LS Angewandte Physik / Sensorik
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Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehen die Untersuchung von Fanointerferenzen innerhalb der wissenschaftlichen Methode der resonanten Photoelektronenspektroskopie. Basis dieser Methode ist die Interpretation aus dem Festkörper emittierter Elektronen. Die detektierten Elektronen können dabei aus direkten Photoemissionen oder Deaktivierungsprozessen (Spectator-/Participator-Zerfälle) nach resonanten Anregungen von Rumpfelektronen stammen. Führen beide Prozesse zum selben Systemendzustand, können die emittierten Elektronen interferieren, was sich in der Ausprägung eines charakteristischen Intensitätsprofils, dem Fano-Profil, äußert. Die Form des Intensitätsprofils kann dabei über den Fanoparameter q beschrieben werden.
Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte die Diskussion von Fanointerferenzen an organischen (HOPG, Graphenflocken) und oxidischen (CuO, In2O3, SiO2) Materialsystemen.
Im HOPG und den untersuchten Graphenflocken konnten mittels der Analyse der Fanoprofile exzitonische Zustände innerhalb der Bandlücke nachgewiesen werden.
Durch die Untersuchungen am CuO konnte die Variation des Fanoparameters in Abhängigkeit vom Grundzustand des Systems gezeigt werden.
Die für die untersuchten In2O3 Einristalle beobachteten Interferenzen beruhen auf der Existenz besetzter Zustände an der Fermienergie.
Abschließend konnte eine Korrelation des jeweils auftretenden Fanoparameters mit den beobachteten multi-hole-Auger-Zerfällen nachgewiesen werden.
Als Modellsystem für gleichrichtende Heterokontakte von Dünnschichtsolarzellen wurden polykristalline ZnO-Filme auf Si mittels Magnetron-Sputtern und metallorganischer Gasstrahldeposition (MOCBD) abgeschieden. Mit Photoelektronenspektroskopie wurden bis zu 3 chemische Grenzflächenkomponenten gefunden: SiOx, eine Willemit-artige Mischphase und reduziertes Zn0. Letzteres kann über die Sputterparameter Bias-Potenzial und O2-Partialdruck kontrolliert werden. Mit MOCBD wurden auf Si(111):H abrupte Heterokontakte präpariert. Ferner tritt an Korngrenzen und der Oberfläche Hydroxid auf. Dies kann durch Heizen entfernt werden. Während der Messungen traten energetische Verschiebungen der Spektren auf, die die Auswertung der Grenzflächenenergetik stören. Zur Erklärung wurde folgendes Modell entwickelt: In einem schnellen Oberflächenprozess findet Photolyse von Hydroxid statt, wodurch H2O oder mobile OH-Gruppen gebildet werden, die Sauerstoffvakanzen ausheilen und so die n-Dotierung vermindern. In einem langsameren Volumenprozess wird durch Photolyse von ZnO die n-Dotierung erhöht.
Spin-cast films of the ferroelectric copolymer P(VDF-TrFE) are attractive for various applications. For such films the question arises whether there exists a depending on film thickness of ferroelectric functionality. In this work, ultra-thin films of P(VDF-TrFE) up to 0.35nm of thickness have been successfully spin coated, which is quite promising in respect of low cost approach in the electronic industry. This thesis focuses on the preparation of the ultra-thin P(VDF-TrFE) copolymer film and its characterizations to find out a scientific guideline for the suitable application as a non-volatile memory element. Therefore, the ultra-thin film preparations have been investigated initially. Optimization of annealing parameters has been done to get the ferroelectric beta phase and thickness determination is also done carefully. The copolymer layer thickness could be determined down to about 0.35 nm. Photoelectron spectroscopy is used extensively for the characterization of the thin film. Eventually, longer time X-ray irradiation of the P(VDF-TrFE) sample may cause a phase change from ferroelectric to paraelectric. Therefore the X-ray irradiation time was also optimized. With photoelectron spectroscopy, the interface chemistry of the P(VDF-TrFE) copolymer and different electrode materials was studied. The interfaces aluminum/P(VDF-TrFE) and PEDOT:PSS/P(VDF-TrFE) are compared. PEDOT:PSS is a conducting polymer, Poly(3,4-ethylenedioxidethiophene): poly(styrenesulfonate). This data suggested that an interface layer is formed for electrodes, made of aluminum. An interface reaction occurs in both cases: for aluminum as top and as bottom electrode. In contract, the organic PEDOT:PSS electrode shows no chemical interaction with the P(VDF-TrFE) copolymer. The much lower reactivity of organic electrode, compare to aluminum, gives a direct hint to improved functional properties of thin organic ferroelectric films. In terms of a low cost approach for electronics, based on organic devices, the introduction of organic non volatile memories is of great importance. P(VDF-TrFE) copolymer is the material with a very hopeful perspective. In next part electrical measurements with P(VDF-TrFE) have been done. By capacitance voltage measurements, the ferroelectric behavior of the polymer by measurements at elevated temperatures (Curie-Point) is confirmed, a threshold for remanent poalrization for films below 100 nm is found, if aluminum electrodes are used, but with inert electrodes, a downscaling of a low coercitive field was possible down to ten nm. This is very important, because due to the high coercitive field of the copolymer (>50 MV/m), ultrathin films for low operation voltages are needed. A prerequisite for memory applications is a high retention time, this was also confirmed. By the help of Near edge X-ray Absorption Spectroscopy (NEXAFS) the possible ferroelectric dipole orientation have been also investigated. The average dipole orientation (perpendicular to the substrate) is observed up to 0.35 nm P(VDF-TrFE) copolymer films when PEDOT:PSS/Si substrate is used. The ferroelectric properties of ultrathin films down to a layer thickness of 10nm were characterized using spectroscopic (F1s NEXAFS) and electrical methods (Capacitance voltage). The results indicates an extrinsic switching mechanism with a much lower opera-tion voltage than for a collective intrinsic switching. Both independent methods agree that there is no critical thickness for spincoated copolymer films down to 10 nm, if an adapted system of electrodes is used.
Als eine Folge der Miniaturisierung aller integrierten elektrischen Bauteile wird der spezifische Widerstand der TaN/Ta Doppelsperrschichten ein zunehmend wichtiger Parameter für die Schaltgeschwindigkeit beim 32 nm Technologieknoten. In Rahmen dieser Arbeit wird die Optimierung der Abscheidung von TaN/Ta Stapeln durchgeführt, mit dem Ziel die Tantalnitridschichtdicke zu minimieren und das Tantal in der leitfähigeren alpha-Phase wachsen zu lassen. Im ersten Teil der Studie wurde in situ ARXPS verwendet, um das Wachstum von verschiedenen Tantalnitridschichten auf SiO2 und SiCOH in Abhängigkeit der Abscheidezeit, des Stickstoffflusses und der Abscheideleistung zu untersuchen. Im zweiten Teil wurde die kristalline Phase 20 nm dicken Tantal Schichten abgeschieden auf verschiedenen Tantalnitridschichten, die in der Wachstumsstudie vorgestellt worden sind, untersucht. Die wichtigsten Erkenntnisse sind das Auftreten von Tantalkarbid und Tantalsilizid als Zwischenschichtverbindungen bei der Abscheidung auf SiCOH und nur Tantalsilizid für die Abscheidung auf SiO2. Demzufolge wächst alpha-Tantal vorzugsweise auf Tantalkarbid und stickstoffreichen Zwischenschichten, während Silizid an der Schnittstelle das Wachstum von beta-Tantal fördert. Um die Ergebnisse zu überprüfen, wurden zwei weitere Modifikationen des Interfaces untersucht. So wurde eine kleinere Bias-Leistung für eine Abscheidung von Tantalnitrid auf SiO2 benutzt, um die Rolle des Tantalsilizids zu bestätigen. Außerdem wurde eine thermische Behandlung einer dünnen Tantalschicht auf SiCOH durchgeführt, um die Rolle des Tantalkarbids zu bestätigen. Schließlich ergab die Kontaktwiderstandsmessung in Viaketten auf strukturierten Wafern für vier ausgewählte Prozesse tendenziell den gleichen Verlauf wie die Schichtwiderstandsergebnisse der entsprechenden Barrierenaufbauten der Experimente auf blanken Testwafern.