Der Graben-Gate-MOSFET ist eine herausragende Bauelementarchitektur unter den vertikalen Bauelementen auf GaN-Basis, die derzeit für die nächste Generation der Leistungselektronik untersucht werden. Ein niedriges Reststromniveau im Aus-Zustand bei hoher Drain-Spannung ist für vertikale Transistoren von großer Bedeutung, da es ein entscheidendes Merkmal für eine hohe Durchbruchspannung und Zuverlässigkeit der Bauelemente ist. Die Drain-Restströme im Aus-Zustand haben ihren Ursprung in verschiedenen Quellen im vertikalen Trench-Gate-MOSFET. Neben dem Trench-Gate-Modul können auch die Reststrompfade an der trockengeätzten Seitenwand des lateralen Kantenabschlusses erheblich zum Drain-Reststrom im Aus-Zustand beitragen. In diesem Bericht wird der Einfluss jedes relevanten Prozessschritts auf den Drain-Reststrom im Aus-Zustand anhand spezifischer Teststrukturen auf hochwertigem epitaktischem GaN-Material, welche den lateralen Kantenabschluss des MOSFETs nachbilden, untersucht. Die elektrische Charakterisierung zeigt die Empfindlichkeit des Reststroms gegenüber plasmabezogenen Prozessen. Es wird eine Technologie der Randterminierung vorgestellt, die zu einem niedrigen Reststrom führt und gleichzeitig dicke dielektrische Schichten aus plasma-unterstützter Abscheidung enthält, die für die Herstellung einer Feldplattenstruktur über dem Kantenabschluss vorgesehen sind. / The trench gate MOSFET represents a prominent device architecture among the GaN based vertical devices currently investigated for the next generation of power electronics. A low leakage current level in off-state under high drain bias is of great importance for vertical transistors since it is a crucial feature for high breakdown voltage and device reliability. The off-state drain leakage originates from different sources in the vertical trench gate MOSFET. Besides the trench gate module, the leakage paths at the dry-etched sidewall of the lateral edge termination can also significantly contribute to the off-state drain-current. In this report, the influence of each relevant process step on the drain leakage current in off-state is investigated utilizing specific test structures on high-quality GaN epitaxial material which mimic the lateral edge termination of the MOSFET. Electrical characterization reveals the sensitivity of the leakage current to plasma-related processes. A termination technology is presented that results in low leakage current while including thick dielectric layers from plasma-assisted deposition as intended for fabrication of a field plate structure over the edge termination.

Al–O monolayers embedded in ultrathin SiO₂ were shown previously to contain Al-induced acceptor states, which capture electrons from adjacent silicon wafers and generate a negative fixed charge that enables efficient Si-surface passivation. Here, we show that this surface passivation is just in part attributed to field-effect passivation, since the electrically active interface trap density Dit itself at the Si/SiO₂ interface is reduced by the presence of the acceptor states. For sufficiently thin tunnel-SiO₂ films between the Si-surface and the Al–O monolayers, Dit is reduced by more than one order of magnitude. This is attributed to an interface defect deactivation mechanism that involves the discharge of the singly-occupied dangling bonds (Pb0 defects) into the acceptor states, so that Shockley-Read-Hall-recombination is drastically reduced. We demonstrate that the combined electronic and field-effect passivation allows for minority carrier lifetimes in excess of 1 ms on n-type Si and that additional H₂-passivation is not able to improve that lifetime significantly.

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O carbeto de silício (SiC) é um semicondutor com propriedades adequadas para substituir o silício em dispositivos eletrônicos em aplicações que exijam alta potência, alta frequência e/ou alta temperatura. Além disso, é possível crescer termicamente um filme de dióxido de silício (SiO2) sobre o SiC de maneira análoga ao silício. Porém, esses filmes apresentam maior densidade de defeitos eletricamente ativos na região interfacial SiO2/SiC que no caso do SiO2/Si, o que limita a qualidade dos dispositivos formados. Assim, compreender a origem da degradação elétrica e desenvolver métodos para passivar os defeitos na região interfacial SiO2/SiC são importantes passos para o desenvolvimento da tecnologia do SiC. Buscando uma melhor compreensão da natureza dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC, a interação de estruturas SiO2/SiC com vapor d’água enriquecido isotopicamente (D2 18O) e a interação com monóxido de carbono (CO), um dos subprodutos da oxidação térmica do SiC, foram investigadas. Observou-se que a interação com CO gera cargas positivas na estrutura e que a incorporação de deutério proveniente da água é fortemente dependente da rota de formação do filme de SiO2. Sabendo que a incorporação de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC são eficientes métodos para reduzir o número de defeitos eletricamente ativos nessa região, investigou-se a incorporação de nitrogênio em estruturas de SiC através de tratamentos térmicos em amônia enriquecida isotopicamente (15NH3) e desenvolveu-se um novo método de incorporação de fósforo, fazendo sua deposição por pulverização catódica (sputtering) Os métodos de incorporação propostos resultaram em maiores quantidades de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC do que os encontrados na literatura, tornando-os promissores candidatos na passivação elétrica do SiC. Além da caracterização físico-química utilizando diferentes técnicas, também foi feita a caracterização elétrica de capacitores Metal-Óxido-Semicondutor (MOS) testando filmes de SiO2 obtidos por sputtering ou por crescimento térmico. Adicionalmente, desenvolveu-se uma rota de síntese de padrões de 18O mais estáveis ao longo do tempo para serem utilizados em análises por reação nuclear. Também foi proposta uma metodologia de quantificação de fósforo via análise por reação nuclear. Dos resultados obtidos neste doutorado, uma melhor compreensão da natureza e da origem dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC foi alcançada. Também obteve-se uma melhor compreensão de como os elementos passivadores nitrogênio e fósforo interagem nessa região. / Silicon carbide (SiC) is a semiconductor with adequate properties to substitute silicon in electronic devices in applications that require high power, high frequency, and/or high temperature. Besides, a silicon dioxide (SiO2) film can be thermally grown on SiC in a similar way to that on Si. However, these films present higher density of electrical defects in the SiO2/SiC interfacial region when compared to the SiO2/Si interface, which limits the quality of the fabricated devices. Thus, it is important to understand the origin of the electrical degradation and to develop methods to passivate the defects in the SiO2/SiC interfacial region in order to develop the SiC technology. Aiming at a better understanding of the nature of defects at the SiO2/SiC interfacial region, the interaction of SiO2/SiC structures with water vapor isotopically enriched (D2 18O) and the interaction with carbon monoxide (CO), one of the SiC thermal oxidation by-products, were investigated. It was observed that the interaction with CO generates positive charges in the structure and that the deuterium incorporation from the water vapor is strongly dependent on the formation route of the SiO2 film. Knowing that nitrogen and phosphorous incorporation in the SiO2/SiC interfacial region are efficient methods to reduce the number of electrical defects in this region, the nitrogen incorporation in SiC structures by isotopically enriched ammonia (15NH3) annealings was investigated and a new method to incorporate phosphorous, by sputtering deposition was developed The proposed incorporation methods resulted in higher amounts of nitrogen and phosphorous then those found in literature, making them promising candidates to the electrical passivation of SiC. Besides the physico-chemical characterization using different techniques, the electrical characterization of Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) capacitors was also performed, testing SiO2 films obtained by sputtering deposition or thermally grown. Additionally, a route to synthesize 18O standards for nuclear reaction analyses that are more stable over time was developed. Besides, a methodology to quantify phosphorous by nuclear reaction analysis was proposed. From the results obtained in this PhD thesis, a better understanding of the nature and the origin of defects present in the SiO2/SiC interfacial region was obtained, as well as a better understanding on how the passivating elements nitrogen and phosphorous interact in this region.

Cette étude fondamentale est dédiée à la compréhension de l’influence de la composition chimique, notamment la teneur en chrome, des alliages base de nickel sur leur mécanismes de corrosion et d’oxydation. La corrosion sous contrainte intergranular (CSCIG) est un mode de dégradation qui affecte de nombreux alliages au sein des réacteurs à eau pressurisé. En particulier, les alliages base nickel tubes des générateur de vapeur (GV). La sensibilité à la CSC est désormais dépend de la teneur en chrome, ce qui a conduit au remplacement de l’alliage 600 (Ni-16Cr-9Fe) par l’alliage 690 (Ni-30Cr-9Fe). Cependant le bon comportement de l’alliage 690 en termes de résistance à la corrosion restes mal défini. L’objective de cette thèse est double : i) déterminer l’effet de la teneur en chrome, ii) contribuer à la compréhension de l’effet de fer étant un élément d’addition sur la résistance à la corrosion et l’oxydation généralisée des alliages base nickel en milieu primaire assimilé et en vapeur surchauffée à 700°C. Par ailleurs, des analyses électrochimiques pertinentes dans la température ambiante ont été mené afin d’établir une corrélation entre les propriétés physiques de film passive susceptible de protéger le matériau et de la teneur en chrome. Des alliages modèles binaires Ni-Cr, à teneur de chrome varie entre 14 et 30 % en poids, des alliages ternaires Ni-Cr-8Fe et l’alliage 600 ont été étudies. L’aspect expérimental de cette étude repose sur des techniques conventionnelles: SEM, STEM, EDX, Potentiodynamique, EIS, Chronoamperometrie, Mott-Schottky. La cinétique d’oxydation en vapeur surchauffée a été déterminée en mesurant l’apport de masse. L’impact de l’état de surface sur le processus de la corrosion et l’oxydation a été mis en évidence. Les polissages miroir et électrochimique ont été réalisés afin de découpler l’effet de l’écrouissage développé en subsurface, induit par la préparation de surface, et la composition chimique de l’alliage. La teneur en chrome limite à partir de laquelle l’alliage a un comportement satisfaisant en corrosion a été déterminé à 20% dans le milieu primaire. Cependant les analyses électrochimiques ont décelé l’existence d’une teneur en chrome optimal à 26%. La cinétique d’oxydation des alliages modèles ainsi que la morphologie des oxydes formés sur ces matériaux dans le milieu vapeur surchauffée ont indiqué l’existence d’une teneur en chrome optimal à 24%. Une dégradation des propriétés des films d’oxydes a été observée en augmentant la teneur en chrome au-dessus de l’optimum. En résumé, ce travail se préoccupe de l’optimisation de la teneur en chrome, méthode plus adéquate, pour l’amélioration de la résistance à la corrosion et l’oxydation des alliages base nickel. / This fundamental study is focused on the understanding of the influence of the chemical composition of Ni-based alloys on their corrosion and oxidation mechanisms. This work is not dedicated for a particular application. It is well known for instance that Ni-based alloys are susceptible to intergranular stress corrosion cracking (IGSCC) in primary water. Thus, Alloy600 (Ni-16Cr-9Fe), used in steam generator (SG) tubing, was replaced by higher chromium content material Alloy690 (Ni-30Cr-9Fe). This later shows a better resistance to IGSCC which may be linked to the growth of more protective oxide layer as chromium content is increased to 30 wt.%. The main goal of this study is to investigate: i) the influence of chromium content, ii) impact of iron addition on the corrosion and oxidation resistance of Ni-based alloys in primary water and superheated steam at 700°C. Furthermore, analytical approach in acidic solution is conducted at room temperature. This allowed to establish a relationship between alloying elements and physical properties of the oxide layers. For this purpose, Ni-xCr (14 ≤ x≤ 30 wt.%), Ni-xCr-8Fe (x=14,22 and 30 wt.%) model alloys and industrial material Alloy600 have been studied. To characterize the oxide scales, conventional technics were used: SEM, STEM, EDX, Potentiodynamic, EIS, Chronoamperometry, Mott-Schottky. Furthermore, steam oxidation kinetics was evaluated by means of weight gain measurements. To uncouple the effect of surface cold-work and the chemical composition of the base metal, mirror and electro polishing were carried out. In primary water, critical chromium content (20 wt.%), which corresponds to the minimum amount of chromium required to the transition from non-protective to protective and compact Cr-oxide layer, is determined. However, the analytical approach, using electrochemical technics, at room temperature elucidated the existence of optimum chromium content (26 wt.%) in terms of corrosion resistance. In superheat steam, oxidation kinetics and oxide scale characteristics showed the existence of optimum chromium content (24 wt.%) in terms of oxidation resistance. The corrosion and oxidation resistance is degraded as chromium content was increased more than optimal amount. Iron addition (8 wt.%) had a detrimental effect on the protectivess of the resulting oxide scales. Finally, this study showed that optimizing of chromium content is more appropriate method for enhancing corrosion and oxidation resistance, that increasing chromium content to high level is not necessary beneficial to those parameters. This work provides a useful knowledge to design new alternative materials. For this purpose, more investigations should be conducted to test other parameters such as: weldability, fabricability, thermal conductivity,etc.

Les tubes GV des centrales nucléaires REP (alliages 600, 690 et 800) sont protégés contre la corrosion par une couche d'oxyde. Le relâchement, dans le milieu primaire, de produits de corrosion qui, activés, augmentent la radioactivité, est limité par cette couche. La rupture localisée de la couche peut conduire à la corrosion sous contrainte de l'alliage. L'objectif de cette étude est de comprendre les phénomènes régissant les stades initiaux de la formation des couches d'oxydes sur ces alliages. Un système d'oxydation (micro-autoclave) a été développé, permettant de réaliser des essais d'oxydation dans l'eau à 325°C de quelques secondes à ~10 min. Les surfaces ont été caractérisées par XPS, NRA, STM et MEB, et un modèle de croissance a été proposé pour l'alliage 600. Des essais plus longs ont été effectués (400 h). Les cinétiques à temps longs ont pu être reliées à celles des temps courts, confirmant le rôle crucial des stades initiaux dans la croissance des couches d'oxyde.

Ce travail de thèse porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation d'un composant intégrant un laser à cavité verticale (VCSEL) et un détecteur. En détectant l'émission latérale, qui peut être corrélée à l'émission stimulée du VCSEL, il est possible d'asservir la puissance moyenne émise (monitoring). Afin de réaliser ces composants, plusieurs étapes technologiques de fabrication d'un VCSEL ont nécessité un développement et une optimisation spécifiques. Ainsi nous présentons les travaux réalisés dans le domaine de la gravure sèche assistée par plasma, de la métallisation, de l'oxydation thermique, de la passivation et de l'implantation ionique. Ce travail a permis d'obtenir un processus de fabrication plus fiable. Le principe de base a été mis en évidence à l'aide de deux composants adjacents, l'un émetteur, et l'autre détecteur. Il consiste à observer l'évolution du photocourant détecté latéralement et de constater que même s'il n'évolue pas comme la puissance émise, présente des points singuliers correspondant respectivement au seuil et à l'extinction de l'émission laser. De plus, cette évolution du courant détecté latéralement est monotone croissante, ce qui permet d'y faire correspondre une seule valeur de la puissance émise. Par la suite, cette détection intégrée a été améliorée par l'ajout d'un détecteur à contact Schottky à proximité du VCSEL émetteur. Ceci se traduit par l'obtention d'un dispositif compact, sensible, et entièrement compatible avec le procédé de fabrication et les couches épitaxiales standard. Cette solution générique présente l'avantage d'être transposable à d'autres longueurs d'onde (1,3 et 1,55µm par exemple). La caractérisation électrique de ce composant en régime continu a été réalisée, et a permis de confirmer l'amélioration des performances en détection. Est également démontré la robustesse de cette solution à des températures de fonctionnement élevées, jusqu'à 100°C. En régime impulsionnel, les temps de réponse mesurés autour de quinze nanosecondes démontrent la compatibilité de ce système avec des modulations de l'ordre du gigabit par seconde. Dans ce cadre, nous avons également étudié les caractéristiques hyperfréquences du composant. Outre les systèmes de transmissions rapides, on peut envisager d'exploiter cette détection intégrée pour l'instrumentation, cela pour des signaux relativement rapides (sub-microseconde), par exemple dans une configuration de réinjection optique.

Ce travail de thèse a été consacré à l'étude des mécanismes de formation et de croissance des films oxydés par voie sèche (natifs ou ESO) et par voie aqueuse (films anodiques de passivation en solution borate de pH = 9,2) sur les alliages Fe-Ni (25, 50 & 75 at.% Ni) et Fe-Cr (5 à 30 at.% Cr). <br />Les films sont caractérisés (composition élémentaire et chimique, répartition en profondeur, épaisseur) par des techniques électrochimiques (réduction cathodique) et spectroscopiques associées à l'abrasion ionique (AES, XPS). Une approche quantitative développée en AES pour accéder aux modifications de composition et d'épaisseur produites pendant le vieillissement des films jusqu'à l'état (pseudo)-stationnaire a permis de dégager les mécanismes responsables. La croissance des films passifs anodiques se différencie de celle des films d'oxydation sèche par les réactions superficielles lentes de dissolution, de déshydratation et de déshydroxylation (Fe-Ni). On distingue : <br />(1) Une formation des films rapide par oxydation préférentielle du fer (Fe-Ni) ou du chrome (Fe-Cr) ; (2) Une croissance lente résultant de la compétition entre la mobilité ionique sous champ électrique (Cabrera-Mott) et l'effet barrière crée par les couches oxydées internes enrichies en fer (Fe-Ni) ou en chrome (Fe-Cr) (Macdonald) ; (3) L'efficacité de la couche barrière augmente aux teneurs croissantes en fer dans les alliages Fe-Ni et devient optimum dans les alliages Fe-Cr au-delà de 15 at.% Cr après vieillissement des films qui acquièrent une meilleure résistance à la corrosion.

Der Einfluss der Modifikation der technologisch relevanten GaAs(100) Oberfläche durch Chalkogene, i.e. Selen, Schwefel und Tellur, wird in dieser Arbeit untersucht. Es wird ein Modell vorgestellt, das die Eigenschaften der modifizierten Oberfläche beschreibt. In einem zweiten Schritt werden die so modifizierten Oberflächen mit Metallen unterschiedlicher Reaktivität und verschiedenen Elektronegativitäten bedampft. Die Bandbreite dieser Eigenschaften wird durch die Metalle Indium und Silber, das Alkalimetall Natrium, das Erdalkalimetall Magnesium und das Halbmetall Antimon abgebildet. Die Untersuchung des Einflusses der Chalkogene auf die chemischen Eigenschaften und die Barrierenhöhe der Metall/GaAs(100) Grenzfläche bilden einen weiteren Schwerpunkt. Die Änderung der Barrierenhöhe wird dabei mit Hilfe des Modells metallinduzierter Bandlückenzustände (metal induced gap states) erklärt. Als experimentelle Techniken werden Photoemissionsspektroskopie, Raman Spektroskopie und Strom-Spannungsmessungen verwendet. / The influence of a modification of the technological relevant GaAs(100) surface by chalcogens, i.e. selenium, sulphur and tellurium, is evaluated in this work. A model is proposed, which describes the properties of the modified surface. In a second step metals of different reactivity and electronegativity have been evaporated onto these modified surfaces. Among these materials were the metals indium and silver, the alkali metal sodium, the earth alkali metal magnesium and the half metal antimony. The investigation of the influence of chalcogens on the chemical properties and the barrier height of the metal/GaAs(100) interface is another point of interest. The change in barrier height is explained by the model of metal induced gap states (MIGS). Photoemission spectroscopy, Raman spectroscopy and current-voltage-measurement have been used as experimental techniques.

III-V nanostructures have attracted substantial research effort due to their interesting physical properties and their applications in new generation of ultrafast and high efficiency nanoscale electronic and photonic components. The advances in nanofabrication methods including growth/synthesis have opened up new possibilities of realizing one dimensional (1D) nanostructures as building blocks of future nanoscale devices. For processing of semiconductor nanostructure devices, simplicity, cost effectiveness, and device efficiency are key factors. A number of methods are being pursued to fabricate high quality III-V nanopillar/nanowires, quantum dots and nano disks. Further, high optical quality nanostructures in these materials together with precise control of shapes, sizes and array geometries make them attractive for a wide range of optoelectronic/photonic devices. This thesis work is focused on top-down approaches for fabrication of high optical quality nanostructures in III-V materials. Dense and uniform arrays of nanopillars are fabricated by dry etching using self-assembly of colloidal SiO2 particles for masking. The physico-chemistry of etching and the effect of etch-mask parameters are investigated to control the shape, aspect ratios and spatial coverage of the nanopillar arrays. The optimization of etch parameters and the utilization of erosion of etch masks is evaluated to obtain desired pillar shapes from cylindrical to conical. Using this fabrication method, high quality nanopillar arrays were realized in several InP-based and GaAs-based structures, including quantum wells and multilayer heterostructures. Optical properties of these pillars are investigated using different optical spectroscopic techniques. These nanopillars, single and in arrays, show excellent photoluminescence (PL) at room temperature and the measured PL line-widths are comparable to the as-grown wafer, indicating the high quality of the fabricated nanostructures. The substrate-free InP nanopillars have carrier life times similar to reference epitaxial layers, yet an another indicator of high material quality. InGaAs layer, beneath the pillars is shown to provide several useful functions. It effectively blocks the PL from the InP substrate, serves as a sacrificial layer for generation of free pillars, and as a “detector” in cathodoluminescence (CL) measurements. Diffusion lengths independently determined by time resolved photoluminescence (TRPL) and CL measurements are consistent, and carrier feeding to low bandgap InGaAs layer is evidenced by CL data. Total reflectivity measurements show that nanopillar arrays provide broadband antireflection making them good candidates for photovoltaic applications.  A novel post etch, sulfur-oleylamine (S-OA) based chemical process is developed to etch III-V materials with monolayer precision, in an inverse epitaxial manner along with simultaneous surface passivation. The process is applied to push the limits of top-down fabrication and InP-based high optical quality nanowires with aspect ratios more than 50, and nanostructures with new topologies (nanowire meshes and in-plane wires) are demonstrated.  The optimized process technique is used to fabricate nanopillars in InP-based multilayers (InP/InGaAsP/InP and InP/InGaAs/InP). Such multilayer nanopillars are not only attractive for broad-band absorption in solar cells, but are also ideal to generate high optical quality nanodisks of these materials. Finally, the utility of a soft stamping technique to transfer free nanopillars/wires and nanodisks onto Si substrate is demonstrated. These nanostructures transferred onto Si with controlled densities, from low to high, could provide a new route for material integration on Si. / <p>QC 20130205</p>