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61	Characterization of deeply buried interfaces by Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy / Caractérisation d’interfaces profondément enterrées par spectroscopie de photoélectrons à haute énergie (HAXPES) Zborowski, Charlotte 27 June 2018 (has links) Cette thèse vise à améliorer la méthode d'analyse du fond continu inélastique afin de l'appliquer à des cas qui présentent un intérêt technologique. En effet, ces améliorations sont cruciales car elles portent sur des critères de précision et de gain de temps, plus particulièrement pour l’étude de dispositifs présentant plusieurs couches profondément enterrées de matériaux bien distincts. Ainsi, l'analyse du fond continu inélastique associée à la spectroscopie de photoélectrons à rayons X durs (HAXPES) présente un grand intérêt car l’HAXPES permet de sonder plus profondément dans un échantillon qu'avec la spectroscopie de photoélectrons à rayons X classique (XPS). Ce présent travail porte sur des échantillons technologiquement pertinents, principalement des transistors à haute mobilité d'électrons (HEMTs), à certaines étapes cruciales de leur processus de fabrication, tels que des recuits. Il est donc très important que ces analyses soient effectuées de manière non destructive afin de préserver les interfaces enterrées. Ce sont souvent l'emplacement de phénomènes complexes qui sont critiques pour les performances du dispositif et une meilleure compréhension est une condition préalable à l’amélioration des dispositifs. Dans ce travail, les phénomènes de diffusion en profondeur sont étudiés grâce à l’analyse du fond continu inélastique associée à l’HAXPES (en utilisant le logiciel QUASES) pour des profondeurs allant jusqu'à 60 nm. Les résultats de distribution en profondeur présentent des écarts par rapport aux mesures TEM inférieures à 5%. Le choix des paramètres d'entrée de la méthode est discuté pour une large gamme d'échantillons et des règles simples en sont issues qui rendent l'analyse réelle plus facile et plus rapide à effectuer. Enfin, il a été montré que la spectromicroscopie faite avec la technique HAXPEEM peut fournir des spectres à chaque pixel utilisables pour l’analyse du fond continu inélastique. Cela peut fournir une cartographie 3D de la distribution en profondeur des éléments de manière non-destructive. / This thesis aims at improving the inelastic background analysis method in order to apply it to technologically relevant samples. Actually, these improvements are utterly needed as they concern criteria of accuracy and time saving particularly for analysis of devices presenting deeply buried layers with different materials. For this purpose, the interest of the inelastic background analysis method is at its best when combined with hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) because HAXPES allows to probe deeper in the sample than with conventional X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The present work deals with technologically relevant samples, mainly the high-electron mobility transistor (HEMT), at some crucial steps of their fabrication process as annealing. Actually, it is very important that these analyses shall be performed non-destructively in order to preserve the buried interfaces. These are often the location of complex phenomena that are critical for device performances and a better understanding is often a prerequisite for any improvement. In this thesis, the in-depth diffusion phenomena are studied with the inelastic background analysis technique (using the QUASES software) combined with HAXPES for depth up to 60 nm. The depth distribution results are determined with deviations from TEM measurements smaller than a typical value of 5%. The choice of the input parameters of the method is discussed over a large range of samples and simple rules are derived which make the actual analysis easier and faster to perform. Finally, it was shown that spectromicroscopy obtained with the HAXPEEM technique can provide spectra at each pixel usable for inelastic background analysis. This is a proof of principle that it can provide a 3D mapping of the elemental depth distribution with a nondestructive method. / Denne afhandling har til formål at forbedre den uelastiske baggrundsanalysemetode til anvendelser i den til teknologiske industri. Faktisk er disse forbedringer absolut nødvendige, for at opnå nøjagtighed og tidsbesparelse, især for analyse af prøver med dybt begravede lag af forskellige materialer. Til det formål er interessen for den uelastiske baggrundsanalysemetode bedst i kombination med hård røntgenfotoelektron-spektroskopi (HAXPES), fordi HAXPES gør det muligt at probe dybere i prøven end med konventionel røntgenfotoelektron-spektroskopi (XPS). Dette arbejde beskæftiger sig med teknologisk relevante prøver, hovedsagelig høj-elektron mobilitetstransistor (HEMT), på nogle afgørende trin i deres fremstillingsproces som fx annealing. Faktisk er det meget vigtigt, at disse analyser udføres på en ikke-destruktiv måde for at bevare de begravede grænseflader. Det er ofte her de komplekse fysiske fænomener opstår, som er kritiske for fuktionaliteten, og en bedre forståelse af grænsefladerne er ofte en forudsætning for at kunne forbedre denne. I denne afhandling studeres de dybdegående diffusionsfænomener med den uelastiske baggrundsanalyse teknik (ved hjælp af QUASES software) kombineret med HAXPES for dybder op til 60 nm. Dybdestributionsresultaterne har afvigelser fra TEM-målinger mindre end en typisk værdi på 5%. Valget af input parametre for metoden er diskuteret på bagground af et stort udvalg af prøver samt omfattende simuleringer og enkle regler er udledt, hvilket gør den praktiske analyse nemmere og hurtigere at udføre. Endelig blev det vist, at spektromikroskopi opnået med HAXPEEM-teknikken kan tilvejebringe spektre ved hver enkelt pixel som kan anvendes til uelastisk baggrundsanalyse. Dette viser at i princippet kan en 3D-billeddannelse af den elementære dybdefordeling bestemmes ikke destruktivt. XPS Analyse du fond continu inélastique Interfaces profondément enterrées Analyse de Tougaard du fond inélastique XPS Inelastic background analysis Deeply buried layers Tougaard's Inelastic Background Analysis HEMT (high-electron mobility transistor)
62	Circuits intégrés amplificateurs à base de transistors HEMT pour les transmissions numériques à très haut débit (>=40 Gbit/s) MELIANI, Chafik 17 June 2003 (has links) (PDF) La systématisation de la conversion analogique/numérique a eu pour effet d'uniformiser le mode de transmission de données aux transmissions numériques ; et notamment sur fibre optique. Dans ce cadre, cette thèse traite des méthodologies de conception et faisabilité de circuits amplificateurs de signaux rapides. Après l'étude de l'effet des éléments parasites sur les structures amplificatrices de base (spécifiquement, les problèmes de chemins de masse, et de référencement de signaux d'entrée), la théorie de distribution est appliquée à la technologie coplanaire InP ; où via une méthodologie que nous avons cherché à systématiser (notamment pour les conditions d'égalité et de faible variation des délais de groupe), sont réalisés des amplificateurs large bande avec Fc=92GHz et entre autres, un produit gain-bande à l'état de l'art de 410 GHz. Au delà des problèmes posés par la technologie coplanaire tels que les discontinuités de masse et la nécessité de préserver le mode de propagation coplanaire, elle ouvre de nouvelles possibilités telles que des lignes artificielles d'entrée/sortie à longueurs identiques, et permet une compacité plus élevée que celle des techniques micro-ruban. Les limites de l'amplification différentielle sont ensuite investies et repoussées, en proposant une structure innovante : la paire différentielle distribuée ; alliant ainsi le fonctionnement à courant constant du mode différentiel (donc avec un degré de liberté supplémentaire, pour le potentiel DC en sortie), à l'aspect large bande du distribué. Des amplificateurs avec 4 Vpp en sortie à 40 Gbit/s ont ainsi été réalisés en pHEMT GaAs. Ce résultat, permettrait à terme, l'élimination des capacités de passage dans les modules driver et la conception de drivers de modulateur mono-puce. Electronique Communications optiques Amplificateurs large bande High Electron Mobility Transistor (HEMT) Circuits intégrés rapides Technologies InP GaAs Driver de modulateur Distribués Electronics Optical communications Broadband amplifiers Very high speed integrated circuits InP GaAs Technologies modulator drivers Distributed
63	Dissimilar Hetero-Interfaces with Group III-A Nitrides : Material And Device Perspectives Chandrasekar, Hareesh January 2016 (has links) (PDF) Group III-A nitrides (GaN, AlN, InN and alloys) are materials of considerable contemporary interest and currently enable a wide variety of optoelectronic and high-power, high-frequency electronic applications. All of these applications utilize device structures that employ a single or multiple hetero-junctions, with material compositions varying across the interface. For example, the workhorse of GaN based electronic devices is the high electron mobility transistor (HEMT) which is usually composed of an AlGaN/GaN hetero-junction, where a two-dimensional electron gas (2DEG) is formed due to differences in polarization between the two layers. In addition to such hetero-junctions in the same material family, formation of hetero-interfaces in nitrides begins right from the epitaxy of the very first layer due to the lack of native substrates for their growth. The consequences of such "dissimilar" hetero-junctions typically manifest as large defect densities at this interface which in turn gives rise to defective films. Additionally, if the substrate is also a semiconductor, the electrical properties at such dissimilar semiconductor-nitride hetero-junctions are particularly important in terms of their influence on the performance of nitride devices. Nevertheless, the large defect densities at such dissimilar 3D-3D semiconductor interfaces, which translate into more trap states, also prevents them from being used as active device layers to say nothing of reliability considerations arising because of these defects. Recently, the advent of 2D materials such as graphene and MoS2 has opened up avenues for Van der Waal’s epitaxy of these layered films with practically any other material. Such defect-free integration enables dissimilar semiconductor hetero-junctions to be used as active device layers with carrier transport across the 2D-3D hetero-interface. This thesis deals with hetero-epitaxial growth platforms for reducing defect densities, and the material and electrical properties of dissimilar hetero-junctions with the group III-A nitride material system. Group III-A Nitrides High Electron Mobility Transistor Nitride Semiconductors Aluminium Nitride-Silicon Interface Gallium Nitride Films Aluminium Nitride Thin Films Nitride Films Nitride Epitaxy Nitride Hetero-Interfaces Aluminium Nitride (AlN) Epitaxial Layers GaN Films AlN/Si Hetero-interface AlN-Si Interface Materials Science
64	Entwurf, Herstellung und Charakterisierung von GaN/AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistoren für Leistungsanwendungen im GHz-Bereich Wächtler, Thomas 28 December 2005 (has links) High Electron Mobility Transistoren (HEMTs), basierend auf dem Materialsystem GaN/AlGaN/GaN, wurden entworfen, hergestellt und elektrisch charakterisiert. Für das Maskendesign kam das CAD-Programm LasiCAD zum Einsatz. Das Design umfasste bis zu sechs Lithographieebenen. Die Herstellung der Bauelemente geschah unter Reinraumbedingungen und unter Nutzung einer vorhandenen Technologie für Transistoren mit kleiner Gate-Peripherie (Doppelgate-Transistoren), die teilweise optimiert wurde. Daneben wurden Prozesse zur Herstellung von Multifinger-HEMTs entwickelt, wobei die Metallisierung der Drainkontakte mittels Electroplating von Gold vorgenommen wurde. Zur elektrischen Charakterisierung der Bauelemente wurden sowohl Gleichstromcharakteristiken, d.h. die Ausgangskennlinienfelder und Verläufe der Steilheit, als auch das Großsignalverhalten für cw-Betrieb bei 2 GHz gemessen. Dabei zeigten die Transistoren eine auf die Gatebreite bezogene Ausgangsleistungsdichte von mehr als 8 W/mm und eine Effizienz größer als 40%, einhergehend mit vernachlässigbarer Drainstromdispersion der unpassivierten Bauelemente. info:eu-repo/classification/ddc/620 ddc:620 Drei-Fünf-Halbleiter Elektronisches Bauelement Galliumnitrid Großsignalverhalten HEMT Heterostruktur Heterostruktur-Bauelement Hochfrequenztechnik Kleinsignalverhalten Metall-Halbleiter-Kontakt Mikroelektronik Molekularstrahlepitaxie Wide-gap-Halbleiter GaN/AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistor LasiCAD MBE Maskenentwurf
65	Niobium Ohmic Contacts for Cryogenic Indium Phosphide High-Electron-Mobility Transistors / Niob-baserade Ohmska Kontakter för Kryogena Indiumfosfid Högelektronmobilitetstransistorer Bendrot, Linnéa January 2022 (has links) Ohmic contacts are crucial components in semiconductor devices such as transistors and diodes, and lowering their contact resistance is an important factor in device performance enhancement. This is especially important for low-noise amplifiers (LNAs) where device noise temperature decreases both directly and indirectly with decreasing contact resistance. This becomes relevant in quantum computers operated at cryogenic temperatures as LNAs constitutes the 4 K quantum bit (qubit) readout signal amplification chain. The goal of this project is to investigated the superconducting element niobium (Nb) as contact material for indium phosphide (InP) high-electron-mobility transistors (HEMTs), being the active component in cryogenic high-frequency LNAs. For contact and barrier resistance determination, test structures were fabricated and utilized according to the transfer length method(TLM) and the recess TLM respectively. Measurements were performed in room temperature as well as in cryogenic temperatures below and above Nb’s bulk transition temperature of 9.25 K. The results show low-resistance Nb-based ohmic contacts for n-In0.65Ga0.35As, with the non-alloyed Nb(50 nm)/Au(100 nm) stack yielding a room temperature contact resistivity of (9.4 ± 0.5) × 10−8 Ωcm2. For all contacts the contact resistivity increased moving to cryogenic temperatures, as expected when electron occupation of high-energy states decreases. At cryogenic temperatures nosuperconducting transition was observed, attributed to the Nb layer thickness being roughly equal to its coherence length. Considering the effective barrier resistance, the Ni/Ge/Au/Nb/Au alloyed contact had the lowest room temperature resistance, reporting 143 Ω µm. In cryogenic temperatures the effective barrier resistance unexpectedly decreased in all contacts. The Nb/Au contact showed the best cryogenic performance, with a barrier resistance of 28 − 37 Ω µm. This indicates great potential for non-alloyed Nb/Au contacts in cryogenic InP HEMTs. / Alla halvledarkomponenter, som dioder och transistorer, har ohmska kontakter. Att sänka kontaktresistansen hos de ohmska kontakterna är ett sätt att höja prestandan hos en komponent. Särskilt gäller detta för lågbrusförstärkare, som har en brustemperatur som minskar både direkt och indirekt med avtagande kontaktresistans. För kvantdatorer som måste kylas till kryogena temperaturer för att fungera är detta relevant eftersom förstärkningen av utläsningssignalen från kvantbitar sker via lågbrusförstärkare vid 4 K. Målet för detta examensprojekt är att undersöka ohmska kontakter baserade på det supraledande materialet niobium (Nb) i indiumfosfidbaserade högelektronmobilitetstransistorer, som är den aktivakomponenten i kryogena högfrekvens-lågbrusförstärkare. För bestämning av kontaktoch barriärresistans producerades teststrukturer enligt Transfer Length-metoden (TLM) respektive etsad TLM. Mätningar genomfördes i rumstemperatur samt vid kryogena temperaturer både över och under niobiumets kritiska temperatur på 9.25 K. Resultatet visar låg kontaktresistans för Nb-baserade ohmska kontakter på n-In0.65Ga0.35As. Den icke-legerade Nb(50 nm)/Au(100 nm)-kontakten hade en kontaktresistivitet på (9.4 ± 0.5) × 10−8 Ωcm2 . Vid kryogena temperaturer ökade kontaktresistansen för samtliga Nb-baserade kontakter, vilket är förväntat då färre elektroner fyller högenergitillstånd. Inget supraledande tillstånd observerades vid kryogena temperaturer, vilket kan förklaras av att tjockleken på niobiumlagret var ungefär lika med dess koherenslängd. Lägst barriärresistans vid rumstemperatur hade den legerade Ni/Ge/Au/Nb/Au-kontakten, med ett värde på 143 Ω µm. Vid kryogena temperaturer skedde en oväntad minskning hos barriärsresistansen hos samtliga kontakter, där den lägst barriärsresistans uppmättes på den icke-legerade Nb/Au-kontakten, 28 − 37 Ω µm. Slutsatsen som dras är att det finns stor potential för användning av icke-legerade Nb/Au-kontakter för kryogena lågbrusförstärkare baserade på indiumfosfid. Ohmic contacts high-electron-mobility transistor InP Nb films cryogenic electronics low-noise amplifier quantum computing transfer length method superconductivity contact/barrier resistance Ohmska kontakter högelektronmobilitetstransistorer indiumfosfid niob tunnfilm kryogen elektronik lågbrusförstärkare kvantdatorer Transfer Length-metod supraledning kontakt-/barriärresistans Physical Sciences Fysik
66	Charge transport and energy levels in organic semiconductors / Ladungstransport und Energieniveaus in organischen Halbleitern Widmer, Johannes 25 November 2014 (has links) (PDF) Organic semiconductors are a new key technology for large-area and flexible thin-film electronics. They are deposited as thin films (sub-nanometer to micrometer) on large-area substrates. The technologically most advanced applications are organic light emitting diodes (OLEDs) and organic photovoltaics (OPV). For the improvement of performance and efficiency, correct modeling of the electronic processes in the devices is essential. Reliable characterization and validation of the electronic properties of the materials is simultaneously required for the successful optimization of devices. Furthermore, understanding the relations between material structures and their key characteristics opens the path for innovative material and device design. In this thesis, two material characterization methods are developed, respectively refined and applied: a novel technique for measuring the charge carrier mobility μ and a way to determine the ionization energy IE or the electron affinity EA of an organic semiconductor. For the mobility measurements, a new evaluation approach for space-charge limited current (SCLC) measurements in single carrier devices is developed. It is based on a layer thickness variation of the material under investigation. In the \"potential mapping\" (POEM) approach, the voltage as a function of the device thickness V(d) at a given current density is shown to coincide with the spatial distribution of the electric potential V(x) in the thickest device. On this basis, the mobility is directly obtained as function of the electric field F and the charge carrier density n. The evaluation is model-free, i.e. a model for μ(F, n) to fit the measurement data is not required, and the measurement is independent of a possible injection barrier or potential drop at non-optimal contacts. The obtained μ(F, n) function describes the effective average mobility of free and trapped charge carriers. This approach realistically describes charge transport in energetically disordered materials, where a clear differentiation between trapped and free charges is impossible or arbitrary. The measurement of IE and EA is performed by characterizing solar cells at varying temperature T. In suitably designed devices based on a bulk heterojunction (BHJ), the open-circuit voltage Voc is a linear function of T with negative slope in the whole measured range down to 180K. The extrapolation to temperature zero V0 = Voc(T → 0K) is confirmed to equal the effective gap Egeff, i.e. the difference between the EA of the acceptor and the IE of the donor. The successive variation of different components of the devices and testing their influence on V0 verifies the relation V0 = Egeff. On this basis, the IE or EA of a material can be determined in a BHJ with a material where the complementary value is known. The measurement is applied to a number of material combinations, confirming, refining, and complementing previously reported values from ultraviolet photo electron spectroscopy (UPS) and inverse photo electron spectroscopy (IPES). These measurements are applied to small molecule organic semiconductors, including mixed layers. In blends of zinc-phthalocyanine (ZnPc) and C60, the hole mobility is found to be thermally and field activated, as well as increasing with charge density. Varying the mixing ratio, the hole mobility is found to increase with increasing ZnPc content, while the effective gap stays unchanged. A number of further materials and material blends are characterized with respect to hole and electron mobility and the effective gap, including highly diluted donor blends, which have been little investigated before. In all materials, a pronounced field activation of the mobility is observed. The results enable an improved detailed description of the working principle of organic solar cells and support the future design of highly efficient and optimized devices. / Organische Halbleiter sind eine neue Schlüsseltechnologie für großflächige und flexible Dünnschichtelektronik. Sie werden als dünne Materialschichten (Sub-Nanometer bis Mikrometer) auf großflächige Substrate aufgebracht. Die technologisch am weitesten fortgeschrittenen Anwendungen sind organische Leuchtdioden (OLEDs) und organische Photovoltaik (OPV). Zur weiteren Steigerung von Leistungsfähigkeit und Effizienz ist die genaue Modellierung elektronischer Prozesse in den Bauteilen von grundlegender Bedeutung. Für die erfolgreiche Optimierung von Bauteilen ist eine zuverlässige Charakterisierung und Validierung der elektronischen Materialeigenschaften gleichermaßen erforderlich. Außerdem eröffnet das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Materialstruktur und -eigenschaften einen Weg für innovative Material- und Bauteilentwicklung. Im Rahmen dieser Dissertation werden zwei Methoden für die Materialcharakterisierung entwickelt, verfeinert und angewandt: eine neuartige Methode zur Messung der Ladungsträgerbeweglichkeit μ und eine Möglichkeit zur Bestimmung der Ionisierungsenergie IE oder der Elektronenaffinität EA eines organischen Halbleiters. Für die Beweglichkeitsmessungen wird eine neue Auswertungsmethode für raumladungsbegrenzte Ströme (SCLC) in unipolaren Bauteilen entwickelt. Sie basiert auf einer Schichtdickenvariation des zu charakterisierenden Materials. In einem Ansatz zur räumlichen Abbildung des elektrischen Potentials (\"potential mapping\", POEM) wird gezeigt, dass das elektrische Potential als Funktion der Schichtdicke V(d) bei einer gegebenen Stromdichte dem räumlichen Verlauf des elektrischen Potentials V(x) im dicksten Bauteil entspricht. Daraus kann die Beweglichkeit als Funktion des elektrischen Felds F und der Ladungsträgerdichte n berechnet werden. Die Auswertung ist modellfrei, d.h. ein Modell zum Angleichen der Messdaten ist für die Berechnung von μ(F, n) nicht erforderlich. Die Messung ist außerdem unabhängig von einer möglichen Injektionsbarriere oder einer Potentialstufe an nicht-idealen Kontakten. Die gemessene Funktion μ(F, n) beschreibt die effektive durchschnittliche Beweglichkeit aller freien und in Fallenzuständen gefangenen Ladungsträger. Dieser Zugang beschreibt den Ladungstransport in energetisch ungeordneten Materialien realistisch, wo eine klare Unterscheidung zwischen freien und Fallenzuständen nicht möglich oder willkürlich ist. Die Messung von IE und EA wird mithilfe temperaturabhängiger Messungen an Solarzellen durchgeführt. In geeigneten Bauteilen mit einem Mischschicht-Heteroübergang (\"bulk heterojunction\" BHJ) ist die Leerlaufspannung Voc im gesamten Messbereich oberhalb 180K eine linear fallende Funktion der Temperatur T. Es kann bestätigt werden, dass die Extrapolation zum Temperaturnullpunkt V0 = Voc(T → 0K) mit der effektiven Energielücke Egeff , d.h. der Differenz zwischen EA des Akzeptor-Materials und IE des Donator-Materials, übereinstimmt. Die systematische schrittweise Variation einzelner Bestandteile der Solarzellen und die Überprüfung des Einflusses auf V0 bestätigen die Beziehung V0 = Egeff. Damit kann die IE oder EA eines Materials bestimmt werden, indem man es in einem BHJ mit einem Material kombiniert, dessen komplementärer Wert bekannt ist. Messungen per Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) und inverser Photoelektronenspektroskopie (IPES) werden damit bestätigt, präzisiert und ergänzt. Die beiden entwickelten Messmethoden werden auf organische Halbleiter aus kleinen Molekülen einschließlich Mischschichten angewandt. In Mischschichten aus Zink-Phthalocyanin (ZnPc) und C60 wird eine Löcherbeweglichkeit gemessen, die sowohl thermisch als auch feld- und ladungsträgerdichteaktiviert ist. Wenn das Mischverhältnis variiert wird, steigt die Löcherbeweglichkeit mit zunehmendem ZnPc-Anteil, während die effektive Energielücke unverändert bleibt. Verschiedene weitere Materialien und Materialmischungen werden hinsichtlich Löcher- und Elektronenbeweglichkeit sowie ihrer Energielücke charakterisiert, einschließlich bisher wenig untersuchter hochverdünnter Donator-Systeme. In allen Materialien wird eine deutliche Feldaktivierung der Beweglichkeit beobachtet. Die Ergebnisse ermöglichen eine verbesserte Beschreibung der detaillierten Funktionsweise organischer Solarzellen und unterstützen die künftige Entwicklung hocheffizienter und optimierter Bauteile. Physik Festkörperphysik Festkörper-Physik Halbleiterphysik Halbleiter-Physik Organische Halbleiter Organische Elektronik Organische Solarzellen Organische Photovoltaik Organische Moleküle Kleine Moleküle Molekulare Elektronik Molekulare Halbleiter Amorphe Halbleiter Ladungstransport Ladungsbeweglichkeit Ladungs-Beweglichkeit Ladungsmobilität Ladungs-Mobilität Ladungsträgerbewegleichkeit Ladungsträger-Beweglichkeit Ladungsträgermobilität Ladungsträger-Mobilität Elektronenbeweglichkeit Elektronen-Beweglichkeit Elektronenmobilität Elektronen-Mobilität Löcherbeweglichkeit Löcher-Beweglichkeit Löchermobilität Löcher-Mobilität Raumladungsbegrenzte Ströme Raumladungsbegrenzter Strom Unipolare Bauteile Unipolares Bauteil Löchertransport Löcher-Transport Löcherleitfähigkeit Löcher-Leitfähigkeit Löcherleitung Elektronentransport Elektronen-Transport Elektronenleitfähigkeit Elektronen-Leitfähigkeit Elektronenleitung Hüpftransport Hüpf-Transport Poole-Frenkel-Transport Feldaktivierung Feld-Aktivierung Dichteaktivierung Dichte-Aktivierung Ladungsdichteaktivierung Ladungsdichte-Aktivierung Ladungsträgerdichteaktivierung Ladungsträgerdichte-Aktivierung Ladungsträger-Dichteaktivierung Ladungsträger-Dichte-Aktivierung Drifttransport Drift-Transport Temperaturaktivierung Temperatur-Aktivierung Ionisationsenergie Ionisations-Energie Ionisationspotential Ionisationspotenzial Ionisations-Potential Ionisations-Potenzial Elektronenaffinität Elektronen-Affinität Leitungsband Leitungs-Band Valenzband Valenz-Band Höchstes besetztes Molekülorbital Höchstes besetztes Molekül-Orbital Niedrigstes unbesetztes Molekülorbital Niedrigstes unbesetztes Molekül-Orbital Transportniveau Transport-Niveau Energieniveaus Energie-Niveaus Donator Akzeptor Donator-Akzeptor Effektive Lücke Effektive Bandlücke Bandlücke Energielücke Effektive Energielücke Mischschichtheteroübergang Mischschicht-Heteroübergang Flacher Heteroübergang Planarer Heteroübergang Dotierung Dotierte Transportschichten Dotierte Transport-Schichten Injektionsbarriere Injektions-Barriere Extraktionsbarriere Extraktions-Barriere Diffusion Ladungsdiffusion Ladungs-Diffusion Ladungsträgerdiffusion Ladungsträger-Diffusion Bandverbiegung Band-Verbiegung Dünnschichtelektronik Dünnschicht-Elektronik Physics Solid State Physics Semiconductor Physics Organic Semiconductors Organic Electronics Organic Solar Cells Organic Photovoltaics Organic Molecules Small Molecules Molecular Electronics Molecular Semiconductors Amorphous Semiconductors Charge Transport Charge Mobility Charge Carrier Mobility Electron Mobility Hole Mobility Space-Charge Limited Current SCLC Single Carrier Devices Hole-Only Devices Hole Conduction Hole Conductivity Hole Transport Electron-Only Devices Electron Conduction Electron Conductivity Electron Transport Hopping Transport Poole-Frenkel Transport Field Activation Density Activation Charge Density Activation Charge Carrier Density Activation Drift Transport Temperature Activation Ionization Energy Ionization Potential Electron Affinity Conduction Band Valence Band Highest Occupied Molecular Orbital HOMO Lowest Unoccupied Molecular Orbital LUMO Transport Level Energy Levels Donor Acceptor Donor-Acceptor Effective Gap Effective Band Gap Band Gap Energy Gap Effective Energy Gap Bulk Heterojunction BHJ Flat Heterojunction FHJ Planar Heterojunction PHJ Doping Doped Transport Layers Injection Barrier Extraction Barrier Diffusion Charge Diffusion Charge Carrier Diffusion Band Bending Thin Film Electronics ddc:530 rvk:UP 3130 Elektronik Polymerelektronik Halbleiterelektronik Festkörperelektronik Physik Angewandte Physik Festkörperphysik Amorpher Halbleiter p-Halbleiter n-Halbleiter Metall-Halbleiter-Kontakt Intrinsischer Halbleiter Dotierter Halbleiter Organischer Halbleiter Halbleiterschicht Ohm-Kontakt Organisches Halbleiterbauelement Fullerene Buckminsterfulleren Hopping-Leitfähigkeit Elektrische Leitfähigkeit Leitfähigkeit Dunkelleitfähigkeit Elektronenleitung Beweglichkeit <Physik> Ladungsträgerbeweglichkeit Elektronenbeweglichkeit Ionisationsenergie Elektronenaffinität
67	Charge transport and energy levels in organic semiconductors Widmer, Johannes 02 October 2014 (has links) Organic semiconductors are a new key technology for large-area and flexible thin-film electronics. They are deposited as thin films (sub-nanometer to micrometer) on large-area substrates. The technologically most advanced applications are organic light emitting diodes (OLEDs) and organic photovoltaics (OPV). For the improvement of performance and efficiency, correct modeling of the electronic processes in the devices is essential. Reliable characterization and validation of the electronic properties of the materials is simultaneously required for the successful optimization of devices. Furthermore, understanding the relations between material structures and their key characteristics opens the path for innovative material and device design. In this thesis, two material characterization methods are developed, respectively refined and applied: a novel technique for measuring the charge carrier mobility μ and a way to determine the ionization energy IE or the electron affinity EA of an organic semiconductor. For the mobility measurements, a new evaluation approach for space-charge limited current (SCLC) measurements in single carrier devices is developed. It is based on a layer thickness variation of the material under investigation. In the \"potential mapping\" (POEM) approach, the voltage as a function of the device thickness V(d) at a given current density is shown to coincide with the spatial distribution of the electric potential V(x) in the thickest device. On this basis, the mobility is directly obtained as function of the electric field F and the charge carrier density n. The evaluation is model-free, i.e. a model for μ(F, n) to fit the measurement data is not required, and the measurement is independent of a possible injection barrier or potential drop at non-optimal contacts. The obtained μ(F, n) function describes the effective average mobility of free and trapped charge carriers. This approach realistically describes charge transport in energetically disordered materials, where a clear differentiation between trapped and free charges is impossible or arbitrary. The measurement of IE and EA is performed by characterizing solar cells at varying temperature T. In suitably designed devices based on a bulk heterojunction (BHJ), the open-circuit voltage Voc is a linear function of T with negative slope in the whole measured range down to 180K. The extrapolation to temperature zero V0 = Voc(T → 0K) is confirmed to equal the effective gap Egeff, i.e. the difference between the EA of the acceptor and the IE of the donor. The successive variation of different components of the devices and testing their influence on V0 verifies the relation V0 = Egeff. On this basis, the IE or EA of a material can be determined in a BHJ with a material where the complementary value is known. The measurement is applied to a number of material combinations, confirming, refining, and complementing previously reported values from ultraviolet photo electron spectroscopy (UPS) and inverse photo electron spectroscopy (IPES). These measurements are applied to small molecule organic semiconductors, including mixed layers. In blends of zinc-phthalocyanine (ZnPc) and C60, the hole mobility is found to be thermally and field activated, as well as increasing with charge density. Varying the mixing ratio, the hole mobility is found to increase with increasing ZnPc content, while the effective gap stays unchanged. A number of further materials and material blends are characterized with respect to hole and electron mobility and the effective gap, including highly diluted donor blends, which have been little investigated before. In all materials, a pronounced field activation of the mobility is observed. The results enable an improved detailed description of the working principle of organic solar cells and support the future design of highly efficient and optimized devices.:1. Introduction 2. Organic semiconductors and devices 2.1. Organic semiconductors 2.1.1. Conjugated π system 2.1.2. Small molecules and polymers 2.1.3. Disorder in amorphous materials 2.1.4. Polarons 2.1.5. Polaron hopping 2.1.6. Fermi-Dirac distribution and Fermi level 2.1.7. Quasi-Fermi levels 2.1.8. Trap states 2.1.9. Doping 2.1.10. Excitons 2.2. Interfaces and blend layers 2.2.1. Interface dipoles 2.2.2. Energy level bending 2.2.3. Injection from metal into semiconductor, and extraction 2.2.4. Excitons at interfaces 2.3. Charge transport and recombination in organic semiconductors 2.3.1. Drift transport 2.3.2. Charge carrier mobility 2.3.3. Thermally activated transport 2.3.4. Diffusion transport 2.3.5. Drift-diffusion transport 2.3.6. Space-charge limited current 2.3.7. Recombination 2.4. Mobility measurement 2.4.1. SCLC and TCLC 2.4.2. Time of flight 2.4.3. Organic field effect transistors 2.4.4. CELIV 2.5. Organic solar cells 2.5.1. Exciton diffusion towards the interface 2.5.2. Dissociation of CT states 2.5.3. CT recombination 2.5.4. Flat and bulk heterojunction 2.5.5. Transport layers 2.5.6. Thin film optics 2.5.7. Current-voltage characteristics and equivalent circuit 2.5.8. Solar cell efficiency 2.5.9. Limits of efficiency 2.5.10. Correct solar cell characterization 2.5.11. The \"O-Factor\" 3. Materials and experimental methods 3.1. Materials 3.2. Device fabrication and layout 3.2.1. Layer deposition 3.2.2. Encapsulation 3.2.3. Homogeneity of layer thickness on a wafer 3.2.4. Device layout 3.3. Characterization 3.3.1. Electrical characterization 3.3.2. Sample illumination 3.3.3. Temperature dependent characterization 3.3.4. UPS 4. Simulations 5.1. Design of single carrier devices 5.1.1. General design requirements 5.1.2. Single carrier devices for space-charge limited current 5.1.3. Ohmic regime 5.1.4. Design of injection and extraction layers 5.2. Advanced evaluation of SCLC – potential mapping 5.2.1. Potential mapping by thickness variation 5.2.2. Further evaluation of the transport profile 5.2.3. Injection into and extraction from single carrier devices 5.2.4. Majority carrier approximation 5.3. Proof of principle: POEM on simulated data 5.3.1. Constant mobility 5.3.2. Field dependent mobility 5.3.3. Field and charge density activated mobility 5.3.4. Conclusion 5.4. Application: Transport characterization in organic semiconductors 5.4.1. Hole transport in ZnPc:C60 5.4.2. Hole transport in ZnPc:C60 – temperature variation 5.4.3. Hole transport in ZnPc:C60 – blend ratio variation 5.4.4. Hole transport in ZnPc:C70 5.4.5. Hole transport in neat ZnPc 5.4.6. Hole transport in F4-ZnPc:C60 5.4.7. Hole transport in DCV-5T-Me33:C60 5.4.8. Electron transport in ZnPc:C60 5.4.9. Electron transport in neat Bis-HFl-NTCDI 5.5. Summary and discussion of the results 5.5.1. Phthalocyanine:C60 blends 5.5.2. DCV-5T-Me33:C60 5.5.3. Conclusion 6. Organic solar cell characteristics: the influence of temperature 6.1. ZnPc:C60 solar cells 6.1.1. Temperature variation 6.1.2. Illumination intensity variation 6.2. Voc in flat and bulk heterojunction organic solar cells 6.2.1. Qualitative difference in Voc(I, T) 6.2.2. Interpretation of Voc(I, T) 6.3. BHJ stoichiometry variation 6.3.1. Voc upon variation of stoichiometry and contact layer 6.3.2. V0 upon stoichiometry variation 6.3.3. Low donor content stoichiometry 6.3.4. Conclusion from stoichiometry variation 6.4. Transport material variation 6.4.1. HTM variation 6.4.2. ETM variation 6.5. Donor:acceptor material variation 6.5.1. Donor variation 6.5.2. Acceptor variation 6.6. Conclusion 7. Summary and outlook 7.1. Summary 7.2. Outlook A. Appendix A.1. Energy pay-back of this thesis A.2. Tables and registers / Organische Halbleiter sind eine neue Schlüsseltechnologie für großflächige und flexible Dünnschichtelektronik. Sie werden als dünne Materialschichten (Sub-Nanometer bis Mikrometer) auf großflächige Substrate aufgebracht. Die technologisch am weitesten fortgeschrittenen Anwendungen sind organische Leuchtdioden (OLEDs) und organische Photovoltaik (OPV). Zur weiteren Steigerung von Leistungsfähigkeit und Effizienz ist die genaue Modellierung elektronischer Prozesse in den Bauteilen von grundlegender Bedeutung. Für die erfolgreiche Optimierung von Bauteilen ist eine zuverlässige Charakterisierung und Validierung der elektronischen Materialeigenschaften gleichermaßen erforderlich. Außerdem eröffnet das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Materialstruktur und -eigenschaften einen Weg für innovative Material- und Bauteilentwicklung. Im Rahmen dieser Dissertation werden zwei Methoden für die Materialcharakterisierung entwickelt, verfeinert und angewandt: eine neuartige Methode zur Messung der Ladungsträgerbeweglichkeit μ und eine Möglichkeit zur Bestimmung der Ionisierungsenergie IE oder der Elektronenaffinität EA eines organischen Halbleiters. Für die Beweglichkeitsmessungen wird eine neue Auswertungsmethode für raumladungsbegrenzte Ströme (SCLC) in unipolaren Bauteilen entwickelt. Sie basiert auf einer Schichtdickenvariation des zu charakterisierenden Materials. In einem Ansatz zur räumlichen Abbildung des elektrischen Potentials (\"potential mapping\", POEM) wird gezeigt, dass das elektrische Potential als Funktion der Schichtdicke V(d) bei einer gegebenen Stromdichte dem räumlichen Verlauf des elektrischen Potentials V(x) im dicksten Bauteil entspricht. Daraus kann die Beweglichkeit als Funktion des elektrischen Felds F und der Ladungsträgerdichte n berechnet werden. Die Auswertung ist modellfrei, d.h. ein Modell zum Angleichen der Messdaten ist für die Berechnung von μ(F, n) nicht erforderlich. Die Messung ist außerdem unabhängig von einer möglichen Injektionsbarriere oder einer Potentialstufe an nicht-idealen Kontakten. Die gemessene Funktion μ(F, n) beschreibt die effektive durchschnittliche Beweglichkeit aller freien und in Fallenzuständen gefangenen Ladungsträger. Dieser Zugang beschreibt den Ladungstransport in energetisch ungeordneten Materialien realistisch, wo eine klare Unterscheidung zwischen freien und Fallenzuständen nicht möglich oder willkürlich ist. Die Messung von IE und EA wird mithilfe temperaturabhängiger Messungen an Solarzellen durchgeführt. In geeigneten Bauteilen mit einem Mischschicht-Heteroübergang (\"bulk heterojunction\" BHJ) ist die Leerlaufspannung Voc im gesamten Messbereich oberhalb 180K eine linear fallende Funktion der Temperatur T. Es kann bestätigt werden, dass die Extrapolation zum Temperaturnullpunkt V0 = Voc(T → 0K) mit der effektiven Energielücke Egeff , d.h. der Differenz zwischen EA des Akzeptor-Materials und IE des Donator-Materials, übereinstimmt. Die systematische schrittweise Variation einzelner Bestandteile der Solarzellen und die Überprüfung des Einflusses auf V0 bestätigen die Beziehung V0 = Egeff. Damit kann die IE oder EA eines Materials bestimmt werden, indem man es in einem BHJ mit einem Material kombiniert, dessen komplementärer Wert bekannt ist. Messungen per Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) und inverser Photoelektronenspektroskopie (IPES) werden damit bestätigt, präzisiert und ergänzt. Die beiden entwickelten Messmethoden werden auf organische Halbleiter aus kleinen Molekülen einschließlich Mischschichten angewandt. In Mischschichten aus Zink-Phthalocyanin (ZnPc) und C60 wird eine Löcherbeweglichkeit gemessen, die sowohl thermisch als auch feld- und ladungsträgerdichteaktiviert ist. Wenn das Mischverhältnis variiert wird, steigt die Löcherbeweglichkeit mit zunehmendem ZnPc-Anteil, während die effektive Energielücke unverändert bleibt. Verschiedene weitere Materialien und Materialmischungen werden hinsichtlich Löcher- und Elektronenbeweglichkeit sowie ihrer Energielücke charakterisiert, einschließlich bisher wenig untersuchter hochverdünnter Donator-Systeme. In allen Materialien wird eine deutliche Feldaktivierung der Beweglichkeit beobachtet. Die Ergebnisse ermöglichen eine verbesserte Beschreibung der detaillierten Funktionsweise organischer Solarzellen und unterstützen die künftige Entwicklung hocheffizienter und optimierter Bauteile.:1. Introduction 2. Organic semiconductors and devices 2.1. Organic semiconductors 2.1.1. Conjugated π system 2.1.2. Small molecules and polymers 2.1.3. Disorder in amorphous materials 2.1.4. Polarons 2.1.5. Polaron hopping 2.1.6. Fermi-Dirac distribution and Fermi level 2.1.7. Quasi-Fermi levels 2.1.8. Trap states 2.1.9. Doping 2.1.10. Excitons 2.2. Interfaces and blend layers 2.2.1. Interface dipoles 2.2.2. Energy level bending 2.2.3. Injection from metal into semiconductor, and extraction 2.2.4. Excitons at interfaces 2.3. Charge transport and recombination in organic semiconductors 2.3.1. Drift transport 2.3.2. Charge carrier mobility 2.3.3. Thermally activated transport 2.3.4. Diffusion transport 2.3.5. Drift-diffusion transport 2.3.6. Space-charge limited current 2.3.7. Recombination 2.4. Mobility measurement 2.4.1. SCLC and TCLC 2.4.2. Time of flight 2.4.3. Organic field effect transistors 2.4.4. CELIV 2.5. Organic solar cells 2.5.1. Exciton diffusion towards the interface 2.5.2. Dissociation of CT states 2.5.3. CT recombination 2.5.4. Flat and bulk heterojunction 2.5.5. Transport layers 2.5.6. Thin film optics 2.5.7. Current-voltage characteristics and equivalent circuit 2.5.8. Solar cell efficiency 2.5.9. Limits of efficiency 2.5.10. Correct solar cell characterization 2.5.11. The \"O-Factor\" 3. Materials and experimental methods 3.1. Materials 3.2. Device fabrication and layout 3.2.1. Layer deposition 3.2.2. Encapsulation 3.2.3. Homogeneity of layer thickness on a wafer 3.2.4. Device layout 3.3. Characterization 3.3.1. Electrical characterization 3.3.2. Sample illumination 3.3.3. Temperature dependent characterization 3.3.4. UPS 4. Simulations 5.1. Design of single carrier devices 5.1.1. General design requirements 5.1.2. Single carrier devices for space-charge limited current 5.1.3. Ohmic regime 5.1.4. Design of injection and extraction layers 5.2. Advanced evaluation of SCLC – potential mapping 5.2.1. Potential mapping by thickness variation 5.2.2. Further evaluation of the transport profile 5.2.3. Injection into and extraction from single carrier devices 5.2.4. Majority carrier approximation 5.3. Proof of principle: POEM on simulated data 5.3.1. Constant mobility 5.3.2. Field dependent mobility 5.3.3. Field and charge density activated mobility 5.3.4. Conclusion 5.4. Application: Transport characterization in organic semiconductors 5.4.1. Hole transport in ZnPc:C60 5.4.2. Hole transport in ZnPc:C60 – temperature variation 5.4.3. Hole transport in ZnPc:C60 – blend ratio variation 5.4.4. Hole transport in ZnPc:C70 5.4.5. Hole transport in neat ZnPc 5.4.6. Hole transport in F4-ZnPc:C60 5.4.7. Hole transport in DCV-5T-Me33:C60 5.4.8. Electron transport in ZnPc:C60 5.4.9. Electron transport in neat Bis-HFl-NTCDI 5.5. Summary and discussion of the results 5.5.1. Phthalocyanine:C60 blends 5.5.2. DCV-5T-Me33:C60 5.5.3. Conclusion 6. Organic solar cell characteristics: the influence of temperature 6.1. ZnPc:C60 solar cells 6.1.1. Temperature variation 6.1.2. Illumination intensity variation 6.2. Voc in flat and bulk heterojunction organic solar cells 6.2.1. Qualitative difference in Voc(I, T) 6.2.2. Interpretation of Voc(I, T) 6.3. BHJ stoichiometry variation 6.3.1. Voc upon variation of stoichiometry and contact layer 6.3.2. V0 upon stoichiometry variation 6.3.3. Low donor content stoichiometry 6.3.4. Conclusion from stoichiometry variation 6.4. Transport material variation 6.4.1. HTM variation 6.4.2. ETM variation 6.5. Donor:acceptor material variation 6.5.1. Donor variation 6.5.2. Acceptor variation 6.6. Conclusion 7. Summary and outlook 7.1. Summary 7.2. Outlook A. Appendix A.1. Energy pay-back of this thesis A.2. Tables and registers info:eu-repo/classification/ddc/530 ddc:530

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