In this document, we present ou study about the conception and realization of VMOS and Schottky and JBS Diodes on Silicon Carbide. This work allowed us optimize and fabricate diodes using Tungsten as Schottky barrier on both Schottky and JBS diodes of different blocking capability between 1.2kV and 9kV. Moreover, our study of the VMOS, by considering the overall fabrication process, has permitted to identify the totality of the problems we are facing. Thusly we could ameliorate the devices and try new designs as the VIEMOS or the monolithic integration of temperature and current sensors.

Dans le contexte des transports plus électriques, les parties mécaniques tendent à être remplacées par leurs équivalents électriques plus petits. Ainsi, le composant lui-même doit supporter un environnement plus sévère et de lourdes contraintes (haute tension, haute température). Les composants silicium deviennent alors inappropriés. Depuis la commercialisation des premières diodes Schottky en 2001, le carbure de silicium est le matériau reconnu mondialement pour la fabrication de dispositifs haute tension avec une forte intégration. Sa large bande d'énergie interdite et son fort champ électrique critique permettent la conception de transistors à effet de champ avec jonction (JFET) pour les hautes tensions ainsi que les diodes associées. Les structures étudiées dépendent de nombreux paramètres, et doivent ainsi être optimisées. L'influence d'un paramètre ne pouvant être isolée, des méthodes mathématiques ont été appelées pour trouver la valeur optimale. Ceci a conduit à la mise en place d'un critère d'optimisation. Ainsi, les deux grands types de structures de JFET verticaux ont pu être analysés finement. D'une part, la recherche d'une structure atteignant les tensions les plus élevées possible a conduit à l'élaboration d'un procédé de fabrication complexe. D'autre part, un souci de simplification et de stabilisation des procédés de fabrication a permis le développement d'un composant plus simple, mais avec une limite en tension un peu plus modeste.

Eine wichtige Eigenschaft von Leistungsdioden ist ihre Stoßstromrobustheit, also die Fähigkeit, einem kurzeitigen hohen Strom standzuhalten. Bei Dioden aus SiC wird dabei häufig auf die MPS-Struktur zurückgegriffen. In dieser Arbeit wird das Stoßstromverhalten von neuen 1200V-SiC-MPS-Dioden von Infineon untersucht. Dabei wird gemessen, welchem Strom die Dioden bei einem Halbsinus-Puls von 10ms standhalten. Das Ergebnis wird mit der Robustheit herkömmlicher SiC-Schottky-Dioden verglichen. Die Stoßstromrobustheit bei Parallelschaltung wird untersucht. Mittels elektro-thermischer Simulationen werden Möglichkeiten zur Verbesserung der Stoßstromrobustheit der Dioden erörtert. Hierbei wird die Schichtdicke erhöht und Kupfer statt Aluminium als Anodenmetallisierung angenommen. Des Weiteren wird das Simulationsmodell hinsichtlich der Lotschicht und eines reduzierten SiC-Substrats variiert. Die MPS-Dioden weisen bei hohem Strom einen negativen differentiellen Widerstand auf, hervorgerufen durch die Injektion von Minoritätsladungsträgern aus den p-dotierten Gebieten. Die Aktivierung der Injektion von Minoritätsladungsträgern in Abhängigkeit der Größe der p-dotierten Gebiete wird ebenfalls mittels Simulationen untersucht. Ein Vergleich verschiedener Caughey-Thomas-Parameter zur Modellierung der Ladungsträgermobilität in FEM-Bauelementsimulatoren wird durchgeführt. Das Ausschaltverhalten der MPS-Dioden wird unter verschiedenen Bedingungen gemessen. Dazu zählen das Abschalten unter Anwendungsbedingungen, das Abschalten unter Überlast von bis zum fünfzehnfachen Nennstrom, das Abschalten mit hohen Strom- und Spannungssteilheiten und das Abschalten in Parallelschaltung und mit zusätzlicher parasitärer Induktivität. Die Untersuchungen zeigen eine hohe Robustheit der neuen 1200V-SiC-MPS-Dioden. / The surge current ruggedness is an import property of power diodes. In case of SiC diodes this is realized by a Merged-pin-Schottky (MPS) structure. In this thesis the surge current ruggedness of novel 1200V SiC MPS diodes from Infineon is investigated. The maximum current during a half sine surge current pulse of 10ms is determined in measurements for various diodes and compared to the surge current ruggedness of conventional Schottky diodes. Furthermore, the surge current ruggedness in parallel arrangement is measured. By the means of electro-thermal simulations options to improve the surge current ruggedness are investigated. The simulation model is varied concerning the diodes anode metalization layer thickness and material. The layer thickness is increased and the typical aluminum is replaced by copper. Additionally, the influence of the silicon carbide substrate thickness and the solder layer thickness and material on the surge current ruggedness is simulated. The MPS diodes possess a negative differential resistance at high currents caused by the injection of minority carriers by the p-doped regions. The injection of minority carriers in dependence of the size of the p-regions is also examined in simulations. Furthermore, different parameter sets of the the Caughey-Thomas formula to describe the carrier mobility are compared. The turn-off behavior of the diodes is measured under different conditions such as the turn-off from fifteen times the rated current, the turn-off with high current and voltage slopes and the turn-off in parallel arrangement and with additional inductance. The investigation show a high robustness of the novel 1200V SiC MPS diodes.

This work presents a 6.5-kV 1-kA SiC bipolar diode module for megawatt-range medium voltage converters. The study comprises a review of SiC devices and bipolar diodes, a description of the die and module technology, device characterization and modelling and benchmark of the device at converter level. The effects of current change rate, temperature variation, and different insulated-gate bipolar transistor (IGBT) modules for the switching cell, as well as parasitic oscillations are discussed. A comparison of the results with a commercial Si diode (6.5 kV and 1.2 kA) is included. The benchmark consists of an estimation of maximum converter output power, maximum switching frequency, losses and efficiency in a three level (3L) neutral point clamped (NPC) voltage-source converter (VSC) operating with SiC and Si diodes. The use of a model predictive control (MPC) algorithm to achieve higher efficiency levels is also discussed. The analysed diode module exhibits a very good performance regarding switching loss reduction, which allows an increase of at least 10 % in the output power of a 6-MVA converter. Alternatively, the switching frequency can be increased by 41 %.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Schottky-Dioden mittels Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt und charakterisiert. Die Dioden bestanden dabei aus einer Kathode (Aluminium oder Kupfer), die durch Sputtern aufgebracht wurde, einer Halbleiterschicht aus Polytriphenylaminen (PTPA3), die mittels Tiefdruck aufgebracht wurde und einer im Flexodruck hergestellten Anode (PEDOT:PSS, Pani oder Carbon Black). Aus elektrischer Sicht wiesen dabei Dioden mit Kupfer und Carbon Black die besten Eigenschaften auf. Mit Hilfe dieser Elektrodenmaterialien und bei Halbleiterschichtdicken von ca. 200 nm konnten Grenzfrequenzen der Dioden von über 1 MHz realisiert werden. Weiterhin wiesen diese Dioden eine gute Langzeitstabilität sowie eine gute Stabilität gegenüber UV-Licht, Feuchtigkeit und Temperatur auf. / Aim of this work was to demonstrate that Schottky-Diodes can be fabricated by means of Roll-to-Roll-Methods and to characterize these diodes. The diodes consists of a sputtered cathode (Aluminum or Copper), a gravure printed semiconducting layer of Polytriphenylamine (PTPA3) and a flexo printed anode (PEDOT:PSS, Pani, Carbon Black). Best electrical characteristics were obtained with diodes consisting Copper and Carbon Black as electrodes. With a thickness of the semiconducting layer of ~200 nm diodes with a cut-off frequency above 1 MHz could be demonstrated. These diodes showed also a good stability when exposed to UV-light, moisture and temperature.

Ces travaux de thèse ont pour objectif de proposer une nouvelle technique de caractérisation électro-optique de barrettes de diodes Laser de puissance (DLPs), au niveau émetteur individuel à partir d'un banc dédié, utilisées pour le pompage optique à 808nm de système LIDAR en environnement spatial et en régime QCW. Après une étude métrologique fine, ils décrivent une méthodologie de sélection d'un indicateur précoce de défaillance potentielle et sa capacité à estimer la fiabilité de DLPs en conditions opérationnelles (> 109 impulsions à 100Hz/200µs). L’analyse de la dégradation des DLPs se base sur l'identification de signatures paramétriques de défaillance mises en lumière après une série de tests accélérés ciblés et relatives à l'évolution de la puissance optique, du spectre optique (λmax) et du degré de polarisation (DOP) de chaque émetteur de la barrette. Nous montrons également la forte complémentarité entre la mesure du DOP par électroluminescence et par photoluminescence et nous proposons une méthodologie de sélection précoce des émetteurs en considérant leur localisation dans le plan (λmax, DOP). Ces études expérimentales, confortées par des simulations thermiques et mécaniques par éléments finis en introduisant un grand nombre de paramètres technologiques, ont permis de quantifier les niveaux de contraintes résiduelles dans les DLPs en fonction de différentes configurations d'assemblage et d'établir un lien avec leur fiabilité intrinsèque. / This thesis work aimed to propose a new methodology for electro-optical characterization ofQCW laser diodes array (LDA) at emitter level by using a dedicated test bench. After detailedmetrological study, a methodology for selecting an early failure indicator and its ability to assess theLDA reliability in operational conditions (> 109 Shots at 100Hz/200μs) has been described. The LDAdegradation analysis were based on identification of parametric failure signatures highlighted after aset of accelerated tests and have been focused on the evolution of optical power, optical spectrum(λmax) and the degree of polarization (DOP) of each emitter on the LDA. We also explain the strongcomplementarity between the measured DOP of photoluminescence and the DOP ofelectroluminescence and a methodology for early selection of emitters have been proposed by takinginto account their location in the plane (λmax, DOP). These experimental studies were comforted bythermal and mechanical finite element simulations, by introducing several technological parameters inorder to quantify levels of induced mechanical stresses in LDA under different assemblyconfigurations and to establish the link with their intrinsic reliability.

This work presents a 6.5-kV 1-kA SiC bipolar diode module for megawatt-range medium voltage converters. The study comprises a review of SiC devices and bipolar diodes, a description of the die and module technology, device characterization and modelling and benchmark of the device at converter level. The effects of current change rate, temperature variation, and different insulated-gate bipolar transistor (IGBT) modules for the switching cell, as well as parasitic oscillations are discussed. A comparison of the results with a commercial Si diode (6.5 kV and 1.2 kA) is included. The benchmark consists of an estimation of maximum converter output power, maximum switching frequency, losses and efficiency in a three level (3L) neutral point clamped (NPC) voltage-source converter (VSC) operating with SiC and Si diodes. The use of a model predictive control (MPC) algorithm to achieve higher efficiency levels is also discussed. The analysed diode module exhibits a very good performance regarding switching loss reduction, which allows an increase of at least 10 % in the output power of a 6-MVA converter. Alternatively, the switching frequency can be increased by 41 %.:1 Introduction 2 State of the art of SiC devices and medium-voltage diodes 2.1 Silicon carbide diodes and medium-voltage modules 2.2 Medium-voltage power diodes 3 Characterization of the SiC PiN diode module 37 3.1 Introduction 3.2 Experimental setup 3.3 Experimental results: static behaviour 3.4 Experimental results: switching behaviour 3.5 Comparison with 6.5-kV silicon diode 3.6 Oscillations in the SiC diode 3.7 Summary 4 Comparison at converter level 4.1 Introduction 4.2 Power device modelling 4.3 Determination of maximum converter power rating 4.4 Analysis 4.5 Increased efficiency through model predictive control 4.6 Summary 5 Conclusion

This work focusses on the development of top-emitting white organic light-emitting diodes (OLEDs), which can be fabricated on metal substrates. Bottom-emitting OLEDs have been studied intensively over the years and show promising perspectives for future commercial applications in general lighting. The development of top-emitting devices has fallen behind despite the opportunities to produce these devices also on low-cost opaque substrates. This is due to the challenges of top-light-emission concerning the achievement of a broad and well-balanced white emission spectrum in presence of a strong microcavity. The following work is a further step towards the detailed understanding and optimization of white top-emitting OLEDs. First, the available metal substrates and the deposited silver electrodes are examined microscopically to determine their surface characteristics and morphology in order to assess their applicability for thin-film organic stacks of OLEDs. The examination shows the suitability for untreated Alanod metal substrates, which display low surface roughness and almost no surface defects. For the deposited silver anodes, investigations via AFM show a strong influence of the deposition rate on the surface roughness. In the main part of the work top-emissive devices with both hybrid and all-phosphorescent architecture are investigated, in which three or four emitter materials are utilized to achieve maximum performance. The feasibility for top-emitting white OLEDs in first and second order devices is investigated via optical simulations, using the example of a three-color hybrid OLED. Here, the concept of a dielectric capping layer on top of the cathode is an essential criterion for broadband and nearly angle independent light emission. The main focus concerning the investigation of fabricated devices is the optimization of the organic stacks to achieve high efficiencies as well as excellent color quality of warm white emission. The optimization of the hybrid layer structure based on three emitter materials using a combined aluminum-silver anode mirror resulted in luminous efficacies up to 13.3 lm/W and 5.3 % external quantum efficiency. Optical analysis by means of simulation revealed a superior position concerning internal quantum efficiency compared to bottom-emitting devices with similar layer structure. The devices show an enhanced emission in forward direction compared to an ideal Lambertian emitter, which is highly preferred for lighting applications. The color quality - especially for devices based on a pure Al anode - is showing excellent color coordinates near the Planckian locus and color rending indices up to 77. The introduction of an additional yellow emitter material improves the luminous efficacy up to values of 16.1 lm/W and external quantum efficiencies of 5.9 %. With the choice of a all-phosphorescent approach, using orange-red, light blue and green emitter materials, luminous efficacies of 21.7 lm/W are realized with external quantum efficiencies of 8.5 %. Thereby, color coordinates of (x, y) = (0.41, 0.45) are achieved. Moreover, the application of different crystalline capping layers and alternative cathode materials aim at a scattering of light that further reduces the angular dependence of emission. Experiments with the crystallizing material BPhen and thin carbon nanotube films (CNT) are performed. Heated BPhen capping layer with a thickness of 250 nm show a lower color shift compared to the NPB reference capping layer. Using CNT films as cathode leads to a broadband white emission at a cavity thickness of 160 nm. However, due to very high driving voltages needed, the device shows low luminous efficacy. Finally, white top-emitting organic LEDs are successfully processed on metal substrates. A comparison of three and four color based hybrid devices reveal similar performance for the devices on glass and metal substrate. Only the devices on metal substrate show slightly higher leakaged currents. During repeated mechanical bending experiments with white devices deposited on 0.3 mm thin flexible Alanod substrates, bending radii up to 1.0 cm can be realized without device failure. / Diese Arbeit richtet ihren Schwerpunkt auf die Entwicklung von top-emittierenden weißen organischen Leuchtdioden (OLEDs), welche auch auf Metallsubstraten gefertigt werden können. Im Laufe der letzten Jahre wurden bottom-emittierende OLEDs sehr intensiv studiert, da sie vielversprechende Perspektiven für zukünftige kommerzielle Anwendungen in der Allgemeinbeleuchtung bieten. Trotz der Möglichkeit, OLEDs auch auf kostengünstigen lichtundurchlässigen Substraten fertigen zu können, blieb die Entwicklung von top-emittierenden Bauteilen dabei allerdings zurück. Dies läßt sich auf die enormen Herausforderungen von top-emittierenden OLEDs zurückführen, ein breites und ausgeglichenes weißes Abstrahlungsspektrum in Gegenwart einer Mikrokavität zu generieren. Die folgende Arbeit liefert einen Beitrag zum detaillierten Verständnis und der Optimierung von weißen top-emittierenden OLEDs. Zunächst werden die verfügbaren Metallsubstrate und abgeschiedenen Silberelektroden auf ihre Oberflächeneigenschaften und Morphologie mikroskopisch untersucht, um damit ihre Verwendbarkeit für organische Dünnfilmstrukturen in OLEDs einzuschätzen. Die Untersuchung zeigt eine Eignung von unbehandelten Alanod Metallsubstraten auf, welche eine niedrige Oberflächenrauigkeit und fast keine Oberflächendefekte besitzen. Bei den abgeschiedenen Silberelektroden zeigen Untersuchungen mit dem Rasterkraftmikroskop eine starke Beeinflussung der Oberflächenrauigkeit durch die Aufdampfrate. Im Hauptteil der Arbeit werden top-emittierende Dioden mit hybrid und voll-phosphoreszenter Architektur untersucht, in welcher drei oder vier Emittermaterialien verwendet werden, um eine optimale Leistungscharakteristik zu erreichen. Die Realisierbarkeit von top-emittierenden weißen OLEDs in Dioden erster und zweiter Ordnung wird durch optische Simulation am Beispiel einer dreifarb-OLED mit Hybridstruktur ermittelt. Dabei ist das Konzept der dielektrischen Deckschicht - aufgebracht auf die Kathode - ein essenzielles Kriterium für breitbandige und annähernd winkelunabhängige Lichtemission. Der Schwerpunkt im Hinblick auf die Untersuchung von hergestellten Dioden liegt in der Optimierung der organischen Schichtstrukturen, um hohe Effizienzen sowie exzellente warmweiße Farbqualität zu erreichen. Im Rahmen der Optimierung von hybriden Schichtstrukturen basierend auf drei Emittermaterialien resultiert die Verwendung eines kombinierten Aluminium-Silber Anodenspiegels in einer Lichtausbeute von 13.3 lm/W und einer externen Quanteneffizienz von 5.3 %.Eine optische Analyse mit Hilfe von Simulationen zeigt eine überlegene Stellung hinsichtlich der internen Quanteneffizient verglichen mit bottom-emittierenden Dioden ähnlicher Schichtstruktur. Die Dioden zeigen eine verstärkte vorwärts gerichtete Emission im Vergleich zu einem idealen Lambertschen Emitter, welche in hohem Maße für Beleuchtungsanwendungen erwünscht ist. Es kann eine ausgezeichnete Farbqualität erreicht werden - insbesondere für Dioden basierend auf einer reinen Aluminiumanode - mit Farbkoordinaten nahe der Planckschen Strahlungskurve und Farbwiedergabeindizes bis zu 77. Die weitere Einführung eines zusätzlichen gelben Emittermaterials verbessert die Lichtausbeute auf Werte von 16.1 lm/W und die externe Quanteneffizient auf 5.9 %. Mit der Wahl eines voll-phosphoreszenten Ansatzes unter der Verwendung eines orange-roten, hellblauen und grünen Emittermaterials werden Lichtausbeuten von 21.7 lm/W und externe Quanteneffizienten von 8.5 % erzielt. Damit werden Farbkoordinaten von (x, y) = (0.41, 0.45) erreicht. Darüberhinaus zielt die Verwendung von verschiedenen kristallinen Deckschichten und alternativen Kathodenmaterialien auf eine Streuung des ausgekoppelten Lichts ab, was die Winkelabhängigkeit der Emission vermindern soll. Experimente mit dem kristallisierenden Material BPhen und dünnen Filmen aus Kohlenstoffnanoröhren werden dabei durchgeführt. Geheizte BPhen Deckschichten mit einer Schichtdicke von 250 nm zeigen eine geringere Farbverschiebung verglichen mit einer NPB Referenzdeckschicht. Die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren als Kathode führt zu einer breitbandigen weißen Emission bei einer Kavitätsschichtdicke von 160 nm. Schließlich werden weiße top-emittierende organische Leuchtdioden erfolgreich auf Metallsubstraten prozessiert. Ein Vergleich von drei- und vierfarb-basierten hybriden Bauteilen zeigt ähnliche Leistungsmerkmale für Dioden auf Glas- und Metallsubstraten. Während wiederholten mechanischen Biegeexperimenten mit weißen Dioden auf 0.3 mm dicken flexiblen Alanodsubstraten können Biegeradien bis zu 1.0 cm ohne Bauteilausfall realisiert werden.

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Thesis (MSc (Physics))--University of Stellenbosch, 2006. / External cavity diode lasers are used increasingly as sources of light in applications ranging from industrial photonic systems to basic laboratory research on the interaction of light and atoms. External cavity diode lasers offer more stable output frequency and narrow spectral bandwidth than the typical free-running diode lasers. These characteristics are achieved by exploiting the sensitivity of diode lasers to external optical feedback. In this study the design and development of an external cavity diode laser system for future applications in spectroscopy and laser cooling of rubidium atoms is presented. The external cavity diode laser including mechanical components and control electronics of the system is developed from basic components. The system uses frequency selective optical feedback from a diffraction grating in a Littrow configuration to provide collimated, narrow-band, frequency tunable light near 780 nm. The external cavity diode laser is designed to increase the mode-hop-free frequency tuning range, and allow accurate frequency tuning and stabilisation. A low-noise current source and a temperature controller for thermal stability were developed as part of the system since the output frequency changes with temperature and current. The temperature controller is optimised experimentally for the thermal characteristics of the external cavity. An electronic sidelock servo circuit for frequency locking of the external cavity diode laser to an external reference for long term frequency stabilisation is proposed and discussed. The servo circuit electrically controls the grating tilt and the current through the diode laser in order to lock the frequency of the diode laser. The external cavity diode laser is optimised and characterised near 780 nm. Results obtained in this study indicate that the external cavity diode laser is suitable for future applications in spectroscopy and laser cooling of neutral rubidium atoms.