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X-ray spectroscopic study of heterostructure contacting schemes for optoelectronic devices

Röntgenspektroskopische Untersuchung von Heterostruktur-Kontaktschemata für optoelektronische Bauelemente

  • 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. DuringAnnealing-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.show moreshow less
  • 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 vonDurch 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.show moreshow less

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Metadaten
Author: Ting XiaoORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-49391
Referee / Advisor:Prof. Dr. Marcus Bär
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2019
Date of final exam:2019/07/04
Release Date:2019/10/11
Tag:Heterostruktur; In₂O₃; Optoelektronische Bauelemente; Photoelektronenspektroskopie; Transparente leitende Oxide (TCOs),
GaN; Heterostructure; Optoelectronic Devices; Photoelectron Spectroscopy; Transparent Conducting Oxides (TCOs)
GND Keyword:Heterostruktur; Transparent-leitendes Oxid; Optoelektronisches Bauelement; Photoelektronenspektroskopie
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / JP Photovoltaik
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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