TY - THES A1 - Mahmoodinezhad, Ali T1 - Atomic layer deposition and characterization of metal oxide thin films T1 - Atomlagenabscheidung und Charakterisierung von Metalloxid-Dünnfilmen N2 - This thesis describes low temperature growth of wide band gap metal oxide thin films deposited by thermal (T-) and plasma-enhanced (PE-) atomic layer deposition (ALD) techniques in which high quality materials are grown with atomic level precision. Metal oxides are extensively investigated due to their exceptional physical and chemical properties, including relatively wide band gap, high dielectric constant and high thermal stability. This variety of properties results in a wide range of different applications. Thin films of indium oxide (InOx), gallium oxide (GaOx), zinc oxide (ZnOx), and quaternary InOx/GaOx/ZnOx (IGZO), in addition to the well-known aluminum oxide (AlOx), and the catalyst cerium oxide (CeOx), have proven to be superior candidates for many applications; from microelectronics and optoelectronics to gas sensor devices. The demanding requirements of low-temperature deposition processes for thermal sensitive substrates, which include high layer homogeneity and conformality over large areas, makes ALD a pioneer deposition technique. Although many oxides have been grown by TALD and PEALD, the deposition of wide band gap oxides at low temperatures are rarely reported and/or being investigated. In this work, the deposition method of the individual binary oxide films and combining the respective binary processes into the developed super-cycle growth of quaternary compound have been investigated at relatively low-temperatures by TALD and PEALD. Besides, the growth characteristics and chemical properties of the deposited films were evaluated by in-situ and ex-situ characterization techniques such as spectroscopic ellipsometry (SE) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), where the influence of ALD process parameters on the growth mechanism and films composition are discussed in detail for any potential applications. N2 - Diese Dissertation beschreibt das Tieftemperaturwachstum von Metalloxid-Dünnfilmen mit breiter Bandlücke, die durch thermische (T-) und plasmaunterstützte (PE-) Atomlagenabscheidungstechniken (ALD) abgeschieden werden, bei denen hochwertige Materialien mit atomarer Präzision aufgewachsen werden. Metalloxide werden aufgrund ihrer außergewöhnlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften, einschließlich einer relativ großen Bandlücke, einer hohen Dielektrizitätskonstante und einer hohen thermischen Stabilität, ausführlich untersucht. Aus dieser Vielfalt an Eigenschaften ergibt sich ein breites Spektrum an unterschiedlichen Anwendungen. Dünnfilme aus Indiumoxid (InOx), Galliumoxid (GaOx), Zinkoxid (ZnOx) und quaternärem InOx/GaOx/ZnOx (IGZO), zusätzlich zu dem wohlbekannten Aluminiumoxid (AlOx) und dem Katalysator Ceroxid (CeOx), haben sich für viele Anwendungen als ausgezeichnete Kandidaten erwiesen; von der Mikroelektronik und Optoelektronik bis hin zu Gassensorgeräten. Die anspruchsvollen Anforderungen von Niedertemperatur-Abscheidungsprozessen für thermisch empfindliche Substrate, zu denen eine hohe Schichthomogenität und -konformität über große Flächen gehören, machen ALD zu einer bahnbrechenden Abscheidungstechnik. Obwohl viele Oxide durch TALD und PEALD gezüchtet wurden, wird die Abscheidung von Oxiden mit breiter Bandlücke bei niedrigen Temperaturen selten berichtet oder untersucht. In dieser Arbeit wurden das Abscheidungsverfahren der einzelnen binären Oxidfilme und die Kombination der jeweiligen binären Prozesse zu dem entwickelten Superzyklus-Wachstum der quaternären Verbindung bei relativ niedrigen Temperaturen durch TALD und PEALD untersucht. Außerdem wurden die Wachstumseigenschaften und chemischen Eigenschaften der abgeschiedenen Filme durch In-situ- und Ex-situ-Charakterisierungstechniken wie spektroskopische Ellipsometrie (SE) und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) bewertet. Dabei wurde der Einfluss von ALD-Prozessparametern auf den Wachstumsmechanismus und der Filmzusammensetzung im Detail für mögliche Anwendungen diskutiert. KW - Thermal atomic layer deposition KW - Plasma-enhanced atomic layer deposition KW - Indium gallium zinc oxide KW - Aluminum oxide KW - Cerium oxide KW - Thermische Atomlagenabscheidung KW - Plasmaunterstützte Atomlagenabscheidung KW - IGZO KW - AlOx KW - CeOx KW - Tieftemperatur KW - Atomlagenabscheidung KW - Beschichtung KW - Metallschicht KW - Dünne Schicht KW - Aluminiumoxide KW - Ceroxide KW - Indiumoxide Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-61343 ER - TY - THES A1 - Reichmann, Felix T1 - Germanium, Zinn und (Zink-) Galliumoxid für fortschrittliche Mikro- und Optoelektronik : Einblicke in die elektronische Struktur der Oberfläche mit Photoemissionstechniken T1 - Germanium, tin and (zinc) gallium oxide for advanced micro- and optoelectronics : insights into the surface electronic structure with photoemission techniques N2 - Historically, Ge is one of the oldest materials in the semiconductor industry and its (001) surface has been the subject of extensive investigations by photoelectron spectroscopy. I am going to challenge the predominant attribution of a semi-conducting nature of the Ge(001) surface in this thesis. My investigations reveal the presence of a Ge(001) surface state above the Fermi-level, occupied at room temperature. Employing time- and temperature-dependent angle-resolved photoelectron spectroscopy, I will demonstrate that the presence of this surface state is evidence for the conducting nature of the surface at room temperature. Sparked by the remarkable properties of the GeSn-alloy and a trend towards Ge-Sn-related multiquantum well fabrication, I investigate the surface electronic structure of Ge(001) after adsorption and incorporation of Sn. With an in-depth analysis of surface core-level shifts, I will extend the growth model of the Sn wetting layer formation by also detailing structural changes in the subsurface region. At the same time, the modifications of the electronic structure will be detailed, observing the removal of the Ge(001) surface states, the creation of a new, Sn-related surface state and the initial stages of the Schottky barrier formation. β-Ga₂O₃ a transparent semi-conducting oxide that has sparked a lot of interest over the last decade, because it offers an ultra-wide band gap and high break down voltage. However, due to its monoclinic crystal structure, device fabrication is rather challenging and researchers are already looking into alternative materials. One of these candidates is ϵ-Ga₂O₃ and this work presents a combined study by photoelectron spectroscopy and ab initio calculations of its electronic structure. (Hard) X-rays reveal the impact of photoelectron recoil and the absence of a band bending to the surface, while the dispersion of experimentally determined valence states compares favorably with the calculations based on hybrid density-functional theory. Another alternative to β-Ga₂O₃ be ZnGa₂O₄ and I will present an investigation on the electronic structure of its (100) surface. Due to the novelty of ZnGa₂O₄ single-crystals, I am first going to explore the preparation of a clean and well-ordered surface by standard in-situ sputtering and annealing. I will show that already low annealing temperatures induce Zn-deficiency, leading to non-stoichiometric surfaces, further exacerbated by sputtering. By changing the sputtering parameters and the annealing conditions, the preparation of a surface with sufficient quality for subsequent investigations will be demonstrated. The results by photoemission techniques compare favorably with the expectations from theory and allowing the first fundamental insights into the surface electronic structure. N2 - Ge ist eines der ältesten Materialien in der Geschichte der Halbleiter-Industrie und die Ge(001) Oberfläche wurde bereits umfassend durch Photoelektronenspektroskopie untersucht. Die dominierende Zuschreibung einer halbleitenden Eigenschaft der Oberfläche werde ich in dieser Dissertation anfechten. Meine Untersuchungen zeigen einen Ge(001) Oberflächenzustand oberhalb des Fermi-Niveaus, der bei Raumtemperatur besetzt ist. Durch zeit- und temperaturabhängige, winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie werde ich zeigen, dass die Beobachtung dieses Zustands der Beweis für die leitende Eigenschaft der Oberfläche, bei Raumtemperatur, ist. Inspiriert von den außergewöhnlichen Eigenschaften der GeSn-Legierung und einem Trend hin zu Ge-Sn-basierten Multi-Quantentopfstrukturen, werde ich die Modifizierung der Ge(001) Oberflächenbandstruktur nach Adsorption von Sn untersuchen. Mit einer detaillierten Analyse von Energie-Niveau-Verschiebungen, der inneren Elektronen der Oberflächenatome, werde ich das Modell des Sn-Wachstums auf der Ge (001) Oberfläche, um die darunter liegenden Schichten erweitern. Gleichzeitig werden Änderungen in der elektronischen Struktur gemessen. So kann die Entfernung von Ge(001) Oberflächenzuständen, die Entstehung eines neuen, Sn-basierten Oberflächenszustands und die ersten Stufen der Formation der Schottky-Barriere beobachtet werden. β-Ga₂O₃ ist ein transparentes halbeleitendes Oxid, welches im vergangenen Jahrzehnt dank seiner extrem breiten Bandlücke und hohen Durchbruchspannung großes Interesse geweckt hat. Jedoch ist die Herstellung von Bauteilen aufgrund der monoklinischen Kristallstruktur eine Herausforderung und Wissenschaftler suchen bereits nach alternativen Materialien. Ein möglicher Kandidat ist ϵ-Ga₂O₃ und in dieser Arbeit wird dessen elektronische Bandstruktur mit einer Kombination aus Photoelektronenspektroskopie und ab initio Berechnungen untersucht. (Harte) Röntgenstrahlung erlaubt die Beobachtung von Rückstoßeffekten der Photoelektronen und die Abwesenheit von Bandverbiegungen, während die Dispersionen der experimentell gemessenen Valenzbandzustände Berechnungen mit hybrid-density-functional-Theorie bestätigen. Eine andere Alternative zu β-Ga₂O₃ könnte ZnGa₂O₄ sein und ich werde eine Untersuchung der elektronischen Struktur, der (100)-Oberfläche präsentieren. Aufgrund die Neuartigkeit von ZnGa₂O₄-Einkristallen werde ich zuerst die Vorbereitung einer sauberen und kristallinen Oberfläche mittels in-situ Sputtern und Heizen untersuchen. Ich werde zeigen, dass es selbst bei niedrigen Heiztemperaturen zu Zn-Mangel in der Oberfläche kommt, welcher sich durch Sputtern verschlimmert. Durch das ändern der Sputterparameter und der Bedingungen beim Heizen, werde ich eine Oberfläche mit hinreichender Qualität für eine weitergehende Charakterisierung der elektronischen Struktur demonstrieren. Die Ergebnisse aus der Photoelektronenspektroskopie passen zu theoretischen Berechnungen der Bandstruktur und liefern somit die ersten Einsichten in die elektronische Struktur der Oberfläche. KW - Angle-resolved photoemission spectroscopy KW - X-ray photoelectron spectroscopy KW - Germanium-tin KW - Zinc gallium oxide KW - Surface science KW - ARPES KW - Gallium-Zink-Oxid KW - XPS KW - Halbleiteroberfläche KW - Bandstruktur KW - Elektronenstruktur KW - Germaniumverbindungen KW - Galliumverbindungen KW - ARPES KW - Röntgen-Photoelektronenspektroskopie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-62080 ER - TY - THES A1 - Akhtar, Fatima T1 - Graphene synthesis under Si-CMOS compatible conditions T1 - Graphen-Synthese unter Si-CMOS-kompatiblen Bedingungen N2 - Due to the unique electronic band structure, graphene has opened the great potential to extend the functionality of a large variety of graphene-based devices in health and environment, energy storage, or various microelectronic applications, to mention a few. At this point, the implementation of graphene into Silicon (Si) semiconductor technology is strongly dependent on several key challenges. Among them, high-quality and wafer-scale graphene synthesis on CMOS compatible substrates is of the highest importance. Though large-area graphene can be achieved on substrates like copper, platinum, silicon carbide, or single-crystal Ni, however, high growth temperatures, unavailability of large scale, or contamination issues are the main drawbacks of their usage. In this PhD work, 8-inch scale graphene synthesis is attempted on alternative substrates such as epitaxial Germanium on Si and polycrystalline Nickel on Si. To achieve the growth of the highest quality of graphene, this work focuses on the investigations of various nucleation and growth mechanisms, substrate–graphene interfaces, effects of different substrate orientations, and detailed microscopic and macroscopic characterization of the grown films. Finally, it should also be stressed that the experiments in this work were carried out in a standard BiCMOS pilot-line, making this study unique, as its results might directly pave the way to further graphene integration and graphene-based device prototyping in mainstream Si technologies. N2 - Durch seine einzigartige Bandstruktur hat Graphen ein großes Feld zur Erweiterung der Funktionalität graphenbasierter Bauelemente im Gesundheitswesens und der Umwelttechnologie, zur Speicherung von Energie, für neue Verbundstoffe und für mikroelektronischen Anwendungen, um nur Einige zu nennen, eröffnet. Gerade der Einsatz von Graphen in der siliziumbasierten Halbleitertechnologie hängt stark von einigen wesentlichen Voraussetzungen ab. Darunter ist die hohe Qualität der Abscheidung von Graphen auf CMOS-kompatiblen Substraten von größter Wichtigkeit und bisher noch nicht gelöst. Obwohl hochqualitatives Graphen auf Substraten wie Kupfer, Platin, Siliziumcarbid oder einkristallinem Nickel hergestellt werden kann, sind hohe Wachstumstemperaturen, großflächige Beschichtung oder Kontaminationen Hinderungsgründe für deren Einsatz. In der Promotionsarbeit wird die Graphenabscheidung auf alternative 200mm Substrate, wie einkristallinem Germanium auf Silizium und polykristallines Nickel auf Silizium untersucht. Um die beste Wachstumsqualität von Graphen zu erreichen, ist der Fokus dieser Arbeit auf verschiedene Nukleations- und Wachstumsmechanismen, auf Graphen-Substrat wechselwirkungen, Effekte verschiedener Substratorientierung sowie detaillierter mikroskopischer und makroskopischer Charakterisierung der gewachsenen Schicht gerichtet. Abschließend sollte erwähnt werden, dass diese Experimente in einer Standardpilotlinie (BiCMOS) durchgeführt wurden, um mit den Ergebnissen dieser Arbeit den Weg zur Graphenintegration und zu graphenbasierten prototypischen Bauelementen in die industrielle Silizium-technologie zu ebnen. KW - Graphene KW - Chemical vapor deposition KW - Growth KW - Oxidation KW - Germanium KW - Nickel KW - Graphen KW - CVD KW - Wachstum KW - Oxidation KW - Graphen KW - Keimbildung KW - Wachstum KW - CVD-Verfahren KW - Nickel KW - Germanium Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-59270 ER - TY - THES A1 - Yang, Penghui T1 - Impact of alkali treatments on the surface and interface properties of Chalcopyrite thin-film solar cell absorbers T1 - Der Einfluss von Alkalibehandlungen auf die Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften von Chalkopyrit-Dünnschicht-Solarzellabsorbern N2 - This thesis focuses on the investigation and characterization of the surfaces and interfaces of chalcopyrite-based Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) thin film solar cells using various x-ray and electron spectroscopies. In particular, the impact of alkali post deposition treatments (PDT) on the chemical and electronic surface and interface structure of CdS/CIGSe absorbers is studied. The structure of “real world” CdS/CIGSe interfaces and how they are impacted by different alkali PDTs was investigated by a combination of different x-ray spectroscopies. The interface formation is characterized by studying sample sets with different CdS thicknesses. The chemical environment for indium and cadmium is revealed by deriving the modified Auger parameter α'(In) and α'(Cd) using the kinetic energy of most prominent Auger line together with the binding energy of the chosen core level. A more complex situation is found for CdS/CIGSe samples that underwent NaF+KF PDT, where a K-In-Se compound is initially present on top of the chalcopyrite absorber. The conversion of the K-In-Se type species into a Cd-In-(O,OH,S,Se) interface compound is recorded at short CBD-CdS deposition times. It appears the majority of K that is present at the surface of the NaF+KF PDT CIGSe absorber is dissolved in the CBD and partially re-deposited as K-O type species. The Cd/S ratio clearly deviates from the stoichiometry expected for CdS, and a Cd(O,OH,S)-like compound is likely formed. The electronic structure of CdS/CIGSe interface is similarly more complex for the NaF+KF PDT compared to the NaF PDT case, where only Cd(O,OH,S) buffer was formed. In an attempt to shed more light into this complex situation, the impact of evaporated alkali metals (K, Rb, Cs) on the surface structure of CIGSe was studied in-system by synchrotron-based hard x- ray photoelectron spectroscopy (HAXPES), aiming at understanding the underlying mechanism of the interfacial effect of alkalis on the performance of CIGSe devices. In the case of K deposition, two K species are observed by x-ray absorption near-edge structure (XANES) and HAXPES, one of which species disappears at high annealing temperature. Furthermore, three new In contributions (In-O and K-In-Se, metallic In species) can be observed after K evaporation. The evolution of chemical contribution supports the formation of a K-In-Se and Cu-poor CIGSe (1:3:5) bilayer structure that is similar to what was reported for “real world” NaF+KF PDTs. Deposition of heavy alkali metals (Rb, Cs) induced the formation of alkali selenide phases after alkali evaporation and during low temperature annealing. Similar chemical changes as seen for the K composition (i.e. presence of metallic In, In-O, and alkali-O) are observed. However, detailed analysis of the Alk/Se ratio and composition provide direct evidence for the formation of a Alk-(In)-Se and (Cu,Alk)(In, Ga)Se2 bilayer. The insights from these studies promise to provide crucial aid to fully exploit alkali pre-treatments in scientific and industrial CIGSe production, and will deliberate use of this means of surface/interface tailoring to push efficiencies even further. N2 - Diese Dissertation konzentriert sich auf die Untersuchung und Charakterisierung der Ober- und Grenzflächen in Chalkopyrit-basierten Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) Dünnschicht-Solarzellen mit verschiedenen Röntgen- und Elektronenspektroskopien. Insbesondere werden die Auswirkungen von Alkali-Nachbehandlungen (post deposition treatments, PDT) auf die chemischen und elektronischen Oberflächen- und Grenzflächenstrukturen in CdS/CIGSe Schichtstapeln untersucht. Die Eigenschaften von “realen” CdS/CIGSe Grenzflächen und wie verschiedene Alkali-PDTs diese beeinflussen, wurde durch eine Kombination verschiedener Röntgenspektroskopien untersucht. Die Ausbildung der Grenzfläche wurde mittels einer CdS-Dickenserie untersucht. Die chemische Umgebung von Indium und Cadmium wurde durch die Betrachtung der modifizierten Auger-Parameter α'(In) und α'(Cd) identifiziert. Für CdS/CIGSe-Proben bei denen der CIGSe Absorber vor der CdS Abscheidung einer NaF+KF PDT unterzogen wurde finden wir eine komplizierte Grenzflächenstruktur. Die K-In-Se-Verbindung die sich durch das PDT zunächst auf dem Chalkopyritabsorber ausbildet wandelt sich in der Anfangsphase der CdS Abscheidung im chemischen Bad in eine Cd-In-(O,OH,S,Se) Grenzflächenverbindung um. Zudem scheint es, dass die Mehrheit des vorhandenen Kalium, sich im chemischen Bad löst und teilweise als K-O Verbindung wieder auf dem CIGSe Absorber abgelagert wird. Das Cd/S Verhältnis weicht deutlich von der für CdS erwarteten Stoichiometrie ab, und es bildet sich wahrscheinlich eine Cd(O,OH,S) ähnliche Verbindung für lange Abscheidezeiten aus. Die elektronische Struktur der CdS/CIGSe Grenzfläche ist für den NaF+KF PDT Fall ähnlich komplexer als im NaF PDT-Fall, wo wir quasi eine abrupte Grenzfläche zwischen Absorber und Cd(O,OH,S) Puffer finden. Um mehr Licht in diese komplexe Situation zu bringen, wurden entsprechende Modellsystem unterscucht. Hierfür wurden die Alkalimetalle (K, Rb, Cs) direkt auf die Oberflächenstruktur von CIGSe aufgedampft und im gleichen Vakuumsystem mittels synchrotron-basierter Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (HAXPES) untersucht. Nach der Abscheidung von Kalium konnten wir zwei K Spezies identifizieren, von denen eine bei hohen Temperaturen thermischer Nachbehandlung verschwindet. Darüber hinaus können drei neue In-Verbindungen (In-O und K-In-Se, metallisches In) nach der Abscheidung von K beobachtet werden. Die Entwicklung der chemischen Struktur mit höher werdenden Temperaturen während der thermischen Nachbehandlung unterstützt das Bild einer K-In-Se/Cu-arme CIGSe (1:3:5) Doppelschicht-Struktur – ist also ganz ähnlich was für “reale” NaF+KF PDT CIGSe Proben berichtet wird. Die Abscheidung von schweren Alkalimetallen (Rb, Cs) induziert die Bildung von Alkaliselenidphasen. Ähnliche chemische Veränderungen wie im K-Experiment (d.h. Vorhandensein von metallischem In, In-O und Alkali-O) werden auch hier beobachtet. Eine detaillierte Analyse des Alk/Se-Verhältnisses und der Zusammensetzung liefert jedoch direkte Beweise für die Bildung einer Alk-(In)-Se/(Cu,Alk)(In, Ga)Se2 Doppelschicht. Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit können dazu beitragen, Alkali-Vorbehandlungen auch in der industriellen CIGSe-Produktion einzusetzen und voll auszuschöpfen. Ein bewusstes Nutzen der identifizierten Oberflächen-/Grenzflächenanpassung könnte die Wirkungsgrade entsprechender Solarzellen sogar noch steigern. KW - Alkali PDT KW - Surface KW - Interface KW - Grenzflächen KW - Alkali-Nachbehandlungen KW - Oberflächen KW - CIGSe KW - Solarzelle KW - Oberfläche KW - Alkalien KW - Grenzfläche Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-51772 ER -