Surface characterization of indium compounds as functional layers for (opto)electronic and sensoric applications

Himmerlich, Marcel GND

Neue Entwicklungen im Bereich der Dünnschichtsynthese eröffnen eine Vielzahl neuer Anwendungen von Indiumverbindungen im Bereich der Sensorik und (Opto)-Elektronik. Vor diesem Hintergrund wurden spezielle Aspekte der Eigenschaften von Indiumnitrid (InN), Indiumoxid (In2O3) und Indiumzinnoxinitrid (ITON) untersucht. Zukünftige Hochfrequenztransistoren auf der Basis von InN können die technologischen Möglichkeiten erweitern, während für dünne In2O3 Filme ein hohes Potenzial zur Verwendung in günstigen, integrierbaren Ozonsensoren vorausgesagt wird. Zusätzlich kann für optoelektronische Applikationen durch Stickstoffeinbau in Sn-dotierte Indiumoxidschichten die optische Transparenz im UV-Bereich erweitert werden. Ein Grundsatz für die Implementierung der Materialien ist die detaillierte Kenntnis der Einflüsse der Zusammensetzung, sowie der strukturellen und elektronischen Eigenschaften auf wichtige Mechanismen der Funktionsweise und Stabilität von Bauelementen. In diesem Zusammenhang wurden zum Verständnis wichtiger Materialparameter die Einflüsse von Prozessparametern auf die Oberflächeneigenschaften dünner Filme untersucht, sowie Wechselwirkungen mit reaktiven Molekülen analysiert. Dünne InN Schichten wurde mittels plasmainduzierter Molekularstrahlepitaxie abgeschieden, während weitere Untersuchungen an durch metallorganische Gasphasenabscheidung aufgebrachten In2O3 Filmen sowie durch Magnetronsputtern hergestellten ITON Schichten durchgeführt wurden. Zur Analyse wurden Methoden der Elektronenspektroskopie (XPS, UPS, AES, (HR)EELS), der Elektronenbeugung (RHEED) sowie Rastersondenverfahren (AFM) verwendet. Durch in-situ Analyse von InN(0001) Schichten konnten erstmals Korrelationen zwischen Oberflächenrekonstruktionen und der Existenz von Elektronenzuständen innerhalb der Bandlücke nachgewiesen, sowie Einflüsse der Oxidation durch O2 untersucht werden. Zusätzlich wurde der Wechselwirkungsmechanismus zwischen Ozon und defektreichen In2O3-x Schichten analysiert und Rückschlüsse auf das Prinzip der reversiblen O3-induzierten Oxidation und UV-induzierten Reduktion gezogen, welche auf der Adsorption/Desorption von O- Ionen und gleichzeitig stattfindendem Ladungstransfer basiert. Der durch Aufsputtern in N2 eingebrachte Stickstoff, liegt in ITON in verschiedenen chemischen Bindungen vor und verändert die optischen und elektrischen Eigenschaften, ist aber thermisch nicht stabil und desorbiert oberhalb von 550°C, einhergehend mit der gleichzeitigen Oberflächensegregation von Sn. Diese Arbeit demonstriert den Nutzen der Kombination von Schichtwachstum und Oberflächenanalytik, um fundamentale Erkenntnisse für den Einsatz in Halbleiterbauelementen zu gewinnen.

Abstract:
New developments in thin film synthesis using different deposition methods open the pathway to a variety of new applications of indium compounds in sensoric and (opto)electronic devices. Under this perspective, special aspects of the material properties of indium nitride (InN), indium oxide (In2O3) and indium tin oxynitride (ITON) have been investigated. Future transistors based on InN are promising candidates to extend the technological capabilities of high frequency applications, while a huge potential of thin In2O3 films is predicted for the implementation in cost-efficient integrated ozone sensors. Furthermore, the incorporation of nitrogen in Sn-doped indium oxide films leads to an expansion of the optical transparency in the UV region, which is of interest for optoelectronic applications. An important aspect for technological implementation is to thoroughly understand the influence of chemical composition as well as structural and electronic surface properties on important mechanisms that impact device operation and stability. In this context, this thesis investigates the influences of synthesis and processing parameters on the surface properties of thin films as well as their interaction with reactive molecules. Thin InN layers were grown using plasma assisted molecular beam epitaxy. Further analyses were performed on In2O3 films prepared by metal organic chemical vapour deposition and ITON layers deposited by rf-magnetron sputtering. For the characterization and comparison of surface properties, electron spectroscopy methods (XPS, UPS, AES, (HR)EELS), electron diffraction (RHEED) together with scanning probe microscopy (AFM) were employed and supported by solid state analyses. Due to the performed in-situ characterization of InN(0001) layers, it was possible for the first time to experimentally verify the correlation between surface reconstructions with the existence of occupied electron states inside the band gap as well as to study the interaction of clean surfaces with O2. In addition, the interaction mechanism between ozone and defect-rich In2O3-x surfaces was investigated in order to obtain insight into the principle of reversible O3-induced oxidation and UV-induced reduction, which is based on the adsorption/desorption of O- ions and a simultaneous charge transfer. Nitrogen that is incorporated into ITON by sputtering in N2 is present in different chemical states and modifies the optical and electrical film properties. However, annealing this material above 550°C results in desorption of nitrogen accompanied by a segregation of Sn towards the surface. This thesis demonstrates the utility of combining growth, surface and solid state analysis for providing fundamental knowledge for application in semiconductor devices.

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Himmerlich, Marcel: Surface characterization of indium compounds as functional layers for (opto)electronic and sensoric applications. 2008.

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