Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit werden die physikalischen Eigenschaften, insbesondere die elektrische Leitfähigkeit, von Zink-Zinn-Oxid Dünnschichten sowie darauf basierenden Schottky-Dioden in Abhängigkeit von der Kationenkomposition bestimmt. Zur Herstellung dieser Dünnschichten wurde ein Verfahren genutzt, welches die Herstellung von kontinuierlichen Kompositiongradienten im Rahmen eines gepulsten Laserabscheidungsprozesses bei Raumtemperatur ermöglicht. Erster Schwerpunkt der Diskussion ist die Abhängigkeit elektrischer Eigenschaften der Dünnschichten sowie die Diodeneigenschaften vom Kationenverhältnis. Des Weiteren wird die Langzeitstabilität der Schottky-Dioden und der Einfluss der Sauerstoffzufuhr während der Kontaktherstellung auf die Eigenschaften der Schottky-Dioden herausgestellt. DieErgebnissetiefenaufgelösterRöntgenphotoelektronenspektroskopiewerden diskutiert und ein Mechanismus, welcher zu einer Verbesserung der Schottky-Dioden über die Zeit führt, wird vorgestellt. Die Erkenntnisse über die optimale Kationenkomposition und den Einfluss des Sauerstoffs auf die Eigenschaften von Schottky-Dioden wurden genutzt, um Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren herzustellen, welche im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit beschrieben werden. In einem ersten Schritt wurden hierfür die Abscheidebedingungen in der Sputterkammer optimiert und eine neue Abscheiderezeptur für die Herstellung von Feldeffekttransistoren eingeführt. Auch hier finden alle Abscheidungen bei Raumtemperatur statt. Die Abscheidung mittels Sputtern wurde gewählt, da diese Abscheidemethode größere industrielle Relevanz als die gepulste Laserabscheidung hat. Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren mit zwei verschiedenen Gate-Typen werden vorgestellt und jeweils der Einfluss der Kanalschichtdicke auf die Transistoreigenschaften untersucht. Der Einfluss des durch die Herstellung erzeugten Sauerstoffreservoirs in dem Schottky-Gate Kontakt auf die Eigenschaften der Feldeffekttransistoren wird ebenso gezeigt wie der Einfluss eines thermischen Ausheizprozesses auf die Schaltgeschwindigkeit der Feldeffekttransistoren. Außerdem werden einfache Inverter, welche auf zwei gleichartigen Feldeffekttransistoren basieren, vorgestellt. Ebenfalls werden SchottkyDioden Feldeffekttransistoren Logik basierte Inverter vorgestellt und charakterisiert. AbschließendwerdenRingoszillatoren,aufgebautausmehrereninReihegeschaltetenSchottkyDiodenFeldeffekttransistorenLogikbasiertenInverternvorgestellt. DerEinflussderKanalschichtdicke und der Gate-Geometrie auf die Oszillationsfrequenz wird diskutiert.:Contents
1 Introduction
2 Theoretical Descriptions
2.1 The Amorphous Semiconductor Zinc Tin Oxide
2.2 Schottky Barrier Diodes
2.3 Field-Effect Transistors
2.4 Inverter
2.5 Inverter Chain and Ring Oscillator
3 Methods
3.1 Growth and Structuring Techniques
3.1.1 Pulsed Laser Deposition
3.1.2 Sputtering Deposition
3.1.3 Photolithography
3.2 Characterization Techniques
3.2.1 Hall Effect Measurements
3.2.2 XRD and XRR Measurements
3.2.3 Static and Dynamic Current-Voltage Measurements
3.2.4 Further Characterization Techniques
4 Physical Properties of Amorphous Zinc Tin Oxide
4.1 Characterization of Pulsed Laser Deposited Zinc Tin Oxide Thin Films Having a Continuous Composition Spread
4.2 Properties of Schottky Barrier Diodes in Dependence on the Cation Composition
4.3 Long Term Stability of Schottky Barrier Diodes
4.4 ImportantRoleofOxygenfortheFormationofHighlyRectifyingContacts
4.5 Processes Governing the Long Term Stability
5 Demonstration and Characterization of Zinc Tin Oxide Based Devices
5.1 Implementation of a New Sputtering Recipe
5.1.1 CharacterizationandElectricalOptimizationoftheZincTinOxide Thin Films
.1.2 Optimization of the Gate Contact
5.2 Devices with PtOx/Pt Gate Contact
5.2.1 Variation of the Channel Thickness
5.2.2 Influence of the Oxygen Reservoir on the Performance and Long Term Stability of Devices
5.2.3 Tuning of the Electron Mobility
5.2.4 Frequency Dependent Switching of Transistors
5.3 Devices with i-ZTO/PtOx/Pt Gate Contact
5.3.1 Transistors with Varying Channel Thickness
5.3.2 Simple Inverter
5.3.3 SDFL Inverter
5.3.4 Inverter Chain
5.3.5 Ring Oscillators
5.4 Comparison to Literature
6 Summary and Outlook
Abbreviations
List of Symbols
Bibliography
List of Own and Contributed Articles
Appendix / In the first part of the present work the physical properties, especially the electrical properties, of zinc tin oxide thin films as well as Schottky diodes based thereon are determined as a function of the cation composition. For film growth, a room temperature pulsed laser deposition process was used, which allows the realization of a continuous composition gradient within one sample. First focus of the discussion is the dependence of electrical properties of thin films as well as diode properties on the cation ratio. Furthermore, the long-term stability of the Schottky diodes and the influence of the oxygen supply during contact fabrication on the properties of the Schottky diodes are highlighted. The results of depth-resolved Xray photoelectron spectroscopy measurements are discussed and a mechanism leading to an improvement of the Schottky diodes over time is elucidated. The findings on the optimal cation composition and the influence of oxygen on the properties of Schottky diodes were used to produce metal-semiconductor field-effect transistors, which are described in the second part of this thesis. In a first step, the deposition conditions in the sputter chamber were optimized and a new deposition recipe for the fabrication of field effect transistors was developed. Here, too, all depositions take place at room temperature. Sputter deposition was chosen because this deposition method has greater industrial relevance than pulsed laser deposition. Metal-semiconductor field-effect-transistors with two different gate types are presented and the influence of the channel layer thickness on the transistor properties is investigated. The influence of the oxygen reservoir in the Schottky gate contact on the properties of the field-effect-transistors is shown as well as the influence of a thermal annealing process on the switching speed of the field-effect-transistors. In addition, simple inverters based on two identical field-effect-transistors are demonstrated. Also Schottky diode field-effect-transistor logic based inverters are presented and characterized. Finally, ring oscillators consisting of several series-connected Schottky diode field-effecttransistor logic based inverters are presented. The influence of channel layer thickness and gate geometry on the oscillation frequency is discussed.:Contents
1 Introduction
2 Theoretical Descriptions
2.1 The Amorphous Semiconductor Zinc Tin Oxide
2.2 Schottky Barrier Diodes
2.3 Field-Effect Transistors
2.4 Inverter
2.5 Inverter Chain and Ring Oscillator
3 Methods
3.1 Growth and Structuring Techniques
3.1.1 Pulsed Laser Deposition
3.1.2 Sputtering Deposition
3.1.3 Photolithography
3.2 Characterization Techniques
3.2.1 Hall Effect Measurements
3.2.2 XRD and XRR Measurements
3.2.3 Static and Dynamic Current-Voltage Measurements
3.2.4 Further Characterization Techniques
4 Physical Properties of Amorphous Zinc Tin Oxide
4.1 Characterization of Pulsed Laser Deposited Zinc Tin Oxide Thin Films Having a Continuous Composition Spread
4.2 Properties of Schottky Barrier Diodes in Dependence on the Cation Composition
4.3 Long Term Stability of Schottky Barrier Diodes
4.4 ImportantRoleofOxygenfortheFormationofHighlyRectifyingContacts
4.5 Processes Governing the Long Term Stability
5 Demonstration and Characterization of Zinc Tin Oxide Based Devices
5.1 Implementation of a New Sputtering Recipe
5.1.1 CharacterizationandElectricalOptimizationoftheZincTinOxide Thin Films
.1.2 Optimization of the Gate Contact
5.2 Devices with PtOx/Pt Gate Contact
5.2.1 Variation of the Channel Thickness
5.2.2 Influence of the Oxygen Reservoir on the Performance and Long Term Stability of Devices
5.2.3 Tuning of the Electron Mobility
5.2.4 Frequency Dependent Switching of Transistors
5.3 Devices with i-ZTO/PtOx/Pt Gate Contact
5.3.1 Transistors with Varying Channel Thickness
5.3.2 Simple Inverter
5.3.3 SDFL Inverter
5.3.4 Inverter Chain
5.3.5 Ring Oscillators
5.4 Comparison to Literature
6 Summary and Outlook
Abbreviations
List of Symbols
Bibliography
List of Own and Contributed Articles
Appendix
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:71690 |
| Date | 10 August 2020 |
| Creators | Vogt, Sofie |
| Contributors | Universität Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/acceptedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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