No description available.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von weitbandlückigen Halbleitern mittels Raman-Spektroskopie. Diese wurde vorwiegend unter Verwendung von Licht einer Wellenlänge von 325 nm im ultravioletten Spektralbereich angeregt. Damit konnten zum einen aufgrund eines erhöhten Streuquerschnittes Messungen zur Probencharakterisierung durchgeführt werden, die mit Anregung im sichtbaren Spektralbereich nicht möglich gewesen wären. Zum anderen wurden bei dieser Anregungswellenlänge auftretende Resonanzeffekte untersucht. Dabei werden zwei verschiedene Materialsysteme behandelt: zum einen Kristalle mit Wurtzitstruktur und zum anderen binäre und ternäre Sesquioxide mit Metallionen der III. Hauptgruppe. An den Kristallen mit Wurtzitstruktur wurde die Streuung des Anregungslichts mit Energie oberhalb der Bandlücke an longitudinal-optischen (LO) Phononen untersucht. Die Streuung an einzelnen LO-Phononen wird unter diesen Anregungsbedingungen von einem Prozess dominiert, der eine elastische Streuung beinhaltet, durch die die Impulserhaltung verletzt wird. Es wurde ein Modell aufgestellt, dass zwischen einer elastischen Streuung an der Oberfläche und an Punktdefekten unterscheidet, und mit Hilfe von Experimenten verifiziert. Weiterhin wurde der Einfluss von Ladungsträgern auf die Energie der LO-Phononen untersucht und es wird eine Anwendung dieser Erkenntnisse zur Charakterisierung der Oberfläche von Zinkoxid vorgestellt. An den binären Oxiden des Galliums und Indiums wurden die Energien der Phononenmoden ermittelt und die resonante Verstärkung bei der verwendeten Anregungswellenlänge untersucht. Für das Galliumoxid wurde dabei insbesondere die Anisotropie des Materials berücksichtigt. Für das Indiumoxid wird dargestellt, dass durch die resonante Anregung alle Phononenmoden beobachtet werden können, was insbesondere auch die Bestimmung der Phononenmoden von Dünnschichtproben ermöglicht. Weiterhin waren Mischkristalle des Galliumoxids Untersuchungsgegenstand, in denen das Gallium teilweise durch Indium oder Aluminium ersetzt wurde. Die Phononenenergien wurden in Abhängigkeit der Zusammensetzung ermittelt und der Einfluss von strukturellen Eigenschaften darauf sowie das Auftreten von Phasenübergängen untersucht.

In der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen an halbleitenden β-Galliumoxid- und Indiumoxid-Dünnfilmen beschrieben. Dabei wird insbesondere auf die Realisierung von Schottky-Kontakten auf solchen Dünnfilmen, die Optimierung der sperrenden Eigenschaften dieser Kontakte durch das Verwenden vertikaler Probenstrukturen sowie die Modellierung ihrer Strom-Spannungs-Kennlinien eingegangen. Dafür wird zunächst ein im Rahmen dieser Arbeit entwickeltes Modell vorgestellt, welches verschiedene bekannte Modelle des Stromtransports durch Schottky-Kontakte sowie den Einfluss von Nichtidealitäten, wie z. B. inhomogene Barrierenhöhen oder lokale Serienwiderstände für verschiedene Strompfade, zusammenfasst und weiterhin auch das Nettodotierungsprofil und Ladeströme berücksichtigt. Bereits durch Analyse der so berechenbaren Kennlinien können in der Literatur beobachtete Effekte nachgebildet werden, welche mit bekannten Modellen nicht umfassend beschrieben werden. In den darauffolgenden beiden Kapiteln werden Untersuchungen an den β-Galliumoxid- bzw. Indiumoxid-Dünnfilmen beschrieben. Für beide Materialsysteme wird zunächst auf die Realisierung von Schottky-Kontakten auf mittels gepulster Laserdeposition gewachsenen Dünnfilmen eingegangen. Dabei wird insbesondere die Optimierung des Sperrverhaltens durch Verwendung einer vertikalen Probenstruktur untersucht. Sowohl für β-Galliumoxid- als auch für Indiumoxid-Dünnfilme kann mithilfe einer leitfähigen Rückkontaktschicht der Serienwiderstand der Schottky-Dioden verringert und somit das sperrende Verhalten verbessert werden. Für Indiumoxid wird außerdem der Einfluss einer Mg-dotierten Schicht an der Grenzfläche zum Metallkontakt untersucht. Auch diese bewirkt durch eine Verringerung des Rückwärtsstromes eine Verbesserung des sperrenden Verhaltens. Mithilfe des zuvor beschriebenen Modells wird eine genaue Analyse der gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien durchgeführt, die ein tieferes Verständnis der Prozesse, welche die Sperreigenschaften der Diode festlegen, erlaubt. Schließlich wird für beide Materialsysteme die Realisierung von Feldeffekttransistoren mithilfe der zuvor erwähnten Schottky-Kontakte untersucht.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von weitbandlückigen Halbleitern mittels Raman-Spektroskopie. Diese wurde vorwiegend unter Verwendung von Licht einer Wellenlänge von 325 nm im ultravioletten Spektralbereich angeregt. Damit konnten zum einen aufgrund eines erhöhten Streuquerschnittes Messungen zur Probencharakterisierung durchgeführt werden, die mit Anregung im sichtbaren Spektralbereich nicht möglich gewesen wären. Zum anderen wurden bei dieser Anregungswellenlänge auftretende Resonanzeffekte untersucht. Dabei werden zwei verschiedene Materialsysteme behandelt: zum einen Kristalle mit Wurtzitstruktur und zum anderen binäre und ternäre Sesquioxide mit Metallionen der III. Hauptgruppe. An den Kristallen mit Wurtzitstruktur wurde die Streuung des Anregungslichts mit Energie oberhalb der Bandlücke an longitudinal-optischen (LO) Phononen untersucht. Die Streuung an einzelnen LO-Phononen wird unter diesen Anregungsbedingungen von einem Prozess dominiert, der eine elastische Streuung beinhaltet, durch die die Impulserhaltung verletzt wird. Es wurde ein Modell aufgestellt, dass zwischen einer elastischen Streuung an der Oberfläche und an Punktdefekten unterscheidet, und mit Hilfe von Experimenten verifiziert. Weiterhin wurde der Einfluss von Ladungsträgern auf die Energie der LO-Phononen untersucht und es wird eine Anwendung dieser Erkenntnisse zur Charakterisierung der Oberfläche von Zinkoxid vorgestellt. An den binären Oxiden des Galliums und Indiums wurden die Energien der Phononenmoden ermittelt und die resonante Verstärkung bei der verwendeten Anregungswellenlänge untersucht. Für das Galliumoxid wurde dabei insbesondere die Anisotropie des Materials berücksichtigt. Für das Indiumoxid wird dargestellt, dass durch die resonante Anregung alle Phononenmoden beobachtet werden können, was insbesondere auch die Bestimmung der Phononenmoden von Dünnschichtproben ermöglicht. Weiterhin waren Mischkristalle des Galliumoxids Untersuchungsgegenstand, in denen das Gallium teilweise durch Indium oder Aluminium ersetzt wurde. Die Phononenenergien wurden in Abhängigkeit der Zusammensetzung ermittelt und der Einfluss von strukturellen Eigenschaften darauf sowie das Auftreten von Phasenübergängen untersucht.

Die vorliegende Arbeit beschreibt den Verlauf der Forschung von der Entwicklung einer neuartigen Methode der gepulsten Laser-Plasmaabscheidung (PLD) über die Untersuchung der ternären In- und Al-Legierungssysteme von metastabilem orthorhombischen κ-Ga2O3 auf der Basis dieser Methode hin zu Multi-Quantengraben (QW) Supergitter (SL) Heterostrukturen für transparente Quantengrabeninfrarotphotodetektoren (QWIPs). Im ersten Teil wird die Methode, welche vertical continuous composition spread (VCCS) PLD genannt wird, eingeführt und am MgxZn1−xO Legierungssystem erprobt. Die Methode erlaubt die Kontrolle der Komposition von Dünnfilmen über die radiale Position des PLD Laserspots auf der Targetoberfläche. Das ist eine wichtige Voraussetzung für die Bestimmung der kompositionsabhängigen Eigenschaften der Legierungssysteme und für präzise Profile der physikalischen Eigenschaften in Wachstumsrichtung für das Design von Bauelementen. Die Dünnfilme mit 0 ≤ x ≤ 0.4 zeigen die gleichen Eigenschaften wie solche, die mit Standard-PLD abgeschieden wurden. Numerische Modelle werden präsentiert, welche die Dünnfilmkomposition exakt vorhersagen. Im zweiten Teil werden κ-Ga2O3 Dünnfilme durch die Beigabe von Zinn während des PLD Prozesses stabilisiert. Die Dünnfilme weisen hohe kristalline Qualität, glatte Oberflächen und große Bandlücken (Eg ≈ 4.9 eV) auf. Ein Wachstumsmodell wird präsentiert, welches Zinn als Oberflächenschicht beschreibt. Im dritten Teil werden die In- und Al-Legierungssysteme von κ-Ga2O3 mittels VCCS PLD untersucht. Die Löslichkeitsgrenzen xIn <~ 0.35 und xAl <~ 0.65 sind die höchsten bislang berichteten. In- und out-of-plane Gitterkonstanten wurden in Abhängigkeit der Zusammensetzung bestimmt und Eg konnte von 4.1 eV bis 6.4 eV variiert werden. Die Position des Valenzbandmaximums wird als unabhängig von der Komposition gezeigt, womit die Variation in Eg den Leitungsbandunterschieden gleicht und Detektionsbereiche vom fernen IR bis in das Sichtbare für QWIP-Anwendungen bedeutet. Berechnungen anhand dieser Ergebnisse ergeben Polarisationsladungsdichten an Grenzflächen von Heterostrukturen gleich oder höher derer im etablierten AlGaN/GaN System, welche wichtig zur Polarisationsdotierung zur Besetzung des Grundzustandes in QWIPs sind. Dies bestätigt das große Potential der κ-Phase. Im letzten Teil werden erste kohärent gewachsene κ-(AlxGa1−x)2O3/Ga2O3 SL Strukturen untersucht. Glatte Grenzflächen im Bereich weniger Monolagen werden gezeigt und es konnten kritische Dicken für die κ-Ga2O3 QW Schichten bestimmt werden, die für QWIP-Anwendungen genügen. / The presented thesis describes the research path from the development of a novel pulsed laser deposition (PLD) technique over the exploration of the ternary In- and Al-alloy systems of metastable orthorhombic κ-Ga2O3 employing this technique towards multi-quantum well (QW) superlattice (SL) heterostructures for solar-blind quantum well infrared photodetector (QWIP) applications. In the first part, the PLD technique called vertical continuous composition spread (VCCS) PLD employing radially-segmented targets is established and tested on the well-known MgxZn1−xO alloy system. The technique enables direct control of the chemical composition of thin films by a variation of the radial position of the PLD laser spot on the target surface. This is a prerequisite for a discrete compositional screening of alloy properties and the exact tailoring of physical parameters in growth direction for heterostructure device design. The resulting thin films with 0 ≤ x ≤ 0.4 exhibit the same quality as thin films deposited by standard PLD and numerical models are presented that precisely predict the thin film composition. In the second part, κ-Ga2O3 thin films are stabilized by the addition of tin in the PLD process. The thin films show a high crystalline quality, smooth surfaces and large bandgaps (Eg ≈ 4.9 eV). A growth model is proposed based on tin acting as surfactant. In the third part, the In- and Al-alloy systems of κ-Ga2O3 are explored by VCCS PLD. Solubility limits of xIn <~ 0.35 and xAl <~ 0.65 are the highest reported to date. In- and out-of-plane lattice constants were determined as function of alloy composition and bandgap engineering from 4.1 eV to 6.4 eV is feasible within these limits. The energetic position of the valence band maximum was found independent on chemical composition such that the change in bandgap equals the conduction band offset rendering wavelength ranges from far IR to the visible spectral range in QWIP applications possible. Calculations based on these results found polarization charge densities at the interfaces of corresponding heterostructures on par or larger than for the established AlGaN/GaN system important for polarization doping to populate the ground state in QWIPs. This corroborates the high potential of the κ-phase. In the last part, first coherently grown κ-(AlxGa1−x)2O3/Ga2O3 SL heterostructures are presented. Smooth interfaces of the order of a few monolayers are confirmed and critical thicknesses for coherent growth of the Ga2O3 QW layer are found to be sufficient for QWIP applications.

Die Elektrifizierung unserer Gesellschaft verlangt eine stetige Innovation von elektrischen Bauteilen. Ein vielversprechendes Material ist der transparente Halbleiter ß-Ga2O3. Mit seiner hohen Bandlücke von 4,8 eV bietet das Material gute Voraussetzungen, um im Bereich der Hochleistungselektronik verwendet zu werden. In dieser Arbeit wurden die elektrischen und thermischen Leitungseigenschaften von ß-Ga2O3 untersucht. Dabei werden die Streumechanismen, die den Transport von Elektronen oder Phononen bestimmen, diskutiert. Es wurde eine Abhängigkeit der Ladungsträgerbeweglichkeit von der Schichtdicke der leitfähigen homoepitaktischen ß-Ga2O3 Schichten festgestellt. Während in Volumenproben und dicken Schichten (>150 nm) eine Kombination aus Streuung von Elektronen an Phononen und an ionisierten Störstellen den Transport dominiert, so spielen bei dünnen Schichten Grenzflächeneffekte eine Rolle. Dieser Effekt konnte mit einer modifizierten Variante des Modells nach Bergmann beschrieben werden. Messungen der Wärmeleitfähigkeit haben deren aus der Literatur bekannte Anisotropie bei Raumtemperatur bestätigt. Die Wärmeleitfähigkeit steigt mit sinkender Temperatur, bis bei etwa 30 K ein Maximum von über 1000 W/(mK) erreicht wird. Anhand der mittleren freien Weglängen der Phononen konnte gezeigt werden, dass der Wärmetransport oberhalb von 80 K von Phonon-Phonon Umklappstreuung bestimmt wird. Zwischen 30 K und 80 K zeigt sich der Einfluss von Punktdefektstreuung. Unterhalb von 30 K zeigen sich die Einflüsse der Grenzflächen des Kristalls. Es findet ein Übergang des Phononentransports aus dem diffusiven Transportregime nach Fourier zum ballistischen Phononenstrahlungstransport nach Casimir und Majumdar statt. Eine Betrachtung dieser Materialparameter zeigt, dass ein möglicher Einsatzbereich für ß-Ga2O3 basierte Bauelemente mit flüssigem Stickstoff gekühlte Anwendungen sein könnten. Hier sind sowohl elektrische als auch thermische Parameter gut für hohe Stromdichten geeignet. / The electrification of our society demands continuous innovation in the field of electronic devices. One promising material is the transparent semiconductor ß-Ga2O3. With its high bandgap of 4.8 eV the material shows a great potential to be used in the field of high-power electronics. In this work, the electrical and thermal properties of ß-Ga2O3 have been investigated. The scattering mechanisms that determine the transport of electrons or phonons are discussed. A dependence of the charge carrier mobility on the thickness of the conductive homoepitaxial ß-Ga2O3 layers has been observed. While a combination of electron-phonon scattering (high temperatures) and scattering of electrons on ionized impurities (low temperatures) was shown to dominate the transport in bulk samples and bulk-like layers (>150 nm), in thin layers the influence of boundary scattering plays an increasing role. This effect could be described by a modified version of the Bergmann scattering model for an ideal thin film. Measurements of the thermal conductivity have reproduced the anisotropy previously reported in literature. The thermal conductivity rises with decreasing temperature until it reaches a maximum at approximately 30 K exceeding 1000 W/(mK). The phonon mean free path showed, that the phonon transport is dominated by phonon-phonon Umklapp-scattering above 80 K. Between 30 K and 80 K the influence of point defect scattering was visible. Below 30 K surface effects influence the thermal transport. A transition from diffusive phonon transport in the Fourier model into ballistic phonon-radiative transport described by Casimir and Majumdar takes place. A comparison of these material parameters with those of materials currently used in high-power electronics like SiC and GaN shows, that a possible application for ß-Ga2O3 are devices, that are cooled with liquid nitrogen. In this temperature range the electrical and thermal conductivity of are both well-suited for high current densities.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von Schottky-Kontakten auf halbleitenden Zinkoxid- und β-Galliumoxid-Dünnfilmen. Nach einer kurzen Einführung in die verwendeten Materialsysteme und die Theorie von Schottky-Kontakten werden die Eigenschaften von verschiedenartig hergestellten Schottky-Kontakten auf Zinkoxid aufgezeigt. Dazu werden typischerweise Strom-Spannungs- und Kapazitäts-Spannungs-Messungen genutzt. Für die Zinkoxid-basierten Schottky-Kontakte konnte anhand verschiedenartig hergestellter Schottky-Kontakte gezeigt werden, dass deren Barrierenformation maßgeblich von Sauerstoffvakanzen nahe der Metall-Halbleiter-Grenzfläche beeinflusst wird. Zur Realisierung von Galliumoxid-basierten Schottky-Kontakten wurden zunächst die Eigenschaften von undotierten und Silizium-dotierten Galliumoxid-Dünnfilmen untersucht. Diese Dünnfilme sind mittels gepulster Laserabscheidung auf c-plane Saphir hergestellt. Als Prozessparameter sind in dieser Arbeit die Wachstumstemperatur, der Sauerstoffpartialdruck in der Kammer und der Silizumgehalt bspw. in Bezug auf Leitfähigkeit, Oberflächenmorphologie oder Kristallinität zur Realisierung von Schottky-Kontakten optimiert. Auf diesen Dünnfilmen wurden mit verschiedenen Herstellungsverfahren, wie thermischer Verdampfung, (reaktiver) Kathodenzerstäubung oder (reaktiver) Distanz-Kathodenzerstäubung, Metall- bzw. Metalloxid-Schottky-Kontakte aufgebracht. Dabei werden unter anderem die elektrischen Eigenschaften direkt nach der Herstellung und deren Entwicklung im weiteren zeitlichen Verlauf untersucht. Des Weiteren werden die Temperaturstabilität oder aber die Spannungsstabilität der Schottky-Kontakte studiert. Ein Vergleich zu Schottky-Kontakten auf β-Galliumoxid-Volumenmaterial wird anhand mittels reaktiver Distanz-Kathodenzerstäubung hergestellter Platinoxid-Dioden durchgeführt.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von Schottky-Kontakten auf halbleitenden Zinkoxid- und β-Galliumoxid-Dünnfilmen. Nach einer kurzen Einführung in die verwendeten Materialsysteme und die Theorie von Schottky-Kontakten werden die Eigenschaften von verschiedenartig hergestellten Schottky-Kontakten auf Zinkoxid aufgezeigt. Dazu werden typischerweise Strom-Spannungs- und Kapazitäts-Spannungs-Messungen genutzt. Für die Zinkoxid-basierten Schottky-Kontakte konnte anhand verschiedenartig hergestellter Schottky-Kontakte gezeigt werden, dass deren Barrierenformation maßgeblich von Sauerstoffvakanzen nahe der Metall-Halbleiter-Grenzfläche beeinflusst wird. Zur Realisierung von Galliumoxid-basierten Schottky-Kontakten wurden zunächst die Eigenschaften von undotierten und Silizium-dotierten Galliumoxid-Dünnfilmen untersucht. Diese Dünnfilme sind mittels gepulster Laserabscheidung auf c-plane Saphir hergestellt. Als Prozessparameter sind in dieser Arbeit die Wachstumstemperatur, der Sauerstoffpartialdruck in der Kammer und der Silizumgehalt bspw. in Bezug auf Leitfähigkeit, Oberflächenmorphologie oder Kristallinität zur Realisierung von Schottky-Kontakten optimiert. Auf diesen Dünnfilmen wurden mit verschiedenen Herstellungsverfahren, wie thermischer Verdampfung, (reaktiver) Kathodenzerstäubung oder (reaktiver) Distanz-Kathodenzerstäubung, Metall- bzw. Metalloxid-Schottky-Kontakte aufgebracht. Dabei werden unter anderem die elektrischen Eigenschaften direkt nach der Herstellung und deren Entwicklung im weiteren zeitlichen Verlauf untersucht. Des Weiteren werden die Temperaturstabilität oder aber die Spannungsstabilität der Schottky-Kontakte studiert. Ein Vergleich zu Schottky-Kontakten auf β-Galliumoxid-Volumenmaterial wird anhand mittels reaktiver Distanz-Kathodenzerstäubung hergestellter Platinoxid-Dioden durchgeführt.