/Si MOS devices (Dit in Al/SiO2/Si is the benchmark and in the order of 1010 eV-1cm-2). Still this is an acceptable value for Si/high-k (non-native oxide) MOS devices and consistent with other deposition methods. The capture cross-sections are found to be quite low in the order of 10-18 to 10-19 cm2, which indicate a minor impact on the device operation. The small value of capture cross-sections are attributed to the involvement of tunneling, to and from the bulk traps to the interface. In conclusion, the low cost solution processed high- thin films obtained are of high quality and find their importance as a potential dielectric layer. DLTS study will be helpful to reveal various interesting facts observed in high- such as resistive switching, magnetism and leakage current problems mediated by oxygen vacancy related defects

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.

Solarzellen aus organisch-anorganischen hybriden Perowskithalbleitern gelten als mögliche Schlüsseltechnologie zur Erzeugung günstiger und umweltfreundlicher elektrischer Energie und somit als Meilenstein für die Energiewende. Um die weltweit stetig wachsende Nachfrage an elektrischer Energie zu decken, bedarf es Solarzellentechnologien, welche gleichzeitig eine hohe Effizienz nahe dem Shockley-Queisser-Limit als auch eine hinreichend gute Stabilität aufweisen. Während die Effizienz von Solarzellen auf Basis von Perowskithalbleitern in dem letzten Jahrzehnt eine bemerkenswerte Entwicklung erfahren hat, lassen sich die wesentlichen physikalischen Mechanismen dieser Technologie noch nicht vollständig erklären. Die elektronisch-ionische Mischleitfähigkeit ist eine dieser Eigenschaften, welche die Effizienz und besonders die Stabilität der Perowskit-Solarzelle beeinflusst. Zentrales Thema dieser Arbeit ist daher die Untersuchung von mobilen ionischen Defekten und deren Einfluss auf Solarzellenparametern. Es wird gezeigt, dass die Migrationsraten ionischer Defekte in Perowskit breiten Verteilungen unterliegen. Durch die Anwendung eines neu entwickelten Regularisationsalgorithmus für inverse Laplace-Transformationen und verschiedener Messmoden für transiente Störstellenspektroskopie kann somit geklärt werden, warum sich berichtete ionische Defektparameter aus der Literatur für gleiche Defekte stark unterscheiden können. Dieses grundlegende Verständnis kann angewendet werden, um den Einfluss von kleinen stöchiometrischen Variationen auf die Defektlandschaft zu untersuchen und das Zusammenspiel zwischen elektronischen und ionischen Eigenschaften besser zu verstehen. Der Einsatz der Meyer-Neldel Regel ermöglicht ferner eine Kategorisierung ionischer Defekte in Perowskithalbleitern. Im letzten Teil dieser Arbeit wird gezeigt, dass elektrische und optische Methoden wie intensitätsmodulierte Spektroskopie geeignet sind, um Informationen über mobile Ionen in hybriden Perowskiten zu erhalten. Zusätzlich wird das elektronische Rekombinationsverhalten näher untersucht. / Solar cells made of organic–inorganic hybrid perovskite semiconductors are considered as a possible key technology for the conversion of cheap and environmentally friendly electrical energy and thus as a milestone for the turnaround in energy policy. In order to meet the steadily growing global demand for electrical energy, solar cell tech- nologies are required that are both highly efficient, i.e. close to the Shockley–Queisser limit, and sufficiently stable. While the efficiency of solar cells based on perovskite semi- conductors has undergone a remarkable development in the last decade, the essential physical mechanisms of this technology cannot yet be fully explained. The electronic- ionic mixed conductivity is one of these properties, which influences the efficiency and especially the stability of the perovskite solar cell. The central topic of this thesis is therefore the investigation of mobile ionic defects and their influence on solar cell parameters. It is shown that the migration rates of ionic defects in perovskites are attributed to wide distributions. By application of a newly developed regularisation algorithm for inverse Laplace transform and different measurement modes for deep-level transient spectroscopy, it can thus be clarified why reported ionic defect parameters from the literature for the same defects can differ significantly. This basic understanding can be used to study the influence of small stoichiometric variations on the defect landscape and to better understand the interaction between electronic and ionic properties. Us- ing the Meyer–Neldel rule also allows the characterisation of ionic defects in perovskite semiconductors. The last part of this thesis shows that electrical and optical methods such as intensity-modulated spectroscopy are suitable for obtaining information about mobile ions in hybrid perovskites. In addition, the electronic recombination behaviour is examined more closely.