The focus of this thesis is the investigation of thin-film transistors (TFTs) based on amorphous oxide semiconductors (AOSs) in two circuit applications. To date, circuits implemented with AOS-based TFTs have been primarily enhancement-enhancement inverters, ring oscillators based on these inverters operating at peak frequencies up to ~400 kHz, and two-transistor one-capacitor pixel driving circuits for use with organic light-emitting diodes (OLEDS). The first application investigated herein is AC/DC rectification using two circuit configurations based on staggered bottom-gate TFTs employing indium gallium oxide (IGO) as the active channel layer; a traditional full bridge rectifier with diode-tied transistors and a cross-tied full-wave rectifier are demonstrated, which is analogous to what has been reported previously using p-type organic TFTs. Both circuit configurations are found to operate successfully up to at least 20 MHz; this is believed to be the highest reported operating frequency to date for circuits based on amorphous oxide semiconductors. Output voltages at one megahertz are 9 V and ~10.5 V, respectively, when driven with a differential 7.07 Vrms sine wave. This performance is superior to that of previously reported organic-based rectifiers. The second AOS-based TFT circuit application investigated is an enhancement-depletion (E-D) inverter based on heterogeneous channel materials. Simulation results using models based on a depletion-mode indium zinc oxide (IZO) TFT and an enhancement-mode IGO TFT result in a gain of ~15. Gains of other oxide-based inverters have been limited to less than 2; the large gain of the E-D inverter makes it well suited for digital logic applications. Deposition parameters for the IGO and IZO active layers are optimized to match the models used in simulation by fabricating TFTs on thermally oxidized silicon and patterned via shadow masks. Integrated IGO-based TFTs exhibit a similar turn-on voltage and decreased mobility compared to the shadow masked TFTs. However, the integrated IZO-based TFTs fabricated to date are found to be conductive and exhibit no gate modulation. Due to the conductive nature of the load, the fabricated E-D inverter shows no significant output voltage variation. This discrepancy in performance between the integrated and shadow-masked IZO devices is attributed to processing complications. / Graduation date: 2009

Complex oxides are an intriguing field of solid-state research, as they can exhibit a wide variety of functional properties, such as ferroelasticity, ferroelectricity, ferro- and antiferromagnetism or an even more complicated type of magnetic ordering, the combination or interaction of those ferroic properties (multiferroicity), high spin polarization, or high-temperature superconductivity. Thus they are prospective candidates for future materials in microelectronics. It is a matter of fact that the performance of such oxide-based devices depends mainly on transport properties, which in turn depend on the distribution and density of intrinsic or extrinsic electronic interface states across the device structure. The present thesis focuses on the identification and characterization of such electronic properties by two different photoassisted spectroscopy techniques: surface photovoltage spectroscopy and photoelectron spectroscopy. This work especially deals with perovskite oxides, namely with the model perovskite strontium titanate (SrTiO3) as a substrate and three differently doped lanthanum manganite thin films (10-15 nm thickness) grown by pulsed laser deposition (PLD) on the SrTiO3 substrate(La0.7Sr0.3MnO3, La0.7Ca0.3MnO3, La0.7Ce0.3MnO3). The first part aims at the identification of electronic surface and interface states at the free SrTiO3 surface as well as at the three different lanthanum manganite/SrTiO3 interfaces. For that purpose three different experimental realizations of the surface photovoltage spectroscopy technique were implemented and employed: photoelectron spectroscopy under additional optical excitation, the capacitive detection of the photoinduced displacement current in a parallel-plate capacitor geometry under modulated optical excitation, and the classical Kelvin probe technique. The methods are evaluated comparatively with respect to their suitability to analyze the given oxidic interfaces. The main result of this first part is a map of the energetic positions and relaxation time constants of the surface states at the SrTiO3 surface as well as of the interface states at the lanthanum manganite/SrTiO3 interfaces within the SrTiO3 bandgap. The interface states were classified into film- and substrate-induced states and it could be demonstrated that an appropriate annealing procedure can dramatically decrease their densities. The second part tackles the problem of the manganese valence and the doping type of di- and tetravalent-ion-doped LaMnO3. The question whether the insulating parent compound LaMnO3 becomes an electron-doped semiconductor after doping with tetravalent cations such as Ce4+ - which would be in analogy to the well-established hole doping after partial substitution of La3+ by divalent cations such as Sr2+ or Ca2+ - has been discussed controversially in the literature so far. Due to the physics of the manganite crystal lattice the question can also be formulated in a different way: Can part of the manganese ions be driven from the Mn3+ state towards the Mn2+ state without any crystal instabilities or phase separation phenomena? In order to contribute to the clarification of this question, an extensive X-ray- and UV-photoelectron spectroscopy (XPS/UPS) investigation was performed. The three differently doped lanthanum manganite thin films were comparatively studied considering the exchange splitting of the Mn 3s core level line, which is a linear function of the Mn valence, as measured by XPS and the work function as extracted from UPS. All measurements were performed at different states of deoxygenation after heating in ultrahigh vacuum and reoxidation after heating in a pure oxygen atmosphere. Strong evidence for electron doping of the La0.7Ce0.3MnO3 film after deoxygenation was found. Furthermore, the reversible tunability of the Mn valence by variation of the oxygen content could be demonstrated for both tetravalent- and divalent-ion-doped lanthanum manganite films. / Oxidische Komplexverbindungen können eine Vielzahl an funktionellen Eigenschaften, wie z.B. Ferroelastizität, Ferroelektrizität, Ferro- und Antiferromagnetismus sowie kompliziertere magnetische Ordnungen, die Kombination und Interaktion solcher ferroischer Eigenschaften (Multiferroizität), hohe Spinpolarisation oder Hochtemperatursupraleitung aufweisen und gelten daher als aussichtsreiche Materialien für die zukünftige Mikroelektronik. Entscheidend für die Funktionsfähigkeit oxidischer Bauelemente sind deren elektronische Transporteigenschaften, die in äußerst sensibler Weise von der Verteilung und Dichte von ex- oder intrinsischen elektronischen Defektzuständen an Grenz- und Oberflächen innerhalb der Bauelementstruktur abhängen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Spektroskopie solcher elektronischer Eigenschaften mittels photonenbasierter Methoden. Im Fokus stehen dabei perowskitische Oxide , speziell das Modellperowskit Strontiumtitanat (SrTiO3) als Substrat und darauf mittels gepulster Laserdeposition (PLD) abgeschiedene dünne Filme (10-15 nm Dicke) dotierter Lanthanmanganate (La0.7Sr0.3MnO, La0.7Ca0.3MnO3, La0.7Ce0.3MnO3). Im Rahmen einer halbleiterphysikalischen Interpretation widmet sich der erste Teilder Identifikation elektronischer Ober- und Grenzflächenzustände an der SrTiO3-Oberfläche sowie an verschiedenen Lanthanmanganat/SrTiO3-Grenzflächen mittels dreier unterschiedlicher experimenteller Methoden zur Vermessung der Oberflächenphotospannung: der Photoelektronenspektroskopie unter zusätzlicher optischer Anregung, einer kapazitiven Detektionsmethode in Plattenkondensatorgeometrie unter modulierter optischer Anregung und der optischen Kelvin-Sonde. Neben einem auf die bei oxidischen Ober- und Grenzflächen auftretenden besonderen Herausforderungen zugeschnittenen Methodenvergleich werden Grenzflächenzustände bezüglich ihrer energetischen Position in der Bandlücke des SrTiO3 und ihres Relaxationsverhaltens analysiert, als substrat- oder filminduziert klassifiziert, und die Verringerung ihrer Dichte nach geeigneter Ausheilprozedur wird nachgewiesen. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der in der Literatur bisher kontrovers diskutierten Frage, ob sich die isolierende Stammverbindung LaMnO3 durch Dotierung mit tetravalenten Kationen, wie z.B. Ce4+, in einen elektronendotierten Halbleiter verwandeln lässt - analog zur Herstellung lochdotierter Lanthanmanganate durch Dotierung mit divalenten Kationen, wie z.B. Sr2+ oder Ca2+. Die Frage ist äquivalent zur Betrachtung, ob unter Beibehaltung der Stabilität des Kristallgitters ein Teil der Manganionen vom Mn3+-Zustand in den Mn2+-Zustand übergehen kann. Um einen Beitrag zur Klärung dieses Problems zu leisten, wurden als elektronisch sensitive Methoden die Röntgen- und UV-Photoelektronenspektroskopie (XPS/UPS) gewählt. Die oben genannten Lanthanmanganatfilme wurden dazu hinsichtlich der Austauschaufspaltung der Mangan-3s-Linie im XP-Spektrum, die in linearer Weise von der Manganvalenz abhängt, und der anhand der Breite des UP-Spektrums ermittelten Austrittsarbeit jeweils nach Reinigung der Oberfläche im Ultrahochvakuum (UHV) vergleichend untersucht. Die Messungen wurden nach unterschiedlich starker Desoxidation durch Heizen im UHV und Reoxidierung durch Heizen in Sauerstoffatmosphäre durchgeführt. Es konnte nachgewiesen werden, dass eine Elektronendotierung des La0.7Ce0.3MnO3-Films bei geeigneter Einstellung des Sauerstoffgehalts tatsächlich möglich ist. Außerdem wurde gezeigt, dass sich sowohl in di- als auch in tetravalent dotierten Lanthanmanganatfilmen die Manganvalenz und damit der Dotierungstyp reversibel durchstimmen lässt.

Complex oxides are an intriguing field of solid-state research, as they can exhibit a wide variety of functional properties, such as ferroelasticity, ferroelectricity, ferro- and antiferromagnetism or an even more complicated type of magnetic ordering, the combination or interaction of those ferroic properties (multiferroicity), high spin polarization, or high-temperature superconductivity. Thus they are prospective candidates for future materials in microelectronics. It is a matter of fact that the performance of such oxide-based devices depends mainly on transport properties, which in turn depend on the distribution and density of intrinsic or extrinsic electronic interface states across the device structure. The present thesis focuses on the identification and characterization of such electronic properties by two different photoassisted spectroscopy techniques: surface photovoltage spectroscopy and photoelectron spectroscopy. This work especially deals with perovskite oxides, namely with the model perovskite strontium titanate (SrTiO3) as a substrate and three differently doped lanthanum manganite thin films (10-15 nm thickness) grown by pulsed laser deposition (PLD) on the SrTiO3 substrate(La0.7Sr0.3MnO3, La0.7Ca0.3MnO3, La0.7Ce0.3MnO3). The first part aims at the identification of electronic surface and interface states at the free SrTiO3 surface as well as at the three different lanthanum manganite/SrTiO3 interfaces. For that purpose three different experimental realizations of the surface photovoltage spectroscopy technique were implemented and employed: photoelectron spectroscopy under additional optical excitation, the capacitive detection of the photoinduced displacement current in a parallel-plate capacitor geometry under modulated optical excitation, and the classical Kelvin probe technique. The methods are evaluated comparatively with respect to their suitability to analyze the given oxidic interfaces. The main result of this first part is a map of the energetic positions and relaxation time constants of the surface states at the SrTiO3 surface as well as of the interface states at the lanthanum manganite/SrTiO3 interfaces within the SrTiO3 bandgap. The interface states were classified into film- and substrate-induced states and it could be demonstrated that an appropriate annealing procedure can dramatically decrease their densities. The second part tackles the problem of the manganese valence and the doping type of di- and tetravalent-ion-doped LaMnO3. The question whether the insulating parent compound LaMnO3 becomes an electron-doped semiconductor after doping with tetravalent cations such as Ce4+ - which would be in analogy to the well-established hole doping after partial substitution of La3+ by divalent cations such as Sr2+ or Ca2+ - has been discussed controversially in the literature so far. Due to the physics of the manganite crystal lattice the question can also be formulated in a different way: Can part of the manganese ions be driven from the Mn3+ state towards the Mn2+ state without any crystal instabilities or phase separation phenomena? In order to contribute to the clarification of this question, an extensive X-ray- and UV-photoelectron spectroscopy (XPS/UPS) investigation was performed. The three differently doped lanthanum manganite thin films were comparatively studied considering the exchange splitting of the Mn 3s core level line, which is a linear function of the Mn valence, as measured by XPS and the work function as extracted from UPS. All measurements were performed at different states of deoxygenation after heating in ultrahigh vacuum and reoxidation after heating in a pure oxygen atmosphere. Strong evidence for electron doping of the La0.7Ce0.3MnO3 film after deoxygenation was found. Furthermore, the reversible tunability of the Mn valence by variation of the oxygen content could be demonstrated for both tetravalent- and divalent-ion-doped lanthanum manganite films. / Oxidische Komplexverbindungen können eine Vielzahl an funktionellen Eigenschaften, wie z.B. Ferroelastizität, Ferroelektrizität, Ferro- und Antiferromagnetismus sowie kompliziertere magnetische Ordnungen, die Kombination und Interaktion solcher ferroischer Eigenschaften (Multiferroizität), hohe Spinpolarisation oder Hochtemperatursupraleitung aufweisen und gelten daher als aussichtsreiche Materialien für die zukünftige Mikroelektronik. Entscheidend für die Funktionsfähigkeit oxidischer Bauelemente sind deren elektronische Transporteigenschaften, die in äußerst sensibler Weise von der Verteilung und Dichte von ex- oder intrinsischen elektronischen Defektzuständen an Grenz- und Oberflächen innerhalb der Bauelementstruktur abhängen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Spektroskopie solcher elektronischer Eigenschaften mittels photonenbasierter Methoden. Im Fokus stehen dabei perowskitische Oxide , speziell das Modellperowskit Strontiumtitanat (SrTiO3) als Substrat und darauf mittels gepulster Laserdeposition (PLD) abgeschiedene dünne Filme (10-15 nm Dicke) dotierter Lanthanmanganate (La0.7Sr0.3MnO, La0.7Ca0.3MnO3, La0.7Ce0.3MnO3). Im Rahmen einer halbleiterphysikalischen Interpretation widmet sich der erste Teilder Identifikation elektronischer Ober- und Grenzflächenzustände an der SrTiO3-Oberfläche sowie an verschiedenen Lanthanmanganat/SrTiO3-Grenzflächen mittels dreier unterschiedlicher experimenteller Methoden zur Vermessung der Oberflächenphotospannung: der Photoelektronenspektroskopie unter zusätzlicher optischer Anregung, einer kapazitiven Detektionsmethode in Plattenkondensatorgeometrie unter modulierter optischer Anregung und der optischen Kelvin-Sonde. Neben einem auf die bei oxidischen Ober- und Grenzflächen auftretenden besonderen Herausforderungen zugeschnittenen Methodenvergleich werden Grenzflächenzustände bezüglich ihrer energetischen Position in der Bandlücke des SrTiO3 und ihres Relaxationsverhaltens analysiert, als substrat- oder filminduziert klassifiziert, und die Verringerung ihrer Dichte nach geeigneter Ausheilprozedur wird nachgewiesen. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der in der Literatur bisher kontrovers diskutierten Frage, ob sich die isolierende Stammverbindung LaMnO3 durch Dotierung mit tetravalenten Kationen, wie z.B. Ce4+, in einen elektronendotierten Halbleiter verwandeln lässt - analog zur Herstellung lochdotierter Lanthanmanganate durch Dotierung mit divalenten Kationen, wie z.B. Sr2+ oder Ca2+. Die Frage ist äquivalent zur Betrachtung, ob unter Beibehaltung der Stabilität des Kristallgitters ein Teil der Manganionen vom Mn3+-Zustand in den Mn2+-Zustand übergehen kann. Um einen Beitrag zur Klärung dieses Problems zu leisten, wurden als elektronisch sensitive Methoden die Röntgen- und UV-Photoelektronenspektroskopie (XPS/UPS) gewählt. Die oben genannten Lanthanmanganatfilme wurden dazu hinsichtlich der Austauschaufspaltung der Mangan-3s-Linie im XP-Spektrum, die in linearer Weise von der Manganvalenz abhängt, und der anhand der Breite des UP-Spektrums ermittelten Austrittsarbeit jeweils nach Reinigung der Oberfläche im Ultrahochvakuum (UHV) vergleichend untersucht. Die Messungen wurden nach unterschiedlich starker Desoxidation durch Heizen im UHV und Reoxidierung durch Heizen in Sauerstoffatmosphäre durchgeführt. Es konnte nachgewiesen werden, dass eine Elektronendotierung des La0.7Ce0.3MnO3-Films bei geeigneter Einstellung des Sauerstoffgehalts tatsächlich möglich ist. Außerdem wurde gezeigt, dass sich sowohl in di- als auch in tetravalent dotierten Lanthanmanganatfilmen die Manganvalenz und damit der Dotierungstyp reversibel durchstimmen lässt.

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