The sun provides us with a surplus of energy convertible to electricity using solar cells. This thesis focuses on solar cells based on chalcopyrite (CIGSe) as well as kesterite (CZTS(e)) absorber layers. These materials yield record efficiencies of 20.4 % and 11.1 %, respectively. Especially for CZTS(e), the absorber layers often do not consist of one single desired phase but can exhibit areas with deviating material properties, referred to as secondary phases. Furthermore, several material layers are required for a working solar cell, each exhibiting interfaces. Even though secondary phases and interfaces represent a very small fraction of the solar cell they can have a profound influence on the over-all electrical solar cell characteristics. As such, it is crucial to understand how secondary phases and interfaces influence the local electrical characteristics. Characterising secondary phases and interfaces is challenging due to their small sample volume and relatively small differences in composition amongst others. This is where electronmicroscopy, especially transmission electron microscopy, offers valuable insight to material properties on the microscopic scale. The main challenge is, however, to link these material properties to the corresponding electrical characteristics of a solar cell. This thesis uses electron beam induced current imaging and introduces a new method for JV characterisation of solar cells on the micron scale. Combining microscopic structural and electrical characterisation techniques allowed identifying and characterising local defects found in the absorber layer of CIGS solar cells after thermal treatment. Furthermore, CZTSe solar cells in this thesis exhibited a low photo-current density which is traced to the formation of a current blocking ZnSe secondary phase at the front contact interface. The electron microscopy work has contributed to an understanding of the chemical stability of CZTS and has shown the need for an optimised back contact interface in order to avoid chemical decomposition reactions and formation of detrimental secondary phases. With this additional knowledge, a comprehensive picture of the material properties from the macroscopic down to the microscopic level can be attained throughout all required material layers.

L’essor de la demande actuelle pour des matériaux architecturés, en microélectronique par exemple, ou pour des matériaux de structure, nécessite le développement d’outils de caractérisation toujours plus performants. Dans cette optique, un instrument de caractérisation multifonctionnel basé sur un couplage mécanique / électrique, a été développé au laboratoire SIMaP. Le cœur de ce dispositif est un nanoindenteur in situ FEG-SEM (Field Emission Gun Scanning Electron Microscope) couplé à des mesures électriques. Ce travail est porté par trois principales motivations: (1) L’étude du comportement mécanique d’objets petites échelles, (2) L’apport des données électriques à l’analyse quantitative du comportement mécanique pendant l’indentation, en particulier pour obtenir une meilleur estimation de l’aire de contact, (3) L’étude locale des propriétés électroniques d’empilements de films minces. L’intégration in situ SEM a été validée et permet un positionnement des indents avec une précision meilleure que 100 nm, autorisant ainsi l’étude des propriétés mécaniques à l’échelle submicrométrique. La rapidité des essais permet également des mesures statistiques. Des caractérisations mécaniques ont été menées aussi bien sur des échantillons composites massifs que sur des ilots d’or submicrométriques. Pour ce dernier cas, malgré la nature stochastique de leur comportement mécanique, une loi déterministe a pu être extraite des données mécaniques. Des mesures 3D-BCDI (Bragg Coherent Diffraction Imaging) au synchrotron ont été réalisées sur certains ilots avant et après chargement mécanique, révélant une germination de dislocations avant l’avalanche de grandes déformations plastiques. En parallèle de cette étude, des mesures électriques ont été réalisées pendant l’indentation de divers échantillons. Des mesures de nanoindentation résistive ont ainsi été effectuées sur des métaux nobles (Au) ou recouverts de leur oxyde natif (Cu, Al), soit à l’état de monocristal massif ou de film polycristallin. Les résultats quantitatifs soulignent l’importance de la présence d’une couche d’oxyde sur la réponse électrique. En présence d’un oxyde, l’interface pointe / échantillon semble être le lieu d’importantes réactions électrochimiques. En l’absence d’oxyde, la résistance mesurée peut être entièrement décrite par un modèle analytique. Dans ce cas, l’aire de contact électrique peut être prédite à partir des mesures de résistance. Enfin, des mesures capacitives ont été réalisées sur des structures MOS avec différentes épaisseurs d’oxyde. Les résultats expérimentaux sont parfaitement décrits par un modèle analytique, ce qui ouvre la voie à des mesures locales de permittivité diélectrique sous contrainte mécanique. / The increasing demand for multifunctional materials has become a recurrent challenge for a wide panel of application fields such as microelectronics and structural applications. Within the frame of this project, a multifunctional characterisation set-up has been developed at SIMaP lab, mainly based on the electrical / mechanical coupling. The heart of this device is an in situ FEG-SEM (Field Emission Gun Scanning Electron Microscope) nanoindenter coupled with an electrical measurement apparatus. This work has threefold objectives: (1) The investigation of mechanical behavior of small scale systems, (2) The input of electrical data to the quantitative analysis of mechanical behavior during indentation, in particular to obtain a better estimation of the contact area (3) The local study of electronic properties of thin film stacks. SEM integration of the device has been validated and indent positioning with a precision better than 100 nm is successfully obtained. This performance allows the studies of mechanical properties at submicrometric length scale, with a high throughput allowing statistical measurements. Various bulk composite materials have been characterized as well as submicrometric gold islands on sapphire. In the latter case, despite the stochastic nature of their mechanical behavior, a deterministic law has been extracted. 3D-BCDI (Bragg Coherent Diffraction Imaging) experiments have been performed on a few islands at synchrotron facility to investigate the crystal state before and after mechanical loading. These experiments reveal initial dislocation nucleation prior to large deformation bursts. In parallel to this study, electrical measurements have been performed during indentation on various cases. Resistive-nanoindentations have been performed on noble metals (Au) and natively oxidized metals (Cu, Al), either as bulk single crystals or as polycrystalline thin films. Qualitative results emphasize the importance of the oxide layer on the electrical response. In the presence of an oxide layer, strong electrochemical reactions seem to occur at the tip-to-sample interface. When no oxide is involved, the measured resistance can be fully described by an analytical model and the computed electrical contact area is successfully validated with residual areas measurements. Finally, capacitive measurements have been performed on MOS structures with various oxide thicknesses. Experimental results have been well described by analytical modelling, which paves the way for quantitative local dielectric permittivity measurements under mechanical loading.

Desoxyribonukleinsäure (DNS) ermöglicht die Selbstorganisation von nanoskopischen Elementen zu dreidimensionalen Einheiten mit vorgegebener Form, Zusammensetzung und Größe wie sie in der Nanoelektronik, Nanophotonik und Metamaterialien Verwendung finden. In dieser Arbeit werden DNS Origami Strukturen, in der Gestaltvon Nanoformen, Nanoblätchen und Nanoröhren, als Gerüste für den Aufbau von Nanodrähten und Metall/Halbleiter/Metall Heterostrukturen aus Goldnanoteilchen, Halbleiterquantenpunkten und Halbleiterstäbchen verwendet. Die so hergestellten Einheiten wurden mittels Elektronenstrahllithographie kontaktiert um ihre elektrische Leitwerte zwischen 4:2K und Raumtemperatur zu charakterisieren. Ein neues Konzept für die lösungsbasierte Herstellung von leitenden Goldnanodrähten mittels DNS-Templates wurde eingeführt: hierbei wurden DNS-Nanoformen eingesetzt in denen positionsspezifisch angedockte Goldkeime durch auÿenstromlose Goldabscheidung wachsen. Durch konfigurierbare Verbindungsstellen können sich die einzelnen Formen zu mikrometerlangen Strukturen verbinden. Während der folgendenden Abscheidung von Gold schränken die Wände der Gussformen über das Wachstum so ein, dass sehr homogene Nanodrähte gewonnen werden können. Goldnanodrähte wurden auch C-förmig hergestellt indem Goldnanoteilchen in der gewünschten Form auf DNS Origami-Nanoblättchen angeordnet und wiederum durch außenstromlose Goldabscheidung zu durchgängigen Drähten vergröbert wurden. Einige Abschnitte der DNS-Nanoform-geprägten Drähte zeigen metallische Leitfähigkeit, während andere durch Lücken zwischen den Goldkörnern deutlich höhere Widerstände aufweisen. Alle hergestellten C-förmigen Nanodrähte stellten sich als nicht-metallisch heraus, sie zeigten Eigenschaften von Hopping-, thermionischem und Tunneltransport in Abhängigkeit von der Temperatur. Die Anwesenheit dieser verschiedenen Transportmechanismen deutet darauf hin, dass die C-förmigen Nanodrähte aus metallischen Abschnitten bestehen welche aber nur schwach miteinander verbunden sind. Zwei verschiedene Metall/Halbleiter/Metall-Heterostrukturen wurden hergestellt: Metall/Halbleiternanstäbchen/Metall-Strukturen mittels DNS-Nanoformen und Metall/Quantenpunkt/Metall-Strukturen mittels DNS-Nanoröhren-Vorlagen Goldnanoteilchen konnten durch die DNA templates mit hoher Ausbeute neben den Halbleiterelementen platziert werden. Nach der erfolgter Anordnung wurden die Goldnanoteilchen gewachsen um durchgängige Heterostrukturen zu erhalten. Die Einflüsse des Inkubationsmediums und der -zeit, des Buffers, sowie der Quantenpunkt- und Goldnanopartikelkonzentrationen auf die Abscheidungseffzienz von Goldnanotailchen auf DNS Nanoröhren wurden systematisch untersucht. Zusätzlich zur Bestimmung der Morphologie der durch Selbstorganisation hergestellten Heterostrukturen, wurden auch ihre elektrischen Eigenschaften im Hinblick auf ihre Anwendung in nanelektronischen Bauelementen, wie Einzelelektronentransitoren untersucht.:1. Introduction 2. Overview on DNA Nanotechnology 2.1. Basic Concepts of DNA 2.1.1. Nanoscale Dimensions 2.2. Self-Assembled Architectures from DNA 2.3. DNA Origami: Nanomolds, Nanosheets and Nanotubes 2.3.1. DNA Origami Method 2.3.2. Nanomolds 2.3.3. Nanosheets 2.3.4. Nanotubes 2.4. DNA/DNA Origami-Templated Metallic Nanowire Fabrication 2.4.1. DNA/DNA Origami Templates 2.4.2. Metal Nanoparticle Attachment Yield 2.4.3. Metal Growth 2.5. Electron Transport Mechanisms of DNA-Templated Metallic Nanowires 2.5.1. Lithographically Defined Contacts and I-V Measurements of the DNA-Templated Metal Wires 2.5.2. Lithographically Defined Contacts and I-V Measurements of the DNA Origami-Templated Metal Nanowires 2.6. Applications 2.6.1. Introduction to Metamaterials: DNA-Templated Metamaterial Fabrication 2.6.2. Introduction to Single Electron Tunneling: A DNA-Templated Self-Assembly Concept 3. Experimental Details 3.1. Preparation of Substrates 3.2. DNA Origami Preparation and Deposition 3.2.1. DNA Nanomolds and Formation of linear mold superstructures 3.2.2. DNA Nanotubes 3.2.3. DNA Nanosheets 3.3. Metallization of DNA Origami Structures 3.3.1. DNA Nanomolds 3.3.2. DNA Nanotubes 3.3.3. DNA Nanosheets 3.3.4. Gold Growth on the DNA Origami Nanotube and Nanosheet 3.4. Semiconductor Nanoparticle Preparation and Assembly 3.4.1. CdS Semiconductor Quantum Rods for DNA Nanomold. 3.4.2. CdSe/ZnS Core-shell quantum Dots for DNA Nanotube 3.5. Deposition of DNA origami structures on SiO2 /Si surface 3.5.1. Deposition of DNA Nanomolds 3.5.2. Deposition of DNA Nanosheets and Nanotubes 3.6. Structural Characterization 3.6.1. Atomic Force Microscopy 3.6.2. Scanning Electron Microscopy 3.7. Electrical Characterization 4. Results and Discussion 4.1. DNA Nanomold-Templated Assembly of Conductive Gold Nanowires 4.1.1. Introduction 4.1.2. Results and Discussion 4.1.3. Conclusion 4.2. Conductance measurements on Gold/Semiconductor/Gold heterojunctions templated by DNA Nanomolds 4.2.1. Introduction 4.2.2. Results and Discussion 4.2.3. Conclusion 4.3. C-shaped Gold Nanowires Templated by DNA Nanosheet 4.3.1. Introduction 4.3.2. Results and Discussion 4.3.3. Conclusion 4.4. Self-Assembled Gold/Semiconductor/Gold heterojunctions templated by DNA Nanotube 4.4.1. Introduction 4.4.2. Results and Discussion 4.4.3. Conclusion 5. Conclusion and Future Work A. Supplement for DNA Nanomold-Templated Assembly of Conductive Gold Nanowires B. Conductance measurements on Gold/Semiconductor/Gold heterojunctions templated by DNA Nanomolds C. Supplement for C-shaped Gold Nanowires Templated by DNA Nanosheet D. Supplement for heterojunctions templated by DNA Nanotube / DNA allows self-assembly of nanoscale units into three dimensional nanostructures with definite shape and size in fields such as nanoelectronics, metamaterials and nanophotonics. Different DNA origami templates, such as: nanomold, nanosheet and nanotube templates have been used to assemble gold nanoparticles, quantum dots and semiconductor rods into nanowires and metal/semiconductor/metal heterostructures. Structures have been contacted using electron-beam lithography for electrical conductance characterization at temperatures between 4:2K and room temperature has been performed. A new concept has been introduced for the solution-based fabrication of gold nanowires. To this end, DNA nanomolds have been employed, inside which electroless gold deposition is initiated by site-specifically attached seeds. Using configurable interfaces, individual mold elements self-assemble into micrometer-long mold structures. During subsequent internal gold deposition, the mold walls constrain the metal growth, such that highly homogeneous nanowires are obtained. Gold nanowires have also been manufactured in a C-shape using gold nanoparticles arranged in the desired shape on a DNA origami nanosheet and enhanced to form a continuous wire through electroless gold deposition. Some sections of the DNA nanomold-templated wires show metallic conductance, while other sections of the wires have a much higher resistance which is caused by boundaries between gold grains. All C-shaped wires have been found to be resistive showing hopping, thermionic and tunneling transport characteristics at different temperatures. The different transport mechanisms indicate that the C-shaped nanowires consist of metallic segments which are weakly coupled along the wire. Two types of metal/semiconductor/metal heterostructures have been fabricated: Metal/semiconductor-rod/metal using DNA nanomolds and metal/quantum-dot/metal structures using DNA nanotube. AuNPs were assembled with high yield adjacent to the semiconductor material using origami templates. After the assembly, the gold nanoparticles were grown to produce continuous heterostructures. The influence of the incubation medium, time, buffer, quantum dot and gold nanoparticle concentration on nanoparticle attachment yield was systematically investigated for the nanotube templates. In addition to the determination of the self-assembled heterostructures' morphology, electrical properties were investigated to evaluate their applicability nanoelectronic devices such as single electron transistors.:1. Introduction 2. Overview on DNA Nanotechnology 2.1. Basic Concepts of DNA 2.1.1. Nanoscale Dimensions 2.2. Self-Assembled Architectures from DNA 2.3. DNA Origami: Nanomolds, Nanosheets and Nanotubes 2.3.1. DNA Origami Method 2.3.2. Nanomolds 2.3.3. Nanosheets 2.3.4. Nanotubes 2.4. DNA/DNA Origami-Templated Metallic Nanowire Fabrication 2.4.1. DNA/DNA Origami Templates 2.4.2. Metal Nanoparticle Attachment Yield 2.4.3. Metal Growth 2.5. Electron Transport Mechanisms of DNA-Templated Metallic Nanowires 2.5.1. Lithographically Defined Contacts and I-V Measurements of the DNA-Templated Metal Wires 2.5.2. Lithographically Defined Contacts and I-V Measurements of the DNA Origami-Templated Metal Nanowires 2.6. Applications 2.6.1. Introduction to Metamaterials: DNA-Templated Metamaterial Fabrication 2.6.2. Introduction to Single Electron Tunneling: A DNA-Templated Self-Assembly Concept 3. Experimental Details 3.1. Preparation of Substrates 3.2. DNA Origami Preparation and Deposition 3.2.1. DNA Nanomolds and Formation of linear mold superstructures 3.2.2. DNA Nanotubes 3.2.3. DNA Nanosheets 3.3. Metallization of DNA Origami Structures 3.3.1. DNA Nanomolds 3.3.2. DNA Nanotubes 3.3.3. DNA Nanosheets 3.3.4. Gold Growth on the DNA Origami Nanotube and Nanosheet 3.4. Semiconductor Nanoparticle Preparation and Assembly 3.4.1. CdS Semiconductor Quantum Rods for DNA Nanomold. 3.4.2. CdSe/ZnS Core-shell quantum Dots for DNA Nanotube 3.5. Deposition of DNA origami structures on SiO2 /Si surface 3.5.1. Deposition of DNA Nanomolds 3.5.2. Deposition of DNA Nanosheets and Nanotubes 3.6. Structural Characterization 3.6.1. Atomic Force Microscopy 3.6.2. Scanning Electron Microscopy 3.7. Electrical Characterization 4. Results and Discussion 4.1. DNA Nanomold-Templated Assembly of Conductive Gold Nanowires 4.1.1. Introduction 4.1.2. Results and Discussion 4.1.3. Conclusion 4.2. Conductance measurements on Gold/Semiconductor/Gold heterojunctions templated by DNA Nanomolds 4.2.1. Introduction 4.2.2. Results and Discussion 4.2.3. Conclusion 4.3. C-shaped Gold Nanowires Templated by DNA Nanosheet 4.3.1. Introduction 4.3.2. Results and Discussion 4.3.3. Conclusion 4.4. Self-Assembled Gold/Semiconductor/Gold heterojunctions templated by DNA Nanotube 4.4.1. Introduction 4.4.2. Results and Discussion 4.4.3. Conclusion 5. Conclusion and Future Work A. Supplement for DNA Nanomold-Templated Assembly of Conductive Gold Nanowires B. Conductance measurements on Gold/Semiconductor/Gold heterojunctions templated by DNA Nanomolds C. Supplement for C-shaped Gold Nanowires Templated by DNA Nanosheet D. Supplement for heterojunctions templated by DNA Nanotube

This project is concerned with both the study of different Multiple Quantum Wells (MQWs) structures using the In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As material system lattice matched to InP and a systematic investigation of the properties of InAs QD systems within GaAs with the aim of achieving enhancements of solar cell performance. The key challenge is the growth of QDs solar cell structures which exhibit sufficient absorption (enhanced infrared absorption) to increase short circuit current density (Jsc) but which can still maintains a high open circuit voltage (Voc). The research consists of epitaxial growth using state-of–the-art MBE, optical absorption, photoluminescence and high resolution x-ray diffraction measurements as well as device fabrication and characterization of novel solar cell structures. Optimization was performed on these novel cells to further improve their efficiency by inserting stacks of QD into different regions of the device. The effect of localized doping of such structures was used in an attempt to maintain and enhance the open-circuit voltage which in turn increases the device efficiency. The fabricated devices were characterized using measurements of the dark/light current-voltage (I-V) characteristics and spectral response (50-480 K). Solar cell external quantum efficiencies under standard air mass (AM) 1.5 spectrum were determined and the suitability of these new cells under solar concentration were assessed. Full physical simulations are performed using SILVACO semiconductors modelling software to generate models of multi-junction solar cells that were crucial in informing iterations to growth and fabrication and help to reconcile theory with experiment. One of the key findings, of this thesis, is the fact that Intermediate band photovoltaic devices using material based on InAs/GaAs vertically stacked quantum dot arrays, can be used in applications according to specific configuration criteria such as high temperature operation conditions. The intermediate band cell, including an inter-dot doped configuration, has been found to be a potential candidate as the inter dot doping profile reduces the efficiency degradation below the GaAs values including an enhancement in the open circuit voltage. It has been proved that these devices not only have a good performance at high temperatures but also by changing the vertical stacking QD layer periodicity can enhance the short circuit current density while keeping a large open circuit voltage. It was confirmed in practical device operation that thermal energy is required to enable the intermediate band in InAs/GaAs QD materials. The impact of this works can help in the future improvements of the intermediate band solar cells based on InAs on GaAs QD. The best overall efficiency of 11.6 % obtained in this work is an excellent value for so simple devices configuration. The Si3N4, tested for the first time on InAs/GaAs QD materials, reduces the reflectance on the device surface to a value of 2% and the operational wavelength can be tuned by controlling the layer thickness. A 100 nm Si3N4 antireflective coating proved to be an excellent coating from 700 to 1000 nm. In terms of short circuit current density a 37% enhancement was achieved.

In der Arbeit wurden die zwei ternären Oxide GdScO3 und AlTiOx strukturell und elektrisch charakterisiert und in laterale AlGaN/GaN-MISHEMTs integriert. GdScO3 wächst hexagonal und epitaktisch bei einer Abscheidung mittels PLD bei 700°C auf einer AlGaN/GaN Heterostruktur auf. Die demonstrierten MISHEMTs zeigen einen deutlich verringerten Gate-Leckstrom. Zeit- und beleuchtungsabhängige Drain-Strom Messungen im ausgeschaltetem Transistor weisen allerdings auf photoinduzierte Trapzustände mit langer Lebensdauer im Oxid hin, die den Drain-Leckstrom limitieren. Die AlTiOx Mischoxide wurden mittels ALD abgeschieden. Dabei wurde die Stöchiometrie über das Zyklenverhältnis zwischen Al2O3 und TiO2 variiert. Es konnte gezeigt werden, dass der Brechungsindex, die Permittivität, die Bandlücke und das Bandalignment zum GaN über die Stöchiometrie eingestellt werden können. Durch die Implementierung eines high-k last Prozesses konnten schaltbare MISHEMTs prozessiert werden. Durch die Simulation der Bandstruktur konnten die Einsatzspannungsverschiebung und ein Maximum des Drain-Stroms im ausgeschaltetem Zustand über die Ermittlung der Barrierendicke für Elektronen erklärt werden. Für eine Passivierung mit TiO2 wurde ein um 2,5 Größenordnungen reduzierter Drain-Leckstrom bei gleichzeitig nur minimal verschobener Einsatzspannung gemessen.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 7 2 Grundlagen 9 2.1 Der III-V Halbleiter Galiumnitrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2 Der Hetero-Feldeffekttransisor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3 Performance Einschränkungen am unpassivierten HFET . . . . . . . . 14 2.4 Gatedielektrika für MISHEMTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4.1 Verwendete Dielektrika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.4.2 Limitationen in MISHEMTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.5 Atomlagenabscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5.1 Der ALD-Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5.2 Abscheidung ternärer Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3 Charakterisierungsmethoden 31 3.1 Kapazitäts-Spannungs-Messungen an MIS-Kondensatoren . . . . . . . . 31 3.2 Photo-assisted Kapazitäts-Spannungsmessungen . . . . . . . . . . . . . 34 3.3 Messungen am Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4 Probenherstellung 39 4.1 Atomlagenabscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2 Prozessoptimierung am HFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2.1 Mesa-Ätzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.2.2 Formierung der ohmschen Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.3 Strukturierung der Oxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5 Gadoliniumscandiumoxid 53 5.1 Strukturelle Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.2 PhotoCV-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.3 MISHEMT mit GdScO3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6 Aluminium-Titanoxid Mischschichten 65 6.1 Voruntersuchungen am TiO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.2 Strukturelle Charakterisierung an AlTiOx . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.2.1 Stöchiometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6.2.2 Kristallisationsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.3 Bestimmung des Bandalignments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.3.1 UV/Vis Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.3.2 Röntgenphotoelektronenspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.3.3 Bandalignment zum GaN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6 Inhaltsverzeichnis 6.4 Elektrische Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.4.1 CV-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.4.2 IV-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.4.3 PhotoCV-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 6.5 Zusammenfassung der AlTiOx Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . 86 6.6 MISHEMTs mit AlTiOx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.6.1 high-k first MISHEMTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.6.2 High-k last MISHEMTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.7 Einordnung der Transistorergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 7 Zusammenfassung 99 Anhang 103 Abkürzungsverzeichnis 111 Symbolverzeichnis 113 Abbildungsverzeichnis 115 Tabellenverzeichnis 121 Literatur 123 Publikationen 141 Danksagung 143

Dans le domaine de l’électronique de puissance, les dispositifs en carbure de silicium (SiC) sont bien adaptés pour fonctionner dans des environnements à haute température, haute puissance, haute tension et haute radiation. Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur à large bande d’énergie interdite. Ce matériau possède des caractéristiques en température et une tenue aux champs électriques bien supérieure à celles de silicium. Ces caractéristiques permettent des améliorations significatives dans une grande variété d’applications et de systèmes. Parmi les interrupteurs existants, le JFET en SiC est l’interrupteur le plus avancé dans son développement technologique, et il est au stade de la pré-commercialisation. Le travail réalisé au cours de cette thèse consiste à caractériser électriquement des JFET- SiC de SiCED en fonction de la température (25°C-300°C). Des mesures ont été réalisé en statique (courant-tension), en dynamique (capacité-tension) et en commutation sur charge R-L (résistive-inductives) et dans un bras d’onduleur. Un modèle multi-physique du transistor VJFET de SiCED à un canal latéral a été présenté. Le modèle a été développé en langage MAST et validé aussi bien en mode de fonctionnement statique que dynamique en utilisant le simulateur SABER. Ce modèle inclut une représentation asymétrique du canal latéral et les capacités de jonction de la structure. La validation du modèle montre une bonne concordance entre les mesures et la simulation. / In the field of power of electronics, silicon carbide (SiC) devices are well suited to operate in environments at high temperature, high power, high voltage and high radiation. The silicon carbide belongs to the class of wide band gap semiconductor material. Indeed, this material has higher values than the silicon ones for the temperature breakdown and a high electric field breakdown. These characteristics enable significant improvements in wide varieties of applications and systems. Among the existing switches, SiC JFET is the most advanced one in its technological development because it is at the stage of pre-marketing. The study realized during this thesis was to electrically characterize SiC JFETs from SiCED versus the temperature (25°C-300°C). The characteristic are based on static measurements (currentvoltage), capacitive measurements (capacitive-voltage) and switching measurements in an R-L (resistor-inductor) load circuit and an inverter leg. A multi-physical model of the VJFET with a lateral channel is presented. The model was developed and validated in MAST language both in static and dynamic modes using the SABER simulator. The model includes an asymmetric representation of the lateral channel and the junction capacitances of the structure. The validation of the model shows a good agreement between measurements and simulation.

Cette étude porte sur l’intégration hybride de transistors à un électron (single-electron transistor, SET) dans un noeud technologique CMOS. Les SETs présentent de forts potentiels, en particulier en termes d’économies d’énergies, mais ne peuvent complètement remplacer le CMOS dans les circuits électriques. Cependant, la combinaison des composants SETs et MOS permet de pallier à ce problème, ouvrant la voie à des circuits à très faible puissance dissipée, et à haute densité d’intégration. Cette thèse se propose d’employer pour la réalisation de SETs dans le back-end-of-line (BEOL), c'est-à-dire dans l’oxyde encapsulant les CMOS, le procédé de fabrication nanodamascène, mis au point par C. Dubuc. / This study deals with the hybrid integration of Single Electron Transistors (SET) on a CMOS technology node. SET devices present high potentiels, particularly in terms of energy efficiency, but can't completely replace CMOS in electrical circuits. However, SETs and CMOS devices combination can solve this issue, opening the way toward very low operating power circuits, and high integration density. This thesis proposes itself to use for Back-End-Of-Line (BEOL) SETs realization, meaning in the oxide encapsulating CMOS, the nanodamascene fabrication process devised by C. Dubuc.

Les matériaux ferroélectriques sont des matériaux qui possèdent une polarisation spontanée en l'absence de champ électrique, leur conférant plusieurs propriétés intéressantes du point de vue des applications possibles. La réduction de l'épaisseur des couches ferroélectriques vers des films minces et ultra-minces s'est avérée nécessaire notamment en vue de leur intégration dans les dispositifs de la micro et nano-électronique. Cependant, cette diminution a fait apparaître certains phénomènes indésirables au sein des couches minces tels que les courants de fuite. La caractérisation électrique de ces matériaux reste donc un défi afin de comprendre les mécanismes physiques en jeu dans ces films, d'autant qu'une information à l'échelle très locale est maintenant requise. Il est donc nécessaire de faire progresser les techniques de mesure électrique pour atteindre ces objectifs. Durant cette thèse, nous mesurons la polarisation diélectrique de l'échelle mésoscopique jusqu'à l'échelle nanométrique en utilisant des caractérisations purement électriques constituées de mesures Polarisation-Tension, Capacité-Tension et Courant-Tension mais aussi des mesures électromécaniques assurées par une technique dérivée de la microscopie à force atomique et nommée Piezoresponse Force Microscopy. Au cours de nos travaux, nous montrons la limite de certaines techniques de caractérisation classiques ainsi que les artéfacts affectant la mesure électrique ou électromécanique et pouvant mener à une mauvaise interprétation des résultats de mesure. Afin de pousser nos investigations plus loin, nous avons développé de nouvelles techniques de mesure pour s'affranchir de certains signaux parasites dont nous exposerons le principe de fonctionnement. Nous présentons les premières mesures directes de polarisation rémanente à l'échelle du nanomètre grâce à une technique que nous nommons nano-PUND. Ces techniques et méthodes sont appliquées à une variété importante de matériaux tels que Pb(Zr,Ti)O3, GaFeO3 ou BaTiO3 dont, pour certains, la ferroélectricité n'a jamais été démontrée expérimentalement sans ambiguïté. / Ferroelectric materials show a spontaneous dielectric polarisation even in the absence of applied electric field, which confers them interesting possibilities of applications. The reduction of the thickness of ferroelectric layers towards ultra-thin values has been necessary in view of their integration in micro and nano-electronic devices. However, the reduction of thickness has been accompanied by unwanted phenomena in thin layers such as tunneling currents and more generally leakage currents. The electrical characterization of these materials remains a challenge which aims at better understanding the physical mechanisms at play, and requires now a nanometric spatial resolution. To do so, it is thus mandatory to enhance the techniques of electrical measurement. In this work, we measure the dielectric polarisation of ferroelectric films from mesoscopic scale down to the nanometric scale using purely electric characterisation techniques (Polarisation vs Voltage, Capacitance vs Voltage, Current vs Voltage), but also electro-mechanical techniques like Piezoresponse Force Microscopy which derives from Atomic Force Microscopy. We show the limits of several classical techniques as well as the artefacts which affect electrical or electro-mechanical measurement and may lead to an incorrect interpretation of the data. In order to push the investigation further, we have developed and we describe new measurement techniques which aim at avoiding some parasitic signals. We present the first direct measurement of the remnent polarisation at the nanoscale thanks to a technique which we call « nano-PUND ». These techniques and methods are applied to a large variety of materials like Pb(Zr,Ti)O3, GaFeO3 or BaTiO3 which (for some of them), ferroelectricity has not been measured experimentally.