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Thin-film solar cells based on an absorber layer of chalcogenide compounds (CIGS, CdTe) are today among the most promising photovoltaic technologies due to their long-term ability to gain a foothold in mass commercial production as an alternative to conventional Si solar cells. Despite this success, the physical origin of the defects present in the thin films are still insufficiently elucidated, especially in the compounds of the chalcopyrite family Cu(In_{1x},Ga_{x})(S_{y},Se_{1y})_{2}. The research focuses on the identification and analysis of microstructural defects responsible for the electrical instability of chalcopyrite-based thin-film solar cells with a typical heterostructure arrangement ZnO:Al/i-ZnO/CdS/Cu(In,Ga)Se_{2}/Mo. The non-uniform polycrystalline nature of semiconductor materials in this complex multilayer structure requires a comprehensive analysis of electro-optical, structural and compositional properties associated with the actual morphology at the macroscopic, microscopic or even nanoscopic level. The observed predominant ohmic or non-ohmic current conduction in the dark transport characteristics was also reflected in the slope deviations of the excessive noise fluctuations, which were in the spectral domain exclusively in the form of flicker noise with dependency S_{i} ~ f^{1}. Spatially resolved electroluminescence based on stimulated photon emission by charge carriers injecting into the depletion region, not only showed a significantly inhomogeneous distribution of intensity in planar heterojunction under forward bias, but also revealed light emitting local spots in reverse bias due to a trap-assisted radiative recombination through the high density of defect states. Microscopic examination of the defect-related light emitting spots revealed rather extensive defective complexes with many interruptions through the layers, especially at the heterojunction CdS/Cu(In,Ga)Se_{2} interface. Besides, the high leakage current via these defective complexes subsequently led to a considerable local overheating, which caused a clearly observable structural and morphological changes, such as deviations in absorber layer stoichiometry due to Cu–In–Ga–Se segregation, Cu-rich and Ga-rich grains formation with an occurrence of Se-poor or Cu_{x}Se_{y} secondary phases regions, material redeposition accompanied by evaporation of ZnO:Al/i-ZnO/CdS layers together with the formation of Se structures on the surface around the defects. Within the research, analytical modelling of transport characteristics was implemented with parameters extraction of individual transport mechanisms to understand the non-ohmic shunt behaviour due to leakage current. In addition to the proper current path along the main heterojunction, the proposed model contains parasitic current pathways as a consequence of recombination-dominated charge transport or current conduction facilitated by multi-step tunnelling via high density of mid-gap defect states in the depletion region, ohmic leakage current caused by pinholes or low-resistance paths along grain boundaries in Cu(In,Ga)Se_{2}, or space-charge limited current due to metals diffusion from the ZnO:Al layer and grid Ag contacts through disruptions in i-ZnO/CdS layers.

This Master thesis deals with low-current measurement in order of picoamps up to a few tens of femtoamps. Such low currents measuring is necessary for determination of air ions concentration. Disturbances, which are otherwise negligible for ordinary measurements must be considered. For example, leakage currents and noise generated in measuring device circuit. The choice of a precise operation amplifier with low input bias current is as important as the selection of low noise passive components. The aim of the thesis is to design and implement a precise low-level amplifier for the purposes of air ions concentration measurements.

The discovery of ferroelectricity in hafnium oxide has revived the interest in ferroelectric memories as a viable option for low power non-volatile memories. However, due to the high coercive field of ferroelectric hafnium oxide, instabilities in the field cycling process are commonly observed and explained by the defect movement, defect generation and field induced phase transitions. In this work, the optical and transport experiments are combined with ab-initio simulations and transport modeling to validate that the defects which act as charge traps in ferroelectric active layers are oxygen vacancies. A new oxygen vacancy generation leads to a fast growth of leakage currents and a consequent degradation of the ferroelectric response in Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ films. Two possible pathways of the Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ ferroelectric property degradation are discussed.

Im Laufe der Verkleinerungen integrierter Schaltungen ergab sich die Notwendigkeit der alternativen dielektrischen Materialen. Hohe Polarisierbarkeiten in diesen dielektrischen Dünnfilmen treten erst in hoch direktionalen kristallinen Phasen auf. Aufgrund der erschwerten Integrierbarkeit von epitaktischen, einkristallinen Oxidfilmen können nur poly-, beziehungsweise nanokristalle Filme eingesetzt werden. Diese sind jedoch mit hohen Leckströmen behaftet. Weil die Information in einer DRAM-Zelle als Ladung in einem Kondensator gespeichert wird ist der Verlust dieser Ladung durch Leckströme die Ursache für Informationsverluste. Die Frequenz der notwendigen Auffrischungszyklen einer DRAM-Zelle wird direkt durch die Leckströme bestimmt. Voraussetzungen für die Entwicklung neuer dielektrischer Materialien ist das Verständnis der zugrunde liegenden Ladungsträgertransportmechanismen und ein Verständnis der strukturellen Schichteigenschaften, welche zu diesen Leckströmen führen. Conductive atomic force Microscopy ist ein Rastersondenmethode mit der strukturelle Eigenschaften mit lokaler elektrischer Leitfähigkeit korreliert wird. Mit dieser Methode wurde in einer vergleichenden Studie die räumlichen Leckstromverteilungen untersucht. Und es wurde gezeigt, dass es genügt eine nicht geschlossene Zwischenschicht Aluminiumoxid in eine Zirkoniumdioxidschicht zu integrieren um die Leckströme signifikant zu reduzieren während eine ausreichend hohe Kapazität erhalten bleibt. Darüberhinaus wurde ein CAFM modifiziert und benutzt um das Schaltverhalten eines Siliziumnanodrahtschottkybarrierenfeleffektransistor in Abhängigkeit der Spitzenposition zu untersuchen. Es konnte experimentell bestätigt werden das die Schottkybarrieren den Ladungstransport in diesen Bauteilen kontrollieren. Darüber hinaus wurde ein proof-of-concept für eine umprogrammierbaren nichtflüchtigen Speicher, der auf Ladungsakkumulation und der resultierenden Bandverbiegung an den Schottkybarrieren basiert, gezeigt. / In the course of the ongoing downscaling of integrated circuits the need for alternative dielectric materials has arisen. The polarizability of these dielectric thin-films is highest in highly directional crystalline phases. Since epitaxial single crystalline oxide films are very difficult to integrate into the complex DRAM fabrication process, poly- or nanocrystalline thin-films must be used. However these films are prone to very high leakage currents. Since the information is stored as charge on a capacitor in the DRAM cell, the loss of this charge through leakage currents is the origin of information loss. The rate of the necessary refresh cycles is directly determined by these leakage currents. A fundamental understanding of the underlying charge carrier transport mechanisms and an understanding of the structural film properties leading to such leakage currents are essential to the development of new, dielectric thin-film materials. Conductive Atomic Force Microscopy (CAFM) is a scanning probe based technique which correlates structural film properties with local electrical conductivity. This method was used to examine the spatial distribution of leakage currents in a comparative study. I was shown that it is sufficient to include an unclosed interlayer of Aluminium oxide into a Zirconium dioxide film to significantly reduce leakage currents while maintaining a sufficiently high capacitance. Moreover, a CAFM was modified and used to examine the switching behavior of a silicon nanowire Schottky barrier field effect transistors in dependence of the probe position. It was proven experimentally that Schottky barriers control the charge carrier transport in these devices. In addition, a proof of concept for a reprogrammable nonvolatile memory device based on charge accumulation and band bending at the Schottky barriers was shown.

Cette thèse porte sur l’intégration de condensateurs accordables à base de BaxSr1-xTiO3 (BST), pour réaliser des dispositifs radiofréquences reconfigurables destinés aux antennes de téléphones portables. L’enjeu industriel principal est d’obtenir des condensateurs avec une forte accordabilité, de faibles pertes diélectriques et de faibles courants de fuite, en jouant sur la composition chimique du matériau et en contrôlant la chimie des défauts liés aux lacunes d’oxygène. La stratégie adoptée dans cette étude pour atteindre cet objectif est de doper le BST par du Mn en substitution du Ti et par du Cu en addition. Une étude complète de ces deux cas de dopage simple, réalisée à la fois sur des céramiques et des couches minces synthétisées à partir des mêmes solutions sol-gel, a dévoilé des mécanismes différents d’amélioration des propriétés diélectriques et électriques du matériau suivant le type de dopage. La complémentarité de ces deux dopants nous a alors conduit à explorer le codopage du BST en couche mince. Une architecture originale de codopage hétérogène a été mise en place, permettant de combiner les avantages des deux voies de dopage et de s’approcher fortement des spécifications imposées par le cahier des charges industriel. / This PhD work is about integration of BaxSr1-xTiO3 (BST) based tunable capacitors, in order to perform radiofrequency reconfigurable devices for cell phone antennas. The main industrial goal is to obtain capacitors with a high tunability, low dielectric losses and low leakage currents, by playing on the chemical composition of the material and by controlling the oxygen vacancy related defect chemistry. The strategy addressed in this study to reach this objective is doping the BST by Mn in substitution of Ti or by adding Cu. A full study of each case of doping, performed on both ceramics and thin films synthesized from the same sol-gel solutions, revealed different improvement mechanisms of the dielectric and electrical properties of the material according to the type of doping. The complementarity of the two doping ways has led us to investigate codoping of BST thin films. An original architecture of heterogeneous codoping has been set up, allowing to combine the benefits of each doping way and to closely meet the industrial specifications.

Les matériaux multiferroïques et/ou magnétoélectriques sont riches en promesses de nouvelles applications, comme par exemple des mémoires quatre états à densité accrue ou des mémoires magnétoélectriques à faible consommation d’énergie. Ces promesses restent cependant pour l’instant lettres mortes en raison du très faible nombre de matériaux présentant ces propriétés à température ambiante, et des forts courants de fuite qu’ils présentent en couches minces. Cette thèse porte sur un matériau prometteur en termes d’applications, car magnétoélectrique et ferrimagnétique à température ambiante, le ferrite de gallium de composition Ga0.6Fe1.4O3 (GFO).Nous avons démontré la possibilité de réduire les courants de fuite et moduler à volonté le type de conduction n ou p dans les couches minces de cet oxyde transparent, semi-conducteur, et magnétique, par dopage par des ions Ni2+. Une optimisation de la croissance de GFO par pulvérisation cathodique a par ailleurs montré qu’il était possible de le déposer sous champ électrique, ce qui ouvre d’intéressantes perspectives pour l’optimisation de la polarisation électrique des couches minces. / The multiferroic and/or magnetoelectric materials are full of promises in terms of new applications, such as for example higher density four state memories or lower power consuming magnetoelectric memories. These promises are however actually put off because too few materials present these properties at room temperature and because their thin films present too high leakage currents. This thesis focusses on a room temperature magnetoelectric and ferrimagnetic material promising in terms of applications, the gallium ferrite Ga0.6Fe1.4O3 (GFO).We have demonstrated the possibility to strongly reduce the leakage currents and perfectly tune from n to p the conduction type in transparent, semi-conducting, and magnetic thin films of GFO through Ni2+ doping. The optimization of the growth of GFO thin films by sputtering has moreover shown the possibility of deposition under an electric field, which opens ways to control of the electric polarization of the films.

Les matériaux ferroélectriques suscitent beaucoup d’intérêt du fait de leurs propriétés physiques telles que la piézoélectricité, la ferroélectricité ou encore leur permittivité élevée. Ainsi, on cherche à les intégrer dans les micro- et nano-systèmes dans lesquels on les retrouve généralement sous forme de couche mince dans une configuration de type capacité plane. En particulier, l’oxyde de plomb, titane et zirconium (PZT) est un matériau très attractif pour les applications RF capacitives du fait de sa grande permittivité. Son intégration sur des électrodes métalliques, i.e. les lignes coplanaires constituant le guide d’onde, implique de maîtriser sa croissance en film mince. L’application d’une tension dans un dispositif RF actif impose également de contrôler les propriétés électriques : nature des courants de fuite et comportement ferroélectrique du PZT. Dans ce contexte, les couches minces de PZT sont déposées par ablation laser (PLD) sur un empilement La₀.₆₇Sr₀.₃₃MnO₃ (LSMO) / Pt (111) déposé sur un substrat monocristallin de saphir. La couche d’accroche conductrice LSMO est nécessaire afin d’éviter la formation d’une phase pyrochlore paraélectrique. Le contrôle de l’orientation cristalline de la couche de LSMO permet de contrôler la texturation de la couche de PZT. Les courants de fuite au travers de l’empilement Pt/PZT/LSMO/Pt ont ensuite été étudiés dans l’intervalle de température 220-330K de façon à déterminer les mécanismes de conduction. Une transition a été mise en évidence entre, autour de la température ambiante, un mécanisme contrôlé par la diffusion des charges en volume et, à basse température, un mécanisme contrôlé par l’injection des charges aux interfaces électrode/PZT. Un mécanisme par sauts a été identifié au-dessus de 280K en cohérence avec la présence de défauts étendus et la structure colonnaire du PZT. Afin de contrôler ces courants de fuite, différentes stratégies ont été utilisées. La première consiste à insérer une couche d’oxyde isolante à l’interface supérieure Pt/PZT modifiant ainsi l’injection des charges et permettant de réduire les courants de fuite. La seconde stratégie consiste, quant à elle, à modifier la structure de la couche de PZT en volume en élaborant des composites diélectrique/PZT multicouches ou colonnaires. Ainsi, une couche d’oxyde isolante a été insérée au milieu de la couche de PZT et a permis de réduire les courants de fuite. Le contrôle de la nucléation du PZT a également permis par nanofabrication d’élaborer un composite colonnaire pérovskite PZT/pyrochlore. La densité de piliers de pyrochlore dans la phase ferroélectrique permet de moduler la densité de courant dans la structure. Le PZT et les hétérostructures permettant de réduire les courants de fuite ont ensuite été intégrés dans une structure RF capacitive avec des lignes coplanaires d’or. Les performances RF en termes d’isolation et de pertes par insertion ainsi que la compatibilité de ces différents matériaux ont été étudiées et ont montré que les solutions développées dans le cadre du contrôle des courants de fuite sont prometteuses pour être intégrées dans les dispositifs RF capacitifs. En outre, on a cherché à extraire la permittivité à haute fréquence du PZT lorsque celui-ci est inséré dans une structure capacitive. Cette étude a notamment permis de mettre en évidence les points techniques à modifier concernant la structure du dispositif afin de parvenir à exploiter les propriétés physiques du PZT à haute fréquence. / Ferroelectric materials are raising a lot of interest due to their physical properties such as piezoelectricity, ferroelectricity or high dielectric constant. Thus, they are generally integrated in micro- and nano-systems as thin films in a capacitive configuration. Especially, the lead zirconate titanate oxide (PZT) is an attractive material for capacitive RF applications due to its high dielectric constant. The growth of the PZT thin film has to be controlled on metallic electrodes for its integration on coplanar transmission lines. Moreover, electrical properties such as leakage current and ferroelectric behavior of PZT have to be monitored upon application of a dc voltage bias for RF device operation. In this context, PZT thin films were grown by the pulsed laser deposition technique (PLD) on a La₀.₆₇Sr₀.₃₃MnO₃ (LSMO) / Pt (111) electrode on a monocrystalline sapphire substrate. The LSMO buffer layer is mandatory to avoid the formation of the paraelectric pyrochlore phase. The control of the crystalline orientation of the LSMO layer allows for the control of the PZT layer texture. Leakage currents through the Pt/PZT/LSMO/Pt stack were then studied in the 220-330K temperature range to determine the conduction mechanisms. A transition is evidenced between a bulk-controlled mechanism near room temperature and an interface-controlled mechanism at low temperature. A hopping mechanism is identified above 280K in line with the presence of extended defects and the columnar structure of the PZT layer. Several strategies were tested to control leakage currents. The first one consists in inserting an insulating oxide layer at the top Pt/PZT interface. In this way, charge injection was modified and leakage currents were reduced. The second strategy consists in changing the PZT layer bulk structure by elaborating a layered or columnar dielectric/PZT composite. Thus, an insulating oxide layer was inserted in the middle of the PZT layer and permitted to reduce leakage currents. Moreover, the control of the PZT nucleation allowed for the elaboration of a columnar PZT/pyrochlore composite. The leakage currents in this composite can be tuned through the pyrochlore pillars density among the ferroelectric matrix. Then, PZT and the heterostructures for leakage current control were integrated in a capacitive RF structure with gold coplanar transmission lines. RF performances in terms of isolation and insertion loss of these materials were studied and gave good results. In particular the heterostructures developed to control the leakage currents are promising for their integration in capacitive RF devices. Besides, I tried to extract the permittivity of PZT at high frequency with the PZT layer in a capacitive configuration. This study highlighted the essential modifications of the capacitive structure that have to be made in order to be able to exploit PZT properties at high frequency.