This thesis deals with facial recognition using convolutional neural networks and with their current problems, which are pose, lighting and expression variance. It summarizes existing approaches, architectures and most recent loss functions. Further it deals with methods for rotating faces using GAN networks. In this thesis 3 neural networks are designed and trained for facial recognition. The best of them achieves 99.38% accuracy on LFW dataset and 88.08% accuracy on CPLFW dataset. Next face rotation network PCGAN is designed, which can be used for face frontalization or data augmentation purposes. This network is evaluated on Multi-PIE dataset and using the face frontalization it increases identification accuracy.

In this thesis I present a study of nanowires, and, in particular, I apply EBIC microscopy for investigation of their electro-optical properties. First, I describe details of the EBIC analytical technique together with a brief historical overview of the electron microscopy, the physical principles of the EBIC, its space resolution, parameters defining the signal amplitude, and the information we can acquire concerning defects, electric fields, etc. Then I focus on the characterization of LEDs based on GaN nanowires, which were analyzed in a cross-section and in a top view configurations. The EBIC measurements were correlated with micro-electroluminescence mapping. Further, I address the fabrication and measurement of nanowire-based InGaN/GaN LEDs detached from their original substrate. I present the EBIC measurements of individual nanowires either cut from their substrate and contacted in a planar geometry or kept standing on supphire substrate and cleaved to reveal the horizontal cross-section.The next part of this thesis is dedicated to an EBIC study of irregular Si nanowire array-based solar cells, and then of the regular nanowire array devices. The current generation was analyzed on a submicrometer scale. Finally, I discuss the fabrication and EBIC measurements of GaN nanowires grown on Si substrate. In particular, I show that the p-n junction was induced in the Si substrate by Al atom diffusion during the nanowire growth. / Dans cette thèse je me propose d’étudier des nano-fils, et en particulier d’utiliser la technique EBIC pour explorer leurs propriétés électro-optiques. Je décris d’abord les détails de la technique d’analyse EBIC avec un bref retour historique sur la microscopie électronique, le principe physique de l’EBIC, sa résolution spatiale, les paramètres conditionnant l’amplitude du signal, et les informations que l’on peut en tirer sur le matériau en termes de défauts, champ électrique, etc. Je m’intéresse ensuite à la caractérisation de LEDs à nano-fils à base de GaN, qui ont été observés par EBIC, soit en coupe soit en vue plane (depuis le haut des fils). Les mesures EBIC sont comparées à celles de micro-électroluminescence. Plus loin j’adresse la fabrication et la mesure de nano-fils à base de GaN séparés de leur substrat d’origine. Je présente les mesures EBIC de nano-fils uniques entiers, puis de nano-fils en coupe horizontale.La partie suivante de la thèse traite d’étude EBIC des cellules solaires à base de nano-fils Si ayant d’abord une géométrie aléatoire, puis une géométrie régulière. La génération de courant dans ces cellules solaires est analysée à l’échelle submicronique. A la fin du manuscrit je discute la fabrication et les mesures EBIC de fils GaN épitaxiés sur Si. Je montre en particulier qu’une jonction p-n est enduite dans le substrat Si par la diffusion d’Al lors de la croissance de nanofils.

Les transistors à haute mobilité d’électrons (HEMTs) en Nitrure de Gallium (GaN) s’affirment aujourd’hui comme une technologie essentielle à l’amplification de puissance à haute fréquence. Les HEMTs GaN étudiées et développées reposent essentiellement sur une hétérostructure AlGaN/GaN mais une alternative à base d’une barrière composée en InAlN, réduisant les contraintes sur les mailles cristallographiques de l’ensemble, est étudiée par certains laboratoires. Ce manuscrit de thèse rapporte une étude des potentialités de la filière HEMT InAlN/GaN développée au III-V Lab, en s’intéressant tout particulièrement aux effets de pièges induits par des défauts présents au sein de la structure. Une méthode de détection de ces défauts est proposée, basée sur la mesure de paramètres [S] en basse fréquence. Un modèle de HEMT InAlN/GaN électrothermique comprenant la contribution des effets de pièges est rapporté et sert de base à la conception d’un amplificateur de puissance en technologie MMIC, fonctionnant en bande Ka, présenté au dernier chapitre. / Nowadays, High Electron Mobility Transistors (HEMTs) in Gallium Nitride (GaN) take the lead in power amplification at microwave frequencies. Most of the studies and developments on those HEMTs concern AlGaN/GaN structures but alternative transistors with an InAlN barrier, which reduces the strain in the crystal lattice of the whole structure, are investigated by few laboratories. This thesis presents some advanced studies on the new InAlN/GaN HEMT developed by the III-V Lab, focusing on the trapping phenomena induced by defects inside the crystal structure. A new method for the characterization of these defects, based on low-frequency S-Parameters measurements, is proposed. Furthermore, a non-linear electro thermal model including trapping effects for an InAlN/GaN HEMT is detailed and used to design a MMIC power amplifier for Ka-band applications.

L’intégration monolithique hétérogène de composants III-N sur silicium (Si) offre de nombreuses possibilités en termes d’applications. Cependant, gérer l’hétéroépitaxie de matériaux à paramètres de maille et coefficients de dilatation très différents, tout en évitant les contaminations, et concilier des températures optimales de procédé parfois très éloignées requière inévitablement certains compromis. Dans ce contexte, nous avons cherché à intégrer des transistors à haute mobilité électronique (HEMT) à base de nitrure de Gallium (GaN) sur substrat Si par épitaxie sous jets moléculaires (EJM) en vue de réaliser des circuits monolithiques GaN sur CMOS Si. / The monolithic integration of heterogeneous devices and materials such as III-N compounds with silicon (Si) CMOS technology paves the way for new circuits applications and capabilities for both technologies. However, the heteroepitaxy of such materials on Si can be challenging due to very different lattice parameters and thermal expansion coefficients. In addition, contamination issues and thermal budget constraints on CMOS technology may prevent the use of standard process parameters and require various manufacturing trade-offs. In this context, we have investigated the integration of GaN-based high electron mobility transistors (HEMTs) on Si substrates in view of the monolithic integration of GaN on CMOS circuits.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der ramanspektroskopischen Charakterisierung von Galliumnitrid (GaN). Der Zusammenhang zwischen Waferkrümmung und mechanischer Restspannungen wird diskutiert. Mit Hilfe konfokaler Mikro-Ramanmessungen wurden Dotierprofile nachgewiesen sowie die Ladungsträgerkonzentration und -beweglichkeit ermittelt. Sämtliche Ramantensorelemente von wz-GaN wurden erstmals durch die Anwendung verschiedener Streugeometrien bestimmt. Eine neu entwickelte Vorwärtsstreuanordnung ermöglichte die Beobachtung von Phonon-Polaritonen. Es konnte gezeigt werden, dass von der theoretischen und experimentellen Betrachtung der Ramanstreuintensitäten dieser Elementaranregungen eindeutig das Vorzeichen der Faust-Henry-Koeffizienten von wz-GaN abgeleitet werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurden alle Faust-Henry-Koeffizienten für GaN experimentell bestimmt. / This thesis focuses on special aspects of the Raman spectroscopical characterization of wurtzite gallium nitride (wz-GaN). The correlation between wafer curvature and residual stress is discussed. By means of confocal micro-Raman measurements doping profiles were detected as well as the density and mobility of free charge carriers were deduced. All Raman scattering cross sections of wz-GaN were determined the first time using different scattering configurations. A novel method for near-forward scattering was developed in order to observe phonon polaritons with pure symmetry. It is shown that the theoretical and experimental consideration of the Raman scattering efficiency of these elementary excitations allow for determining the sign of the Faust-Henry coefficients of wz-GaN unambiguously. The Faust-Henry coefficients of GaN were deduced from Raman scattering efficiencies of corresponding TO and LO phonons.

Block characters are often used when filling out forms, for example when writing ones personal number. The question of whether or not there is recoverable, biometric (identity related) information within individual digits of hand written personal numbers is then relevant. This thesis investigates the question by using both handcrafted features and extracting features via Deep learning (DL) models, and successively limiting the amount of available training samples. Some recent works using DL have presented semi-supervised methods using Generative adveserial network (GAN) generated data together with a modified Label smoothing regularization (LSR) function. Using this training method might improve performance on a baseline fully supervised model when doing authentication. This work additionally proposes a novel modified LSR function named Bootstrap label smooting regularizer (BLSR) designed to mitigate some of the problems of previous methods, and is compared to the others. The DL feature extraction is done by training a ResNet50 model to recognize writers of a personal numbers and then extracting the feature vector from the second to last layer of the network.Results show a clear indication of recoverable identity related information within the hand written (personal number) digits in boxes. Our results indicate an authentication performance, expressed in Equal error rate (EER), of around 25% with handcrafted features. The same performance measured in EER was between 20-30% when using the features extracted from the DL model. The DL methods, while showing potential for greater performance than the handcrafted, seem to suffer from fluctuation (noisiness) of results, making conclusions on their use in practice hard to draw. Additionally when using 1-2 training samples the handcrafted features easily beat the DL methods.When using the LSR variant semi-supervised methods there is no noticeable performance boost and BLSR gets the second best results among the alternatives.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von verdünnten magnetischen II-VI und III-V Halbleiter-Dünnschichten. Diese Systeme bieten vereinfachte optische kohärente Kontrolle von Spin-basierten Prozessen und eignen sich hervorragend für den Einsatz in zukünftigen opto-magnetischen Anwendungen. ZnO-, ZnXO-, GaN- und GaXN-Proben (X = Mangan, Cobalt) sind mit Hilfe der naßchemischen Sol-Gel Synthese hergestellt worden. Sie werden mit Hilfe der Photolumineszenzspektroskopie untersucht. Die spektrale Position der elektronischen Niveaus in der Nähe der Bandkante dieser Materialien wird bestimmt, um in weiteren Experimenten die freien und gebundenen Exzitonen einzeln abzufragen. Mit der Methode der zeitaufgelösten differentiellen Transmissionsspektroskopie (TRDT) werden die Lebensdauern dieser Ladungsträger bestimmt und mit ultraschnellen Prozessen der optischen Anregung und Relaxation in Verbindung gebracht. Die Methode der zeitaufgelösten Faraday-Rotation-Spektroskopie (TRFR) wird angewandt, um die kohärente Spindynamik des optisch angeregten Teilchenensembles zu beschreiben. Die Kohärenz unterliegt den Störeinflüssen verschiedener Streumechanismen, die in der vorliegenden Arbeit identifiziert und quantitativ beschrieben werden. Bei einigen untersuchten Materialsystemen (ZnCoO, ZnMnO und GaMnN) wird die jeweilige spezifische Elektron-Ion Austauschenergie N0α bestimmt, welche die Kopplungsstärke der elektronischen Spins zu denen der Dotierionen beschreibt.

Macroeconomic forecasting is a classic problem, today most often modeled using time series analysis. Few attempts have been made using machine learning methods, and even fewer incorporating unconventional data, such as that from social media. In this thesis, a Generative Adversarial Network (GAN) is used to predict U.S. unemployment, beating the ARIMA benchmark on all horizons. Furthermore, attempts at using Twitter data and the Natural Language Processing (NLP) model DistilBERT are performed. While these attempts do not beat the benchmark, they do show promising results with predictive power. The models are also tested at predicting the U.S. stock index S&P 500. For these models, the Twitter data does improve the accuracy and shows the potential of social media data when predicting a more erratic index with less seasonality that is more responsive to current trends in public discourse. The results also show that Twitter data can be used to predict trends in both unemployment and the S&P 500 index. This sets the stage for further research into NLP-GAN models for macroeconomic predictions using social media data. / Makroekonomiska prognoser är sedan länge en svår utmaning. Idag löses de oftast med tidsserieanalys och få försök har gjorts med maskininlärning. I denna uppsats används ett generativt motstridande nätverk (GAN) för att förutspå amerikansk arbetslöshet, med resultat som slår samtliga riktmärken satta av en ARIMA. Ett försök görs också till att använda data från Twitter och den datorlingvistiska (NLP) modellen DistilBERT. Dessa modeller slår inte riktmärkena men visar lovande resultat. Modellerna testas vidare på det amerikanska börsindexet S&P 500. För dessa modeller förbättrade Twitterdata resultaten vilket visar på den potential data från sociala medier har när de appliceras på mer oregelbunda index, utan tydligt säsongsberoende och som är mer känsliga för trender i det offentliga samtalet. Resultaten visar på att Twitterdata kan användas för att hitta trender i både amerikansk arbetslöshet och S&P 500 indexet. Detta lägger grunden för fortsatt forskning inom NLP-GAN modeller för makroekonomiska prognoser baserade på data från sociala medier.

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

High electron mobility transistors (HEMTs) realized using AlxGa1-xN/GaN are relatively new technology which is prominent for high-speed and high-power applications. Some of the main problems with this technology were identified as dynamic RDSon, current collapse and threshold voltage instabilities due to the off-state stress. What was less investigated is the effect of the off-state stress on the leakage current at lower voltages. In this work, multiple devices with various initial leakage currents are stressed at different stress conditions (drain voltage, temperature, duration) and the development of drain-source on-state resistance (RDSon), threshold voltage (Vth) and drain-source leakage current (IDSS) after stress are tracked. It was found out that devices with initially higher leakage exhibit higher RDSon and Vth before stress, which simulations attributed to the higher Al mole fraction in the back-barrier or less unintentional doping in the channel layer. During the off-state stress (VDS = 900 V), the leakage current shortly rises and then sharply drops, presumably because of the charge redistribution in the back-barrier. After the stress, no larger changes were observed for RDSon and Vth , but they were for the leakage current i.e., initially low leakage devices had post-stress leakage increase, while initially high leakage devices had post-stress leakage decrease. This is assumed to be caused by the charge redistribution. Parasitic capacitance measurements showed the rise of the pre-stress input, output and reverse transfer capacitances with the pre-stress leakage, which could presumably be explained by higher Al mole fraction inducing more charges in the channel layer, deeming higher Al mole fraction in the back-barrier as a main assumed cause for all the observed effects. After the stress, capacitance changes were tentatively explained by the charge redistribution in the back-barrier. Finally, high temperature was shown to significantly reduce the observed long time to recovery. However, more measurements are needed to further observe this influence. Additionally, more experiments (e.g., on wafer, G-ω measurement, etc.) are needed in general to further investigate the mechanisms behind these memory effects. / Transistorer med extra hög elektronmobilitet, sk HEMT-ar (high electron mobility transistor) kan fabriceras med hjälp av materialen galliumnitrid (GaN) och aluminium-galliumnitrid (AlxGa1-xN). GaN HEMT-ar lämpar sig mycket väl för kraftkomponenter för höga frekvenser. Några av problemen med denna nya teknologi är hög resistans mellan ”drain” och ”source”, RDSon, reduktion av mättnadsströmmen (”current collapse”) och instabiliteter hos styrets tröskelspänning (Vth) när komponenterna stressas i avslaget tillstånd. Mindre känt är effekterna av stress för en avslagen komponent på läckströmmen (IDSS) vid låga påkänningar. I detta arbete har komponenter med varierande läckströmmar utsatts för olika typer av stress, t ex drain-spänning och höjd temperatur under olika långa tider samtidigt som parametrarna RDSon, Vth och IDSS har uppmätts. Det kunde noteras att komponenter med initialt högre läckströmmar hade högre RDSon och Vth innan de utsattes för stress, vilket med hjälp av simuleringar kunde visas bero på högre Al-molfraktion i skiktet under AlxGa1-xN-lagret, alternativt lägre dopning i kanal-lagret. Vid stress (VDS = 900 V) med komponenterna i avslaget tillstånd ökade läckströmmen kortvarigt för att sedan minska, troligtvis beroende på att laddningar omfördelas i lagret under kanal-skiktet. Efter stress sågs inte några större förändringar hos RDSon och Vth , men förändringar syntes på läckströmmen: komponenter med initialt låga läckströmmar visade ökning av läckströmmen efter stress, medan komponenter med initialt höga läckströmmar visade en post-stress minskning av läckström. Detta antas bero på den nämnda omfördelningen av laddningar djupare ner i komponenterna. Mätningar av parasitisk kapacitans visade på en ökning av pre-stress in- och ut-kapacitanserna (Ciss, Coss) samt ”gate-drain”-kapacitansen som funktion av pre-stress läckströmmar. Detta kan möjligtvis förklaras av att en högre andel Al inducerar mer laddningar i kanalen, vilket indikerar att högre Al-molfraktion i skiktet under kanal-lagret är orsaken till många av de effekter som setts. Kapacitansförändringar efter stress förklaras troligen av att laddningarna i detta lager återgår. Till sist noteras också att hög temperatur tydligt reducerade den långa tiden som komponenterna behövde för att återhämta sig. Det var också tydligt att mer mätningar är nödvändiga för att ytterligare säkerställa de uppmätta förändringarna, t ex mätningar av G-ω på icke kapslade chips, skulle kunna öka förståelsen för dessa minneseffekter.