Germanium, tin and (zinc) gallium oxide for advanced micro- and optoelectronics : insights into the surface electronic structure with photoemission techniques

Autor: Reichmann, Felix
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2023
Předmět:
Popis: Historically, Ge is one of the oldest materials in the semiconductor industry and its (001) surface has been the subject of extensive investigations by photoelectron spectroscopy. I am going to challenge the predominant attribution of a semi-conducting nature of the Ge(001) surface in this thesis. My investigations reveal the presence of a Ge(001) surface state above the Fermi-level, occupied at room temperature. Employing time- and temperature-dependent angle-resolved photoelectron spectroscopy, I will demonstrate that the presence of this surface state is evidence for the conducting nature of the surface at room temperature. Sparked by the remarkable properties of the GeSn-alloy and a trend towards Ge-Sn-related multiquantum well fabrication, I investigate the surface electronic structure of Ge(001) after adsorption and incorporation of Sn. With an in-depth analysis of surface core-level shifts, I will extend the growth model of the Sn wetting layer formation by also detailing structural changes in the subsurface region. At the same time, the modifications of the electronic structure will be detailed, observing the removal of the Ge(001) surface states, the creation of a new, Sn-related surface state and the initial stages of the Schottky barrier formation. β-Ga2O3 is a transparent semi-conducting oxide that has sparked a lot of interest over the last decade, because it offers an ultra-wide band gap and high break down voltage. However, due to its monoclinic crystal structure, device fabrication is rather challenging and researchers are already looking into alternative materials. One of these candidates is ϵ-Ga2O3 and this work presents a combined study by photoelectron spectroscopy and ab initio calculations of its electronic structure. (Hard) X-rays reveal the impact of photoelectron recoil and the absence of a band bending to the surface, while the dispersion of experimentally determined valence states compares favorably with the calculations based on hybrid density-functional theory. Another alternative to β-Ga2O3 could be ZnGa2O4 and I will present an investigation on the electronic structure of its (100) surface. Due to the novelty of ZnGa2O4 single-crystals, I am first going to explore the preparation of a clean and well-ordered surface by standard in-situ sputtering and annealing. I will show that already low annealing temperatures induce Zn-deficiency, leading to non-stoichiometric surfaces, further exacerbated by sputtering. By changing the sputtering parameters and the annealing conditions, the preparation of a surface with sufficient quality for subsequent investigations will be demonstrated. The results by photoemission techniques compare favorably with the expectations from theory and allowing the first fundamental insights into the surface electronic structure.
Ge ist eines der ältesten Materialien in der Geschichte der Halbleiter-Industrie und die Ge(001) Oberfläche wurde bereits umfassend durch Photoelektronenspektroskopie untersucht. Die dominierende Zuschreibung einer halbleitenden Eigenschaft der Oberfläche werde ich in dieser Dissertation anfechten. Meine Untersuchungen zeigen einen Ge(001) Oberflächenzustand oberhalb des Fermi-Niveaus, der bei Raumtemperatur besetzt ist. Durch zeit- und temperaturabhängige, winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie werde ich zeigen, dass die Beobachtung dieses Zustands der Beweis für die leitende Eigenschaft der Oberfläche, bei Raumtemperatur, ist. Inspiriert von den außergewöhnlichen Eigenschaften der GeSn-Legierung und einem Trend hin zu Ge-Sn-basierten Multi-Quantentopfstrukturen, werde ich die Modifizierung der Ge(001) Oberflächenbandstruktur nach Adsorption von Sn untersuchen. Mit einer detaillierten Analyse von Energie-Niveau-Verschiebungen, der inneren Elektronen der Oberflächenatome, werde ich das Modell des Sn-Wachstums auf der Ge (001) Oberfläche, um die darunter liegenden Schichten erweitern. Gleichzeitig werden Änderungen in der elektronischen Struktur gemessen. So kann die Entfernung von Ge(001) Oberflächenzuständen, die Entstehung eines neuen, Sn-basierten Oberflächenszustands und die ersten Stufen der Formation der Schottky-Barriere beobachtet werden. β-Ga2O3 ist ein transparentes halbeleitendes Oxid, welches im vergangenen Jahrzehnt dank seiner extrem breiten Bandlücke und hohen Durchbruchspannung großes Interesse geweckt hat. Jedoch ist die Herstellung von Bauteilen aufgrund der monoklinischen Kristallstruktur eine Herausforderung und Wissenschaftler suchen bereits nach alternativen Materialien. Ein möglicher Kandidat ist ϵ- Ga2O3 und in dieser Arbeit wird dessen elektronische Bandstruktur mit einer Kombination aus Photoelektronenspektroskopie und ab initio Berechnungen untersucht. (Harte) Röntgenstrahlung erlaubt die Beobachtung von Rückstoßeffekten der Photoelektronen und die Abwesenheit von Bandverbiegungen, während die Dispersionen der experimentell gemessenen Valenzbandzustände Berechnungen mit hybrid-density-functional-Theorie bestätigen. Eine andere Alternative zu β-Ga2O3 könnte ZnGa2O4 sein und ich werde eine Untersuchung der elektronischen Struktur, der (100)-Oberfläche präsentieren. Aufgrund die Neuartigkeit von ZnGa2O4-Einkristallen werde ich zuerst die Vorbereitung einer sauberen und kristallinen Oberfläche mittels in-situ Sputtern und Heizen untersuchen. Ich werde zeigen, dass es selbst bei niedrigen Heiztemperaturen zu Zn-Mangel in der Oberfläche kommt, welcher sich durch Sputtern verschlimmert. Durch das ändern der Sputterparameter und der Bedingungen beim Heizen, werde ich eine Oberfläche mit hinreichender Qualität für eine weitergehende Charakterisierung der elektronischen Struktur demonstrieren. Die Ergebnisse aus der Photoelektronenspektroskopie passen zu theoretischen Berechnungen der Bandstruktur und liefern somit die ersten Einsichten in die elektronische Struktur der Oberfläche.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: