TY - THES A1 - Xiao, Ting T1 - X-ray spectroscopic study of heterostructure contacting schemes for optoelectronic devices T1 - Röntgenspektroskopische Untersuchung von Heterostruktur-Kontaktschemata für optoelektronische Bauelemente N2 - Annealing-induced solid phase crystallization of In₂O₃:H leads to a significantly improved electron mobility, which is confirmed by Hall measurements. Indium hydroxide dehydroxylation occurs in In₂O₃:H during annealing, which is well responsible for the structural transformation and a high electron mobility with a decreased carrier concentration in crystallized In₂O₃:H. A significant decrease in the intensity of occupied gap states is observed in crystallized In₂O₃:H, possibly due to a decrease in carrier concentration. Doped In₂O₃ variants have been found to have a quite deeper allowed transition level below the valence-band edge than undoped In₂O₃, which in particular applies to crystallized In₂O₃:H, but most likely attributed to a change of the crystal structure upon annealing and/or a different O 2p-In 4d coupling near the VBM compared to amorphous In₂O₃:H. To well understand the interface properties of Ag/In₂O₃:H upon annealing, a thin Ag film was grown on the In₂O₃:H substrate and annealed in vacuum up to 300 °C. During annealing, the potential Ag diffusion into the bulk In₂O₃:H and/or a change of an annealing-induced Ag topography (i.e., cluster formation) occurs, with a small Ag oxidation (i.e., Ag₂O and AgO). With Ag deposition, an initial downward band bending of (0.11±0.05) eV was present in In₂O₃:H, attributed to a Schottky contact formed at the Ag/In₂O₃:H interface. Upon annealing, the downward band bending reduces gradually, and the Schottky-barrier height at the Ag/In₂O₃:H interface also decreases. A thickness series of the individual materials on the respective “substrate” (i.e., MnS/Si, GaN/MnS, and ZnO/GaN) was epitaxially grown on Si (100) wafer, and the interfacial chemistry and energy-level alignment at the respective interfaces are examined using photoelectron spectroscopy. At the MnS/Si interface, an interface-induced band bending (IIBB) appears in Si, which of values are found to be (0.15±0.07) and (0.23±0.07) eV for 4 and 15 nm MnS/Si stacks, respectively. The MnS/Si heterointerface shows a type-II (staggered) band lineup with a VBO of (-0.37±0.10) eV and the corresponding CBO of (2.27±0.10) eV. For the GaN/MnS interface, a significant diffusion of Mn into the GaN layer takes place during GaN deposition. In addition, an interface-induced band bending (IIBB) by ~0.30 eV is observed in MnS. The GaN/MnS interface shows a type-II (staggered) band lineup with a VBO of (1.46±0.10) eV and the corresponding CBO of (-1.09±0.10) eV. At the ZnO/GaN interface, a significant N diffusion from GaN into ZsnO takes place, i.e., Zn-N bonds, when ZnO is grown on the GaN layer. Also, an interfacial oxide (GaOx) layer was formed during ZnO deposited on GaN films. The ZnO/GaN heterointerface shows a type-II (staggered) band lineup with a VBO of (2.48±0.10) eV and the corresponding CBO of (-2.50±0.10) eV, respectively. N2 - Durch Tempern der Festphasenkristallisation von In₂O₃:H kann die Elektronenmobilität deutlich erhöht werden, welches auch mittels Hall-Messungen belegt werden kann. Indiumhydroxid-Dehydroxylierung tritt in In₂O₃:H während des Temperns auf, welche für den Strukturwandel und einer hohen Elektronenbeweglichkeit mit einer verringerten Ladungsträgerkonzentration in kristallisiertem In₂O₃:H verantwortlich ist. In kristallisiertem In₂O₃:H wird eine signifikante Abnahme in der Intensität der besetzten Zustände in der Bandlücke beobachtet, möglicherweise aufgrund einer Abnahme in der Ladungsträgerkonzentration. Für dotierte In₂O₃-Varianten wurde ein tieferer, unterhalb der Valenzbandkante liegernder erlaubter Übergang als für undotiertes In₂O₃ gefunden. Dies gilt insbesondere für kristallisiertes In₂O₃:H, welches höchstwahrscheinlich auf eine Änderung der Kristallstruktur beim Tempern und/oder unterschiedliche O 2p-In 4d-Kopplungen in der Nähe der VBM, im Vergleich zu amorphem In₂O₃:H, zurückzuführen ist. Um die Grenzflächeneigenschaften von Ag/In₂O₃:H beim Tempern gut zu verstehen, wurde ein dünner Ag-Film auf dem In₂O₃:H-Substrat gezüchtet und im Vakuum auf bis zu 300 °C geheizt. Durch Tempern, kann eine potenzielle Ag-Diffusion in den Bulk-In₂O₃:H und/oder eine Änderung einer Temper-induzierten Ag-Topographie (i.e., Clusterbildung) mit geringer Ag-Oxidation (i.e., Ag₂O und AgO), auftreten. Bei der Ag-Auftragung war in In₂O₃:H eine anfängliche abwärts gerichtete Bandkrümmung von (0.11±0.05) eV vorhanden, die einem an der Ag/In₂O₃:H-Grenzfläche gebildeten Schottky-Kontakt zugeschrieben wird. Beim Tempern nimmt die Abwärtsbandkrümmung allmählich ab, ebenso wie die Höhe der Schottky-Barriere an der Ag/In₂O₃:H-Grenzfläche. Eine Schichtdickenserie der einzelnen Materialien auf dem jeweiligen „Substrat“ (z.B., MnS/Si, GaN/MnS und ZnO/GaN) wird epitaktisch auf Si (100)-Wafer aufgewachsen, an welchen anschließend die Grenzflächenchemie und Energieniveauanpassung an den jeweiligen Grenzflächen mit Photoelektronenspektroskopie untersucht wird. Die MnS/Si-Hetero-Grenzfläche zeigt eine Typ-II (versetzte) Bandausrichtung mit einem VBO von (-0.37±0.10) eV und dem entsprechenden CBO von (2.27±0.10) eV. Bei der GaN/MnS-Grenzfläche tritt während der GaN-Abscheidung eine signifikante Diffusion von Mn in die GaN-Schicht auf, mit einer Typ-II (versetzten) Bandausrichtung mit einem VBO von (1.46±0.10) eV und dem entsprechenden CBO von (-1.09±0.10) eV. An der ZnO/GaN-Grenzfläche wurde herausgefunden, dass eine signifikante N-Diffusion von GaN in ZnO stattfindet, mit einer Typ-II (versetzten) Bandenausrichtung mit einem VBO von (2.48±0.10) eV und dem entsprechenden CBO von (-2.50±0.10) eV. KW - Optoelectronic Devices KW - Heterostructure KW - Transparent Conducting Oxides (TCOs) KW - Photoelectron Spectroscopy KW - GaN KW - Transparente leitende Oxide (TCOs), KW - Photoelektronenspektroskopie KW - In₂O₃ KW - Heterostruktur KW - Optoelektronische Bauelemente KW - Heterostruktur KW - Transparent-leitendes Oxid KW - Optoelektronisches Bauelement KW - Photoelektronenspektroskopie Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-49391 ER - TY - THES A1 - Racec, Paul Nicolae T1 - Transport phenomena and capacitance of open quantum semiconductor nanostructures N2 - We consider semiconductor devices at very low temperatures, composed of a mesoscopic quantum structure (QS) constituting the active region contacted by ideal probes with infinite conductivity. The coherent transport through the QS is described in the Landauer-Büttiker formalism. We perform self-consistent calculations for the electron density in the QS. We present a capacitance model that takes into account the openness of the QS and the existence of finite contacts embedding the system. For single-barrier tunnelling structures, we present the implicit connection between the capacitance and the conductance. For a field induced two-dimensional electron gas in a special GaAs/AlxGa1-xAs heterostructure we present a detailed analysis of the coupling to the contact reservoir. Excellent quantitative agreement in the C-V characteristic is obtained. It is also analized the conductivity of systems with confinement in more dimensions. N2 - Wir betrachten Halbleiterbauelemente bei sehr tiefen Temperaturen, bestehend aus eine mesoskopische Quantenstruktur(QS), welche die aktive Region festlegt und Kontakte, die als ideale Metalle angesehen sind. Der Transport durch QS wird im Landauer-Büttiker Formalismus beschrieben. Wir führen selbstkonsistente Rechnungen für die Elektronendichte in QS durch. Wir stellen ein Kapazitätsmodell vor, das die Offenheit der QS und das Bestehen der begrenzten Kontakte, die das System einbetten, berücksichtigt. Für die Strukturen mit einer Tunnelbarriere stellen wir die implizite Verbindung zwischen der Kapazität und der Leitfähigkeit vor. Für das feldinduzierte zweidimensionale Elektronengas in einer speziellen GaAs/AlxGa1-xAs Heterostruktur, stellen wir eine ausführliche Analyse der Wechselwirkung zwischen der QS und dem Kontakt vor. Ausgezeichnete quantitative Übereinstimmung in der C-V Kurve wurde bekommen. Es wird auch die Leitfähigkeit für Systeme, die Beschränkungen in mehreren Dimensionen zeigen, beschrieben. KW - Galliumarsenid KW - Heterostruktur KW - Elektronischer Transport KW - Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie KW - S-Matrix KW - Semiconductor nanostructures KW - Transport KW - Open systems KW - Resonance theory KW - Capacitance Y1 - 2002 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-000000211 ER - TY - THES A1 - Skibitzki, Oliver T1 - Material Science for high performance SiGe HBTs : Solid-Phase Epitaxy and III-V/SiGe hybrid approaches T1 - Materialwissenschaft für Hochleistungs-SiGe HBTs : Festphasenepitaxie- und III-V/SiGe Hybridansätze N2 - The complexity of today´s microelectronic circuitry is not only driven by complementary metal oxide semiconductor (CMOS) scaling, but also by integration of high performance modules for various applications (e.g. wireless and broadband communication systems). These mixed signal circuitries are build up by combining digital CMOS technology with analog SiGe:C hetero-bipolar transistors (HBT) known as SiGe:C BiCMOS technology. State-of-the-art SiGe:C BiCMOS technologies achieve up to the 500 GHz. Nevertheless, Si as semiconductor material is approaching more and more its physical limits, whereby novel approaches have to be found to ensure the future development of SiGe:C HBT BiCMOS technology in order to push the maximum frequency further into the Terahertz regime. Based on this task, two novel material science strategies are investigated in this Ph.D. thesis in terms of material growth and defect studies: A.) Solid-phase epitaxy (SPE) for emitter and base resistivity: This technique has been investigated for local engineering of crystallinity in emitter and base layer of already established SiGe:C HBT technology in order to improve the speed performance. By introducing disilane as new gas source with respect to standard used silane, it is possible to reduce the CVD growth temperature for Si, enabling the differential growth of epitaxial-Si (epi-Si) on Si and amorphous Si (a-Si) on the SiO2 and Si3N4 masks. The so produced requirement for SPE treatments is evaluated for two possible areas of application: A1.) Emitter region and A2.) Base region. In both cases, SPE techniques are applied to change the standard polycrystalline-Si (poly-Si) emitter and base link area on the SiO2 and Si3N4 masks to a fully epi-Si area in order to lower emitter and base resistivity, respectively. B.) III-V/SiGe hybrid device: The ternary compound semiconductor In1-xGaxP [x=0–1] is introduced as potential new collector material as part of an III-V/SiGe hybrid HBT device. With InP having a three times higher saturation velocity, and GaP having a two times bigger bandgap than Si, this approach offers the possibility to adjust speed and power performance of HBTs in a flexible way as a function of the In1-xGaxP collector chemical composition x. The material growth and defect studies in this Ph.D. thesis produced insights, which lead to the following results for future device application: A1.) SPE for emitter region: After investigating the temperature, time and doping concentration dependence on lateral SPE length of in-situ annealed As-doped epi-Si/a-Si test structures, it was possible to crystallize up to 500 nm of a-Si on SiO2 and Si3N4 masks to epi-Si with low defect densities by a combination of 575 °C and 1000 °C postannealing. A2.) SPE for base region: After studying the dependence of time, temperature, thickness, SiO2-capping and Ge incorporation on lateral SPE length of in-situ annealed undoped epi-Si/a-Si test structures, it was possible to crystallize up to 450 nm of SiO2-capped undoped a-Si on SiO2 mask to low-defective epi-Si by 570 °C postannealing. Finally, this technique is applied in a SiGe:C base model structure in order to show the possibility to widen the monocrystalline region around the bipolar window, which results in a possibly improved base resistivity. B.) GaP/Si0.8Ge0.2/Si(001) heterostructure: For pseudomorphic GaP/Si0.8Ge0.2/Si(001) heterostructure growth, the critical thickness of GaP on Si and maximum thermal budget for GaP deposition is evaluated. A detailed structure and defect characterization study by XRD, AFM, and TEM is reported on single crystalline 170 nm GaP/20 nm Si0.8Ge0.2/Si(001) heterostructure. Results show that 20 nm Si0.8Ge0.2 on Si(001) can be overgrown by 170 nm GaP without affecting the pseudomorphism of the Si0.8Ge0.2/Si(001) systems. The GaP layer grows however partially relaxed, mainly due to defect nucleation at the GaP/Si0.8Ge0.2 interface during initial island coalescence. The achievement of 2D GaP growth conditions on Si0.8Ge0.2/Si(001) systems is thus a crucial step for achieving fully pseudomorphic heterostructures. Anti-phase domain-free GaP growth is observed for film thicknesses beyond 70 nm. In addition, no detrimental impurity diffusion could be found in the GaP/Si0.8Ge0.2/Si(001) heterostructure. Finally, it is to mention that further investigation and efforts are still needed to push these new approaches to full integration into SiGe:C HBT BiCMOS technology concepts: A.) For SPE application: Electrical studies are needed in frame of full processed devices to evaluate the value and required modifications for process integration. B.) For III-V/SiGe hybrid device: Future work has to focus on improved 2D GaP layer conditions (before introducing InP) in order to prepare truly pseudomorphic GaP/Si0.8Ge0.2/Si(001) heterostructures with low defect densities. For this purpose, selective GaP growth studies in local HBT Si0.8Ge0.2/Si(001) mesa structures are the next step. N2 - Die Komplexität heutiger mikroelektronischer Schaltungen wird nicht ausschließlich von der CMOS-Skalierung vorangetrieben, sondern wird ergänzt durch Integration von Hochleistungsmodule für verschiedene Anwendungen (z.B. für drahtlose und Breitband-Kommunikationssysteme), welche durch die Kombination von digitaler CMOS- mit analoger SiGe:C HBT-Technologie (auch bekannt als SiGe:C BiCMOS –Technologie) aufgebaut werden und heute bis zu 500 GHz erreichen. Da allerdings Si als Halbleitermaterial langsam an seine physikalischen Grenzen stößt, müssen neue Ansätze gefunden werden, um eine weitere Entwicklung der SiGe:C HBT BiCMOS-Technologie in Richtung Terahertz-Regime zu gewährleisten. Basierend auf dieser Aufgabe werden zwei neuartige Materialstrategien im Rahmen dieser Doktorarbeit in Form von Materialwachstums- und Defektstudien untersucht: A.) Festphasenepitaxie (SPE): SPE gestattet das lokale Verändern der Kristallinität in Emitter- und Basisschichten von bereits etablierten SiGe:C HBT-Technologien zur Geschwindigkeitsverbesserung. Die Einführung von Disilan anstatt Silan als Prozessgas ermöglicht die Senkung der CVD-Wachstumstemperatur für Si, wodurch ein differentielles Wachstum von epi-Si auf Si und a-Si auf SiO2- und Si3N4-Masken erfolgt. Diese Voraussetzung zur SPE-Anwendung wird an zwei möglichen Anwendungsbereichen evaluiert: A1.) Emitterbereich und A2.) Basisbereich. In beiden Fällen wird die SPE angewendet, um die standardmäßig poly-Si-Bereiche auf den SiO2- und Si3N4-Masken in epi-Si umzuwandeln, und so den Emitter- bzw. Basiswiderstand zu senken. B.) III-V/SiGe Hybridbauteil: Der ternäre Verbindungshalbleiter In1-xGaxP [x=0–1] wird als potentielles neues Kollektormaterial im Rahmen eines III-V/SiGe Hybridansatzes eingeführt. Mit InP, welches eine dreimal höhere Sättigungsgeschwindigkeit, und GaP, welches ein zweimal größere Bandlücke als Si hat, bietet dieser Ansatz die Möglichkeit, Geschwindigkeit und Leistung des HBTs flexibel als Funktion der chemischen Zusammensetzung x des In1-xGaxP anzupassen. Die Materialwachstums- und Defektstudien in dieser Doktorarbeit erbrachten folgende Ergebnisse: A1.) SPE für den Emitterbereich: Nach der Untersuchung der Temperatur-, Zeit- und Dotierungskonzentrationsabhängigkeit auf die laterale SPE-Länge von in-situ getemperten, As-dotierten epi-Si/a-Si-Teststrukturen war es möglich, 500 nm a-Si auf den SiO2- und Si3N4-Masken zu epi-Si mit geringen Defektdichten zu kristallisieren, indem man eine Temperkombination aus 575 °C und 1000 °C verwendete. A2.) SPE für den Basisbereich: Nach dem Studium der Zeit-, Temperatur-, Dicken-, SiO2-Bedeckungs- und Ge-Einlagerungsabhängigkeit auf die L-SPE-Länge von in-situ getemperten, nicht dotierten epi-Si/a-Si-Teststrukturen war es möglich, bis zu 450 nm des SiO2-bedeckten, undotierten a-Si auf der SiO2-Maske zu epi-Si mit geringen Defektdichten zu kristallisieren, indem man eine Temperung bei 570 °C verwendete. Abschließend wurde mittels einer SiGe:C Basis-Modellstruktur gezeigt, dass SPE die Möglichkeit bietet, den einkristallinen Bereich um das Bipolar-Fenster zu erweitern, was zu einer Basis-Widerstandesverbesserung führen kann. B.) GaP/Si0.8Ge0.2/Si(001) Hetero-Struktur: Fürs pseudomorphe GaP/Si0.8Ge0.2/Si(001) Hetero-Strukturwachstum wurde die kritische GaP-Schichtdicke auf Si und das maximale thermale Budget für die GaP-Beschichtung ermittelt. Eine einkristalline 170 nm GaP/20 nm Si0.8Ge0.2/Si(001) Hetero-Struktur wird in Bezug auf Struktur und Defekte durch XRD, AFM und TEM charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass 20 nm Si0.8Ge0.2/Si(001) mit 170 nm GaP überwachsen werden kann, ohne den Pseudomorphismus des Si0.8Ge0.2/Si(001)-Systems zu beeinflussen. Jedoch kommt es durch Zusammenwachsen der anfänglichen GaP-Inseln zu Defektnukleation an der GaP/Si0.8Ge0.2-Grenzschicht, wodurch GaP teilweise relaxiert aufwächst. Daher bildet das erfolgreiche 2D GaP-Wachstum auf Si0.8Ge0.2/Si(001)-Systemen den entscheidenden Schritt, um eine völlig pseudomorphe Hetero-Struktur zu bilden. Des Weiteren konnte die Abwesenheit von Anti-Phasen-Domänen ab einer GaP-Schichtdicke von 70 nm und keine schädliche Diffusion innerhalb der GaP/Si0.8Ge0.2/Si(001) Hetero-Struktur beobachtet werden. Abschließend ist zu erwähnen, dass weitere Untersuchungen und Anstrengungen unternommen werden müssen, um diese neuen Ansätze in die SiGe:C HBT BiCMOS-Technologie einzubinden: A.) Für SPE-Anwendungen: Elektrische Studien an einem voll prozessierten Bauteil werden benötigt, um den Wert für die Prozessintegration zu bewerten. B.) III-V/SiGe Hybridbauteil: Zukünftige Arbeiten müssen sich (bevor man InP hinzufügt) auf die Verbesserung der 2D GaP-Schichtnukleation fokussieren, um eine wirklich pseudomorphe GaP/Si0.8Ge0.2/Si(001) Hetero-Struktur mit geringen Defektdichten herzustellen. Hierzu sind selektive GaP-Wachstumsstudien in lokalen Si0.8Ge0.2/Si(001) Mesa-Strukturen der nächste Schritt. KW - Halbleiter KW - Epitaxie KW - Heterostruktur KW - Hetero-bipolar-Transistor KW - Festphasenepitaxie KW - III-V/SiGe Hybridbauteil KW - Materialwissenschaft KW - Halbleiterphysik KW - Heterojunction bipolar transistor KW - Solid-Phase Epitaxy KW - III-V/SiGe hybrid device KW - Material science KW - Semiconductor physics Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-29333 ER - TY - THES A1 - Racec, Elena Roxana T1 - Electrons and optical phonons in mesoscopic semiconductor heterostructures N2 - We analyze here some electron properties and lattice dynamics in semiconductor heterostructures, pointing out the dramatic changes relative to the bulk properties due to the existence of the interfaces in these systems. The first part of the study is devoted to the electron scattering phenomena in noninteracting open systems and to the transport properties described in the Landauer-Büttiker formalism. We develop a resonant theory of transport and apply it first to the conductance through a quantum dot embedded in a quantum wire and second to the capacitance of a two dimensional electron gas formed in a MIS-type semiconductor heterostructure. In the second part of the study we illustrate the four major new features of the optical phonon spectra in a strained semiconductor heterostructure in contrast to an unstrained one. The results are particularized for double heterostructures InP/GaAs/InP grown on the faces (001) and (111) of the substrate. N2 - In dieser Arbeit werden Elektroneneigenschaften und Gitterdynamik in Halbleiterheterostrukturen analysiert und die drastischen Änderungen im Verhältnis zu den Volumeneigenschaften hervorhoben, die durch die Heteroübergänge in diesen Systemen verursacht werden. Im ersten Teil der Studie werden im Landauer-Büttiker Formalismus die Elektron Streuphänomene und die Transporteigenschaften in wechselwirkungsfreien Systemen untersucht Wir entwickeln eine Theorie des resonanten Transportes und wenden sie zunächst an, um die Leitfähigkeit eines Quantenpunktes, der in einem Quantendraht eingebetet ist, zu beschreiben. Die zweite Anwendung ist die Analyse der Kapazität eines zweidimensionalen Elektrongases, das in einer MIS-artigen Halbleiterheterostruktur gebildet wird. Im zweiten Teil der Studie werden die vier neuen Eigenschaften der optischen Phononenspektren in einer verspannten Heterostruktur im Vergleich zu einem unverspannten System gezeigt. Die Ergebnisse werden für Heterostrukturen InP/GaAs/InP partikularisiert. KW - Halbleiter KW - Mesoskopisches System KW - Heterostruktur KW - Elektron KW - Optisches Phonon KW - Semiconductor nanostructures KW - Transport KW - Open systems KW - Resonance theory KW - Electron-optical phonon interaction Y1 - 2002 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-000000220 ER -