This study is dedicated to the implementing of Electron-Beam-Induced Current (EBIC) microscopy to study the behavior of metal oxide semiconducting (MOS) nanowire (NW) gas sensor in situ under exposure to different environment. First, we reported the development of a single nanowire gas sensor compatible with an environmental cell. The major component of the device we use in this study is a single SnO2 nanowire attached to an electron transparent SiN membrane (50-100 nm thick), which was used for mounting nanowire working electrodes and surface imaging of NW. First the NW's conductivity is investigated in different temperatures. Higher temperature is proved to cause higher conductivity of NW. We also found that often the Schottky barrier is formed at the nanowire's contacts with Au and Au/Cr electrodes. Then NW's responses to gas and electron beam (from SEM) are analyzed quantitatively by current measurement. Electron-Beam-Induced Current technique was introduced for the first time to characterize the conductivity behavior of the nanowire during the gas sensing process. Resistive contrast was observed in the EBIC image.

No description available.

Thin-film inorganic solar cells, such as CdTe, have demonstrated the most promise to date for a viable low-cost renewable energy resource. Their current performance, however, is far from the theoretical limit suffering from significant charge recombination losses due to grain boundaries and point defects. It is likely that the microscopic compositions of grain bulk and grain boundaries are significantly different and not optimal for the overall device performance. Good understanding of charge transport along and across the grain boundaries and other microscopic interfaces is lacking, preventing the development of reliable and predictive device models. The insufficient microscopic understanding hinders efficient characterization of photovoltaic materials and also holds back the development of process control techniques. We first show preliminary results for a novel technique, quantum-dot electron-beam induced current to characterize semiconductors in the near-field. We also propose the use of near-field optical scanning microscopy for high precision optical excitation and for local, high-resolution characterization. These imaging techniques are examined with the goal of synthesizing information obtained by both methods, of material phenomena at the relevant length scales, to other measurement methods. The most important nanoscale phenomena being the separation of compositional and electrical effects.

Bien que les nanofils III-V soient reconnus comme des candidats prometteurs pour le développement de cellules solaires de nouvelle génération pour leurs propriétés optiques très attractives, l'amélioration des performances attendue par rapport à leurs homologues 2D n'a pas encore été démontrée. L’investigation à l’échelle nanométrique est essentielle pour comprendre l'origine de l'écart existant entre les prédictions théoriques et les démonstrations expérimentales. L’analyse des nanofils uniques devrait permettre d'élucider les facteurs limitants (liés par exemple aux propriétés électriques des jonctions p-n internes, à l'homogénéité fil-à-fil et aux éventuelles défaillances) et de proposer des solutions pour améliorer les performances des dispositifs photovoltaïques à nanofils.Cette thèse explore l’utilisation des techniques de caractérisation par faisceau d’électrons pour extraire les paramètres fondamentaux pour la conversion photovoltaïque afin d’optimiser les propriétés de nanofils III-V crus sur Si.L’étude à l’échelle nanométrique porte tout d’abord sur des nanofils de GaAs et AlGaAs avec une jonction radiale. A la suite de cette étude, la structure interne de nanofils a pu être améliorée. La caractérisation de dispositifs de taille millimétrique confirme l’amélioration des performances à l’échelle macroscopique.Des nanofils InGaP crus par une nouvelle méthode (Template Assisted Selective Epitaxy où TASE) ont aussi été étudiés et le niveau de dopage a été estimé par la microscopie EBIC. De plus, la réponse photovoltaïque de ces structures été observée pour la premier fois. Les propriétés électriques des nanofils GaAs avec une jonction axiale crus par la même technique ont aussi été caractérisées.Enfin, des nanofils avec deux jonctions InP/InGaP sont été étudiés comme première tentative pour fabriquer une cellule solaire tandem entièrement à nanofils. L’activité électrique des deux jonctions été observée et caractérisée. En revanche, le fonctionnement de la structure tandem s’est trouvé limité par la jonction tunnel qui connecte électriquement les deux jonctions. / Although III-V nanowires (NWs) are recognized as promising candidates for the development of new generation solar cells thanks to their very attractive optical properties, the expected performance improvement over their 2D counterparts has not yet been demonstrated. Nanoscale analyses by electron beam-based techniques (EBIC,CL) are expected to elucidate the limiting factors and to propose solutions for enhancing the performance of NW photovoltaic (PV) devices.This PhD thesis applies the electron beam probe techniques to get access to the key parameters governing the PV conversion at a single NW level in order to further optimize the properties of III-V NWs grown on Si.First, GaAs and AlGaAs NWs containing a radial junction are investigated at the nanoscale and their internal structure is optimized. The characterization of mm-sized devices confirms the improvement of the device performance at the macroscopic level.Then InGaP and GaAs NWs grown by a novel Template Assisted Selective Epitaxy (TASE) method containing an axial junction are studied. The doping level in the ternary alloy is estimated by EBIC and the photovoltaic response of these structures is demonstrated for the first time.Finally, InP/InGaP dual junction NWs are characterized. Although both top and bottom junctions are electrically active under excitation, the performance of the tandem structure is limited by the connecting tunnel junction

This dissertation will investigate electron beam induced current (EBIC) for determining semiconductor material and device parameters. While previous experimental work on PN junction delineation using EBIC with the scanning electron microscope has resulted in resolution to approximately 10 nm, theoretical study shows the potential use of EBIC for higher resolution (nanometer) PN junction and FET channel length delineation using the transmission electron microscope. Theoretical arguments using computer simulations of electron beam generation volume, collection probability and EBIC were performed and are presented for the purpose of determining EBIC use in a 300 keV transmission electron microscope (TEM) for PN junction depth determination. Measured results indicate that by measuring thin semiconductor samples with high surface recombination velocity and by using a narrow, high-energy electron beam in the STEM mode of a transmission electron microscope, nanometer resolution may be possible. The practical and experimental limits of beam energy and semiconducting material thermal damage will be discussed.

L'objectif de ce travail de thèse est de participer à l'élaboration de nanocristaux (NCs) de germanium et de mettre en évidence certaines propriétés de structures Si(n)/SiO2 contenant ces NCs non recouverts sur leur surface par l'utilisation de la technique nano-EBIC (courant induit par bombardement électronique et collecté par un nano-contact). La particularité de cette technique basée le même principe que l'EBIC classique est l'utilisation d'une pointe AFM conductrice à la place de l'électrode standard. Nous avons particulièrement ciblé le comportement d'un NC (ou d'un nombre très réduit de NCs) à piéger et émettre des porteurs de charge suite à un bombardement électronique non continu. La structure contenant les NCs peut être polarisée sous une tension nulle (alignement des niveaux de Fermi) ou sous une tension faible. Suite à cette procédure, des durées de charge ont été mesurées et les valeurs se trouvent dépendre de la taille moyenne des NCs. En effet, le processus de charge est plus long dans un NC de petite taille du fait de sa faible efficacité de stockage. D'un autre côté, le courant collecté présente une valeur de saturation plus élevée dans le cas des petits NCs. Ces deux effets (durée élevée et courant de saturation élevé dans les petits NCs) ont été expliqués par l'abaissement de la barrière d'énergie au niveau du contact pointe/NC qui résulte de l'élargissement du gap du NC et de l'augmentation du champ électrique dans la couche d'oxyde et dans la zone de désertion du substrat de silicium sous une tension de polarisation donnée. Enfin, la procédure, par son originalité, a aussi permis d'accéder à la résistivité électrique de la couche d'oxyde mince (5 nm). / The objective of this work is to contribute to the production of germanium nanocrystals (NCs) and to highlight some electronic properties of Si(n)/SiO2 structures containing those uncovered NCs on top thanks to the nano-EBIC technique (electron beam induced current collected by a nano-contact). The distinctive feature of this technique based on classic EBIC is the use of an AFM conducting probe instead of the standard electrode. Our study focuses on the capability of a single NC (or a few number of NCs) to trap and to release charge carriers as a result of a non-continuous electronic irradiation. The structure containing NCs can be connected to the ground (ensuring the Fermi levels alignment) or polarized under a low voltage. With this procedure, carriers charging times had been measured and their values depend on the mean diameter of the NCs. Indeed, the charging process takes more time in small NCs due to their weak storage efficiency. Nonetheless, the collected current reaches a higher saturation value in small NCs. Both of these effects (large charging time and high saturation current for small NCs) are explained by the lowering of the energy barrier at the AFM-tip/NCs contact, which results from the widening band-gap of NCs and the increase of the electric field across the oxide and in the Si depletion zone at a given bias voltage for small NCs. At last, this novel procedure allows measuring the electric resistivity of the 5 nanometers thin oxide.

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation à l'échelle du fil unique des propriétés de fils GaN de taille micronique (µfil), en vue du développement d'une technologie de diodes électroluminescentes (LEDs) à base d'une assemblée de µfils GaN crûs par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques. Chaque µfil est lui-même une LED constituée d'un cœur de type n et d'une coquille de type p, entre lesquels est insérée une zone active composée de multi-puits quantiques InGaN/GaN. En premier lieu, les propriétés électriques des différentes régions du cœur de type n ont été analysées par des mesures de résistivité à l'échelle du fil unique. Le µfil GaN:Si fortement dopé possède une conductivité électrique jamais rapportée dans le cas de couches planaires comparables. Une approche originale combinant une mesure de résistivité et de propriétés thermoélectriques a alors été développée pour séparer les contributions de la densité d'électrons et de leur mobilité à température ambiante dans ces µfils. Des mesures optiques résolues spatialement de cathodoluminescence (CL) et µRaman confirment ces valeurs de densités d'électrons. Une seconde partie détaille une étude résolue spatialement des jonctions p-n cœur-coquille par des techniques à base d'un faisceau électronique. Sur un µfil clivé, la jonction tridimensionnelle (axiale et radiale) existante dans ces structures est mise en évidence par une cartographie du champ électrique (courant induit par faisceau électronique, EBIC) ou du potentiel électrostatique (contraste de tension des électrons secondaires). Ces techniques renseignent alors sur les niveaux de dopage donneur et accepteur et les longueurs de diffusion des porteurs minoritaires à proximité de la jonction. La cartographie EBIC décrit également l'état d'activation des dopants Mg dans la coquille p-GaN:Mg. Finalement, la combinaison de mesures EBIC et CL avec une étude des propriétés électro-optiques d'un µfil LED, fournit des voies d'optimisation pour la réalisation de LEDs à base de µfils plus efficaces. / This thesis deals with the characterization of GaN microwires (µwires) at the single wire level,toward the development of a light-emitting diode (LED) technology based on an ensemble of standing GaN µwires grown by metal organic vapour phase epitaxy. Each µwire is actually an LED consisting of an n-type core and a p-type shell, between which an InGaN/GaN multiquantum well active region is inserted. First, the electrical properties of the different parts of the n-type core were determined using resistivity measurements at the single wire level. The GaN:Si µwire exhibits conductivity values never reported by the planar layer counterparts. An original technique combining resistivity and thermoelectric measurements was developed to infer the electron density and mobility in these µwires. Spatially resolved optical measurements such as cathodoluminescence (CL) and µRaman confirmed the electron density values. The second part describes a spatially resolved study of the core-shell p-n junction using electron beam probing techniques. On a cleaved wire, the tridimensional (axial and radial) junction was highlighted by mapping the electric field (electron beam induced current, EBIC) or the electrostatic potential (secondary electron voltage contrast). These techniques yielded the donor and acceptor doping levels as well as the minority carriers diffusion lengths in the vicinity of the junction. EBIC mapping also provided the activation state of Mg dopants in the p-GaN:Mg shell. Finally, a study of the electro-optical properties of a single µwire LED, combined with EBIC and CL measurements, paves the way to the fabrication of more efficient µwire-based LED.

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation à l'échelle du fil unique des propriétés de fils GaN de taille micronique (µfil), en vue du développement d'une technologie de diodes électroluminescentes (LEDs) à base d'une assemblée de µfils GaN crûs par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques. Chaque µfil est lui-même une LED constituée d'un cœur de type n et d'une coquille de type p, entre lesquels est insérée une zone active composée de multi-puits quantiques InGaN/GaN. En premier lieu, les propriétés électriques des différentes régions du cœur de type n ont été analysées par des mesures de résistivité à l'échelle du fil unique. Le µfil GaN:Si fortement dopé possède une conductivité électrique jamais rapportée dans le cas de couches planaires comparables. Une approche originale combinant une mesure de résistivité et de propriétés thermoélectriques a alors été développée pour séparer les contributions de la densité d'électrons et de leur mobilité à température ambiante dans ces µfils. Des mesures optiques résolues spatialement de cathodoluminescence (CL) et µRaman confirment ces valeurs de densités d'électrons. Une seconde partie détaille une étude résolue spatialement des jonctions p-n cœur-coquille par des techniques à base d'un faisceau électronique. Sur un µfil clivé, la jonction tridimensionnelle (axiale et radiale) existante dans ces structures est mise en évidence par une cartographie du champ électrique (courant induit par faisceau électronique, EBIC) ou du potentiel électrostatique (contraste de tension des électrons secondaires). Ces techniques renseignent alors sur les niveaux de dopage donneur et accepteur et les longueurs de diffusion des porteurs minoritaires à proximité de la jonction. La cartographie EBIC décrit également l'état d'activation des dopants Mg dans la coquille p-GaN:Mg. Finalement, la combinaison de mesures EBIC et CL avec une étude des propriétés électro-optiques d'un µfil LED, fournit des voies d'optimisation pour la réalisation de LEDs à base de µfils plus efficaces. / This thesis deals with the characterization of GaN microwires (µwires) at the single wire level,toward the development of a light-emitting diode (LED) technology based on an ensemble of standing GaN µwires grown by metal organic vapour phase epitaxy. Each µwire is actually an LED consisting of an n-type core and a p-type shell, between which an InGaN/GaN multiquantum well active region is inserted. First, the electrical properties of the different parts of the n-type core were determined using resistivity measurements at the single wire level. The GaN:Si µwire exhibits conductivity values never reported by the planar layer counterparts. An original technique combining resistivity and thermoelectric measurements was developed to infer the electron density and mobility in these µwires. Spatially resolved optical measurements such as cathodoluminescence (CL) and µRaman confirmed the electron density values. The second part describes a spatially resolved study of the core-shell p-n junction using electron beam probing techniques. On a cleaved wire, the tridimensional (axial and radial) junction was highlighted by mapping the electric field (electron beam induced current, EBIC) or the electrostatic potential (secondary electron voltage contrast). These techniques yielded the donor and acceptor doping levels as well as the minority carriers diffusion lengths in the vicinity of the junction. EBIC mapping also provided the activation state of Mg dopants in the p-GaN:Mg shell. Finally, a study of the electro-optical properties of a single µwire LED, combined with EBIC and CL measurements, paves the way to the fabrication of more efficient µwire-based LED.

<p>The work presented in this thesis is concerned with the microstructure of zinc oxide varistor materials used in surge protecting devices. This class of material has been characterised with special emphasis on the functional microstructure and the development of the microstructure during sintering. Several different techniques have been used for the analysis, especially scanning electron microscopy (SEM) in combination with electron beam-induced current (EBIC) analysis and <i>in-situ</i> studies of heat-treatment experiments and transmission electron microscopy (TEM) in combination with energy dispersive X-ray spectrometry (EDS) and electron holography. </p><p>Detailed TEM analyses using primarily centred dark-field imaging of grain boundaries, especially triple and multiple grain junctions, were used to reveal the morphological differences between the various Bi₂O₃ phases. The triple and multiple grain junctions were found to exhibit distinct differences in morphology, which could be attributed the difference in structure of the crystalline Bi₂O₃ polymorphs present in the junctions. </p><p>Electrical measurements were performed on individual ZnO/ZnO grain boundaries using EBIC in the SEM. The EBIC signal was found to depend strongly on the geometric properties of the interface and also on the symmetry of the depletion region at the interface. A symmetric double Schottky barrier was never observed in the experiments, but instead barriers with clear asymmetry in the depletion region. Experimental results together with computer simulations show that reasonably small differences in the deep donor concentrations between grains could be responsible for this effect.</p><p>Electron holography in the TEM was used to image the electrostatic potential variation across individual ZnO/ZnO interfaces. The sign of the interface charge, the barrier height (about 0.8 eV) and the depletion region width (100 to 150 nm) were determined from holography data. Asymmetries of the depletion region were also found with this technique. </p><p>The full sintering process of doped ZnO powder granules was studied <i>in-situ</i> in the environmental SEM. The densification and grain growth processes were studied through the sintering cycle. The formation of a functional microstructure in ZnO varistor materials was found to depend strongly on the total pressure.</p>

The work presented in this thesis is concerned with the microstructure of zinc oxide varistor materials used in surge protecting devices. This class of material has been characterised with special emphasis on the functional microstructure and the development of the microstructure during sintering. Several different techniques have been used for the analysis, especially scanning electron microscopy (SEM) in combination with electron beam-induced current (EBIC) analysis and in-situ studies of heat-treatment experiments and transmission electron microscopy (TEM) in combination with energy dispersive X-ray spectrometry (EDS) and electron holography. Detailed TEM analyses using primarily centred dark-field imaging of grain boundaries, especially triple and multiple grain junctions, were used to reveal the morphological differences between the various Bi2O3 phases. The triple and multiple grain junctions were found to exhibit distinct differences in morphology, which could be attributed the difference in structure of the crystalline Bi2O3 polymorphs present in the junctions. Electrical measurements were performed on individual ZnO/ZnO grain boundaries using EBIC in the SEM. The EBIC signal was found to depend strongly on the geometric properties of the interface and also on the symmetry of the depletion region at the interface. A symmetric double Schottky barrier was never observed in the experiments, but instead barriers with clear asymmetry in the depletion region. Experimental results together with computer simulations show that reasonably small differences in the deep donor concentrations between grains could be responsible for this effect. Electron holography in the TEM was used to image the electrostatic potential variation across individual ZnO/ZnO interfaces. The sign of the interface charge, the barrier height (about 0.8 eV) and the depletion region width (100 to 150 nm) were determined from holography data. Asymmetries of the depletion region were also found with this technique. The full sintering process of doped ZnO powder granules was studied in-situ in the environmental SEM. The densification and grain growth processes were studied through the sintering cycle. The formation of a functional microstructure in ZnO varistor materials was found to depend strongly on the total pressure.