With increasing amount of user data and applications in wireless communication technology, demands are growing on performance and fabrication costs. One way to decrease cost is to integrate the building blocks in an RF system where digital blocks and high power amplifiers then are combined on one chip. This thesis presents LDMOS transistors integrated in a 65 nm CMOS process without adding extra process steps or masks. High power performance of the LDMOS is demonstrated for an integrated WLAN-PA design at 2.45 GHz with 32.8 dBm output power and measurements also showed that high output power is achievable at 5.8 GHz. For the first time, this kind of device is moreover demonstrated at X-band with over 300 mW/mm output power, targeting communication and radar systems at 8 GHz. As SOI is increasing in popularity due to better device performance and RF benefits, the buried oxide can cause thermal problems, especially for high power devices. To deal with self-heating effects and decrease the RF substrate losses further, this thesis presents a hybrid substrate consisting of silicon on top of polycrystalline silicon carbide (Si-on-poly-SiC). This hybrid substrate utilizes the high thermal conductivity of poly-SiC to reduce device self-heating and the semi-insulating properties to reduce RF losses. Hybrid substrates were successfully fabricated for the first time in 150 mm wafer size by wafer bonding and evaluation was performed in terms of both electrical and thermal measurements and compared to a SOI reference. Successful LDMOS transistors were fabricated for the first time on this type of hybrid substrate where no degradation in electrical performance was seen comparing the LDMOS to identical transistors on the SOI reference. Measurements on calibrated resistors showed that the thermal conductivity was 2.5 times better for the hybrid substrate compared to the SOI substrate. Moreover, RF performance of the hybrid substrate was investigated and the semi-insulating property of poly-SiC showed to be beneficial in achieving a high equivalent substrate parallel resistance and thereby low substrate losses. In a transistor this would be equal to better efficiency and output power. In terms of integration, the hybrid substrate also opens up the possibility of heterogeneous integration where silicon devices and GaN devices can be fabricated on the same chip.

Cubic-phase silicon carbide (andamp;acirc;-SiC) nanostructures were successfully synthesized by the reaction of silicon monoxide (SiO) powder with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) at high temperatures. Experiments were conducted under vacuum or in the presence of argon gas in a high-temperature furnace and the fabrication parameters of temperature (1300 -1500andamp;deg;C), time, and reactant material mass were varied to optimize the material. The resulting samples were then physically characterized using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). XRD analysis revealed the presence of dominant andamp;acirc;-silicon carbide phases. SEM images depicted morphologies similar to the starting MWCNTs, having relatively larger diameter sizes, shorter lengths and reduced curvature. TEM observations showed the presence of solid and hollow nanostructures with both crystalline and amorphous regions. Additional experiments were performed to investigate de-aggregation and dispersion procedures for the andamp;acirc;-SiC nanostructures fabricated. Optimum results for these experiments were achieved by ultrasonication of 0.01 wt.% andamp;acirc;-SiC in N,N dimethyl formamide (DMF) and dispersion using a spin coater. A methodology for electrical testing of andamp;acirc;-SiC nanostructures was developed using the de-aggregation and dispersion process established. SEM observations revealed that the random nature of the dispersion procedure used was not efficient in forming contacts regions that would allow electrical measurements of andamp;acirc;-SiC nanostructures on the pre-patterned silicon substrate.

In this thesis, we are making a new approach to fabricate silicon on insulator (SOI). By replacing the buried silicon dioxide and the silicon handling wafer with silicon carbide through hydrophilic wafer bonding, we have achieved silicon on crystalline silicon carbide for the first time and silicon on polycrystalline silicon carbide substrates at 150 mm wafer size. The conditions for the wafer bonding are studied and the surface and bond interface are characterized. Stress free and interfacial defect free hybrid wafer bonding has been achieved. The thermally unfavourable interfacial oxide that originates from the hydrophilic treatment has been removed through high temperature annealing, denoted as Ox-away. Based on the experimental observations, a model to explain the dynamics of this process has been proposed. Ox-away together with spheroidization are found to be the responsible theories for the behaviour. The activation energy for this process is estimated as 6.4 eV. Wafer bonding of Si and polycrystalline SiC has been realised by an intermediate layer of amorphous Si. This layer recrystallizes to some extent during heat treatment. Electronic and thermal testing structures have been fabricated on the 150 mm silicon on polycrystalline silicon carbide hybrid substrate and on the SOI reference substrate. It is shown that our hybrid substrates have similar or improved electrical performance and 2.5 times better thermal conductivity than their SOI counterpart. 2D simulations together with the experimental measurements have been carried out to extract the thermal conductivity of polycrystalline silicon carbide as κpSiC = 2.7 WK-1cm-1. The realised Si-on-SiC hybrid wafer has been shown to be thermally and electrically superior to conventional SOI and opens up for hybrid integration of silicon and wide band gap material as SiC and GaN.

The fundamentals of the ellipsometry are reviewed in order to point out the strengths and weaknesses of the ellipsometric measurements. The effects of the surface conditions (such as degree of cleanliness, contaminated thin layer, roughness etc&hellip / ) on the ellipsometric variables are experimentally studied / the optimum procedures have been determined. Hydrogenated amorphous silicon carbide (a-Si1-xCx:H) thin films are produced by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) technique with a circular reactor, in a way that RF power and carbon contents are taken as variables. These samples are analyzed using multiple angle of incidence ellipsometer and uv-vis spectrometer. These measurements have inhomogeneities in optical constants, such as thicknesses, refractive indices and optical energy gaps along the radial direction of the reactor electrode for different power and carbon contents.

Die Nutzung fossiler Energieträger hat die wirtschaftliche und gesellschaftliche Entwicklung der Menschheit bedeutend geprägt. Die Relevanz der verschiedenen Brennstoffe ist dabei stark vom technologischen Niveau abhängig gewesen. Mit der fortschreitenden Entwicklung und dem Aufstreben der Automobilindustrie in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts gewann Erdöl als Quelle für verschiedene Kraftstoffe und Grundchemikalien immer größere Bedeutung. Der Energieverbrauch der Industriestaaten ist seit dem stetig gestiegen und zum Ende des 20. Jahrhunderts treten immer mehr Schwellenländer wie China, Indien oder Brasilien mit großem Energiehunger in Erscheinung. Dadurch wurden die Vorkommen fossiler Brennstoffe mit immer höherem Tempo ausgebeutet, sodass Schätzungen davon ausgehen, dass bereits 2030 nur noch 75% des Bedarfs durch bereits erschlossene Lagerstätten gedeckt werden können.[1] Im Gegensatz dazu sind die Reserven an Erdgas noch deutlich größer. Erdgas besteht vor allem aus Methan, welches auch über alternative Methoden z.B. Biofermentation hergestellt werden kann. Neben der Nutzung als primärer Energieträger ist Methan Ausgangsstoff für die Herstellung einer Vielzahl chemischer Produkte, z.B. Methanol oder kurzkettige Olefine[2, 3]. Eine wichtige Zwischenstufe dieser Prozesse stellt die Herstellung von Synthesegas dar, einem Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Die Herstellung erfolgt industriell über die Reaktion von Methan und Wasserdampf, dem Steamreforming. Alternative Verfahren stellen die partielle Oxidation von Methan und das Dry Reforming dar. In dieser Arbeit wurde die Aktivität verschiedener Katalysatorsysteme in der Totaloxidation, der partiellen Oxidation und dem Dry Reforming von Methan untersucht. Zur Synthese der Katalysatoren wurde die von E.Kockrick[4, 5] entwickelte Mikroemulsionsmethode angewandt. Dabei wurde die Abhängigkeit der katalytischen Aktivität von der Zusammensetzung der Komposite und den Synthesebedingungen untersucht. Das modulare Syntheseprinzip der Mikroemulsionsmethode wurde durch die Substitution der katalytisch aktiven Spezies durch verschiedene Übergangsmetalle und Gemische demonstiert. Weiterhin wurde eine neue Methode zur Herstellung makroporöser SiC-Keramiken (Abbildung 1) entwickelt. Dabei wird ein flüssiges Polycarbosilan in einer Emulsion mit besonders hohem Anteil der inneren Phase (high internal phase emulsion = HIPE) polymerisiert und zum SiC umgesetzt. Diese SiC-PolyHIPEs zeichnen sich durch ihre hohe Porosität und geringe Dichte aus. Ausgehend von der Synthesevorschrift nach Schwab et al.,[6] die die Synthese styrolbasierter PolyHIPEs beschreibt, wurde Styrol schrittweise durch SMP-10 ersetzt. Die erfolgreiche Inkorporation wurde durch thermogravimetrische Untersuchungen nachgewiesen. Zur Vernetzung des HIPE wurden verschiedene Initiatoren verwendet. Über den Anteil des SMP-10 am PolyHIPE konnte direkt Einfluss auf den Porenradius und die Dichte genommen werden, wobei die Porosität konstant bei 75% gehalten werden konnte.[7] Das Potential der SiC-PolyHIPEs für den Einsatz als poröser Katalysatorträger konnte durch die Funktionalisierung mit CeO2 und den Einsatz in der temperaturprogrammierten Oxidation von Methan nachgewiesen werden. Bereits durch eine Beladung des SiC-PolyHIPEs mit 30 Gew.% CeO2 konnte die gleiche Umsetzungstemperatur des Methans erreicht werden wie bei reinem CeO2. Eine weitere Strategie zur Erzeugung katalytisch aktiver SiC-Materialien wurde über die Funktionalisierung des Polycarbosilans mit hydrophoben CeO2-Nanopartikeln und Cerkomplexen entwickelt. Dabei zeigte sich, dass durch das Einbringen von 5 Gew.% über Dodecylamin stabilisierter CeO2-Nanopartikel eine ähnliche Aktivität in der Methanoxidation erreicht wurde, wie mit reinem Cerdioxid. Die Funktionalisierung des SMP-10 mit Cerkomplexen ergab für alle Cerkomplexe eine Phasenseparation nach dem Entfernen des Lösungsmittels. Nach der getrennten Pyrolyse der Phasen konnte nur im Pyrolysat der festen Phase Cer nachgewiesen werden, wodurch die Methanoxidation katalysiert wird. Als weitere Methode zur Erzeugung katalytisch aktiver und poröser SiC-Komposite wurde die von E.Kockrick entwickelte inverse Mikroemulsionsmethode[4, 5] verwendet. Die gewonnenen CeO2/Pt-SiCKomposite zeigten spezifische Oberflächen von bis zu 482m²/g bei einer Pyrolysetemperatur von 840 °C. Bei höheren Pyrolysetemperaturen von 1200 bzw. 1500 °C wurden Komposite mit maximal 428 bzw. 87m²/g erhalten. Die katalytischen Untersuchungen der CeO2/Pt-SiC-Komposite erfolgten an einem selbst entwickelten Katalyseteststand mit online-Analytik.[8] Dabei wurden die Totaloxidation, die partielle Oxidation und das Dry Reforming von Methan untersucht. Die Umsetzungstemperatur in der Totaloxidation von Methan konnte um bis zu 443K abgesenkt werden. In der partiellen Oxidation von Methan, wie auch beim Dry Reforming konnte bereits ab einer Reaktortemperatur von 805 °C Umsätze gemäß dem thermodynamischen Gleichgewicht erreicht werden. Die Aktivität in der partiellen Oxidation ist vor allem abhängig vom Platingehalt im Komposit. Die höchste Aktivität war bei den Kompositen mit niedriger Pyrolysetemperatur zu verzeichnen. Nach der Pyrolyse bei 1500 °C hingegen wurden aufgrund der geringeren spezifischen Oberfläche und der damit einhergehenden verminderten Zugänglichkeit der aktiven Zentren geringere Umsätze beobachtet. Einen guten Kompromiss zwischen Oxidationsbeständigkeit und katalytischer Aktivität stellten hier die Komposite dar, die bei 1200 °C pyrolysiert wurden. Mit diesen Kompositen wurden ab 805 °C bis zu 90% Umsatz und 80% Selektivität zu CO in der partiellen Oxidation von Methan und im Dry Reforming erreicht. Beim wiederholten Einsatz der CeO2/Pt-SiC-Komposite in der temperaturprogrammierten Oxidation von Methan konnte nach über 7 Zyklen keine Deaktivierung des Katalysators beobachtet werden. Die Übertragbarkeit der Mikroemulsionsmethode konnte durch den Einsatz verschiedener anderer Katalysatormaterialien gezeigt werden. Die katalytische Aktivität der erhaltenen porösen MI/MII-SiCKomposite wurde in der temperaturprogrammierten Oxidation von Methan mit einer Absenkung der Onsettemperatur um 177K bis 267K bestimmt. Damit stellt die Mikroemulsionsmethode eine flexible und robuste Möglichkeit zur Herstellung poröser SiC-Komposit-Katalysatoren dar. Literatur [1] International Energy Agency; World Energy Outlook, 2010. [2] M. Stöcker, Microporous Mesoporous Mater., 1999, 29(1-2), 3–48. [3] A.P.E. York, T. Xiao, M.L.H. Green, and J.B. Claridge, Catal. Rev. - Sci. Eng., 2007, 49(4), 511 – 560. [4] E. Kockrick, P. Krawiec, U. Petasch, H.-P. Martin, M. Herrmann, and S. Kaskel, Chem. Mater., 2008, 20(1), 77–83. [5] E. Kockrick, R. Frind, M. Rose, U. Petasch, W. Böhlmann, D. Geiger, M. Herrmann, and S. Kaskel, J. Mater. Chem., 2009, 19(11), 1543–1553. [6] M.G. Schwab, I. Senkovska, M. Rose, N. Klein, M. Koch, J. Pahnke, G. Jonschker, B. Schmitz, M. Hirscher, and S. Kaskel, Soft Matter, 2009, 5(5), 1055. [7] R. Frind, M. Oschatz, and S. Kaskel, J. Mater. Chem., 2011, (in Revision). [8] R. Frind, L. Borchardt, E. Kockrick, L. Mammitzsch, U. Petasch, M. Herrmann, and S. Kaskel, Appl. Catal., A, 2011, (in Revision).

In this thesis, intrinsic hydrogenated nanocrystalline silicon thin films for solar cells application have been deposited by means of the hot &ndash / wire chemical vapour deposition (HWCVD) technique and have been characterised for their performance. It is noticed that&nbsp / hydrogenated nanocrystalline silicon is similar in some aspects (mainly optical) to its counterpart amorphous silicon actually used as the intrinsic layer in the photovoltaic industry. Substantial differences between the two materials have been found however in their respective structural and electronic properties.<br /> <br /> We show that hydrogenated nanocrystalline silicon retains good absorption coefficients known for amorphous silicon in the visible region. The order improvement and a reduced content of the bonded hydrogen in the films are linked to their good stability. We argue that provided a moderate hydrogen dilution ratio in the monosilane gas and efficient process pressure in the deposition chamber, intrinsic hydrogenated nanocrystalline silicon with photosensitivity better than 102 and most importantly resistant to the Staebler Wronski effect (SWE) can be produced. <br /> <br /> This work explores the optical, structural and electronic properties of this promising material whose study &ndash / samples have been exclusively produced in the HWCVD reactors based in the Solar Cells laboratory of the Physics department at the University of the Western Cape.

DC to DC step-down applications with high input voltage and high voltage conversion ratio operational requirements, such as photovoltaic battery chargers, are subject to high conduction losses, high switching losses and substantial reverse-recovery losses when minority carrier principle diodes are used. The recent introduction of silicon carbide diodes with high breakdown voltages has made possible the elimination of reverse-recovery losses at high voltage levels and as such has sparked interest in their use due to the potential efficiency improvements. This report presents the results of a comprehensive analysis on the use of silicon carbide diodes and their counterparts, ultrafast silicon diodes, in conventional buck converters and isolated current-fed buck converters in high input voltage and high voltage conversion ratio step-down applications. The analysis illustrates both theoretically, with the use of steady-state average models, and experimentally the substantial efficiency benefits of the use of reverse-recovery free silicon carbide diodes in the conventional buck converter and the small but significant improvement in the efficiency of the isolated current-fed buck converter. The improvements of the conventional buck converter paired with silicon carbide diodes are shown to be significant enough to grant the variant the most efficient position for power levels below 1 kW. In addition, the four variants are categorized based on their cost and performance; therefore, providing engineers with a convenient guide to aid their selection of the appropriate converter depending on the operational requirements.

付記する学位プログラム名: 京都大学卓越大学院プログラム「先端光・電子デバイス創成学」 / 京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23909号 / 工博第4996号 / 新制||工||1780(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科電子工学専攻 / (主査)教授 木本 恒暢, 教授 川上 養一, 准教授 安藤 裕一郎 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Thesis (M.S.)--Ohio University, August, 1995. / Title from PDF t.p.

Thesis (Ph. D.)--University of Hong Kong, 2007. / Title proper from title frame. Also available in printed format.