Metal-semiconductor contacts have been widely studied in the past 60 years. These structures are of importance in the microelectronics industry. As the scaling down of silicon-based complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) devices becomes more and more challenging, new material and device structures to relax this physical limitation in device scaling are now required. Germanium (Ge) has been proposed as a potential alternative to silicon. In this thesis a systematic study of the thermally induced reaction of transition metals with the n-Ge substrate is outlined. Investigations in the change of the electrical properties of the metal germanide structures is studied in a wide range of temperatures. Current-voltage (I-V), capacitance-voltage (C-V), deep level transient spectroscopy (DLTS) and high-resolution Laplace-DLTS (L-DLTS) techniques have been used for the electrical characterization of the fabricated Schottky contacts. Results obtained indicate the variation of the electrical properties of these Schottky contacts can be attributed to combined effects of interfacial reactions and phase transformation during the annealing process. The barrier height distribution in identically prepared Schottky contacts on n-Ge (100) showed that the barrier heights and ideality factors varied from diode to diode even though they were identically fabricated. The properties of the n-Ge Schottky contacts have revealed a strong dependence on temperature. The current transport mechanism has been shown to be predominantly thermionic emission at high temperatures while at low temperatures, the Schottky contacts have exhibited the dominance of the generation-recombination current mechanism. The variation of the Schottky barrier heights at low temperatures have been attributed to barrier inhomogeneities at the metal-semiconductor (MS) interface. Results from defect characterization by DLTS show that the E-centre is the dominant defect introduced in n-Ge by electron beam deposition during contact fabrication and substitutional related defects are induced during the annealing process. The identification of some of the defects was achieved by using defect properties, defect signature, annealing mechanisms and annealing behaviour and comparing these properties to the results from theoretical defect models. Annealing showed that defects in Ge can be removed by low thermal budget of between 250–350°C. Finally, structural characterization of these samples was performed by scanning electron microscopy (SEM) and Rutherford backscattering spectrometry (RBS) techniques. From the SEM images it can be observed that the onset temperature for agglomeration in the 30 nm Ni/n-Ge (100), and Pt/-, Ir/- and Ru/n-Ge (100) systems occur at 500–600°C and 600–700°C, respectively. / Thesis (PhD)--University of Pretoria, 2010. / Physics / unrestricted

This thesis presents four-quadrant CMOS current-mode multiplier architectures based on the bipolar Gilbert cell multiplier architecture. Multipliers are designed using the CMOS subthreshold region to take advantage of the subthreshold exponential I-V relationship that closely matches bipolar modeling. It is discovered that biasing to remove drift current components and to address higher order effects such as ideality factor mismatch, threshold mismatch, body effect, and short channel effects, is important to provide a linear multiplier. It is also shown that distortion caused by device size mismatch and offset input currents can be used to cancel the distortion introduced by drift currents when designing in weak and moderate inversion. This concept allows for linear multiplier designs with larger input currents which results in dramatic improvements in bandwidth over traditional weak inversion circuits. Three multiplier circuits are simulated and fabricated in an AMIS 0.35-um process. Circuits with less than 1 % nonlinear error and distortion (THD) across 100 % dynamic input range and with bandwidths greater than 100 MHz can be built. Also, low power multiplier solutions are presented that consume less than 40 nW of dynamic power.

A study of defects in semiconductors is vital as defects tend to influence device operation by modifying their electrical and optoelectronic properties. This influence can at times be desirable in the case of fast switching devices and sometimes undesirable as they may reduce the efficiency of optoelectronic devices. ZnO is a wide bandgap material with a potential for fabricating UV light emitting diodes, lasers and white lighting devices only after the realization of reproducible p-type material. The realization of p-type material is greatly affected by doping asymmetry. The self-compensation behaviour by its native defects has hindered the success in obtaining the p-type material. Hence there is need to understand the electronic properties, formation and annealing-out of these defects for controlled material doping. Space charge spectroscopic techniques are powerful tools for studying the electronic properties of electrically active defects in semiconductors since they can reveal information about the defect “signatures”. In this study, novel Schottky contacts with low leakage currents of the order of 10-11 A at 2.0 V, barrier heights of 0.60 – 0.80 eV and low series resistance, fabricated on hydrogen peroxide treated melt-grown single crystal ZnO samples, were demonstrated. Investigations on the dependence of the Schottky contact parameters on fabrication techniques and different metals were performed. Resistive evaporation proved to produce contacts with lower series resistance, higher barrier heights and low reverse currents compared to the electron-beam deposition technique. Deep level transient spectroscopy (DLTS) and Laplace-DLTS have been employed to study the electronic properties of electrically active deep level defects in ZnO. Results revealed the presence of three prominent deep level defects (E1, E2 and E3) in the as-received ZnO samples. Electron-beam deposited contacts indicated the presence of the E1, E2 and E3 and the introduction of new deep level defects. These induced deep levels have been attributed to stray electrons and ionized particles, present in the deposition system during contact fabrication. Exposure of ZnO to high temperatures induces deep level defects. Annealing samples in the 300°C – 600°C temperature range in Ar + O2 induces the E4 deep level with a very high capture cross-section. This deep level transforms at every annealing temperature. Its instability at room temperature has been demonstrated by a change in the peak temperature position with time. This deep level was broad, indicating that it consists of two or more closely spaced energy levels. Laplace-DLTS was successfully employed to resolve the closely spaced energy levels. Annealing samples at 700°C in Ar and O2 anneals-out E4 and induces the Ex deep level defect with an activation enthalpy of approximately 160 – 180 meV. Vacuum annealing performed in the 400°C – 700°C temperature range did not induce any deep level defects. Since the radiation hardness of ZnO is crucial in space applications, 1.6 MeV proton irradiation was performed. DLTS revealed the introduction of the E4 deep level with an activation enthalpy of approximately 530 meV, which proved to be stable at room temperature and atmospheric pressure since its properties didn’t change over a period of 12 months. / Thesis (PhD)--University of Pretoria, 2013. / Physics / unrestricted

Dünne Schichten aus hydrogenisiertem amorphem Silizium a-Si:H spielen für die Photovoltaik eine wichtige Rolle. Einerseits kommt für die Dünnschicht-Photovoltaik unterschiedlich dotiertes a-Si:H in den Schichten einer p-i-n-Solarzelle zur Anwendung, andererseits stellen Heterokontakt-Solarzellen aus amorphem und kristallinem Silizium (a-Si:H/c-Si) wegen ihres hohen Wirkungsgrades derzeit ein sehr aktuelles Forschungsthema dar. Die Abscheidung der a-Si:H-Schichten im Rahmen dieser Arbeit erfolgt mit der Methode des Magnetronsputterns (Kathodenzerstäubung). Dieses für die in-line-Beschichtung etablierte Verfahren wird speziell für die Photovoltaik noch nicht in industriellem Maßstab eingesetzt (lediglich für transparente leitfähige Oxide TCO). Insbesondere existiert nur eine geringe Zahl von Veröffentlichungen zu Heterokontakten, welche mittels Magnetronsputtern hergestellt wurden. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist daher die Herstellung sowie Charakterisierung solcher Heterokontakte unter dem Aspekt variierter Abscheide- und Prozessparameter (Substrattemperatur, Wasserstoffflussrate, Ionenbeschuss). Das für das Sputtern erforderliche Plasma wird mit einer im Mittelfrequenzbereich gepulsten Gleichspannung angeregt. Ein dadurch mehr oder weniger ausgeprägter Ionenbeschuss der wachsenden Schichten in Abhängigkeit der Pulsparameter wird hier analysiert. Die Charakterisierung der Heterokontakte erfolgt hauptsächlich anhand deren Strom-Spannung-Kennlinien, welche auch bei variierter Temperatur gemessen werden. Erzielte Gleichrichtungsverhältnisse um 10000:1 sowie Diodenidealitätsfaktoren η ≈ 1,3 kennzeichnen (p)a-Si:H/(n)c-Si-Heterokontakte mit den besten halbleiterphysikalischen Eigenschaften. Bei zu schwacher Schichthydrogenisierung wurde ein Ladungstransportmechanismus nachgewiesen, welcher in der Literatur als multi-tunneling capture-emission MTCE bekannt ist. Eine erhöhte Hydrogenisierung unterdrückt diesen Mechanismus nahezu vollständig. Durch Abscheidung unterschiedlich stark bordotierter a-Si:H-Schichten wird außerdem die Dotiereffizienz beurteilt. Hohe Werte sind bei amorphen Halbleitern im Allgemeinen schwer zu erreichen. Die mit stärkerer Dotierung erhöhte Gleichrichterwirkung lieferte hier ein Indiz für eine nachweisbare Dotiereffizienz.

Dünne Schichten aus hydrogenisiertem amorphem Silizium a-Si:H spielen für die Photovoltaik eine wichtige Rolle. Einerseits kommt für die Dünnschicht-Photovoltaik unterschiedlich dotiertes a-Si:H in den Schichten einer p-i-n-Solarzelle zur Anwendung, andererseits stellen Heterokontakt-Solarzellen aus amorphem und kristallinem Silizium (a-Si:H/c-Si) wegen ihres hohen Wirkungsgrades derzeit ein sehr aktuelles Forschungsthema dar. Die Abscheidung der a-Si:H-Schichten im Rahmen dieser Arbeit erfolgt mit der Methode des Magnetronsputterns (Kathodenzerstäubung). Dieses für die in-line-Beschichtung etablierte Verfahren wird speziell für die Photovoltaik noch nicht in industriellem Maßstab eingesetzt (lediglich für transparente leitfähige Oxide TCO). Insbesondere existiert nur eine geringe Zahl von Veröffentlichungen zu Heterokontakten, welche mittels Magnetronsputtern hergestellt wurden. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist daher die Herstellung sowie Charakterisierung solcher Heterokontakte unter dem Aspekt variierter Abscheide- und Prozessparameter (Substrattemperatur, Wasserstoffflussrate, Ionenbeschuss). Das für das Sputtern erforderliche Plasma wird mit einer im Mittelfrequenzbereich gepulsten Gleichspannung angeregt. Ein dadurch mehr oder weniger ausgeprägter Ionenbeschuss der wachsenden Schichten in Abhängigkeit der Pulsparameter wird hier analysiert. Die Charakterisierung der Heterokontakte erfolgt hauptsächlich anhand deren Strom-Spannung-Kennlinien, welche auch bei variierter Temperatur gemessen werden. Erzielte Gleichrichtungsverhältnisse um 10000:1 sowie Diodenidealitätsfaktoren η ≈ 1,3 kennzeichnen (p)a-Si:H/(n)c-Si-Heterokontakte mit den besten halbleiterphysikalischen Eigenschaften. Bei zu schwacher Schichthydrogenisierung wurde ein Ladungstransportmechanismus nachgewiesen, welcher in der Literatur als multi-tunneling capture-emission MTCE bekannt ist. Eine erhöhte Hydrogenisierung unterdrückt diesen Mechanismus nahezu vollständig. Durch Abscheidung unterschiedlich stark bordotierter a-Si:H-Schichten wird außerdem die Dotiereffizienz beurteilt. Hohe Werte sind bei amorphen Halbleitern im Allgemeinen schwer zu erreichen. Die mit stärkerer Dotierung erhöhte Gleichrichterwirkung lieferte hier ein Indiz für eine nachweisbare Dotiereffizienz.