Titelaufnahme

Titel
Ballistic electron emission microscopy/spectroscopy on metal-organic-semiconductor heterostructures / Soner Özcan
VerfasserÖzcan, Soner
Begutachter / BegutachterinSmoliner, Jürgen
Erschienen2008
Umfang122 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2008
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)ballistischer Elektron Transport / halbleiter heterostrukturen / Grenzfächen zwischen Metall und organischen Halbleitern / Elektron Transport duch organische Halbleiter
Schlagwörter (EN)ballistic electron transport / semiconductor heterostructures / metal organic interfaces / organic semiconductors / electron transport through organic semiconductors
Schlagwörter (GND)Organischer Halbleiter / Heterostruktur / Ballistische-Elektronen-Emissions-Mikroskopie / Spektroskopie
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-22518 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
Dateien
Ballistic electron emission microscopy/spectroscopy on metal-organic-semiconductor heterostructures [1.13 mb]
Links
Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

In the framework of this thesis Ballistic Electron Emission Microscopy/Spectroscopy (BEEM/S) was used to investigate semiconductor heterostructures.

Especially heterostructures including organic semiconductors like titanylphthalocyanine (TiOPc) and hexa-peri hexabenzocoronene (HBC).

Au/TiOPc/GaAs diodes were investigated by BEEM/S.

From the BEEM images it can be concluded that our MBE grown samples are very homogeneous in comparison to organic films manufactured by evaporation.

All features visible in the BEEM images of our samples correlate exclusively with the granular structure and the topographic features of the Au-film and cannot be correlated to the organic film underneath.

Analyzing the BEEM spectra we find that the TiOPc increases the BEEM threshold voltage compared to reference Au/GaAs diodes.

The barrier height measured on the Au-TiOPc-GaAs heterostructure is Vb 1.2 eV, whereas the barrier on the Au/GaAs diode is 0.9 eV.

In addition, the derivative of the BEEM spectra shows multiple features in the energy regime above the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) level.

Using the first derivative of the BEEM spectra signatures of the L- and X-valleys of GaAs can be seen.

On conventional Au-GaAs diodes, the influence of higher valleys is normally seen as an increased slope in the first derivative of the spectrum, as the higher valleys open additional transport channels into the collector electrode.

The positions of the higher valleys in GaAs can now be used to calibrate the energy scale.

Hence we are sure that the measured Schottky barrier height really is the barrier height at the Au/TiOPc interface.

Temperature studies show an increase of the SBH from 1.2 eV at room temperature to 1.5 eV at T=10 K.

The energy dependent electron transmission properties of TiOPc were investigated too.

It was found, that the transmission and the mean free path both increase with energy, but exhibit a different behavior as a function of temperature.

While the decreasing mean free path with increasing temperature suggests, that the mean free path is dominated by phonon scattering processes, the TiOPc transmission increases with increasing temperature, which suggests that the transmission is dominated by impurity scattering processes. Assuming dominant ionized impurity scattering at the interfaces, and dominant phonon scattering in the bulk, however, our findings can be consistently explained.

To analyze the data, a model calculation for the BEEM current through the Au/TiOPc/GaAs heterostructure was implemented.

It was found that at higher energies, the ballistic current through Au/TiOPc/GaAs heterostructure can not be described precisely with the heterostructure extension of the Bell-Kaiser model for mainly two reasons: First, the influence of the GaAs L and X-valleys was not included into the calculations, and second, modelling the TiOPc with a simple rectangular potential barrier is not accurately enough.

Additionally, an approach for the determination of the attenuation length of TiOPc as a function of energy has been successfully introduced.

Finally, the Schottky barrier heights of Au/HBC/GaAs heterostructures were investigated by BEEM. Between T=300 K and T=10 K, the Schottky barrier height at the Au/HBC interface increases from 1.3 eV at T=300 K to 1.56 eV at T=10 K. Simultaneously, the Fermi level pinning at the HBC/GaAs interface becomes systematically deeper, starting with a position of 1.2 eV above the GaAs conduction band at T=300 K and ending at 1.4 eV at T=10 K, which is close to the valence band of GaAs. The high barrier at the HBC-GaAs interface makes this material a promising interfacial layer for increasing the open circuit voltage of GaAs Schottky barrier solar cells.

Zusammenfassung (Englisch)

Im Zuge dieser Dissertation wurde "Ballistic Electron Emission Microscopy/Spectroscopy" (BEEM/S) verwendet um organische Halbleiter Heterostrukturen zu charakterisieren.

Im Detail wurden Titanylphthalocyanine (TiOPc) und Hexa-peri hexabenzocoronene (HBC).

Au/TiOPc/GaAs Dioden mittels BEEM/S untersucht.

Aufgrund der BEEM Bilder lässt sich der Schluss ziehen, dass unsere mit MBE hergestellten Proben im Vergleich zu aufgedampften organischen Filmen sehr homogen sind.

Alle Merkmale in den BEEM Bildern unserer Proben korrelieren ausschliesslich mit der körnigen Struktur und den topographischen Merkmalen von der Au-Schicht und nicht mit der organischen Schicht darunter.

Bei der Analyse der BEEM Spektren wurde festgestellt, dass das TiOPc die Schwellspannung der BEEM Spektren im Vergleich zu Au/GaAs-Dioden erhöht.

Die Barrierenhöhe, die in der Au-TiOPc-GaAs Heterostruktur gemessen wurde beträgt Vb 1.2 eV.

Darüber hinaus sieht man in der ersten Ableitung des BEEM Stromes zusätzliche Schwellen der Energie des "lowest unouccupied molecular orbital" (LUMO) levels.

In der ersten Ableitung der BEEM Spektren konnten Signaturen des L- and X-Tals von GaAs indentifiziert werden.

An herkömmlichen Au-GaAs Dioden sind die Einflüsse der höheren Täler ebenfalls in der ersten Ableitung des BEEM Spektrums als erhöhte Anstiege sichtbar, da die höheren Täler weitere Transportkanäle in die Kollektor Elektrode eröffnen.

Die Positionen der höheren Täler in GaAs können nun dazu benutzt werden um die Energieskala zu kalibrieren.

Damit kann das Gamma-Tal von GaAs indentifiziert werden, welches für die Au/TiOPc/GaAs Heterostruktur 1.1 eV ergibt.

Dieser Wert von 1.1 eV liegt aber deutlich unter der gemessenen Schottky Barriere von 1.2 eV und aus diesem Grund sind wir sicher, die Schottky Barriere am Au-TiOPc Übergang gemessen zu haben.

Temperaturabhängige Messungen zeigen einen Anstieg der Schottky Barriere von 1.2 eV bei Raumtemperatur bis hin zu 1.5 eV bei T=10 K.

Die energieabhängigen Elektrontransmissionseigenschaften von TiOPc wurden ebenfalls untersucht.

Es wurde herausgefunden, dass die Transmission und auch die mittlere freie Weglänge in Abhängigkeit der Energie steigen, aber ein unterschiedliches Verhalten als Funktion der Temperatur zeigen.

Während die mittlere freie Weglänge mit steigender Temperatur sinkt, steigt die Transmission mit steigender Temperatur.

Wir glauben, dass die mittlere freie Weglänge durch Phononstreuprozesse dominiert wird, während die Tranmission dominiert wird durch Streuprozesse, die durch Störstellen verursacht werden.

In der Annahme, dass ionisierte Unreinheiten Steuprozesse an den Übergängen verursachen und Phononstreuprozesse im Bulk dominieren, können unsere Ergebnisse sehr gut erklärt werden.

Zur Analyse der Daten wurde eine Modellrechnung des BEEM Stromes durch die Au/TiOPc/GaAs Heterostruktur implementiert.

Es wurde herausgefunden, dass der ballistische Strom durch die Au/TiOPc/GaAs Heterostruktur für höhere Energien mit der Heterostrukturerweiterung des Bell-Kaiser Models nicht sehr gut beschrieben werden kann.

Bei niederen Energien (Bsp. einige meV bis ung. 200 meV über der Schottky Barriere) beschreibt das Model den BEEM Strom durch die Au/TiOPc/GaAs Heterostruktur hingegen sehr gut.

Der Grund für die Abweichungen des Models bei höheren Energien sind folgende:

Erstens, der Einfluss der höheren GaAs L und X-Täler wurde in den Rechnungen vernachlässigt und zweitens, das Modellieren der TiOPc-Schicht mit einer einfachen rechteckigen Potentialbarriere ist nicht exakt genug.

Zusätzlich wurde eine Näherung für die Abschwächlänge von TiOPc als Funktion der Energie vorgestellt.

Die Schottky Barriere der Au/HBC/GaAs Heterostruktur wurde ebenfalls mit BEEM untersucht.

Zwischen T=300 K und T=10 K, steigt die Schottky Barriere am Au/HBC Übergang von 1.3 eV bei T=300 K zu 1.56 eV bei T=10 K.

Gleichzeitig, wird das "Fermi level pinning" am HBC/GaAs Übergang systematisch tiefer, beginnend bei einer Position von 1.2 eV über dem Leitungsband von GaAs bei T=300 K bis hinzu 1.4 eV bei T=10 K, dieser Wert ist schon sehr nahe am Valenzband von GaAs.

Diese hohe Barriere am HBC-GaAs Übergang macht das organische Material HBC zu einer vielversprechenden Grenzflächenschicht um die "open circuit voltage" von GaAs Schottky Solarzellen zu erhöhen.