Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第17581号 / 工博第3740号 / 新制||工||1570(附属図書館) / 30347 / 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 藤田 静雄, 准教授 浅野 卓 / 学位規則第4条第1項該当

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The growth of ZnO single crystals and ZnO thin films on Si substrates by an open-system vapor phase method was studied in this thesis. The as-grown ZnO single crystals were investigated by means of photoluminescence (PL). Two unique emissions were observed in virgin and hydrogenated crystals. The up-to-now attempts for the p-type doping of ZnO were summarized and our doping studies were performed using nitrogen and antimony. The seed-free and open-system vapor phase method is a simple and low cost approach to grow good quality ZnO single crystals. The growth parameters, including flow rates of N2, H2, O2, and growth temperatures, have various influences on the crystal growth, and also on the optical properties of the as grown crystals. The as-grown crystals are c-axis oriented needle crystals, and the crystals typically have a maximum length of 40 mm and a maximum diameter of 1 mm. The needle-shaped crystals are n-type with main donors due to Al, Ga, and In impurities, as determined from the PL spectra. Two unidentified PL emission lines (P1 at 3.3643 eV and P2 at 3.3462 eV) are observed in our vapor phase grown ZnO single crystals. P1 is attributed to the recombination of an exciton bound to a shallow donor，which has a binding energy of 42.2 meV. Hydrogenation of the as-grown ZnO single crystal leads to the appearance of the P2 line and a great reduction of the P1 line. Subsequent isochronal annealing in the ambient atmosphere leads to gradual reduction of P2 and the reappearance of P1. The PL measurements indicate that hydrogen is involved in the defect origins of the P2 line. ZnO thin films were deposited on Si substrates by the vapor phase method. Three different types of configurations with alternative source materials and oxidizers were employed and compared. It is demonstrated that, methods with lower growth temperatures are easier to deposit homogenous ZnO films on Si substrate. Donor-acceptor-pair (DAP) transition at 3.245 eV and its phonon replicas were observed in the PL spectra of the thin films, which are grown by the hydrogen-free vapor phase method. The appearance of DAP transition indicates the presence of acceptor in the films. The long-standing challenge of p-type doping in ZnO is mainly attributed to the low valence band maximum (VBM) at the absolute energy scale, the spontaneous formation of compensating defects and the lack of appropriate acceptors with small ionization energy. Two attempts for the p-type doping of ZnO were performed by nitrogen diffusion into ZnO single crystals from plasma after the growth or by in-situ doping antimony during the growth of ZnO films. No hole conductivity could however be achieved in our doped samples. / In dieser Arbeit wurde das Wachstum von ZnO-Einkristallen und Dünnfilmschichten auf Si durch chemische Gasphasenabscheidung in einem offenen System untersucht. Die hergestellten ZnO-Einkristalle wurden mit Photolumineszenzmessungen (PL) untersucht. Es konnten sowohl in unbehandelten als auch in mit Wasserstoff behandelten Proben zwei charakteristische Linien beobachtet werden. Sowohl die bisherigen Versuche zur p-Typ Dotierung von ZnO als auch die in dieser Arbeit durchgeführten Versuche mit Stickstoff und Antimon werden zusammengefasst und präsentiert. Die Keimkristall-freie Gasphasenabscheidung (CVD) in offenen Systemen ist eine einfache und kostengünstige Methode zur Herstellung von qualitativ hochwertigen ZnO-Einkristallen. Die Wachstumsparameter, einschließlich der Flussraten von N2, H2 und O2 sowie der Wachstumstemperatur beeinflussen das Kristallwachstum sowie die optischen Eigenschaften der hergestellten Kristalle. Die hergestellten Kristalle wachsen typischerweise als entlang der c-Achse orientierte Nadeln mit Längen von bis zu 40 mm und Durchmessern von bis zu 1 mm. Die nadelförmigen Kristalle besitzen eine n-Typ Dotierung, welche hauptsächlich durch Verunreinigung mit Al, Ga und In verursacht wird. Zwei bisher nicht identifizierte PL-Linien (P1 bei 3,3643 eV und P2 bei 3,3462 eV) wurden in den hergestellten Kristallen beobachtet. P1 wird der Rekombination von Exzitonen an flachen Donatoren mit einer Bindungsenergie von 42,2 meV zugeordnet. Eine Wasserstoffbehandlung der hergestellten Kristalle führt zum Erscheinen der P2-Linie und einer starken Unterdrückung der P1-Linie. Anschließende isochronische Temperung in Luft führt zu einer schrittweisen Reduzierung der Intensität der P2-Linie und zu einer Verstärkung der P1-Linie. Photolumineszenzmessungen weisen auf eine Korrelation von P2 mit Wasserstoff hin. Zusätzlich wurden mit der CVD-Methode dünne ZnO-Schichten auf Si-Substraten abgeschieden. Drei unterschiedliche Konfigurationen mit verschiedenen Ausgangsmaterialien (ZnO-Pulver bw. Zn-Pulver) und verschiedenen Oxidationsmitteln (O2 bzw. Wasser) wurden untersucht und verglichen. Es wird gezeigt, dass mit den Konfigurationen mit geringerer Wachstumstemperatur am einfachsten homogene ZnO-Schichten auf Si abgeschieden werden können. Ein Donator-Akzeptor-Paar-Übergang (DAP) bei 3,245 eV und die dazugehörigen Phononenrepliken wurden in den Schichten beobachtet, welche in einer Wasserstoff-freien Konfiguration abgeschieden wurden. Diese DAP-Übergänge sind ein Hinweis auf die Anwesenheit von Akzeptoren. Die seit langem bestehende Herausforderung der p-Typ-Dotierung von ZnO hat ihre Wurzeln hauptsächlich in dem niedrig liegenden Valenzbandmaximum (VBM) auf der absoluten Energieskala, der spontanen Bildung von kompensierenden Defekten sowie dem Mangel an geeigneten Akzeptoren mit geringer Ionisierungsenergie. Zwei Versuche zur p-Typ-Dotierung von ZnO durch Behandlung der Kristalle mit N-Plasma bzw. durch in-situ Dotierung mit Sb während des Kristallwachstums wurden durchgeführt. Allerdings konnte damit keine nachweisbare Löcherleitung in den behandelten Proben erreicht werden.

Die vorliegende Arbeit ist eine umfassende Studie über das Wachstum mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) und die gemessenen Seebeck Koeffizienten und Lochtransport Eigenschaften von p‑Typ Oxiden, eine Materialklasse welche die optische Transparenz und die einstellbare Leitfähigkeit verbindet. Insbesondere, Nickeloxid (NiO) und Zinnmonoxid (SnO) wurden mittels plasmaunterstützter MBE unter Einsatz von einer Metall‑Effusionszelle und einem Sauerstoffplasma gewachsen. Für das NiO Wachstum wurden vor allem die Wachstumsgrenzen bei hohen Temperaturen festgelegt, welche von der Substratstabilität im Falle von Magnesiumoxid und Galliumnitrid abhängen. Es wird die Möglichkeit der Qualitätsbewertung mittels Ramanspektroskopie für Natriumchlorid-Strukturen gezeigt. Untersuchung der NiO Dotierung durch Oberflächen-Akzeptoren und der damit verbundenen Oberflächen‑Loch‑Anreicherungsschicht offenbart eine neue Dotierungsmöglichkeit für p‑leitende Oxide im Allgemeinen. Die metastabile Phase des SnO wird mittels PAMBE unter Verwendung bekannter Wachstumskinetik von Zinndioxid und verschiedener in‑situ Methoden stabilisiert, die anwendungsrelevante thermische Stabilität wird untersucht. Anschließende ex‑situ Charakterisierungen durch XRD und Ramanspektroskopie identifizieren das kleine Wachstumsfenster für das epitaktische Wachstum von SnO. Elektrische Messungen bestätigen die p‑Typ Ladungsträger mit vielversprechenden Löcherbeweglichkeiten welche auch für Hall Messungen zugänglich sind. Temperaturabhängige Hall Messungen zeigen einen bandähnlichen Transport welcher auf eine hohe Qualität der gewachsenen Schichten hindeutet. Die Funktionalität der gewachsenen Schichten wird durch verschiedene Anwendungen nachgewiesen. Zum Beispiel werden pn‑Heteroübergänge wurden durch das heteroepitaktische Wachstum der SnO Schichten auf einem Galliumoxid-Substrat erlangt. Die ersten bisher berichteten SnO-basierten pn‑Übergänge mit einem Idealitätsfaktor unter zwei wurden erreicht. / This thesis presents a comprehensive study on the growth by molecular beam epitaxy (MBE) and the measured Seebeck coefficients and hole transport properties of p‑type oxides, a material class which combines transparency and tunable conductivity. Specifically, Nickel oxide (NiO) and tin monoxide (SnO) were grown by plasma‑assisted MBE using a metal effusion cell and an oxygen plasma. For NiO growth, the focus lies on high temperature growth limits which were determined by the substrate stability of magnesium oxide and gallium nitride. Quality evaluation by Raman spectroscopy for rock‑salt crystal structures is demonstrated. Investigations of NiO doping by surface acceptors and the related surface hole accumulation layer reveal a new doping possibility for p‑type oxides in general. The meta‑stable SnO is stabilized by PAMBE utilizing known growth kinetics of tin dioxide and various in‑situ methods, its application-relevant thermal stability is investigated. Following ex‑situ characterizations by XRD and Raman spectroscopy identify secondary phases and a small growth window for the epitaxial growth of SnO. Electrical measurements confirm the p‑type carriers with promising hole mobilities accessible to Hall measurements. Temperature dependent Hall measurements show band‑like transport indicating a high quality of the grown layers. The functionality of the grown layers is proven by various applications. For example, pn‑heterojunctions were achieved by heteroepitaxial growth of the SnO layers on gallium oxide substrates. The first reported SnO based pn‑junction with an ideality factor below two is accomplished.

Photoelectrodes and photovoltaic devices have been prepared via multiple thin film deposition methods. Aerosol assisted chemical vapour deposition (AACVD), electrodeposition (ED), chemical bath deposition (CBD) and doctor blade technique (DB) have been used to deposit binary and ternary metal oxide films on FTO glass substrates. The prepared thin films were characterised by a combination of SEM (Scanning Electron Microscopy), powder X-ray diffraction, mechanical strength tests and photochemical measurements. Nickel oxide (NiO) thin films prepared by AACVD were determined to have good mechanical strength . with a photocurrent of 7.6 μA cm-2 at 0 V and an onset potential of about 0.10 V. This contrasted with the dark current density of 0.3 μA cm-2 at 0 V. These NiO samples have very high porosity with crystalline columns evidenced by SEM. In comparison with the AACVD methodology, NiO films prepared using a combination of ED and DB show good mechanical strength but a higher photocurrent of 24 μA cm-2 at 0 V and an onset potential of about 0.10 V with a significantly greater dark current density of 7 μA cm-2 at 0 V. The characteristic features shown in the SEM are smaller pores compared to the AACVD method. Copper (II) oxide (CuO) and copper (I) oxide (Cu2O) films were fabricated by AACVD by varying the annealing temperature between 100-325°C in air using a fixed annealing time of 30 min. It was shown by photocurrent density (J-V) measurements that CuO produced at 325 °C was most stable and provided the highest photocurrent of 173 μA cm-2 at 0 V with an onset potential of about 0.23 V. The alignment of zinc oxide (ZnO) nano-rods and nano-tubes fabricated by CBD have been shown to be strongly affected by the seed layer on the FTO substrate. SEM images showed that AACVD provided the best seed layer for aligning the growth of the nano-rods perpendicular to the surface. Nano-rods were successfully altered into nano-tubes using a potassium chloride bath etching method. NiO prepared by both AACVD and the combined ED/DB method were sensitized to absorb more of the solar spectrum using AACVD to deposit CuO over the NiO. A large increase in the photocurrent was observed for the p-type photoelectrode. These p-type photoelectrode showed a photocurrent density of approximately 100 μA cm-2 at 0 V and an onset potential of 0.3 V. This photocathode was then used as a base to produce a solid state p-type solar cell. For the construction of the solid state solar cells several n-type semiconductors were used, these were ZnO, WO3 and BiVO4. WO3 and BiVO4 were successfully produced with BiVO4 proving to be the optimum choice. This cell was then studied more in depth and optimised by controlling the thickness of each layer and annealing temperatures. The best solid state solar cell produced had a Jsc of 0.541 μA cm-2 (541 nA) and a Voc of 0.14 V, TX146 made up of NiO 20 min, CuFe2O4 50 min, CuO 10 min, BiVO4 27 min, using AACVD and then annealed for 30 min at 600°C.

Depuis que les dimensions des nano-dispositifs ont atteint l’échelle nanométrique, la simulation quantique est devenue incontournable dans le domaine de la nanoélectronique. Parmi les différents phénomènes physiques, l’interaction électron-phonon représente un processus majeur limitant la mobilité des porteurs de charge à température ambiante. En combinant la théorie multibandes k.p avec le formalisme quantique des fonctions de Green hors-équilibre, nous avons étudié et comparé deux types de dispositifs double-grille dopés p: le transistor MOS «conventionnel» et celui dit «sans jonction». L’influence de l’orientation cristalline, du matériau semi-conducteur, de la longueur de grille et de l’épaisseur du substrat a été étudiée afin d’optimiser les performances de ces dispositifs aux dimensions ultimes. D’un point de vue plus fondamental, l’interaction avec les phonons est habituellement implémentée à partir de l’approche auto-cohérente de Born (SCBA). Nous avons exploré la validité des approches non auto-cohérentes numériquement moins coûteuse qui conservent le courant : Lowest Order Approximation (LOA). Une comparaison entre SCBA, LOA et son prolongement analytique (LOA+AC) en modèle multi-bande a été menée. / Device simulation has attracted large interest since the dimensions of electronic devices reached the nanoscale. Among the new physical phenomena observed we focus on interaction-induced effects. Particular emphasis is placed on electron-phonon interactions as it is one of the most important carrier mobility-limiting mechanisms in nanodevices. Using the k.p multiband theory combined with the Non-Equilibrium Green's Function formalism, we model 2 types of double-gate devices: p-type MOSFETs and junctionless p-type MOSFETs. The 2D architecture of the double-gate device enables us to investigate the influence of confinement in one direction, infinite propagation in the other direction and connection to semi-infinite reservoirs in the last one. Different crystallographic orientation, channel materials, gate lengths and channel widths are investigated. From a fundamental point of view, phonon scattering is usually implement via the so-called Self-Consistent Born Approximation (SCBA°. We explore the validity of a one shot current conserving method based on the Lowest Order Approximation (LOA). A comparison between SCBA, LOA and its analytic continuation (LOA+AC) in multiband models is discussed.

Ce travail de thèse porte sur l'application des techniques Scanning Capacitance Microscopy (SCM) et Scanning Spreading Resistance Microscopy (SSRM) pour la caractérisation électrique de nanofils de ZnO avec l'objectif d'en déterminer le dopage par profilage des porteurs libres suite à des essais de dopage de type p. Afin de pouvoir utiliser un référentiel planaire nécessaire à ces mesures par sonde locale, un procédé de remplissage par dip-coating et de polissage a été spécialement développé sur des champs de nanofils quasi-verticaux. De plus, dans le but de parvenir à un étalonnage des mesures SCM et SSRM, nous avons conçu et fait fabriquer des échantillons étalons de dopage de type n, contenant des niveaux de Ga en escalier de densité variable de 2×10^17 à 3×10^20 cm^-3. Les mesures sur des coupes transversales de ces deux de structures multicouches ont permis, pour la première fois sur ZnO d'établir un étalonnage des mesures SCM et SSRM et de déterminer le dopage intrinsèque électriquement actif de couches 2D nanométriques, résultat difficilement atteignable par d'autres techniques d'analyse. Des résultats inattendus de concentration résiduelle de porteur de l'ordre de 2×10^18 et 3×10^18 cm^-3 ont été trouvés sur les nanofils de ZnO crus par MOCVD et par CBD respectivement. Outre la caractérisation électrique microscopique des nanofils par SCM et SSRM, des techniques macroscopiques classiques ont été utilisées pour caractériser des assemblées importantes de nanofils de ZnO. L'origine de la difference entre les résultats de deux genres de technique a été discutée. Nous avons aussi étudié les effets des dopages ex-situ par diffusion du phosphore (procédé SOD) et des dopages in situ par incorporation d'antimoine (Sb) pendant la croissance MOCVD. Les résultats majeurs sont obtenus pour l'antimoine, en utilisant des couches ZnO: Sb 2D et des nanofils cœur-coquille ZnO/ZnO: Sb, ou l'hypothèse d'une compensation partielle du dopage n résiduel par un centre accepteur créé par le dopage Sb semble pouvoir être établie raisonnablement. / Based on atomic force microscope (AFM), scanning capacitance microscopy (SCM) and scanning spreading resistance microscopy (SSRM) have demonstrated high efficiency for two dimensional (2D) electrical characterizations of Si semiconductors at nanoscale and then have been extensively employed in Si-based structures/devices before being extended to the study of some other semiconductor materials. However, ZnO, a representative of the third generation semiconductor material, being considered a promising candidate for future devices in many areas, especially in opto-electronic area, has rarely been addressed. Recently, extensive research interests have been attracted by ZnO NWs for future devices such as LED, UV laser and sensor. Therefore, a good understanding of electrical properties of the NWs is in need. In this context, this thesis work is dedicated to the 2D electrical characterization of ZnO NWs with the focus of carrier profiling on this kind of nanostructure in the effort of their p-type doping. For this purpose, a planarization process has been developed for the NWs structure in order to obtain an appropriate sample surface and perform SCM/SSRM measurements on the top of the NWs. For quantitative analysis, Ga doped ZnO multilayer staircase structures were developed serving as calibration samples. Finally, residual carrier concentrations inside the CBD and MOCVD grown ZnO NWs are determined to be around 3×10^18 cm^-3 and 2×10^18 cm^-3, respectively. The results from SCM/SSRM characterization have been compared with that from macroscopic C-V measurements on collective ZnO NWs and the differences are discussed. In addition to carrier profiling on NWs structure, applications of SCM/SSRM on some other ZnO-based nanostructures are also investigated including ZnO:Sb films, ZnO/ZnO:Sb core-shell NWs structure, ZnO/ZnMgO core-multishell coaxial heterostructures.

L’oxyde de zinc ZnO, est un semiconducteur II-VI très prometteur pour les applications en opto-électronique dans le domaine UV, notamment pour la réalisation de dispositifs électroluminescents (LED). Les potentialités majeures du ZnO pour ces applications résident notamment dans sa forte liaison excitonique (60 meV), sa large bande interdite directe (3.4 eV), la disponibilité de substrats massifs de grand diamètre ainsi que la possibilité de réaliser des croissances épitaxiales de très bonne qualité en couches minces ou nano structurées (nanofils). Néanmoins, le développement de ces applications est entravé par la difficulté de doper le matériau de type p. L'impureté permettant d'obtenir une conductivité électrique associée à des porteurs de charges positifs (trous), et donc la réalisation de jonctions pn à base de ZnO, n'a pas encore été réellement identifiée. C'est pourquoi une des étapes préliminaires et nécessaires à l'obtention d'un dopage de type p fiable et efficace, réside dans la compréhension du dopage résiduel de type n, ainsi que des phénomènes de compensation et de passivation qui sont mis en jeu au sein du matériau. La maîtrise de la nature des contacts (ohmique ou Schottky) sur différentes surfaces d'échantillons de ZnO nous a permis dans ce but de mettre en œuvre à la fois des mesures de transport (résistivité et effet Hall) et des mesures capacitives (capacité-tension C(V), Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) et Spectroscopie d'admittance).Dans un premier temps, nous avons donc cherché à comprendre de manière approfondie les propriétés électriques du ZnO massif. Nous avons ainsi étudié le rôle des défauts profonds et peu profonds sur la conductivité des échantillons, aux travers de différents échantillons massifs obtenus par synthèse hydrothermale ou par croissance chimique en phase vapeur. Nous avons également étudié l'impact de la température de recuits post-croissance, sur les propriétés de transport des échantillons. A la lumière des résultats obtenus sur le dopage résiduel de type n des échantillons de ZnO massifs, nous avons ensuite procédé à différents essais de dopage de type p du ZnO par implantation ionique d'azote et par diffusion en ampoule scellée d’arsenic. L'impureté azote a été choisie dans le cadre d'une substitution simple de l'oxygène qui devrait permettre de créer des niveaux accepteurs dans la bande interdite du ZnO. Nous avons également étudié l'impureté arsenic, qui selon un modèle théorique peut former un complexe qui permet d'obtenir un niveau accepteur plus proche de la bande de valence que le niveau. Outres les études réalisées sur les échantillons de ZnO massif et les essais de dopage de type p, nous avons également étudié les propriétés électriques d'échantillons de ZnO monocristallins sous forme de couches minces obtenues par croissance en phase vapeur d’organométalliques, dopées intentionnellement ou non. Les corrélations entres les mesures SIMS et C(V) nous ont permis notamment de mettre en évidence une diffusion et un rôle très importante de l'aluminium sur les propriétés électriques des couches minces de ZnO épitaxiées sur substrat saphir.Dans le cadre de cette thèse nous avons réussi à clarifier les mécanismes du dopage de type n, intentionnel ou non intentionnel, dans le ZnO monocristallin. Nous avons également identifié les impuretés et les paramètres de croissance importants permettant d'obtenir un dopage résiduel de type n le plus faible possible dans les couches épitaxiées. Cette maitrise du dopage résiduel de type n est une étape préliminaire indispensable aux études de dopage de type p car elle permet de minimiser la compensation des accepteurs introduits intentionnellement. Cette approche du dopage sur des couches minces de ZnO dont le dopage résiduel de type n est très faible apparait comme une voie très prometteuse pour surmonter les problèmes d'obtention du dopage de type p. / Zinc oxide (ZnO) is a II-VI semiconductor which appears as a very promising material for UV opto-electronic applications, in particular for the production of light emitting devices (LED). For these applications, ZnO presents strong advantages as a high exciton binding energy (60 meV ), a wide direct band gap (3.4 eV), the availability of large diameter bulk substrates for homoepitaxial growth of high quality thin films or nanostructures. However, the development of these applications is hampered by the difficulty to dope ZnO p-type. The impurity leading to an electrical conductivity associated with positive charge carriers (holes), and therefore the production of ZnO pn junctions have not yet been really identified.In this thesis we have studied the physical mechanisms that govern the electrical properties of ZnO single crystal and epilayers. The control of contacts (ohmic or Schottky) on different ZnO surfaces allowed us to carry out both transport measurements (resistivity and Hall effect) and capacitance measurements (C(V), Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) and admittance spectroscopy).At first, we have studied the role of deep and shallow defects on the n-type conductivity of bulk ZnO samples obtained by Hydrothermal synthesis (HT) or by Chemical Vapor Transport (CVT). We also investigated the impact of post-growth annealing at high temperature under oxygen atmospheres on the transport properties of samples. Thanks to the previous results on the residual n-type doping, we have reported on several attempts to obtain p-type ZnO. We have discussed the potential of different candidates for the achievement of p-type doping and present our tentative experiments to try and demonstrate the reality, the ability and the stability of p-type doping by nitrogen implantation and arsenic diffusion. The nitrogen impurity has been chosen for oxygen substitution, which should allow the creation of acceptor levels in the ZnO band gap. We also studied arsenic as a potential p-type dopant, according to a model whereby arsenic substitutes for oxygen and, if associated with two zinc vacancies, forms a complex with a shallower ionization energy than in the case of direct oxygen substitution.In addition to the studies on bulk ZnO samples and attempts on p-type doping, we have also studied the electrical properties of thin film ZnO samples obtained by Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, either intentionally or unintentionally doped. Correlations between SIMS and C(V) measurements allowed us to highlight especially the importance of aluminum as a residual impurity in epitaxial layers grown on sapphire substrates.In this thesis we have clarified intentional or unintentional n-type doping mechanisms in ZnO single crystal samples. We have also identified impurities and growth parameters responsible for the residual n-type doping. This understanding is a crucial and preliminary step for understanding the doping mechanisms at stake in this material and is also necessary to achieve stable p-type conductivity, which is still the main challenge for the realization of optoelectronic devices based on ZnO.

Process variability is a major challenge for the design of nano scale MOSFETs due to fundamental physical limits as well as process control limitations. As the size of the devices is scales down to improve performance, the circuit becomes more sensitive to the process variations. Thus, it is necessary to have a device model that can predict the variations of device characteristics. Statistical modeling method is a potential solution for this problem. The novelty of the work is that we connect BSIM parameters directly to the underlying process parameters. This is very useful for fabs to optimize and control the specific processes to achieve certain circuit metric. This methodology and framework is extendable to any future technologies, because we used a device independent, but process depended frame work In the first part of this thesis, presents the design of nominal MOS devices with 28 nm physical gate length. The device is optimized to meet the specification of low standby power technology specification of International Technology Roadmap for Semiconductors ITRS(2012). Design of experiments are conducted and the following parameters gate length, oxide thickness, halo concentration, anneal temperature and title angle of halo doping are identified as the critical process parameters. The device performance factors saturation current, sub threshold current, output impendence and transconductance are examined under process variabilty. In the subsequent sections of the thesis, BSIM parameter extraction of MOS devices using the software ICCAP is presented. The variability of the spice parameters due to process variation is extracted. Using the extracted data a new BSIM interpolated model for a variability aware circuit design is proposed assume a single process parameter is varying. The model validation is done and error in ICCAP extraction method for process variability is less than 10% for all process variation condition in 3σ range. In the next section, proposes LUT model and interpolated method for a variability aware circuit design for single parameter variation. The error in LUT method for process variability reports less than 3% for all process variation condition in 3σ range. The error in perdition of drain current and intrinsic gain for LUT model files are very close to the result of device simulation. The focus of the work was to established effective method to interlink process and SPICE parameters under variability. This required generating a large number of BSIM parameter ducks. Since there could be some inaccuracy in large set of BSIM parameters, we used LUT as a golden standard. We used LUT modeling as a benchmark for validation of our BSIM3 model In the final section of thesis, impact of multi parameter variation of the processes in device performance is modelled using RSM method; the model is verified using ANOVA method. Models are found to be sufficient and stable. The reported error is less than 1% in all cases. Monte Carlo simulation confirms stability and repeatability of the model. The model for random variabilty of process parameters are formulated using BSIM and compared with the LUT model. The model was tested using a benchmark circuit. The maximum error in Monte Carlo simulation is found to be less than 3% for output current and less than 8% for output impedance.

Ce travail de thèse a porté sur l'élaboration de nanoparticules et de couches minces d'oxydes spinelles mixtes de MxCo2-xMnO4 (M = Ni, Cu, Zn ; x = 0, 0,15, 0,30, 0,60) semi-conducteurs, absorbants de lumière avec d'intéressantes applications potentielles pour la photo-catalyse et le photovoltaïque. Le premier chapitre présente tout d'abord une vue globale du contexte énergétique à l'échelle mondiale et des ressources d'énergie renouvelables, alternatives aux énergies fossiles les plus répandues. Une revue détaillée est ensuite faite des différents matériaux et systèmes employés dans la fabrication de cellules solaires, en portant une attention plus particulière à un nouveau type de cellules photovoltaïques en couches minces, dites " Tout-oxyde ", basées notamment sur l'utilisation d'oxydes de type spinelle utilisés comme absorbeurs solaires. Le deuxième chapitre présente les techniques expérimentales de synthèse et de caractérisation utilisées lors de ce travail de thèse. Le procédé de polycondensation inorganique, optimisé au laboratoire, utilisé pour synthétiser les poudres d'oxydes à basse température (T < 120 °C) sans agent organique complexe est décrit. Ensuite, les méthodes de préparation de dispersions colloïdales à l'ambiante dans l'éthanol et de films minces homogènes d'oxydes par trempage-retrait sont explicitées. Le troisième chapitre présente les résultats détaillés des structures atomiques et électroniques des matériaux de base à l'étude, issus de calculs par la méthode Density Functional Theory (DFT), réalisés en collaboration avec le laboratoire CEMES de Toulouse. Les résultats des calculs de densités électroniques et détermination de structures de bandes, réalisés pour la première fois à notre connaissance, sur l'ensemble de la solution solide MnxCo3-xO4 (0 = x = 3), sont comparés à nos données expérimentales, obtenues notamment sur les largeurs de bande interdite (gap) à partir de mesures optiques faites sur couches minces. Un gap de 0,8 eV est calculé, qui serait dû à des transitions inter-métalliques en sites B. Deux gaps à 1,5 et 2,2 eV, obtenus expérimentalement dans l'UV-VIS, qui augmentent avec la quantité de manganèse, correspondraient à des transitions respectives B-A et O-B, respectivement. Les propriétés magnétiques de ces matériaux sont également discutées. Le quatrième chapitre présente l'élaboration et la caractérisation (micro-)structurale des poudres et des couches minces d'oxydes de type spinelle. Toutes les compositions (Co2MnO4 dopé au Ni, Cu ou Zn) cristallisent dans une phase cubique. Les nanoparticules sont sphériques avec la taille variant entre 20 et 50 nm. Les couches minces homogènes ont été déposées sur quartz, alumine, nitrure de titane et platine afin de mesurer leurs propriétés électriques et optiques. Une température de frittage environ de 1000 °C sous air a été déterminée par dilatométrie et les couches sont stables jusqu'à 900 °C quel que soit le substrat. En revanche, seules les couches déposées sur platine permettent d'atteindre la température de frittage sous air (et d'accroitre la compacité donc la conductivité des couches) sans réaction avec le substrat. Le chapitre cinq présente les variations des propriétés optiques et électriques des couches minces avec le frittage. Les propriétés d'absorbance de lumière des couches minces ainsi préparées, mesurées sur une gamme de longueurs d'ondes du domaine spectral UV-visible, montrent deux bandes d'absorbance, correspondantes à deux valeurs de gap pour chaque composition. La propriété d'absorbance des couches minces augmente dans la gamme du visible après frittage et les gaps diminuent. Les couches minces sont plus compactées. La résistivité des couches minces diminue de 105 à 102 Omega.cm avec l'augmentation de la température de 20 à 300 ºC. Une étude parallèle, basée sur la préparation de films minces absorbants de lumière de Co2MnO4 et Cu2O par la technique de Pulsed Laser Deposition (PLD) est également présentée. / The present thesis deals with the synthesis and structural characterization of transition metals doped cobalt and manganese based spinel oxides MxCo2-xMnO4 (with M = Ni, Cu, Zn and x = 0, 0.15, 0.30, 0.60), in relationships with their conduction and optical properties. These materials are good p-type semiconductors and light absorbers in the UV and visible regions, therefore interesting for photo-catalysis and photovoltaics. The first chapter is a brief overview of the energy context and nature of global warming, renewable energy resources and a literature review of materials used for solar cells including the newly studied system type based on all-oxide photovoltaics. Chapter two presents all the experimental methods and characterization techniques used for this research work. The inorganic polycondensation method optimized in our laboratory and used for synthesizing spinel oxide powders at low temperature (T < 120 °C) without complex organic agents is described. Then, the preparation of colloidal dispersions stabilized at room temperature using an azeotrope solution based on absolute ethanol and water only is described, in order to obtain homogenous oxide thin films by the dip-coating technique. The third chapter presents detailed results on the atomic and electronic structures of the materials under study performed by using a full density functional theory investigation thanks to a collaboration with the CEMES. First principles electronic structure calculations were performed for the first time to our knowledge over the whole spinel oxide solid solution range MnxCo3-xO4 (0 = x = 3), and compared with our experimental data. A small band gap of ~ 0.8 eV is calculated, due to metal-metal transitions in B sites. The experimental band gaps observed at 1.5 and 2.2 eV, which increase with the amount of manganese, would correspond to B-A and O-B transitions, respectively. The magnetic properties of these materials are also discussed. Chapter four shows the experimental details of the preparation and characterization of the spinel oxide powders, colloidal dispersions and thin films. All samples (Ni, Cu or Zn-doped Co2MnO4) are well crystallized with a single cubic spinel oxide phase. Nanoparticles are spherical and their diameters vary from 20 to 50 nm, doping with Zn, Ni to Cu, mainly due to steric effects. Homogenous oxide thin films were deposited on quartz, alumina, titanium nitride and platinum in order to measure their optical and electrical properties, and to increase the film compactness (thus electrical conductivity and light absorbance) after thermal treatment. Thin films are well preserved up to 900 °C in air and can handle higher temperatures (up to 1000 ºC) on platinum without reaction with the substrate. Chapter five deals with the optical and electrical properties of thin films before and after sintering. The optical properties were measured over a wide range of wavelengths (UV-VIS). The optical properties of spinel oxide thin films show two strong absorption band gaps for each composition at the UV front and close to 700 nm in wavelength. These band gaps are direct and mostly lower than 2 eV for the first band. Both band gaps increase with further doping and decrease after annealing. Thin film resistivity is about 105 .cm at room temperature and decreases with increasing temperature (a few tens of 20cm at 300 ºC). In parallel to the soft chemistry method and dip-coating technique used to prepare our spinel oxide thin layers, Pulsed Laser Deposition technique was used to prepare pure Co2MnO4 and Cu2O dense thin films. Their structural and optical main features are discussed.