abstract: Gallium Nitride (GaN) based Current Aperture Vertical Electron Transistors (CAVETs) present many appealing qualities for applications in high power, high frequency devices. The wide bandgap, high carrier velocity of GaN make it ideal for withstanding high electric fields and supporting large currents. The vertical topology of the CAVET allows for more efficient die area utilization, breakdown scaling with the height of the device, and burying high electric fields in the bulk where they will not charge interface states that can lead to current collapse at higher frequency. Though GaN CAVETs are promising new devices, they are expensive to develop due to new or exotic materials and processing steps. As a result, the accurate simulation of GaN CAVETs has become critical to the development of new devices. Using Silvaco Atlas 5.24.1.R, best practices were developed for GaN CAVET simulation by recreating the structure and results of the pGaN insulated gate CAVET presented in chapter 3 of [8]. From the results it was concluded that the best simulation setup for transfer characteristics, output characteristics, and breakdown included the following. For methods, the use of Gummel, Block, Newton, and Trap. For models, SRH, Fermi, Auger, and impact selb. For mobility, the use of GANSAT and manually specified saturation velocity and mobility (based on doping concentration). Additionally, parametric sweeps showed that, of those tested, critical CAVET parameters included channel mobility (and thus doping), channel thickness, Current Blocking Layer (CBL) doping, gate overlap, and aperture width in rectangular devices or diameter in cylindrical devices. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Electrical Engineering 2019

Ce travail de thèse porte sur la modélisation et la simulation numérique de cellules solaires à base de kësterite (CZTSé, CZTS) dans le but d’étudier leurs mécanismes physiques et d’améliorer la conception de ces dispositifs. Les kësterites sont une classe de matériaux que l’on peut déposer en couches minces et qui sont constitués d’éléments abondants sur Terre et donc à faible coût. Deux modèles numériques pour les cellules solaires CZTSe et CZTS sont proposés. Des simulations 1D et 2D sont réalisées: le logiciel SCAPS est utilisé pour étudier l’impact des couches de molybdène et de MoSe2, présents au contact arrière des cellules solaires CZTSe. Nous étudions également les propriétés idéales de couches d’interface alternatives qui pourraient remplacer le MoSe2 pour améliorer les performances des cellules solaires. La méthode des matrices de transfert (TMM) et le logiciel SCAPS sont utilisés conjointement pour effectuer des simulations optoélectroniques dans le but d’optimiser l’épaisseur du buffer (CdS) et le TCO (Transparent Conductive Oxide) afin de maximiser le courant de court-circuit (JSC ) des cellules solaires. Enfin Silvaco est utilisé pour réaliser des simulations 2D des joints de grains (GBs) du CZTSe présents à l’intérieur des absorbeurs polycristallins de la kësterite. Pour ce faire, des caractérisations KPFM sont effectuées dans le but de trouver des corrélations possibles entre les pertes de rendement et l'activité électrique des GBs. / This thesis deals with modeling and simulations of kesterite solar cells with the aim of studying their physical mechanisms and improving the design of the devices. Synthetic kesterites are thin film materials made of cheap/earth-abundant elements. Two numerical models for a Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) and a Cu2ZnSnS4 (CZTS) solar cell are proposed. The provided values of the material parameters, for all the layers of the solar cell, are obtained either from comparisons/analysis of data found in literature or, in some cases, from direct measurements. 1D and 2D simulations are performed: the software SCAPS is used to study the impact of the Molybdenum and the MoSe2 layers, present at the back contact of CZTSe solar cells. We investigate also the ideal properties of alternative interfacial layers that could replace the MoSe2 layer to improve the device performances. The transfer matrix method (TMM) and SCAPS are employed together to perform optoelectronic simulations with the aim of optimizing the thickness of the buffer (CdS) and the window (ITO) layers in order to maximize the short circuit current (JSC ) of the device. Finally Silvaco is used to perform 2D simulations of the CZTSe grain boundaries (GBs) present inside the polycrystalline kesterite absorbers. For the latter work, experimental Kelvin probe force microscopy (KPFM) characterizations are performed in order to find possible correlations between the performance losses and the electrical activity of the GBs.

Le sulfure de zinc est l'un des premiers semiconducteurs découverts. Il a un grand potentiel d’applications grâces à ses propriétés physicochimiques. Il est intensément utilisé dans des applications optoélectroniques, photocatalytiques et pour la détection de gaz. En particulier, il est utilisé pour des applications photovoltaïques. Dans ce contexte, nous avons commencé par l’étude de l’effet du dopage par des métaux de transition (manganèse, cobalt et cuivre) sur les propriétés structurales, microstructurales, morphologiques, optiques, électriques et magnétiques des couches minces de sulfure de zinc préparées par la technique de dépôt chimique en solution (chemical bath deposition (CBD)) par diffraction aux rayons X, spectroscopie photoélectronique X, spectroscopie Raman, spectroscopie infrarouge, microscopie électronique à balayage, spectrophotométrie UV-Vis-NIR, effet Hall et SQUID. En second lieu nous avons étudié l’effet de la variation de l’épaisseur des couches formant la cellule photovoltaïque à base de Cu(In,Ga)Se2 par la simulation numérique à deux dimensions sous éclairement AM1.5 de puissance 100 mW/cm2 effectué sous Silvaco ATLAS / Zinc sulfide is one of the first semiconductors discovered. It has great potential application thanks to its physicochemical properties. It is used extensively in optoelectronic, photocatalytic and gas detection applications. In particular, it is used for photovoltaic applications. In this work, the effect of doping by transition metals (manganese, cobalt and copper) on the structural, microstructural, morphological, optical, electrical and magnetic properties of zinc sulfide thin films prepared by chemical bath deposition (CBD) technique are studied by X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, Raman spectroscopy, infrared spectroscopy, scanning electron microscopy, UV-VIS-NIR spectrophotometry, Hall effect and SQUID. The modeling and optimization of higher efficiency Cu(In,Ga)Se2 solar cells are also investigated in this thesis for various layers thickness by using Silvaco ATLAS

No description available.

Ce travail se consacrera à l’étude des performances électro-optiques sur des détecteurs infrarouges à base de photodiodes. Les performances étudiées seront le rendement quantique qui étudie la capacité de conversion de la diode et la fonction de transfert de modulation qui quantifie la capacité du détecteur à échantillonner les fréquences spatiales. La problématique sera de comprendre les phénomènes impactant ces performances pour permettre leur optimisation et ainsi réduire le temps de développement d’un nouveau produit. Deux moyens sont mis à disposition pour répondre à cette problématique : la mesure et la simulation par éléments finis.Après avoir présenté ces performances électro-optiques, ainsi que leur place dans le Marché de l’infrarouge, des mesures et des simulations de rendement quantique et de FTM seront réalisées pour mettre en avant les phénomènes responsables des performances actuelles. Des technologies plus avancées seront également étudiées par simulation pour rechercher les meilleurs candidats pour les petits pas pixels. / The purpose of this thesis is to evaluate the electro-optical performances of infrared detectors based on photodiodes. The performances studied are the quantum efficiency and the modulation transfer function. The problematic is to understand which phenomenon impacts these performances for reducing the development time. In order to answer this problematic, this study is made through measurements and numerical simulations.Firstly, electro-optical performances are discussed with their link to the infrared market. Then, measurements and numerical computations are made in order to explain the reasons of the actual values. Finally, by computation, advance technologies are analyzed and compared for the modulation transfer function.

Cette thèse porte sur la modélisation de TFTs à base de silicium microcristallin fabriqués à basse température. L'enjeu est de produire un modèle de TFT valide qui nous permettra d'apporter des explications sur les phénomènes observés expérimentalement et qui pourrait servir de base à un modèle compact. Tout d'abord, une étude expérimentale, dans laquelle il est montré l'effet bénéfique de l'utilisation de fines couches actives pour les TFTs, a été effectuée. En effet, plus la couche active des TFTs est fine, plus les TFTs sont stables, et meilleures sont leurs caractéristiques électriques. La croissance colonnaire de la structure du silicium microcristallin et le mauvais état de surface pour les grandes épaisseurs de couche active jouent un rôle important sur la détérioration de la qualité des TFTs. Par la suite, une simulation (sous SILVACO) du comportement des TFTs ayant des couches actives de différentes épaisseurs a été effectuée, pour essayer d'apporter des explications d'ordre électrostatique. Les mêmes effets observés sont surtout causés par une augmentation du champ électrique latéral lorsque l'épaisseur de la couche active diminue pour un matériau défectueux, favorisant ainsi la formation rapide du canal. La mauvaise qualité des interfaces avant et arrière a aussi une forte influence sur la détérioration des caractéristiques électriques de TFTs. Cette influence est réduite en utilisant une très fine couche active. / This thesis focuses on the modeling of TFTs based on microcrystalline silicon fabricated at low temperature. The challenge is to produce a valid model of TFT which enable us to provide an explanation of the phenomena observed experimentally and that could be the basis for a compact model. Firstly, an experimental study, in which it is shown the beneficial effect for the use of thin active layers for TFTs, has been performed. Indeed, the TFTs performances are better, when their active layers are more thin. The columnar growth of microcrystalline silicon structure and the bad interfaces state for thick active layer have an important part in the deterioration of the quality of TFTs. Thereafter , a simulation (on SILVACO ) of the behavior of TFTs with active layers of different thicknesses were made to try to provide electrostatic explanations. The same effects are caused mainly by an increase of the lateral electric field when the thickness of the active layer decreases for a defective material, promoting thereby the rapid formation of the channel. The bad quality of the front and rear interfaces has also a strong influence on the deterioration of electrical characteristics of TFTs. This influence is reduced by using a very thin active layer.

Ce mémoire de thèse est réalisé dans le cadre du Projet International Linear Collider. Il porte sur l'étude d'un prototype de calorimètre électromagnétique auprès de la collaboration internationale CALICE. Le prototype a été soumis à plusieurs reprises à des faisceaux test au CERN, à DESY et à FNAL. L'auteur présente deux sujets d'études: une partie d'instrumentation concernant la résolution d'un problème des événements carrés découvert lors des prises des données en 2006 au CERN. Afin d'en expliquer l'origine et résoudre le problème dû à une phénomène de diaphonie entre les pixels périphériques et le guard ring qui entoure le capteur, deux études ont été faites: une étude de simulation en utilisant SILVACO et l'autre avec un banc test pour étudier plusieurs types de capteurs. La deuxième partie de cette thèse est une étude physique concernant l'identification des photons (électrons) en utilisant des estimateurs qui sont liés aux paramètres de la forme de la gerbe électromagnétique. Des données Monte Carlo ont été utilisés pour élaborer ces estimateurs, ensuite les utiliser pour des données réelles.

abstract: Self-heating degrades the performance of devices in advanced technology nodes. Understanding of self-heating effects is necessary to improve device performance. Heat generation in these devices occurs at nanometer scales but heat transfer is a microscopic phenomena. Hence a multi-scale modeling approach is required to study the self-heating effects. A state of the art Monte Carlo device simulator and the commercially available Giga 3D tool from Silvaco are used in our study to understand the self heating effects. The Monte Carlo device simulator solves the electrical transport and heat generation for nanometer length scales accurately while the Giga 3D tool solves for thermal transport over micrometer length scales. The approach used is to understand the self-heating effects in a test device structure, composed of a heater and a sensor, fabricated and characterized by IMEC. The heater is the Device Under Test(DUT) and the sensor is used as a probe. Therefore, the heater is biased in the saturation region and the sensor is biased in the sub-threshold regime. Both are planar MOSFETs of gate length equal to 22 nm. The simulated I-V characteristics of the sensor match with the experimental behavior at lower applied drain voltages but differ at higher applied biases. The self-heating model assumes that the heat transport within the device follows Energy Balance model which may not be accurate. To properly study heat transport within the device, a state of the art Monte Carlo device simulator is necessary. In this regard, the Phonon Monte Carlo(PMC) simulator is developed. Phonons are treated as quasi particles that carry heat energy. Like electrons, phonons obey a corresponding Boltzmann Transport Equation(BTE) which can be used to study their transport. The direct solution of the BTE for phonons is possible, but it is difficult to incorporate all scattering mechanisms. In the Monte Carlo based solution method, it is easier to incorporate different relevant scattering mechanisms. Although the Monte Carlo method is computationally intensive, it provides good insight into the physical nature of the transport problem. Hence Monte Carlo based techniques are used in the present work for studying phonon transport. Monte Carlo simulations require calculating the scattering rates for different scattering processes. In the present work, scattering rates for three phonon interactions are calculated from different approaches presented in the literature. Optical phonons are also included in the transport problem. Finally, the temperature dependence of thermal conductivity for silicon is calculated in the range from 100K to 900K and is compared to available experimental data. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Electrical Engineering 2016

abstract: Light Emitting Diodes even with their longer life, robust build and low power consumption, they are still plagued by some problems the most significant of which are the current droop and thermal droop. Current droop causes a lowering in the Internal Quantum Efficiency with increased current injection while thermal droop lowers the whole Internal Quantum Efficiency curve with increase in temperature. The focus here was understanding effects of thermal droop and develop a method to control it. Shockley Read Hall recombination plays a dominant role in the thermal droop effect when the current injection is low. Since the blue light emitting diode is based on Gallium Nitride, we need to take into consideration the effect of piezoelectric polarization in the quantum wells. The effects of the piezoelectric fields were studied based on the Gallium Nitride plane orientations. It was found in a Gallium Nitride light emitting diodes simulation study that more the number of quantum wells, lower would be the Radiative recombination rate. The problem of exacerbated spatial separation of electron hole wavefunctions in a thick single quantum well structure lead to the development of a dual well structure where one well assisted the other during high temperature operations. The Electron Blocking Layer was reduced in thickness and was made only 10 nm thick with a 5 nm Gallium Nitride buffer between it and the active region wells. The main reason for reducing the electron blocking layer thickness was to reduce the valance band offset and improve hole transport into the active region. Three different dual well designs were simulated of 3nm, 6nm and 9nm wide wells. The output parameters like the Power Spectral Density, Electron bound density, Light Output Power and Electron-Hole wavefunction overlaps were calculated. It was found that one of the wells acted as an assisting well where it had very little radiative recombination activity in it at room temperature. As the temperature increased, it was observed that the electrons in the main well started to overflow out of it and into the assisting well where the radiative recombination rate increased significantly. This lead to a boost in Internal Quantum Efficiency. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Electrical Engineering 2017

Parmi les nitrures III-V, le matériau InGaN a été intensément étudié depuis les années 2000 pour des applications photovoltaïques, en particulier pour des cellules multi-jonctions, grâce à son large gap modulable pouvant couvrir quasiment tout le spectre solaire. On pourrait alors atteindre de hauts rendements tout en assurant de bas coûts. Cependant, l’un des problèmes de l’InGaN est l’absence de substrat accordé en maille provoquant une grande densité de défauts et limitant ainsi les performances des composants. Nous avons donc étudié la faisabilité de cellules solaires simples jonctions à base d’InGaN sur des substrats alternatifs comme le silicium et le verre afin de baisser les coûts et d’avoir de larges applications. Afin d’adapter l’InGaN sur ces substrats alternatifs, nous avons utilisé une couche tampon en ZnO. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet ANR NewPVonGlass. Plus particulièrement, dans ce projet, mon travail avait pour objectifs de réaliser des caractérisations électriques et optiques des matériaux et des composants. Les deux premières parties de cette thèse introduisent le matériau InGaN et l’effet photovoltaïque. Les techniques de caractérisation utilisées sont expliquées dans le troisième chapitre. Ensuite, les résultats obtenus lors de la caractérisation cristalline du matériau InGaN sont présentés en fonction du substrat, de la concentration d’indium et de l’épaisseur de la couche. Puis, la cinquième partie développe les caractérisations des premières cellules à base d’InGaN sur saphir. Enfin, dans le dernier chapitre, des simulations de cellules solaires à base d’InGaN ont été réalisées. Le modèle développé nous a permis d’optimiser la structure et le dopage du composant et de déterminer les paramètres critiques. Nous montrons donc, dans ce travail, le développement d’une cellule solaire à base d’InGaN : des caractérisations des matériaux de base à celles des cellules solaires, en passant par la modélisation. / Among III-V nitrides, the InGaN material has intensively been studied since the year 2000 for photovoltaic applications, in particular for multi-junction solar cells, thanks to its large tunable band gap covering almost the entire solar spectrum. Then, it will be possible to reach high efficiency and low cost. However, one of the problems of InGaN material is the absence of lattice-matched substrate leading to high defect density which limits device performances. We have thus studied the feasibility of single junction InGaN based solar cells on alternative substrate such as silicon and glass in order to lower the price and to benefit from their wide application fields. To adapt InGaN material on these new substrates, we have utilized ZnO buffer layer. This work has been carried out within the framework of the ANR project NewPVonGlass. More particularly, in this project, I was in charge of the electrical and optical characterizations of the materials and devices. In the two first parts of this manuscript, the InGaN material and the photovoltaic effect are introduced. Then, the characterization techniques are explained in the third chapter. In the fourth part, the results obtained during crystalline characterization of the InGaN materials are presented depending on the substrate, the indium percentage and the InGaN layer thickness. Then, the fifth chapter presents the first InGaN-based solar cell characteristics on sapphire substrate. Finally, in the last part, simulations of InGaN-based solar cell have been performed. The developed model was able to optimize the structure and to determine the critical parameters. Thus, we have shown in this work the development of an InGaN-based solar cell from the base material characterizations to the device tests, through modeling.