L’interface entre le silicium amorphe (a-Si:H) et le silicium cristallin (c-Si) est un constituent clés de cellules solaires à haut rendement reposant sur des procédés à basse température. Trois propriétés de l’interface déterminent le rendement des cellules solaires à hétérojonction de silicium: les décalages de bandes entre a-Si:H et c-Si, les défauts d’interface et la courbure de bande dans c-Si. Ces trois aspects sont traités dans ces travaux de thèse.Dans un premier un temps, un calcul analytique de la courbure de bande dans c-Si est développé. Il repose sur l’approximation d’une densité d’état (DE) constante dans la bande interdite de a-Si:H. L’influence des principaux paramètres de la structure sur la courbure de bande est étudiée : décalage de bande, densité d’état dans a-Si:H, défaut d’interface, etc. La présence d’un effet de confinement quantique est discutée. Grâce à une comparaison entre ces calculs et des mesures de conductance planaire en fonction de la température sur des structures (p)a-Si:H/(n)c-Si et (n)a-Si:H/(p)c-Si, les décalages de bande de valence et de conduction ont pu être estimés à 0.36 eV et 0.15 eV respectivement. En outre, il est montré que le décalage de la bande de valence est indépendant de la température, alors que le décalage de la bande de conduction suit les évolutions des bandes interdites de c-Si et a-Si:H. Ces mesures tendent à prouver que le ‘branch point’ dans a-Si:H est indépendant du dopage.Ensuite, les calculs analytiques sont approfondis pour prendre en compte différents aspects de la structure complète incorporée dans les cellules : contact avec un oxyde transparent conducteur, présence d’une couche de a-Si:H non-dopée à l’interface. A l’aide de simulations numériques et à la lumière de mesures de conductance planaire conjuguées à des mesures de la qualité de passivation de l’interface, des pistes pour optimiser les cellules à hétérojonction sont commentées. En particulier, il est montré qu’un optimum doit être trouvé entre une bonne passivation et une courbure de bande suffisante. Ceci peut être accompli par un réglage fin des propriétés de la couche tampon (épaisseur, dopage), du contact (travail de sortie élevé) et de l’émetteur (p)a-Si:H (densité de défauts et épaisseur). En particulier, un émetteur avec une DE importante conduit paradoxalement à de meilleures performances.Enfin, un nouveau type d’interface a été développé. La surface de c-Si a été oxydée volontairement dans de l’eau pure dé-ionisée à 80 °C avant le dépôt de (p)a-Si:H afin d’obtenir une structure (p)a-Si:H/SiO2/(n)c-Si. A l’aide d’un modèle de courant par effet tunnel implémenté dans le logiciel de simulation numérique AFORS-HET, l’effet d’une couche à grande bande interdite (comme c’est le cas pour SiO2) sur les performances de cellules est étudié : le facteur de forme et le courant de court-circuit sont extrêmement réduits. En revanche, une couche de SiO2 n’a que peu d’impact sur les propriétés optiques de la structure. Expérimentalement, les échantillons réalisés montrent une qualité de passivation à mi-chemin entre le cas sans couche tampon et le cas avec (i)a-Si:H : ceci est expliqué par la présence d’une charge fixe négative dans l’oxyde. La courbure de bande dans c-Si est moins affectée par la présence d’une couche d’oxyde que d’une couche de (i)a-Si:H. Les cellules solaires réalisées démontrent que le concept a le potentiel d’aboutir à de hauts rendements : sur des structures non-optimisées, une tension de court-circuit supérieure à 650 mV a été démontrée, alors que l’oxyde ne semble pas limiter le transport de charge. / The interface between amorphous silicon (a-Si:H) and crystalline silicon (c-Si) is the building block of high efficiency solar cells based on low temperature fabrication processes. Three properties of the interface determine the performance of silicon heterojunction solar cells: band offsets between a-Si:H and c-Si, interface defects and band bending in c-Si. These three points are addressed in this thesis.First, an analytical model for the calculation of the band bending in c-Si is developed. It assumes a constant density of states (DOS) in the a-Si:H band gap. The influence of most parameters of the structure on the band bending is studied: band offsets, DOS in a-Si:H, interface defects, etc. The presence of quantum confinement at the interface is discussed. Analytical calculations and temperature dependent planar conductance measurements are compared such that the band offsets on both (p)a-Si:H/(n)c-Si and (n)a-Si:H/(p)c-Si can be estimated: the valence band offset amounts 0.36 eV while the conduction band offset is 0.15 eV. In addition, it is shown that the valence band offset is independent of temperature whereas the conduction band offset follows the evolutions of c-Si and a-Si:H band gaps with temperature. A discussion of these results in the frame of the branch point theory for band line-up leads to the conclusion that the branch point in a-Si:H is independent of the doping.Then, analytical calculations are developed further to take into account the real solar cell structure where the a-Si:H/c-Si structure is in contact with a transparent conductive oxide and an undoped buffer layer is present at the interface. Measurements of the planar conductance and of the interface passivation quality are interpreted in the light of analytical calculations and numerical simulations to open a way towards a method for the optimization of silicon heterojunction solar cells. It is particularly shown that a trade-off has to be found between a good passivation quality and a significant band bending. This can be realized by tuning the buffer layer properties (thickness, doping), the TCO-contact (high work function) and the emitter (defect density and thickness). Interestingly, an emitter with a high DOS leads to better cell performances.Finally, a new type of interface has been developed, that was not applied to heterojunction solar cells so far. The c-Si surface has been oxidized in deionized water at 80 °C before the (p)a-Si:H emitter deposition such that (p)a-Si:H/SiO2/(n)c-Si structures were obtained. A tunneling current model has been developed, implemented in the 1D numerical device simulator AFORS-HET and used to study the effect of a wide band gap interfacial layer (as it is the case for SiO2) on cell performance: the fill-factor and the short-circuit current are dramatically reduced for thick and high barriers. However, a SiO2 layer has only little impact on optical properties. Fabricated samples show a passivation quality halfway between samples with no buffer layer and with an (i)a-Si:H buffer layer: this is explained by the presence of a negative fixed charge in the oxide. The band bending in (n)c-Si is higher with an oxide layer than with an (i)a-Si:H buffer layer. Solar cells demonstrate that this new concept has the potential to achieve high power conversion efficiencies: for non-optimized structures, an open-circuit voltage higher than 650 mV has been demonstrated, while the oxide does not seem to create a barrier to charge transport.

Le développement des technologies de communication et de l’information nécessite des composants semi-conducteurs ultrarapides et à faible niveau de bruit. Les transistors bipolaires à hétérojonction (TBH) sont des dispositifs qui visent des applications à hautes fréquences et qui peuvent satisfaire ces conditions. L’objet de cette thèse est l’étude expérimentale et la modélisation du bruit haute fréquence des TBH Si/SiGe:C (technologie STMicroelectronics) et InP/InGaAs (III-V Lab Alcatel-Thales).Accompagné d’un état de l’art des performances dynamiques des différentes technologies de TBH, le chapitre I rappelle brièvement le fonctionnement et la caractérisation des TBH en régime statique et dynamique. La première partie du chapitre II donne la description des deux types de TBH, avec l’analyse des performances dynamiques et statiques en fonction des variations technologiques de ceux-ci (composition de la base du TBH SiGe:C, réduction des dimensions latérales du TBH InGaAs). Avec l’aide d’une modélisation hydrodynamique, la seconde partie montre l’avantage d’une composition en germanium de 15-25% dans la base du TBH SiGe pour atteindre les meilleurs performances dynamiques. Le chapitre III synthétise des analyses statiques et dynamiques réalisées à basse température permettant de déterminer le poids relatif des temps de transit et des temps de charge dans la limitation des performances des TBH. L’analyse expérimentale et la modélisation analytique du bruit haute fréquence des deux types de TBH sont présentées en chapitre IV. La modélisation permet de mettre en évidence l’influence de la défocalisation du courant, de l’auto-échauffement, de la nature de l’hétérojonction base-émetteur sur le bruit haute fréquence. Une estimation des performances en bruit à basse température des deux types de TBH est obtenues avec les modèles électriques. / In order to fulfil the roadmap for the development of telecommunication and information technologies (TIC), low noise level and very fast semiconductor devices are required. Heterojunction bipolar transistor has demonstrated excellent high frequency performances and becomes a candidate to address TIC roadmap. This work deals with experimental analysis and high frequency noise modelling of Si/SiGe:C HBT (STMicroelectronics tech.) and InP/InGaAs HBT (III-V Lab Alcatel-Thales).Chapter I introduces the basic concepts of HBTs operation and the characterization at high-frequency. This chapter summarizes the high frequency performances of many state-of-the-art HBT technologies. The first part of chapter II describes the two HBT sets, with paying attention on the impact of the base composition (SiGe:C) or the lateral reduction of the device (InGaAs) on static and dynamic performances. Based on TCAD modelling, the second part shows that a 15-25% germanium composition profile in the base is able to reach highest dynamic performances. Chapter III summarizes the static and dynamic results at low temperature, giving a separation of the intrinsic transit times and charging times involved into the performance limitation. Chapter IV presents noise measurements and the derivation of high frequency noise analytical models. These models highlight the impact of the current crowding and the self-heating effects, and the influence of the base-emitter heterojunction on the high frequency noise. According to these models the high frequency noise performances are estimated at low temperature for both HBT technologies.

Le travail de thèse implique l'étude de matériaux conducteurs transparents sans indium (TCM), composants essentiels de nombreux dispositifs optoélectroniques, utilisant le dépôt spatial de couches atomiques sous pression atmosphérique (AP-SALD). Cette nouvelle technique partage les avantages principaux de l'ALD classique, mais en plus permet le dépôt de couches minces de haute qualité sur de grandes surfaces avec un contrôle précis à l’échelle nanométrique. Ce travail est focalisé sur l'optimisation des propriétés électriques des films d'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (ZnO: Al), l'un des oxydes conducteurs les plus étudiés (TCOs). L'influence de plusieurs paramètres expérimentaux sur les propriétés physiques des films a été étudié. Le mécanisme de transport des porteurs de charge au niveau des joints de grains a été identifié comme étant l'émission tunnel plutôt que l’émission thermoïonique dans le ZnO fortement dopé, grâce à un nouveau modèle que nous avons développé en utilisant la méthode de la matrice de transfert à fonction Airy (AFTMM). En résumé, la densité du piège à électrons aux joints de grains pour les échantillons de ZnO:Al (2,2 × 10^20 cm-3) préparés par AP-SALD a été estimée à environ 7,6 ×10^13 cm-2. Notre modèle montre que la diffusion par les joints de grains est le mécanisme de diffusion dominant dans nos films fabriqués par AP-SALD. Nous avons trouvé que le recuit assisté par UV (~ 200 ° C) sous vide était une méthode efficace pour réduire les pièges aux joints de grains, entraînant une amélioration de la mobilité de 1 cm2V-1s-1 à 24 cm2V-1s-1 pour ZnO et à 6 cm2V -1s-1 pour ZnO:Al. Nous avons également utilisé AP-SALD pour fabriquer des TCM performants, stables et flexibles basés sur un réseau de nanofils métalliques. Pour cela, nous avons développé des électrodes composites en revêtant des nanofils argent ou cuivre (AgNWs ou CuNWs) avec ZnO, Al2O3, ou ZnO: Al. Un revêtement très conforme d’une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres déposé par la technique AP-SALD améliore considérablement les stabilités thermique et électrique du réseau AgNWs ou CuNWs. Les propriétés optoélectroniques élevées (résistance de surface 10 ohms/carré, transmittance ~ 90%) du composite AgNW / ZnO: Al les rendent très appropriés pour une application en tant que TCM, en particulier pour les dispositifs flexibles.Enfin, en tant que technique de dépôt versatile, AP-SALD est bien compatible avec la technologie des cellules solaires à hétérojonction de silicium (Si-HET) en termes de passivation d'interface. L'intégration de TCM ZnO: Al et AgNWs à la cellule Si-HET a également été explorée. / The thesis work involves the study of Indium-free Transparent Conductive Materials (TCMs), key components of many optoelectronic devices, using Atmospheric Pressure Spatial Atomic Layer Deposition (AP-SALD). This new approach shares the main advantages of conventional ALD but allows open-air, very fast deposition of high-quality nanometer-thick materials over large surfaces. We focused on the optimization of the electrical properties of Aluminum doped Zinc Oxide (ZnO:Al) films, one of the most studied Transparent Conductive Oxides (TCOs). The effect of several experimental parameters on the physical properties of the deposited films has been evaluated. The carrier transport mechanism at grain boundaries was identified to be tunneling rather than thermionic emission in highly doped ZnO, thanks to a new model we have developed using the Airy Function Transfer Matrix Method. Accordingly, the electron trap density at grain boundaries for ZnO:Al samples (2.2×1020 cm-3) prepared by AP-SALD was estimated to be about 7.6×1013 cm-2. Our model shows that grain boundary scattering is the dominant scattering mechanism in our films. We found that UV assisted annealing (~ 200 °C) under vacuum was an efficient method to reduce grain boundary traps, resulting in an improvement of mobility from 1 cm2V-1s-1 to 24 cm2V-1s-1 for ZnO and to 6 cm2V-1s-1 for ZnO:Al. We have also used AP-SALD to fabricate high-performance, stable and flexible TCMs based on metallic nanowire network. For that, we developed composite electrodes by coating silver/copper nanowires (AgNWs/CuNWs) with ZnO, Al2O3, or ZnO:Al. A thin conformal coating deposited by AP-SALD technique enhanced drastically the thermal/electrical stability of the AgNWs/CuNWs network. High optoelectronic properties (resistivity ~ 10-4 Ωcm, transmittance ~ 90 %) of the AgNW/ZnO:Al composite make them very appropriate for application as TCM, especially for flexible devices.Finally, as a soft deposition technique, AP-SALD is completely compatible to the Silicon heterojunction (Si-HET) solar cell technology in terms of interface passivation. The integration of ZnO:Al and AgNWs based TCMs to Si-HET cell has also been explored.

La technologie des cellules photovoltaïques silicium à hétérojonction (HET) a montré un intérêt croissant ces dernières années. En alliant les avantages des technologies couches minces et silicium cristallin (c-Si), elle permet un meilleur compromis coûts-performances que les cellules purement c-Si. Cette thèse a pour but d'améliorer la compréhension des mécanismes physiques qui régissent les performances de ces cellules, en mettant à profit des compétences spécifiques de caractérisation et de simulation issues de la microélectronique. Nos travaux se focalisent sur l'étude de la face avant de la cellule HET de type n, composée d'un empilement de couches minces d'oxyde d'indium dopé à l'étain (ITO) et de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H). Nous commençons par une étude théorique et expérimentale de la conduction des couches d'a-Si:H en fonction de la température, du dopage et des défauts qu'elles contiennent. Prendre en compte l'équilibre dopant/défaut de ces couches est primordial mais nous montrons aussi que le travail de sortie des électrodes en contact, comme l'ITO, peut influer fortement sur la position du niveau de Fermi dans les films nanométriques d'a-Si:H. Nous présentons ensuite une évaluation de sept techniques de caractérisation du travail de sortie afin d'identifier les plus adaptées à l'étude de semiconducteurs dégénérés tels que l'ITO. Nous montrons notamment l'intérêt de techniques originales de la microélectronique comme les mesures de capacité C(V), de courant de fuite I(V) et de photoémission interne (IPE) sur des empilements ITO/biseau d'oxyde/silicium. Nous mettons clairement en évidence que les propriétés volumiques de l'ITO peuvent être optimisées, mais que les interfaces ont un effet prépondérant sur les valeurs de travaux de sortie effectifs (EWF) extraits. Une bonne cohérence globale a été obtenue pour les techniques C(V), I(V) et IPE sur biseau de silice (SiO2) ; les valeurs extraites ont notamment permis d'expliquer des résultats expérimentaux d'optimisation des cellules. Nous montrons que la tension de circuit ouvert (Voc) des cellules est finalement peu sensible au travail de sortie, contrairement au Facteur de Forme (FF), grâce à la couche d'a-Si:H. Plus cette dernière est dopée, défectueuse et épaisse, plus elle est capable d'écranter les variations électrostatiques d'EWF. Aussi, le travail de sortie doit être suffisamment élevé pour pouvoir réduire les épaisseurs de couche p d'a-Si:H et ainsi gagner en courant de court-circuit (Jsc) sans perdre en FF ni Voc. Enfin, il nous a été possible d'appliquer cette méthodologie à d'autres oxydes transparents conducteurs (TCO) que l'ITO. Le meilleur candidat de remplacement de l'ITO doit non seulement présenter une transparence optique élevée, être un bon conducteur et avoir un fort travail de sortie effectif, mais il faut également prêter une attention particulière à la dégradation éventuelle des interfaces causée par les techniques de dépôt. / By combining the advantages of thin-films and crystalline silicon (c-Si), the silicon heterojunction solar cell technology (HET) achieves a better cost-performance compromise than the technology based only on c-Si. The aim of this thesis is to improve the understanding of the physical mechanisms which govern the performance of these cells by taking advantage of specific characterization and simulation skills taken from microelectronics. Our study focuses on the front-stack of the n type cell composed of thin layers of indium tin oxide (ITO) and hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H). We begin with a theoretical and experimental study of the conductivity of a-Si:H layers as a function of temperature, doping concentration and bulk defects density. It is important to properly take into account the dopant/defect equilibrium of these layers but we also show that the work function of the electrodes in contact, such as the ITO, can strongly influence the Fermi level in the nano-films of a-Si:H. Then, we evaluate seven characterization techniques dedicated to the work function extraction in order to identify the most suitable one for studying degenerate semiconductors such as the ITO. We particularly show the interest of using original microelectronics techniques such as capacitance C(V), leakage current I(V) and internal photoemission (IPE) measurements on ITO/bevel oxide/silicon test structures. We clearly demonstrate that the ITO bulk properties can be optimized, yet the interfaces have a major influence on the extracted values of the effective work function (EWF). A good overall consistency has been obtained for C(V), I(V) and IPE measurements on a silicon dioxide bevel (SiO2) ; the extracted values enabled us to explain experimental results concerning the optimization of HET cells. We show that the open circuit voltage (Voc) of these devices is finally barely sensitive to work function, unlike the Fill Factor (FF). This is due to the a-Si:H layer. The more it is doped, defective and thick, the more it is able to screen the electrostatic variations of EWF. Thus, EWF must be sufficiently high to be able to reduce the p a-Si:H layer thickness and, in turn, to gain in short-circuit current (Jsc) without losing either in FF or Voc. Finally, we successfully applied this methodology to other types of transparent conductive oxides (TCO) differing from ITO. The best candidate to replace ITO must not only have a high optical transparency, be a good conductor and have a high EWF, but we must also pay close attention to the possible interface degradations caused by the deposition techniques.

SiGe is a significant enabling technology for therealization of integrated circuits used in high performanceoptical networks and radio frequency applications. In order tocontinue to fulfill the demands for these applications, newmaterials and device structures are needed. This thesis focuseson new materials and their integration into heterojunctionbipolar transistor (HBT) structures as well as using devicesimulations to optimize and better understand the deviceoperation. Specifically, a SiGeC HBT platform was designed,fabricated, and electrically characterized. The platformfeatures a non-selectively grown epitaxial SiGeC base,in situdoped polysilicon emitter, nickel silicide,LOCOS isolation, and a minimum emitter width of 0.4 μm.Alternately, a selective epitaxy growth in an oxide window wasused to form the collector and isolation regions. Thetransistors exhibited cutoff frequency (fT) and maximum frequency of oscillation (fMAX) of 40-80 GHz and 15-45 GHz, respectively.Lateral design rules allowed the investigation of behavior suchas transient enhanced diffusion, leakage current, and theinfluence of parasitics such as base resistance and CBC. The formation of nickel silicide on polysiliconSiGe and SiGeC films was also investigated. The formation ofthe low resistivity monosilicide phase was shown to occur athigher temperatures on SiGeC than on SiGe. The stability of themonosilicide was also shown to improve for SiGeC. Nickelsilicide was then integrated into a SiGeC HBT featuring aselectively grown collector. A novel, fully silicided extrinsicbase contact was demonstrated along with the simultaneousformation of NiSi on thein situdoped polysilicon emitter. High-resolution x-ray diffraction (HRXRD) was used toinvestigate the growth and stability of SiGeC base layers forHBT integration. HRXRD proved to be an effective, fast,non-destructive tool for monitoring carbon out-diffusion due tothe dopant activation anneal for different temperatures as wellas for inline process monitoring of epitaxial growth of SiGeClayers. The stability of the SiGe layer with 0.2-0.4 at% carbonwhen subjected to dopant activation anneals ranging from1020-1100&#176C was analyzed by reciprocal lattice mapping.It was found that as the substitutional carbon increases theformation of boron clusters due to diffusion is suppressed, buta higher density of carbon clusters is formed. Device simulations were performed to optimize the DC and HFperformance of an advanced SiGeC HBT structure with low baseresistance and small dimension emitter widths. The selectivelyimplanted collector (SIC) was studied using a design ofexperiments (DOE) method. For small dimensions the lateralimplantation straggle has a significant influence on the SICprofile (width). A significant influence of the SIC width onthe DC gain was observed. The optimized structure showedbalanced fT/fMAXvalues of 200+ GHz. Finally, SOI BJT transistorswith deep trench isolation were fabricated in a 0.25μmBiCMOS process and self-heating effects were characterized andcompared to transistors on bulk silicon featuring deep trenchand shallow trench isolation. Device simulations based on SEMcross-sections and SIMS data were performed and the resultscompared to the fabricated transistors. Key words:Silicon-Germanium(SiGe), SiGeC,heterojunction bipolar transistor(HBT), nickel silicide,selectively implanted collector(SIC), device simulation, SiGeClayer stability, high resolution x-ray diffraction(HRXRD),silicon-on-insulator(SOI), self-heating.

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This thesis evaluates the suitability of silicon-germanium technology for electronic systems intended for extreme environments, such as ambient temperatures outside of military specification (-55 degC to 125 degC) range and intense exposures to ionizing radiation. Silicon-germanium devices and circuits were characterized at cryogenic and high-temperatures (up to 300 degC) and exposed to ionizing radiation, providing empirical evidence that silicon-germanium is an excellent platform for terrestrial and space-based electronic applications.

This thesis deals with the device physics of organic solar cells. Organic photovoltaics (OPV) is a field of applied research which has been growing rapidly in the last decade leading to a current record value of power-conversion efficiency of 10 percent. One major reason for this boom is a potentially low-cost production of solar modules on flexible (polymer) substrate. Furthermore, new application are expected by flexible or semitransparent organic solar cells. That is why several OPV startup companies were launched in the last decade. Organic solar cells consist of hydrocarbon compounds, deposited as ultrathin layers (some tens of nm) on a substrate. Absorption of light leads to molecular excited states (excitons) which are strongly bound due to the weak interactions and low dielectric constant in a molecular solid. The excitons have to be split into positive and negative charges, which are subsequently collected at different electrodes. An effective dissociation of excitons is provided by a heterojunction of two molecules with different frontier orbital energies, such that the electron is transfered to the (electron) acceptor and the positive charge (hole) remains on the donor molecule. This junction can be realized by two distinct layers forming a planar heterojunction or by an intermixed film of donor and acceptor, resulting in a bulk heterojunction. Electrodes are attached to the absorber to collect the charges by providing an ohmic contact in the optimum case. This work focuses on the electrical processes in organic solar cells developing and employing a one-dimensional drift-diffusion model. The electrical model developed here is combined with an optical model and covers the diffusion of excitons, their separation, and the subsequent transport of charges. In contrast to inorganics, charge-carrier mobilities are low in the investigated materials and charge transport is strongly affected by energy barriers at the electrodes. The current-voltage characteristics (J-V curve) of a solar cell reflect the electrical processes in the device. Therefore, the J-V curve is selected as means of comparison between systematic series of simulation and experimental data. This mainly qualitative approach allows for an identification of dominating processes and provides microscopic explanations. One crucial issue, as already mentioned, is the contact between absorber layer and electrode. Energy barriers lead to a reduction of the power-conversion efficiency due to a decrease in the open-circuit voltage or the fill factor by S-shaped J-V curve (S-kink), which are often observed for organic solar cells. It is shown by a systematic study that the introduction of deliberate barriers for charge-carrier extraction and injection can cause such S-kinks. It is explained by simulated electrical-field profiles why also injection barriers lead to a reduction of the probability for charge-carrier extraction. A pile-up of charge carriers at an extraction barrier is confirmed by measurements of transient photocurrents. In flat heterojunction solar cells an additional reason for S-kinks is found in an imbalance of electron and hole mobilities. Due to the variety of reasons for S-kinks, methods and criteria for a distinction are proposed. These include J-V measurements at different temperatures and of samples with varied layer thicknesses. Most of the studies of this this work are based on experimental data of solar cells comprisiing the donor dye zinc phthalocyanine and the acceptor fullerene C60. It is observed that the open-circuit voltage of these devices depends on the mixing ratio of ZnPc:C60. A comparison of experimental and simulation data indicates that the reason is a changed donor-acceptor energy gap caused by a shift of the ionization potential of ZnPc. A spatial gradient in the mixing ratio of a bulk heterojunction is also investigated as a donor(acceptor)-rich mixture at the hole(electron)-collecting contact is supposed to assist charge extraction. This effect is not observed, but a reduction of charge-carrier losses at the “wrong” electrode which is seen at an increase in the open-circuit voltage. The most important intrinsic loss mechanism of a solar cell is bulk recombination which is treated at the example of ZnPc:C60 devices in the last part of this work. An examination of the dependence of the open-circuit voltage on illumination intensity shows that the dominating recombination mechanism shifts from trap-assisted to direct recombination for higher intensities. A variation of the absorption profile within the blend layer shows that the probability of charge-carrier extraction depends on the locus of charge-carrier generation. This results in a fill factor dependent on the absorption profile. The reason is an imbalance in charge-carrier mobilities which can be influenced by the mixing ratio. The work is completed by a simulation study of the influence of charge-carrier mobilities and different recombination processes on the J-V curve and an identification of a photoshunt dominating the experimental linear photocurrent-voltage characteristics in reverse bias. / Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Physik organischer Solarzellen. Die organische Photovoltaik ist ein Forschungsgebiet, dem in den letzten zehn Jahren enorme Aufmerksamkeit zu Teil wurde. Der Grund liegt darin, dass diese neuartigen Solarzellen, deren aktueller Rekordwirkungsgrad bei 10 Prozent liegt, ein Potential für eine kostengünstige Produktion auf flexiblem (Polymer)substrat aufweisen und aufgrund ihrer Vielfältigkeit neue Anwendungsbereiche für die Photovoltaik erschließen. Organische Solarzellen bestehen aus ultradünnen (einige 10 nm) Schichten aus Kohlenwasserstoffverbindungen. Damit der photovoltaische Effekt genutzt werden kann, müssen die durch Licht angeregten Molekülzustände zu freien Ladungsträgern führen, wobei positive und negative Ladung an unterschiedlichen Kontakten extrahiert werden. Für eine effektive Trennung dieser stark gebundenden lokalisierten angeregten Zustände (Exzitonen) ist eine Grenzfläche zwischen Molekülen mit unterschiedlichen Energieniveaus der Grenzorbitale erforderlich, sodass ein Elektron auf einem Akzeptor- und eine positive Ladung auf einem Donatormolekül entstehen. Diese Grenzschicht kann als planarer Heteroübergang durch zwei getrennte Schichten oder als Volumen-Heteroübergang in einer Mischschicht realisiert werden. Die Absorberschichten werden durch Elektroden kontaktiert, wobei es für effiziente Solarzellen erforderlich ist, dass diese einen ohmschen Kontakt ausbilden, da ansonsten Verluste zu erwarten sind. Diese Arbeit behandelt im Besonderen die elektrischen Prozesse einer organischen Solarzelle. Dafür wird ein eindimensionales Drift-Diffusionsmodell entwickelt, das den Transport von Exzitonen, deren Trennung an einer Grenzfläche und die Ladungsträgerdynamik beschreibt. Abgesehen von den Exzitonen gilt als weitere Besonderheit einer organischen Solarzelle, dass sie aus amorphen, intrinsischen und sehr schlecht leitfähigen Absorberschichten besteht. Elektrische Effekte sind an der Strom-Spannungskennlinie (I-U ) sichtbar, die in dieser Arbeit als Hauptvergleichspunkt zwischen experimentellen Solarzellendaten und den Simulationsergebnissen dient. Durch einen weitgehend qualitativen Vergleich können dominierende Prozesse bestimmt und mikroskopische Erklärungen gefunden werden. Ein wichtiger Punkt ist der schon erwähnte Kontakt zwischen Absorberschicht und Elektrode. Dort auftretende Energiebarrieren führen zu einem Einbruch im Solarzellenwirkungsgrad, der sich durch eine Verringerung der Leerlaufspanung und/oder S-förmigen Kennlinien (S-Knick) bemerkbar macht. Anhand einer systematischen Studie der Grenzfläche Lochleiter/Donator wird gezeigt, dass Energiebarrieren sowohl für die Ladungsträgerextraktion als auch für die -injektion zu S-Knicken führen können. Insbesondere die Tatsache, dass Injektionsbarrieren sich auch negativ auf den Photostrom auswirken, wird anhand von simulierten Ladungsträger- und elektrischen Feldprofilen erklärt. Das Aufstauen von Ladungsträgern an Extraktionsbarrieren wird durch Messungen transienter Photoströme bestätigt. Da S-Knicke in organischen Solarzellen im Allgemeinen häufig beobachtet werden, werden weitere Methoden vorgeschlagen, die die Identifikation der Ursachen ermöglichen. Dazu zählen I-U Messungen in Abhängigkeit von Temperatur und Schichtdicken. Als eine weitere Ursache von S-Knicken werden unausgeglichene Ladungsträgerbeweglichkeiten in einer Solarzelle mit flachem Übergang identifiziert und von den Barrierefällen unterschieden. Weiterer Forschungsgegenstand dieser Arbeit sind Mischschichtsolarzellen aus dem Donator-Farbstoff Zink-Phthalozyanin ZnPc und dem Akzeptor Fulleren C60. Dort wird beobachtet, dass die Leerlaufspannung vom Mischverhältnis abhängt. Ein Vergleich von Experiment und Simulation zeigt, dass sich das Ionisationspotenzial von ZnPc und dadurch die effektive Energielücke des Mischsystems ändern. Zusätzlich zu homogenen Mischschichten werden Solarzellen untersucht, die einen Gradienten im Mischungsverhältnis aufweisen. Die Vermutung liegt nahe, dass ein hoher Donatorgehalt am Löcherkontakt und ein hoher Akzeptorgehalt nahe des Elektronenkontakts die Ladungsträgerextraktion begünstigen. Dieser Effekt ist in dem hier untersuchten System allerdings vergleichsweise irrelevant gegenüber der Tatsache, dass der Gradient das Abfließen bzw. die Rekombination von Ladungsträgern am “falschen” Kontakt reduziert und somit die Leerlaufspannung erhöht. Der wichtigste intrinsische Verlustmechanismus einer Solarzelle ist die Rekombination von Ladungsträgern. Diese wird im letzten Teil der Arbeit anhand der ZnPc:C60 Solarzelle behandelt. Messungen der Leerlaufspannung in Abhängigkeit von der Beleuchtungsintensität zeigen, dass sich der dominierende Rekombinationsprozess mit zunehmender Intensität von Störstellenrekombination zu direkter Rekombination von freien Ladungsträgern verschiebt. Eine gezielte Variation des Absorptionsprofils in der Absorberschicht zeigt, dass die Ladungsträgerextraktionswahrscheinlickeit vom Ort der Ladungsträgergeneration abhängt. Dieser Effekt wird hervorgerufen durch unausgeglichene Elektronen- und Löcherbeweglichkeiten und äußert sich im Füllfaktor. Weitere Simulationsergebnisse bezüglich des Einflusses von Ladungsträgerbeweglichkeiten und verschiedener Rekombinationsmechanismen auf die I-U Kennlinie und die experimentelle Identifikation eines Photoshunts, der den Photostrom in Rückwärtsrichtung unter Beleuchtung dominiert, runden die Arbeit ab.

In this work, homojunction interfacial workfunction internal photoemission (HIWIP) detectors based on GaAs, and heterojunction interfacial workfunction internal photoemission (HEIWIP) detectors based mainly on the Gallium Arsenide/Aluminum Gallium Arsenide material system are presented. Design principles of HIWIP and HEIWIP detectors, such as free carrier absorption, photocarrier generation, photoemission, and responsivity, are discussed in detail. Results of p-type HIWIPs based on GaAs material are presented. Homojunction detectors based on p-type GaAs were found to limit their operating wavelength range. This is mainly due to band depletion arising through carrier transitions from the heavy/light hole bands to the split off band. Designing n-type GaAs HIWIP detectors is difficult as it is strenuous to control their workfunction. Heterojunction detectors based on Gallium Arsenide/Aluminum Gallium Arsenide material system will allow tuning their threshold wavelength by adjusting the alloy composition of the Aluminum Gallium Arsenide/Gallium Arsenide barrier, while keeping a fixed doping density in the emitter. The detectors covered in this work operate from 1 to 128 micron (300 to 2.3 THz). Enhancement of detector response using resonance cavity architecture is demonstrated. Threshold wavelength extension of HEIWIPs by varying the Al composition of the barrier was investigated. The threshold limit of approximately 3.3 THz (92 micron), due to a practical Al fraction limit of approximately 0.005, can be overcome by replacing GaAs emitters in Gallium Arsenide/Aluminum Gallium Arsenide HEIWIPs with Aluminum Gallium Arsenide/Gallium Arsenide emitters. As the initial step, terahertz absorption for 1 micron-thick Be-doped Aluminum Gallium Arsenide epilayers (with different Al fraction and doping density) grown on GaAs substrates was measured. The absorption probability of the epilayers was derived from these absorption measurements. Based on the terahertz absorption results, an Aluminum Gallium Arsenide/Gallium Arsenide HEIWIP detector was designed and the extension of threshold frequency (f0) to 2.3 THz was successfully demonstrated. In a different study, switching in Gallium Arsenide/Aluminum Gallium Arsenide heterostructures from a tunneling dominated low conductance branch to a thermal emission dominated high conductance branch was investigated. This bistability leads to neuron-like voltage pulses observed in some heterostructure devices. The bias field that initiates the switching was determined from an iterative method that uses feedback information, such as carrier drift velocity and electron temperature, from hot carrier transport. The bias voltage needed to switch the device was found to decrease with the increasing device temperature.

This work describes infrared (IR) photon detector techniques based on novel semiconductor device concepts and detector designs. The aim of the investigation was to examine alternative IR detection concepts with a view to resolve some of the issues of existing IR detectors such as operating temperature and response range. Systems were fabricated to demonstrate the following IR detection concepts and determine detector parameters: (i) Near-infrared (NIR) detection based on dye-sensitization of nanostructured semiconductors, (ii) Displacement currents in semiconductor quantum dots (QDs) embedded dielectric media, (iii) Split-off band transitions in GaAs/AlGaAs heterojunction interfacial workfunction internal photoemission (HEIWIP) detectors. A far-infrared detector based on GaSb homojunction interfacial workfunction internal photoemission (HIWIP) structure is also discussed. Device concepts, detector structures, and experimental results discussed in the text are summarized below. Dye-sensitized (DS) detector structures consisting of n-TiO2/Dye/p-CuSCN heterostructures with several IR-sensitive dyes showed response peaks at 808, 812, 858, 866, 876, and 1056 nm at room temperature. The peak specific detectivity (D*) was 9.5E+10 Jones at 812 nm at room temperature. Radiation induced carrier generation alters the electronic polarizability of QDs provided the quenching of excitation is suppressed by separation of the QDs. A device constructed to illustrate this concept by embedding PbS QDs in paraffin wax showed a peak D* of 3E+8 Jones at ~540 nm at ambient temperature. A typical HEIWIP/HIWIP detector structures consist of single (or multiple) period(s) of doped emitter(s) and undoped barrier(s) which are sandwiched between two highly doped contact layers. A p-GaAs/AlGaAs HEIWIP structure showed enhanced absorption in NIR range due to heavy/light-hole band to split-off band transitions and leading to the development of GaAs based uncooled sensors for IR detection in the 2 5 μm wavelength range with a peak D* of 6.8E+5 Jones. A HIWIP detector based on p-GaSb/GaSb showed a free carrier response threshold wavelength at 97 µm (~3 THz)with a peak D* of 5.7E+11 Jones at 36 μm and 4.9 K. In this detector, a bolometric type response in the 97 - 200 µm (3-1.5 THz) range was also observed.